¿Cómo funciona el plano de cola de un avión?

Para los diseños convencionales, la cola se compone de dos partes: la cola horizontal y la cola vertical. Desempeñan un papel en el asiento y la maniobrabilidad de la aeronave, pero a diferentes niveles. La cola horizontal se usa principalmente para la estabilidad longitudinal (y el ajuste), mientras que las colas verticales se usan para la estabilidad lateral (y el ajuste).

Acerca de la estabilidad

Es posible hablar de estabilidad solo después de haber definido un punto de equilibrio alrededor del cual se estudia la estabilidad. Un avión está en equilibrio si las fuerzas y los momentos que experimenta están equilibrados. Usando un modelo simple para el análisis longitudinal, se puede descomponer en tres relaciones llamadas ecuaciones de ajuste. Para simplificar, se supondrá aquí que el ángulo de ataque y el ángulo de trayectoria de vuelo son cero. (Tenga en cuenta que se puede lograr el mismo razonamiento con valores distintos de cero, pero las ecuaciones se vuelven bastante complicadas).

Equilibrio longitudinal

Estas tres ecuaciones son:

donde$L$es la elevación total,$mg$es el peso de la aeronave,$T$es el empuje,$D$es el arrastre y$M$es el momento de cabeceo alrededor del centro de gravedad de la aeronave. La segunda ecuación no se estudiará más ya que no ayuda a comprender el papel de la cola horizontal y su influencia. Al observar la siguiente imagen, se puede ver que, por lo general, el centro de gravedad y el punto donde se aplica la sustentación (llamado centro aerodinámico) no son los mismos. Esto significa que la sustentación generada por el ala crea un momento inducido alrededor del centro de gravedad que uno debe agregar al momento de cabeceo ya intrínseco debido al ala principal (generalmente un momento de cabeceo hacia abajo para perfiles aerodinámicos convencionales).

Sabiendo eso, es posible reescribir las dos ecuaciones de interés incluyendo las contribuciones del ala principal y de la cola horizontal.

A partir de estas ecuaciones y de la figura, parece que la cola horizontal se utiliza para generar una sustentación que induce un momento que ayuda a equilibrar el equilibrio de momentos y, por lo tanto, evita que la aeronave gire sobre sí misma (hacia el cabeceo).

Inconveniente y Solución

Tanto de la figura como de las ecuaciones resulta que la contribución de la sustentación de la cola suele ser negativa, lo que significa que se necesita más sustentación del ala principal para mantener un avión ajustado (o equilibrado). Este inconveniente se puede superar mediante el uso de una configuración canard en su lugar.

Estabilidad Lateral

Lo mismo se puede hacer para el equilibrio lateral y la estabilidad pero ahí se usa la cola vertical. Es simétrico, por lo que no se induce guiñada y si se experimenta alguna fuerza lateral, se creará un momento para reducir el ángulo de deslizamiento lateral.

Comparación de sustentación creada por la cola y el ala principal

Para una configuración recortada, es fácil ver que la sustentación creada por el ala principal es más o menos la creada por la cola más el peso total del avión, lo que da una idea de la diferencia entre las dos fuerzas.

No hay nada realmente malo con las respuestas existentes, pero siento que realmente no profundizan en el núcleo del problema. Pero en realidad no es tan complicado...

Todo lo que se requiere para la estabilidad longitudinal estática es una menor sustentación por área en la cola horizontal que en el ala. La carga aerodinámica en la cola ayuda, porque entonces la sustentación en la cola es obviamente más baja que en el ala, pero no es necesaria. Lo que cuenta es que el cambio de sustentación relativa en la superficie de sustentación trasera debido a un cambio en el ángulo de ataque de todo el avión es mayor que el cambio de sustentación relativa en la superficie de sustentación delantera. El mecanismo es el mismo para configuraciones convencionales, canards o incluso alas voladoras.

Digamos que el avión vuela en el ángulo de ataque$\alpha_1$y es perturbado por una ráfaga o una entrada de control repentina, de modo que asume un ángulo de ataque más alto$\alpha_2$. Debido a la inclinación y una mayor incidencia, la curva de sustentación del ala (línea azul) se desplaza hacia arriba en relación con la de la cola (línea verde). Además, el efecto downwash y la relación de aspecto más baja reducen la pendiente de la curva de sustentación de la cola en relación con la del ala.

Ahora suponga que la aeronave se recortó en el estado 1, de modo que el momento de la elevación de la cola pequeña fue igual al momento de la elevación del ala mucho más grande alrededor del centro de gravedad. En el estado 2, el cambio absoluto de sustentación ∆L en el ala es mucho menor en relación con la sustentación en el estado 1 que en la cola, de modo que el cambio de momento resultante produce un momento de cabeceo hacia abajo. Lo mismo sucede con una reducción del ángulo de ataque en el estado 2, solo que al revés.

Si las relaciones de sustentación fueran iguales para el ala y la cola, el balance de momentos no cambiaría entre el estado 1 y el estado 2. Pero dado que la cola experimenta un cambio de sustentación relativo más alto, sigue un cambio de momento que actúa en contra del cambio en el ángulo de ataque. .

Este efecto también funciona para un canard, donde la sustentación por área en el plano de proa debe ser mayor que la sustentación por área en el ala. Para un ala voladora, la sustentación por área de la parte delantera del ala debe ser mayor que la de la parte trasera del ala, y aún es posible la estabilidad estática.

Un ala con un perfil aerodinámico convencional contribuye negativamente a la estabilidad longitudinal. Esto significa que cualquier perturbación (como una ráfaga) que levanta el morro produce un momento de cabeceo con el morro hacia arriba que tiende a elevar aún más el morro. Con la misma perturbación, la presencia de un plano de cola produce un momento de cabeceo restaurador con el morro hacia abajo, que puede contrarrestar la inestabilidad natural del ala y hacer que la aeronave sea longitudinalmente estable (de la misma manera que una aleta siempre apunta hacia el viento). (De la página de Wikipedia sobre planos de cola)

El plano de cola no produce sustentación. Se podría decir que produce un 'levantamiento negativo'. La razón por la que murieron muchos de los primeros aviadores es porque los planos de cola producían sustentación para ayudar al avión a volar, lo que daría como resultado una pérdida irrecuperable del plano de cola con el morro hacia arriba. La mayoría de los aviones modernos están diseñados para que cuando el flujo de aire disminuya, el efecto/impulso producido por la superficie de la cola disminuya para evitar la condición mencionada anteriormente.

Las alas (que tienen una sección transversal aerodinámica) producen sustentación (básicamente una fuerza que actúa en sentido opuesto al peso) que actúa a una distancia del centro de gravedad (CG), por lo que la fuerza se transfiere al CG como fuerza y ​​momento (en el sentido de las agujas del reloj). ) que conducen a un movimiento de cabeceo

Para equilibrar ese momento cola se utiliza la cola que produce sustentación (pequeña comparada con la que producen las alas) por lo que si se la trasladamos al CG una fuerza y ​​un momento (ya que produce menos sustentación debe colocarse lejos del CG) este momento actúa en sentido contrario a las agujas del reloj dirección neutralizando así el momento debido a las alas... haciendo así que el avión sea estable...

El valor absoluto de la sustentación generada por el plano de cola varía y depende de la fase en la que se encuentre tu avión en ese momento:

Despegue (flaps extendidos): deriva alta
Ascenso (sin flaps): mayormente sustentación (no mucho)
Crucero (sin flaps): deriva
Aterrizaje (flaps extendidos): deriva alta

Debido al consumo de combustible, el peso del avión se reduce durante el vuelo. Esto puede cambiar la posición de su centro de gravedad y, a su vez, afectará el valor absoluto de su sustentación/deriva. Normalmente |deriva| aumenta, en otras palabras, durante el vuelo la sustentación del plano de cola disminuye.

Algunas palabras para la estabilidad: solo piense en el equilibrio de momentos.
El centro de gravedad está cerca del ala principal. La gran sustentación del ala principal está muy cerca de la rueda dentada, la deriva del plano de cola está bastante lejos de ella. La suma de todos los momentos es igual a cero, equilibrarán el avión si hay ráfagas, etc.