¿Por qué no hay aviones de carga con diseño de "ala voladora"?

Se pueden hacer alas voladoras para que tengan cualidades de vuelo aceptables sin ninguna ayuda artificial. Basta con mirar los diseños de planeadores de Jim Marske.

La desventaja principal de las alas voladoras es que la estabilidad en el cabeceo se logra prácticamente de la misma manera que con una cola convencional, con una fuerza hacia abajo que equilibra el centro de gravedad hacia adelante del fulcro del punto neutral de las fuerzas de sustentación, pero todo está siendo hecho sobre el brazo de momento muy corto de la propia cuerda del ala. En otras palabras, la "cola" se ha movido hacia el borde de fuga del ala principal.

Hay muchos problemas que resultan de esto, problemas de sensibilidad de cabeceo y amortiguación y todo eso, pero el más grande desde la perspectiva de un avión de carga es un rango de centro de gravedad muy estrecho. No es gran cosa en un bombardero con una carga de bombas concentrada, o un planeador que no tiene que hacer frente a las variaciones de carga, pero es más importante en un carguero. Se ve obligado a distribuir la carga y el volumen del fuselaje lateralmente, creando mucho más área frontal de la necesaria (en efecto, está girando el fuselaje hacia los lados), por lo que termina cancelando el beneficio de arrastre de eliminar la cola en el primer lugar, y aún terminan con una configuración "temperamental".

Los aviones de carga (fuera de los militares) casi siempre comenzaron su vida como aviones de pasajeros . La proporción de aeronaves de carga grandes activas a aeronaves de pasajeros se expresa en porcentajes únicos . Por lo tanto, nadie desarrolla un avión de carga puro desde cero.

Eso no quiere decir que nadie lo haya intentado. Especialmente para la carga, se han propuesto grandes alas voladoras que almacenan su carga en contenedores a lo largo de la envergadura, de ahí su nombre: Spanloaders. A continuación se muestra una impresión de artista de la década de 1970.

Concepto de carguero de carga distribuida Boeing Model 759-159 de la década de 1970 ( fuente de la imagen )

Para empezar, con lo que cuesta diseñar y certificar un nuevo tipo de aeronave, si una nave de transporte no se puede reconfigurar para transportar pasajeros o carga, no saldrá adelante. Los transportes convencionales que tenemos se pueden cambiar de carga a pasajeros y viceversa, algunos en tan solo unas horas. Para que un transporte que no sea de pasajeros compita, tendría que ser mucho más barato (de comprar y de operar) que un fuselaje polivalente.

Además de las otras respuestas, una de las razones de la falta de alas voladoras en la aviación civil en general es que necesitan competir en un entorno que ha crecido junto con los aviones convencionales de fuselaje y alas y que no es adecuado para las alas voladoras.

Esto significa que deben usar los mismos aeropuertos (radios de giro, anchos de RWY), encajar en los mismos espacios de estacionamiento (envergadura) y ser atendidos por los mismos vehículos terrestres (alturas de bahía, espacios libres entre alas). Porque se ha considerado que rediseñar toda una industria de equipos auxiliares e infraestructura no vale la pena por las pequeñas ganancias de eficiencia que se obtienen con las alas voladoras.

Las alas voladoras simplemente no tienen mucho espacio interno para la carga, por lo que no sirven para los aviones de carga.

Usted menciona el B-2 que llevará 18 toneladas de bombas. Sin embargo, las bombas son pequeñas y pesadas: por ejemplo, una bomba estadounidense Mark 82 es esencialmente una caja de metal de 130 kg (300 lb) llena con 90 kg (200 lb) de explosivos. La mayoría de la carga de las aerolíneas no se empaqueta en cajas de metal gruesas y pesadas como esa, por lo que convertir la bahía de bombas del B-2 en una bahía de carga no crearía un avión de carga muy útil.

_{Lo cual es bueno, porque la designación C-2 ya está tomada . *golpe de aro*}

Me gustaría discutir el argumento de la estabilidad con un poco más de detalle. Dado que es cierto que la estabilidad longitudinal estática es la razón principal por la que estos aviones no se desarrollan a menudo.
Sin embargo, el razonamiento dado en las otras publicaciones está incompleto o no es completamente correcto.

En primer lugar, un ala voladora tiene un margen de estabilidad muy pequeño. Esto se puede resolver con algunos diseños de alas no convencionales: esto tiene el problema de derrotar en gran medida la ganancia de eficiencia de usar una configuración de ala voladora.
El otro método, empleado por el espíritu B2, es usar un controlador activo para controlar las superficies de control. Esto tiene el inconveniente de aumentar la complejidad de la aeronave y pasar las pruebas reglamentarias es aún más difícil. alguna referencia .

Estabilidad longitudinal estática

Voy a explicar un poco más en detalle la estabilidad longitudinal estática. Primero definimos estabilidad: ser estable significa que siempre que se aplique una pequeña excitación al objeto, el objeto se "recuperará" a sí mismo.
La estabilidad longitudinal significa que una excitación en la dirección longitudinal, por lo tanto, un cambio en el tono/ángulo de ataque ($\alpha$), necesita ser contrarrestado por "algún" momento. Dado que una aeronave durante el crucero en equilibrio, un aumento en el ángulo de ataque, debería conducir a un momento negativo. - Una reducción del ángulo de ataque debería conducir a un momento de respuesta positivo.

O de forma matemática: (definición)

un ala sencilla

Ahora veamos primero una configuración simple: solo un ala. Dado que la sustentación generada por un ala se debe a una fuerza distribuida, un ala siempre tendrá una fuerza de sustentación y un momento de sustentación (excepto en un solo punto donde el momento es cero, sin embargo, este punto cambia con las condiciones de vuelo). - En aviación eliminamos las unidades por simplicidad. Así que tenemos una fuerza$C_L$y un momento$C_M$.

En un perfil aerodinámico también hay un punto donde el factor entre$C_L$y$C_M$no cambia con el ángulo de ataque. Este punto se llama centro aerodinámico y es un punto estático dado por la forma del perfil aerodinámico: por lo tanto, se usa para calcular.

Entonces (por definición):

Ahora, dado que un ala siempre genera más sustentación bajo un ángulo de ataque más alto, en realidad consideramos que la C_L - \alphacurva es lineal. (Para la estabilidad, consideramos pequeños cambios en el ángulo de ataque) se cumple lo siguiente:

Junto con la ecuación anterior:

aviones convencionales

Primero quiero referirme a la estabilidad de los aviones convencionales en este punto, ya que parece haber mucha información contradictoria.

Para esto, considere la siguiente configuración (observe que los puntos donde el elevador "se une" al ala y la cola se definen como el centro aerodinámico para estos cálculos; podríamos usar cualquier punto, pero usar CA reduce mucho la complejidad).

De las ecuaciones de equilibrio estático:

La sustentación debida al ajuste en el plano de cola es más compleja (debido a la corriente descendente no despreciable del ala principal en el flujo de aire en la cola (${\epsilon}$). ($C_l$= coeficiente de sustentación de la sección de cola)). - Simplificando, consideramos que el plano de cola horizontal es un perfil aerodinámico simétrico, así que levante en$\eta=0$es cero (del plano de cola).

De manera similar, la ecuación del momento se puede escribir:

Ahora, desde la primera ecuación nuevamente, el diferencial parcial de la ecuación del momento con respecto al ángulo de ataque debe ser negativo:

Ahora hay que hacer una definición final, una distancia$h$desde el centro de gravedad de modo que para el ala total la ecuación de momento se puede escribir como:

Resolver todas las ecuaciones (ver wikipedia para más detalles ) conduce a:

Con$c$siendo el principal acorde aerodinámico del ala principal. (Introducido una vez más para reducir la cantidad de unidades con las que trabajamos). Para la estabilidad (ya que$C_{M_\alpha}$tiene que ser negativo)$h$tiene que ser negativo. Analicemos el resultado anterior:

Esta parte, llamada "volumen de cola", consta de definiciones geométricas de un avión y no cambiará.

Esto nos permite definir el margen de estabilidad como:

Tenga en cuenta que dado que el segundo término siempre es positivo, tener un negativo$x_g$, o (ver imagen arriba) tener el centro de gravedad frente al centro aerodinámico del ala principal. siempre dará una configuración estable. Y recuerda que el centro aerodinámico no cambia con el ángulo de ataque. (El centro de gravedad puede cambiar durante el crucero debido al consumo de combustible, pero esto generalmente se mitiga en la práctica con bombas, y cambiar el centro de gravedad hacia adelante siempre dará una aeronave más estable).

punto neutro

Ahora, finalmente, estamos en el punto neutral , que se usó en otra respuesta incorrectamente de manera consistente. El punto neutral es, por definición, el punto en el que un avión es "simplemente" estable:$h=0$

De esto se deduce que el "rango" entre el cual el centro de gravedad puede cambiar es entre la nariz de la aeronave (negativo$x_g$) y un punto dado principalmente por el volumen de la cola. El volumen de la cola se influye más fácilmente cambiando la superficie de la cola o la distancia entre el ala principal y la cola.

Configuración de ala voladora

Finalmente volvamos al punto original, la configuración del ala voladora. Un ala voladora, por definición, no tiene cola detrás del ala principal. Por lo tanto, el volumen de la cola es cero.

Por lo tanto, el punto neutral de un ala voladora está exactamente en el centro aerodinámico. Que es para un diseño de ala convencional aproximadamente 1/4 de la distancia de la cuerda.

por lo tanto, un ala voladora tiene, sin modificaciones, un pequeño margen de estabilidad inutilizable

Ala delta y canard

También me gustaría pasar rápidamente a la configuración de ala delta y canard, como para el concorde o el f16. Estos diseños están impulsados ​​por otro parámetro (arrastre de onda de choque/algo más, como un control más eficiente debido a que no hay flujo descendente).

Sin embargo, la estabilidad de este tipo de aviones es muy diferente: si bien la imagen de arriba todavía se puede usar, debemos tener en cuenta que$l_t$es, por diseño, negativo. Esto cambia la ubicación del punto neutral para que siempre esté frente al ala principal. Y muchos de esos diseños también tienen superficies de control activas y son inherentemente inestables.

(El nombre "canard" incluso vino de esto: cuando el hermano Wright creó el primer avión propulsado, en Francia la gente no lo creía. Lo llamaron lo que hoy llamaríamos "noticias falsas". El término para noticias falsas era " canard" en Francia, por lo que llamaron al diseño un "canard").

Se trata del rango CG y cuánto abuso puede soportar el diseño. Echa un vistazo al C-130 Hércules. Tiene un Hstab enorme para hacer frente a una amplia gama de CG. Realmente un biplano. También lo es el helicóptero Chinook. Sosteniendo la mesa con 4 patas (6 con canard).

Entonces, ¿qué hacemos para llegar a un ala voladora viable? El barrido hacia atrás ofrece una mejora en la estabilidad de cabeceo a medida que (con lavado) alarga el avión. Las superficies de control se pueden colocar en las puntas de las alas. Las superficies aerodinámicas de camber reflejadas también ayudan. ¿Cómo hacer frente a la pérdida de un fuselaje más largo/brazo de torsión de cabeceo Hstab? Haga que la bahía de carga se coloque sobre un rodillo en CG. Tire hacia adelante hasta que se incline. ¡Seguridad, carga equilibrada! Los tanques de combustible se pueden arreglar para drenar uniformemente. Suponiendo un diseño subsónico con una estabilidad estática casi neutra, incluso puede volar sin computadoras.

Pero se debe tener en cuenta el importante cambio en Clift con el cambio en AOA o velocidad aerodinámica. Entonces, una cola pequeña, como la que tienen las aves, puede ayudar a construir un mejor margen de seguridad para el diseño, con o sin computadoras. Lo mismo ocurre con las alas de aspecto inferior. Curiosamente, un pájaro que mueve sus alas hacia atrás se convierte en... un delta. Barrerlos hacia atrás ... ¿un F-111?

Es posible reducir el tamaño de la cola en aviones de carga y de pasajeros.

El primer avión estable certificado voló en 1910 en (y sin) las manos de JW Dunne. También fue el primer avión barrido sin cola en volar, una especie de ala voladora de biplano, excepto que todo estaba apilado entre las alas, por lo que no es un verdadero ala voladora. Los contemporáneos Handley Page e Igo Etrich se vieron obligados a añadir colas a sus intentos más parecidos a los pájaros. Si un tipo dado sin cola es adecuadamente estable es complejo y sutil de analizar y muchos diseñadores se han equivocado desde entonces. En 1913, Dunne dio una conferencia a la Sociedad Aeronáutica en términos inequívocos sobre por qué su trabajo funcionó y los demás fallaron, es una lectura fascinante incluso hoy.

Pero todos han estado de acuerdo en que el tipo subsónico sin cola tiene un rango de CG estrecho. Eso no es un problema, siempre que haga el equilibrio de carga correctamente, pero hace que la tarea sea aún más incómoda de lo habitual.

El verdadero asesino de los aviones de carga es que la bodega de un ala voladora solo es lo suficientemente profunda como para ser práctica en un diseño enorme, de lo contrario, el ala sería demasiado gruesa y lenta. Ningún avión existente se ha hecho lo suficientemente grande como para que valga la pena. Para que tenga sentido, necesita una carga útil de más de 500 toneladas (equivalente a alrededor de 5000 pasajeros), seis veces el Airbus A380 o tres aviones de carga An-225 o dos Stratolaunch Rocs. Ah, y los aeropuertos desde donde volar.

Economía sencilla. ¿Por qué gastar miles de millones y años diseñando un nuevo avión desde cero, especialmente uno que utiliza tecnología no probada en aplicaciones civiles (ala voladora), cuando puede gastar millones y meses comprando aviones de pasajeros que utilizan tecnología probada y comprobada, y reacondicionarlos? para las necesidades de carga?

Si bien todas las demás respuestas abordan bastantes problemas prácticos que los aviones de carga con alas voladoras tendrían que combatir, también existe el problema de que los operadores de aviones tienden a ser muy conservadores al comprar aviones caros. Esa es una de las principales razones por las que el diseño de aviones comerciales no ha cambiado realmente en los últimos 50 años. Comprar aviones con un diseño radicalmente nuevo es arriesgado. Mejor invierta en tecnología comprobada que podría ser menos eficiente en lugar de arriesgarse a perder toda su inversión si el nuevo diseño resulta ser un fracaso.