¿Por qué el estabilizador horizontal del DC-10 tiene un diedro tan pronunciado?

En un sentido general, existen múltiples razones para que el estabilizador horizontal tenga diédrico/anédrico.

• Para despejar la cola del downwash/propwash. Un buen ejemplo es el Cessna 425 , que fue desarrollado a partir del Cessna 421 . El 421 tenía un estabilizador horizontal recto. Sin embargo, con la adición de diedro, la cola se mantiene fuera de la propulsión, lo que mejora la calidad de conducción. De un informe que cita a los ingenieros de Cessna :

Los ingenieros de Cessna dicen que el diedro mejora las cualidades de balanceo holandés y saca una parte importante de la cola del lavado de hélice, lo que proporciona una conducción más suave.

El Dassault Falcon 50 tenía anédrico para despejar la cola de la corriente descendente del ala. Otro buen ejemplo de esto es el F-4 Phantom. Los prototipos tenían una cola recta. Sin embargo, la cola anédrica se adoptó para mantenerla libre del aire perturbado del ala en ángulos de ataque altos y, al mismo tiempo, mantenerla fuera del escape del motor.

El anédrico en BAE Hawk se explica por la misma razón. De La historia del halcón :

Este modelo dio los primeros indicios de problemas de alta velocidad debido a la interferencia entre la admisión alta y el ala baja, y la posición de la cola.

Esto dio como resultado la adopción de una entrada baja, ... .El fuselaje trasero se combó hacia abajo para bajar la cola, y el plano de cola se le dio anédrico pronunciado con el mismo propósito.

• Estabilidad: el diédrico/anédrico en los estabilizadores afecta la estabilidad de la aeronave. En resumen, para una cola convencional, un anhedral mejora la estabilidad de guiñada de la aeronave al tiempo que reduce la estabilidad de cabeceo (ligeramente), mientras que un diedro reducirá la contribución de la cola a la estabilidad de cabeceo y guiñada.

  Sin embargo, el uso de diedro en la cola horizontal influye en la estabilidad de balanceo estático de la misma manera que el diedro en el ala. El diedro afecta la respuesta de balanceo de la misma manera que la del ala: hace que la sustentación en los semitramos derecho e izquierdo respondan de manera diferente a la corriente descendente.

  Un buen ejemplo de ello es el Vickers Viscount , que disponía de un estabilizador diedro horizontal, lo que mejoraba su estabilidad.

  Debido a esto, es mejor para el diseñador agregar un diedro a la cola horizontal en lugar de un ala, especialmente si se encuentran problemas en etapas posteriores del diseño, ya que el impacto será menor.

Del Diseño de Aeronaves de Roskam Vol III, Capítulo 5.1:

La estabilidad lateral general generalmente está dominada por la estabilidad lateral inherente diseñada en el ala. El barrido del ala, el ángulo diedro y la ubicación (del ala) en el fuselaje dominan la magnitud y el signo de la derivada de estabilidad. Dado que el ala está diseñada por consideraciones operativas y de rendimiento, el empenaje se utiliza a menudo para ajustar la estabilidad lateral de la aeronave . Los ejemplos incluyen el F-4 y el AV-8B.

Cabe señalar que, al igual que con cualquier otra consideración de diseño, el diedro del estabilizador horizontal depende de las elecciones de diseño realizadas y las características de rendimiento requeridas; como resultado, la configuración requerida cambiará de aeronave a aeronave.

En el caso del DC-10, la razón principal parece ser mantener el estabilizador fuera de la influencia del ala, especialmente cuando se utilizan ajustes de flaps altos. El diedro más pronunciado (en comparación con, digamos, el Boeing 737) parece usarse ya que el estabilizador está montado más abajo debido a la presencia del motor en la cola.

La mayoría de los aviones con superficies de cola horizontales bajas tienen diedro, por dos razones:

1. Levantar la superficie horizontal por encima de la estela del ala.
2. Para levantar la cola barrida por encima del suelo, para que no se dañe en un golpe de cola . Tenga en cuenta que la cola está más o menos horizontal en la actitud de golpe de cola para tener suficiente espacio libre para la desviación total del elevador hacia abajo.

Boeing 747-400 tailstrike ( fuente de la imagen )

Con suficiente ángulo de ataque, una superficie de cola barrida y sin diedros tocará el suelo con las puntas primero ( fuente de la imagen )

En una cola en T, ambas razones no existen, por lo que las colas en T son rectas en la mayoría de los casos. Una excepción notable sería el Handley-Page Victor , donde se agregó un diedro notable al final del proceso de diseño para aumentar el área lateral proyectada de la sección de cola. Gracias a @ymb1 por encontrar este artículo que incluye una descripción detallada de Victor.

El área vertical siempre es demasiado pequeña inicialmente, solo observe el crecimiento de la cola en el BAC Lightning. Curiosamente, el artículo dice que la vertical del Victor se acortó después de la prueba de vuelo. Esta es una ocurrencia extremadamente rara.

Handley-Page Victor ( fuente de la imagen )

La cola horizontal tiene un diedro pronunciado en casi todas las ubicaciones bajas del plano de cola. Dos factores principales son:

• Levantando el plano de cola fuera del área de salida del chorro. La colocación de la raíz estabilizadora es estructuralmente óptima cuando en la mitad del fuselaje, el diedro puede levantar la superficie fuera de la corriente de salida. Si el cono de popa del fuselaje ya está levantado, hay menos requisitos para el diedro del plano de cola.
• Reducción de los efectos repentinos de la estela del ala principal: con un diedro pronunciado, siempre hay parte del plano de cola sobresaliendo en una línea aerodinámica menos afectada.

Tenga en cuenta que un momento de balanceo estabilizador del diedro del plano de cola tendría que transferirse a través del fuselaje: la diferencia de par entre el ala principal y la cola quiere torcer el fuselaje como un trapo mojado. No tiene grandes consecuencias para las cargas estructurales, pero el rendimiento puede causar dificultades con el tendido del cable de control de vuelo. Los aviones de fuselaje ancho son los menos afectados por esto.