¿Se podría volar con seguridad un avión sin alerones, elevadores ni timones?

Con hélice contrarrotativa (o no, si es bimotor), control cíclico y colectivo de palas.

¿Se podría volar con seguridad un avión de este tipo y qué tan eficiente sería, suponiendo que pueda tener alas (y plano de cola) perfectamente suaves?

En caso de parada del motor (permitiendo el giro libre del eje y el control de las palas), ¿podría controlar su planeo y aterrizar en la pista, con las palas de la hélice en una configuración de autorrotación casi en bandera, permitiendo el control de actitud y la mínima resistencia al disco?

(como autorrotación uno Kamov invertido en su cabeza de rotor, en un túnel de viento de paracaidismo que sopla un poco más lento que la velocidad terminal)

Editar: si se trata de un motor bimotor y sin cola (y aún sin superficie de control), ¿qué tan activo sería necesario el control de paso cíclico para permitir el uso del perfil aerodinámico del ala no refleja?

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Edit2: cambie del modo de control de actitud + empuje al modo de "autorotación invertida" sin empuje + control de actitud. La rotación inversa permite un uso más eficiente de la inclinación aerodinámica de la pala.ingrese la descripción de la imagen aquí

¿Estás describiendo un Autygyro ?
@DanPichelman no, como un Cessna 172, el ala genera sustentación; las hélices del motor lo hacen volar lo suficientemente rápido para que las alas mantengan el vuelo.
aviones sin ascensores, alerones, timón? ¡No hay problema!
@szulat buen punto, incluso si los ala delta motorizados se parecen demasiado a un autogiro de ala fija. (aún mejor que el autogiro)
@szulat también el control de cambio de peso no permite el vuelo inverso, ni ningún control durante la carga negativa y AoA, ya que el sistema se vuelve inestable, péndulo invertido.
No veo ningún control de tono en absoluto. Solo unos pocos kilos hacia adelante o hacia atrás cambiarían enormemente el equilibrio. Mantener un ascenso o descenso sostenido y estable sería muy complicado.

Respuestas (3)

Un pensamiento interesante. Controla el avión a través de su(s) hélice(s), como lo hace un helicóptero.

  • El diferencial de par de la hélice controlaría el balanceo
  • La hélice cíclica controlaría tanto el cabeceo como la guiñada
  • El colectivo de hélices controlaría el empuje del motor, como ya se hace en las hélices de velocidad constante.

Lo que inmediatamente viene a la mente es el brazo de momento para cabeceo y guiñada. Las palas de los helicópteros son relativamente largas y el rotor está montado aproximadamente a la mitad del fuselaje. El puntal tiene una longitud de pala limitada debido a la distancia al suelo.

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Con una configuración como la anterior, se pueden montar palas de hélice más largas para que los brazos de momento de cabeceo y guiñada se puedan extender. Como señala @Sanchises, la colocación de la hélice de esta manera crea un acoplamiento entre el paso y el empuje, lo que no es malo, ya que aumenta la capacidad de control del paso al controlar el empuje. Es posible que se requiera una rueda de morro fuerte para el despegue.

No estoy seguro acerca de su referencia al paracaidismo Kamov, pero el avión podría deslizarse hacia abajo después de una falla del motor mientras mantiene suficientes RPM para controlar el cíclico. Sin embargo, sería un poco pesado, con un arrastre comparable con un paracaídas del mismo diámetro que la hélice. La autorrotación funciona mejor con un gran momento de inercia de pala, y la hélice definitivamente no tendría la longitud de pala óptima para eso.

Si te deslizas directamente hacia adelante en el mejor de los casos L/D, el paso de la hoja estará cerca de emplumarse, con un arrastre mínimo. Eventualmente, la hélice dejará de girar, a menos que desee rodar, y por lo tanto aplique un paso diferencial entre contrarrotativos, aumentando las rpm, induciendo par (y balanceo) Lo mismo para cabeceo y guiñada. Cada entrada aumenta las rpm de las palas y la autoridad para hacer cualquier cambio de actitud. La baja inercia debido al diámetro relativamente pequeño de la hélice ayuda a estas variaciones de rpm. La mayor parte del tiempo, las palas están alineadas con el viento relativo. Podría ser menos pesado que un motor C172 estándar al ralentí.
Eso significaría que para cabecear o desviar la aeronave, primero tendría que girar las hélices en autorrotación, lo que provocaría un retraso en la respuesta. La respuesta de balanceo sería inmediata porque el giro hacia arriba ya es una respuesta de balanceo.
La idea exacta de parada de giro era ilustrar un ángulo de ataque cercano a cero mientras se desliza. Se debe establecer un mínimo de rpm para minimizar el retraso y la autoridad en cabeceo y guiñada, en relación con la resistencia producida por el giro.
Excepto por el aumento de la longitud de las palas de la hélice, la compensación de la hélice no cambia nada; Las fuerzas de control son casi un par puro en el eje de la hélice, y una cantidad determinada de par tiene el mismo efecto en un cuerpo independientemente de su posición. Solo una fuerza se beneficia de un brazo más largo, pero la única fuerza significativa es el empuje, que ahora crea un gran momento alrededor del engranaje que debe ser contrarrestado por su cíclico.
El eje de rotación de @Sanchises tiene un efecto sobre el momento de inercia.
Un problema de este sistema puede ser el control de balanceo a altas velocidades. Acelerar un C172 estándar en Vne no induce tanto balanceo.
Sí, además las alas tienen una gran inercia de balanceo y una gran amortiguación aerodinámica. La longitud de la hoja tendría que ser mucho mayor que la de un C172 seguro.
@Koyovis Otra solución es usar dos motores, controles colectivos de velocidad y guiñada, controles cíclicos de cabeceo y balanceo. Nueva pregunta podría ser: ¿Por qué Osprey tiene alerones de timón y elevador?
Buen punto. Probablemente para continuar el vuelo con un motor averiado.
Los rotores de Osprey están unidos mecánicamente, una falla del motor solo significa la mitad de potencia.
Sí. Pero si actúa sobre un par puro, un cuerpo girará alrededor del engranaje, independientemente de la ubicación donde se aplique el par. Las fuerzas de control en un cíclico se transfieren a través de las palas al eje de la hélice como par, no como fuerza (una hélice no imparte fuerzas en el plano sobre el eje)
@Sanchises ¡Sí! He modificado la respuesta. Por cierto, las palas de los helicópteros no imparten torsión debido a las bisagras batientes.
Hmmm, no había considerado el aleteo de cuchillas en absoluto, ¡lo siento! ¿Estoy en lo cierto si digo que eso cambiaría el vector de empuje en lugar de impartir par? Luego, el cabeceo y la guiñada se realizan mediante cambios en el vector de empuje (en cuyo caso realmente necesita una hélice montada en la punta o la cola para obtener cualquier brazo para su momento de torsión) y el balanceo todavía se realiza mediante torsión pura, lo que significa que una hélice montada en la punta normal ( probablemente un arrastrador de cola para obtener un diámetro de puntal lo suficientemente grande) es la mejor opción.
@Sanchises para este avión, la hélice no aletearía, así que sí par en todos los ejes.

Esto funcionará siempre que las hélices produzcan suficiente empuje y el paso de las palas se pueda ajustar lo suficientemente rápido como para superar todos los modos propios.

Tan pronto como necesite volver a acelerar (y eventualmente tendrá que volver a bajar), la efectividad del control de las hélices se reducirá considerablemente . De acuerdo, puedes flotar hacia abajo en autorrotación como un autogiro, pero el aterrizaje será más un choque que cualquier otra cosa.

Tenga en cuenta que el Boeing V-22 Osprey no es capaz de realizar aterrizajes sin potencia porque la inercia de la hélice es demasiado pequeña para soportar la desaceleración del aterrizaje. Puede deslizarse hacia abajo en autorrotación pero no puede realizar un aterrizaje suave. Su configuración se ve bastante similar y, de manera similar, no será capaz de aterrizajes de autorrotación.

Si desea controlar el avión con las fuerzas de la hélice, la hélice debe girar a alta velocidad todo el tiempo para tener suficiente potencial de empuje disponible cuando sea necesario para la estabilización. ¡Para la estabilidad artificial no tienes tiempo de hacer girar la hélice primero! El empuje se controla solo con el cabeceo, pero la velocidad de la hélice más alta de lo normal causará su propia ineficiencia.

En realidad, esto no es una autorrotación como un autogiro o un helicóptero, ya que no proporciona control de elevación + actitud. Solo proporciona control de actitud. Cada corrección de actitud te ralentiza. Cuando se desliza en línea recta, las hojas están casi emplumadas. Las alas proporcionan sustentación, las hélices brindan la mejor relación control/planeo
autogiro debe ser autogiro.
@Peter Kämpf, dado que el uso asimétrico del perfil aerodinámico de la pala debe ser óptimo durante el vuelo sin motor, la rotación del eje puede invertirse en este caso. Piense en el modo de turbina eólica HAWT, que tiene un AoA positivo incluso si no proporciona empuje.
@qqjkztd: ¿Cómo crees que los puntales emplumados contribuirán a la estabilidad? Sin una carga de pala significativa, no pueden hacer mucho en términos de control de cabeceo o balanceo. Lo mejor que puede hacer es dejar que funcionen en ángulo de molino de viento pero a RPM completas, para que las cargas se puedan crear rápidamente. Y para la aproximación y el aterrizaje, no puede permitirse tener mucho empuje o incluso empuje inverso.
@PeterKämpf al invertir la dirección de rotación de las palas, en comparación con la dirección de rotación mientras funciona con el motor. El camber del perfil aerodinámico debe usarse en su mejor posibilidad de producción de sustentación, lo que significa dirección de giro inverso cuando no está alimentado, con rotación libre.
AoA positivo al viento relativo para maximizar L/D, en lugar de AoA negativo, como los puntales de paso fijo que giran cuando no tienen alimentación. (que requiere un amplio rango de tono, digamos -5 a 110 grados) Un tono de 105 grados puede significar: 4 grados de AoA positivo en dirección de giro invertida.
@PeterKämpf ilustrado en edit2

desde el punto de vista del diseño de ingeniería, el rendimiento de (por ejemplo) un avión pequeño como el hidroavión que se muestra arriba no está limitado en ningún sentido práctico por la presencia de un empenaje que lleva un elevador y un timón. Por esta razón, no se han investigado activamente alternativas como cambios de paso cíclicos en las hélices de propulsión para el control de cabeceo y guiñada.

El control cíclico de las hélices no pretende suprimir el empenaje. Puede permitir su supresión de todos modos, pero el objetivo principal es tener superficies aerodinámicas limpias sin superficies de control y deshacerse de la resistencia parásita que proporcionan, en las alas y los estabilizadores.
¿Se podría volar con seguridad un avión sin alerones, elevadores ni timones?
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