¿Los aviones de combate están diseñados para ser tan intrínsecamente inestables que un humano no pueda volar uno sin ayuda?

Mi respuesta corta:

• La estabilidad se reduce desplazando el centro de gravedad hacia atrás.
• Desplazarlo más allá del punto neutral hace que el avión sea inestable, por lo que se aceleran los movimientos que se alejan del estado compensado. Esto aumenta la maniobrabilidad.
• Las computadoras de vuelo son redundantes múltiples, si una muere, las otras toman el control.
• Los aviones inestables lentos pueden ser pilotados por un piloto humano, pero no los aviones inestables rápidos.

Para la respuesta larga, permítanme aclarar primero los términos:

La estabilidad estática es la tendencia de un sistema a volver a su estado anterior después de haber sido perturbado. Tome un péndulo: si lo tira hacia un lado, volverá al centro. Finalmente.

La estabilidad dinámica es la tendencia de un sistema oscilante a que las oscilaciones disminuyan con el tiempo. Tome el mismo péndulo: oscilará de lado a lado, y la fricción asegurará que esto suceda con una amplitud cada vez menor.

Ahora necesitamos agregar dimensiones, las tres: cabeceo, balanceo y guiñada. Un avión puede ser estable en una dimensión e inestable en otra diferente. Entiendo su pregunta de tal manera que pregunta sobre la estabilidad de cabeceo estático (o estabilidad longitudinal) de los aviones de combate.

El Wright Flyer era longitudinalmente inestable (ver aquí para más información). Una vez que los diseñadores de aeronaves aprendieron que se puede hacer que las aeronaves vuelen de manera estable, y aprendieron que esto es de gran beneficio en el entrenamiento de pilotos, la estabilidad estática se convirtió en un requisito para las nuevas aeronaves. Cuando estalló la guerra en Europa, las fuerzas británicas estaban equipadas con un excelente avión de entrenamiento , pero era tan estable que costó esfuerzo y tiempo convencerlo de que cambiara de rumbo. Fueron derribados en masa.

De ahora en adelante, la baja estabilidad fue un requisito primordial para los aviones de combate y acrobáticos. La estabilidad estática es proporcional a las fuerzas de control (más precisamente: al momento de bisagra de la superficie de control respectiva), por lo que reducir la estabilidad les dio a los pilotos una mayor respuesta por el mismo esfuerzo. La estabilidad estática longitudinal se mide como la distancia relativa entre el punto neutro (NP) y el centro de gravedad (CG). Ver aquí para más. La estabilidad estática longitudinal se logra colocando el CG por delante del NP. Cambiar el CG hacia atrás le brinda un avión con mayor capacidad de respuesta, pero también uno que se altera más fácilmente por las ráfagas.

Esta es la técnica de diseño sobre la que preguntaste. Bastante simple, ¿verdad?

Una vez que cambia el CG hacia atrás del NP, se pierde la estabilidad y el avión aumentará las desviaciones del estado compensado. Esto puede ser útil si desea cambios de ángulo grandes y rápidos. Un avión inestable solo necesita una pequeña patada y hará el resto de la maniobra por sí mismo.

Así es como ayuda en la maniobrabilidad. Pero es aún más útil reducir las inercias, especialmente alrededor del eje de balanceo, para una respuesta más rápida. Por eso todos los aviones de combate tienen sus motores cerca del centro.

Por supuesto, la estabilidad negativa no es aceptable cuando necesitas quitar las manos de la palanca para sacar un mapa o para orinar en un vuelo largo. Entonces, sin el control de la computadora, el límite era una posición de CG cerca, pero no detrás del NP.

Con los aviones supersónicos, las cosas se complicaron más. Ahora el avión opera en dos regímenes de vuelo, uno en el que la sustentación actúa en el cuarto de cuerda del ala y otro en el que actúa en la mitad de la cuerda. Las aeronaves con baja estabilidad estática se vuelven muy estables en vuelo supersónico, y la superficie de la cola tiene que crear una gran fuerza descendente para que la suma de toda la sustentación permanezca donde está el CG. La creación de sustentación siempre incurre en una penalización por arrastre, y en vuelo supersónico se debe pagar dos veces: una por el exceso de sustentación en el ala (que se necesita para compensar la fuerza descendente de la cola) y otra por la fuerza descendente en la cola. .

El uso de una computadora de control de vuelo ofrece la posibilidad de permitir que el piloto suelte la palanca sin que la aeronave se desvíe del rumbo. Ahora, la palanca no controla la desviación del elevador, sino la velocidad de cabeceo, y el CG puede retroceder desde quizás el 12 % de la MAC (acorde aerodinámico medio) hasta el -2 %. Si compara las áreas de las alas de los jets estables e inestables (Jaguar y Mirage F-1 son excelentes ejemplos), verá cuánto se logra con solo regresar con el CG en un pequeño porcentaje de la cuerda del ala.

Versión convencional SEPECAT Jaguar y CCV (imagen de Fundamentals of Fighter Design de Ray Whitford). ¡Ambas configuraciones tienen el mismo aeródromo y rendimiento de combate!

¿Puede un humano todavía volar un avión así? En las competiciones de planeadores, los pilotos más atrevidos vuelan con una estabilidad estática relajada y no tienen problemas para mantener el control de la aeronave. Incluso los hermanos Wright pudieron manejar su avión inestable, y el manejo mejoró cuando movieron el CG más atrás (si quiere saber por qué, publique una nueva pregunta. ¡Esta respuesta ya se está haciendo demasiado larga!). Sin embargo, la velocidad de la respuesta de cabeceo de una aeronave es proporcional a la velocidad de vuelo (e inversa al momento de inercia de cabeceo), por lo que las aeronaves más rápidas son más difíciles de controlar. Puede comparar la presión dinámica con la rigidez de un resorte: un resorte más rígido eleva la frecuencia propia de un sistema resorte-masa, y lo mismo ocurre con los valores propios de las ecuaciones de movimientode un avión. Dado que el tiempo de reacción de un buen piloto es de al menos 0,1 s (y más si está cansado), es imposible contrarrestar movimientos con frecuencias superiores a unos pocos Hertz. El retraso significa que la reacción llega demasiado tarde y apoyará el movimiento. Vea este clip de YouTube cómo funciona eso en la práctica. Este accidente se debió a ganancias de señal incorrectas, no a una inestabilidad clásica (después de todo, la computadora de vuelo aún funcionaba, pero producía desviaciones del elevador demasiado fuertes).

Me atrevería a decir que un ser humano apenas puede volar un jet inestable a baja velocidad (después de todo, Tom Morgenfeld casi tiene el YF-22 bajo control), pero una vez que pisa el acelerador, siempre estará detrás del avión, y lo estrellará pronto.

El tamaño ayuda: los aviones más grandes tienen frecuencias propias más bajas, y los vehículos grandes y livianos son fáciles de controlar, independientemente de la estabilidad. Todos los zepelines eran completamente inestables en guiñada y por encima de la velocidad aerodinámica crítica de un dirigible (nuevamente, solicite una respuesta más detallada sobre este aspecto) también en cabeceo, pero con una persona para cada una de las superficies de control vertical y horizontal, y suficiente gente a bordo para rotarlos después de 2 a 4 horas, nadie sintió la necesidad de hacer que los zepelines fueran naturalmente estables.

Si una computadora muere, las otras toman el relevo. La mayoría de las configuraciones inestables tienen cuatro computadoras paralelas que verifican su resultado para detectar cualquier mal funcionamiento. El Dassault Rafale usa solo tres, pero agrega seguridad mediante algoritmos inteligentes para verificar los resultados.

Sí, el primer avión de este tipo fue el F-16. Fue diseñado como intrínsecamente aerodinámicamente inestable, lo que le permite responder magníficamente en combate. Esto fue posible porque es un avión fly-by-wire. Se aumenta la maniobrabilidad, porque por definición es la capacidad de cambiar de estado. La estabilidad es la resistencia al cambio. Cuanto más estable sea, más difícil será girar/cabecear rápidamente en una situación dinámica.

Y sí, un piloto no podría aterrizar estos aviones si los sistemas fly-by-wire dejaran de funcionar. Hay casos en los que los pilotos de F-16 han perdido su computadora y han muerto debido a las oscilaciones inducidas por el piloto, la condición en la que el piloto no corrige la inestabilidad de su aeronave a un ritmo lo suficientemente rápido como para mantener el control.

Otros aviones inestables de este tipo son el B-2, F-22, F-35, Eurofighter, etc. Todos los cazas modernos deben ser intrínsecamente inestables para ser competitivos.

La inestabilidad en el cabeceo reduce la resistencia aerodinámica de un avión con cola. La estabilidad se refiere a las posiciones relativas del centro de sustentación (cl) y el centro de gravedad (cg). Cuando el cg está por delante del cl (estable) un avión que entra en pérdida puede caer hacia adelante, aumentando la velocidad y recuperándose. Cuando cl está por delante de cg esto no sucederá. Sin embargo, cuando cl está por delante de cg, el plano de cola produce sustentación. Cuando cg está por delante de cl (inestable), el plano de cola produce una fuerza hacia abajo, lo que reduce la eficiencia. Para un canard, la estabilidad permite que ambas superficies produzcan sustentación. Sin embargo, los cazas canard tienden a ser inestables para aumentar la velocidad de cabeceo y reducir la resistencia supersónica. A velocidades supersónicas, cl se mueve hacia atrás, lo que significa que el canard tendría que asumir una parte más grande de la carga de levantar el avión. Dado que el canard es una superficie de sustentación menos eficiente que el ala,

Editar:

Agregaré que a medida que un luchador se vuelve supersónico, pasa de inestable a estable tanto para canards como para tails.