¿Por qué una variante elástica necesitaría un estabilizador horizontal más grande?

Con el tramo del 787-10, Vedad Mahmulyin (ingeniero de Boeing) ahorró millones a la empresa al implementar una solución de software que eliminaba la necesidad de agrandar el estabilizador horizontal.

El software nuevamente resultó útil con el dimensionamiento de las colas horizontales. Como una extensión del 787-9, el diseño de los aviones de los libros de texto sugeriría que el 787-10 necesitaría estabilizadores horizontales más grandes, compensando el efecto del fuselaje más largo en el control de cabeceo. En cambio, el ingeniero de Boeing, Vedad Mahmulyin, utilizó un software para aumentar la eficacia de los estabilizadores existentes. Boeing le otorgó a Mahmulyin un premio de ingeniería interna por resolver el problema.

Vuelo Internacional (27 Mar 2018)

Cuando un avión se contrae, ese suele ser el caso debido al brazo de momento reducido. Cuando se estira, el volumen de la cola se mantiene si entiendo correctamente este comentario sobre el estiramiento DC-10/MD-11:

¿La cola del MD-11 no es más pequeña porque tiene un brazo de palanca más largo? El volumen de cola de ambos aviones debería ser bastante el mismo. Además, ningún FCS puede ayudar a compensar la aeronave en una amplia gama de posiciones del centro de gravedad, y es este rango de compensación el que impulsa el volumen de la superficie de la cola. @PeterKämpf

Entonces, ¿por qué una variante elástica necesitaría un estabilizador horizontal más grande?

Además, de una entrevista con Mahmulyin:

Mahmulyin descubrió que podía usar un software para decirle a las alas y los estabilizadores cómo volar juntos, "en lugar de tener que producir todos los nuevos estabilizadores horizontales y verticales", dijo.

¿Qué significa "volar juntos"? (Esta es una pregunta opcional y no involucra información de propiedad).

Actualizar y aceptar motivo

La razón por la que pregunto por qué en lugar de por qué es que no estaba al tanto de ningún tramo anterior [de avión de pasajeros] que requiriera un estabilizador horizontal más grande. Por ejemplo, todos los DC-8 desde el más corto al más largo (casi el mismo tramo que el 787-10) retuvieron el estabilizador horizontal en todo momento:

ingrese la descripción de la imagen aquí
Fuente: Grandes aviones de pasajeros; click para ver

Pero finalmente recordé una situación en la que sucedió, el 737 Classic, y la razón dada es la "flexibilidad de carga hacia adelante y hacia atrás", en otras palabras, el rango de cg, y es por eso que estoy aceptando la respuesta de @jwzumwalt.

Según esto no se trata de evitar una cola más grande sino de evitar una cola más fuerte. La patente trata de limitar las cargas de cola a alta presión dinámica de manera diferente cuando se activa el sistema de alivio de ráfagas.
@PeterKämpf: también revisé tu conversación con DL. Un excelente hallazgo. Estoy de acuerdo en que la cobertura de Flight fue mejor en las últimas décadas y había poco para continuar. Podría terminar haciendo una pregunta de enlace. Gracias por llevarlo más lejos.
La cuestión de por qué un avión estirado necesitaría una cola más grande era demasiado sorprendente para dejarme solo.
El primer modelo clásico 737 (el -300) tenía una cola más grande que el -200 del que se derivó, pero esto fue generacional no debido a un estiramiento. El -500 que reemplazó directamente al -200 tenía una cola de tamaño -300.

Respuestas (3)

Cuando se estira el fuselaje, el brazo del estabilizador horizontal aumenta y, por lo tanto, su efectividad aumenta linealmente con la longitud del fuselaje.

Sin embargo, debido a que la masa se distribuye más lejos del centro de gravedad, el momento de inercia de cabeceo también aumenta.

Si el fuselaje se modelara como una barra uniforme, el momento de inercia en el cabeceo sería 1 12 metro L 2 , con masa metro y longitud L .

imagen de una barra y la formula de momento e inercia

fuente: hiperfísica.phy-astr.gsu.edu

Ves que el momento de inercia aumenta con el cuadrado de la longitud del fuselaje, mientras que la efectividad del elevador aumenta linealmente con la longitud del fuselaje. El resultado neto es que se reduce la respuesta de cabeceo de un fuselaje más largo con el mismo estabilizador/elevador horizontal.

Además del cambio de inercia, el avión más pesado necesita flaps más potentes (antes de ranura doble frente a ranura única), lo que provoca un cambio de momento de cabeceo mayor.

Por lo tanto, un avión estirado necesita un elevador más efectivo.

En cuanto al significado de "volar juntos", asumo que esto significa que la solución de software para el 787-10 controla el momento de cabeceo de la aeronave no solo cambiando el ángulo de elevación, sino que también usa superficies de control en el ala.

Sin olvidar que un tramo, al ser más pesado, necesita flaps más potentes (doble ranura cuando antes bastaba con una sola ranura) lo que provoca un mayor cambio de momento de cabeceo. Eso es al menos tan probable como el aumento de la inercia para impulsar el tamaño del ascensor.
Morgen @PeterKämpf. Gracias por el comentario, lo incluiré en la respuesta. ¿Existe una regla general para cuantificar el cambio en el momento de cabeceo?
Oh chico, no es que yo conozca uno. También diría que normalmente una variante alargada necesita la misma cola o una más pequeña (ver la vertical aumentada del A318 para la situación opuesta). Esperaría que la cola más grande esté impulsada por el deseo de un margen de centro de gravedad más amplio. Desconozco qué sucedió en el caso del 787 y la corrección del software. ahora estoy investigando esto
Las patentes se refieren a las cargas de los ascensores, no al tamaño. Parece que el truco consiste en limitar la desviación del elevador de manera diferente cuando se activan los frenos de velocidad o un sistema de alivio de carga. Una tabla de consulta controla los límites variables de deflexión del elevador según la presión dinámica y el ángulo del estabilizador, pero eso no es exactamente nuevo. Parece que leí las patentes equivocadas, o Flight no aclaró los datos (tampoco es exactamente nuevo).
Si cree que las patentes que encontró son correctas, Flight probablemente esté ligeramente desviado. Reconsiderándolo, tiene sentido que el tamaño del estabilizador no debería cambiar, o incluso puede ser más pequeño, cuando aumenta la longitud del fuselaje. En la situación estática, el brazo aumentado aumenta el momento. En la situación dinámica, un movimiento de cabeceo provocará una mayor velocidad vertical de la cola y, por lo tanto, el cambio en el ángulo de ataque local del estabilizador horizontal debido a que la tasa de cabeceo aumenta con la longitud del fuselaje. Por lo tanto, la amortiguación de cabeceo es probablemente más efectiva en fuselajes más largos.
Tienes razón, la amortiguación aumenta con el cuadrado del brazo de palanca mientras que la estabilidad y la potencia de control crecen linealmente.
Para el acoplamiento de rodillo holandés e inercial, creo que aumentar Iy e Iz como usted describe en realidad aumenta la estabilidad. Hubo un artículo de la NASA sobre la dinámica de acoplamiento hace veinte años que discutía los efectos en el transbordador espacial re. el primero y la pérdida del X15 re. este último. El término rector para el acoplamiento de rodillos es (Ix-Iy)/Iz y el límite -1. Aumentar Iy e Iz acerca el resultado a cero, alejándolo del límite. Ambos son aviones de mayor velocidad, por lo que no conozco la aplicabilidad a los aviones.
  1. La razón principal es probablemente porque una cola más grande aumenta el rango del CG . No tiene sentido estirar un avión sin aumentar el rango del CG. calcular el volumen de la cola
  2. A menudo, la puñalada horz se utiliza para la capacidad de combustible adicional necesaria para los modelos estirados (es decir, MD11 y B747 ). "... el tanque de combustible de cola proporcionará mayor alcance y mejorará el rendimiento de la aeronave"
  3. Parte del estiramiento es hacia adelante del CG (y las alas) y, por lo tanto, contrarresta la efectividad de las colas. (Los aviones flotantes a menudo sufren el mismo problema de amartillado por clima adverso, por lo que a veces se agrega una superficie vertical adicional debajo del fuselaje).
  4. El tramo tendrá mayor peso bruto y las superficies de cola deberán superar una mayor inercia. Según las matemáticas del momento de inercia de @DeltaLima que se muestran a continuación.
¿Creo que tu 1. y 3. se contradicen entre sí? Si añado una sección delante del centro de gravedad y una sección detrás del centro de gravedad, y ambas las lleno con el mismo peso, ¿el centro de gravedad no cambiará? Además, no entiendo por qué menciona el volumen de la cola en 1. En todo caso, la versión estirada tendría una distancia mayor a la CA, lo que permitiría una cola más pequeña.
1) El rango de centro de gravedad principal está controlado por el MAC del ala (~15-30 %) y el tamaño del ala original se ajusta a los extremos del centro de gravedad. Cuando se estira, el rango de cg aumenta (brazo * peso) y cambiar la cuerda del ala no es práctico. Para ajustarse a los nuevos extremos del rango de cg, la cola se agranda. 3) Cualquier superficie por delante del centro de gravedad genera amartillamiento por clima adverso. El centro de gravedad de un avión flotante no cambia, pero la superficie de flotación agregada delante del centro de gravedad a menudo requiere un aumento de la superficie de cola, como la superficie vertical que se ve agregada debajo del fuselaje.
Pero, por lo general, un tramo agrega secciones al frente y después del ala, ¿entonces el rango del centro de gravedad no aumenta? Vea, por ejemplo , esta imagen donde se agregan más secciones al frente del ala que después para A321
Si su razón 1 fuera correcta, veríamos colas más grandes en todos los aviones estirados, pero esto es una rareza. En todo caso, la razón 2 (para ajuste, no para rango) es el medio por el cual los fabricantes evitan tener que hacer su razón 1.

Una variante de estiramiento no necesita una cola más grande, debido al aumento del brazo. Si quieres jugar con el CG o lo que sea, eso es independiente de un tramo. El contraejemplo clásico es el 747SP, una variante más corta con una cola gigantesca, debido al brazo reducido.

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