¿Por qué mover el CG hacia atrás en el avión de los hermanos Wright mejoró el manejo?

En respuesta a la respuesta de Peter Kämpf a esta pregunta , ¿por qué mover el CG hacia atrás en el Wright Flyer mejoró su estabilidad?

Respuestas (2)

No mejoró la estabilidad, pero sí la volabilidad.

El Wright Flyer tenía el CG ubicado detrás del punto neutral y tenía un cabeceo inestable. Una aeronave inestable longitudinalmente se desviará de su punto de equilibrio y, cuando la vuele un piloto humano, tendrá una trayectoria de vuelo ondulada. Los Wright llamaron a esto ondulación. Es causado por el retraso en la respuesta del piloto y su tendencia a sobrecompensar, por lo que la aeronave oscila alrededor del punto de compensación (= el ángulo de ataque donde todos los momentos alrededor del eje de cabeceo están en equilibrio). Este retraso es más problemático cuando la frecuencia propia del movimiento es mayor. Todos los zepelines eran inestables en cabeceo por encima de cierta velocidad aerodinámica y en guiñada en toda la gama de velocidades, pero nadie se molestaba. Estas cosas eran tan grandes que cualquier movimiento necesitaba mucho tiempo para desarrollarse y las desviaciones de la condición de ajuste eran fáciles de corregir.

Con los aviones, las cosas son diferentes, porque son más maniobrables y mucho más pequeños. El parámetro característico aquí es el modo de período corto que caracteriza el movimiento de cabeceo. Su frecuencia es de alrededor de 1 Hz para aviones pequeños y se puede aproximar así:

ω α = v t r i metro i y ⋅ ( C metro α m + C L α ⋅ C metro q m 2 )

Nomenclatura:
ω α Frecuencia propia del modo de período corto
v t r i metro velocidad recortada
i y Radio de inercia alrededor del eje de cabeceo
C metro α gradiente de momento de cabeceo sobre el ángulo de ataque
m masa reducida. m = 2 ⋅ metro ρ ⋅ S ⋅ yo m
C L α gradiente del coeficiente de sustentación sobre el ángulo de ataque
C metro q coeficiente de amortiguación de cabeceo
metro masa
ρ densidad del aire
S área de referencia (normalmente área del ala)
yo m cuerda aerodinámica media

Para responder a la pregunta, todo lo que necesita es el primer factor de la ecuación. La frecuencia aumenta con la velocidad aerodinámica y disminuye con la inercia de cabeceo del avión. Al agregar un peso en la parte trasera de su avión, los Wright aumentaron esta inercia de cabeceo, reduciendo así la frecuencia propia y facilitando el control. No se equivoque: el Flyer se volvió aún más inestable, pero la inestabilidad se volvió más fácil de corregir porque las desviaciones del punto de ajuste se acumularon más lentamente.

Las réplicas modernas del Flyer tienen su CG por delante del punto neutral y son naturalmente estables.

+1 excelente explicación. No me di cuenta de que a veces hacer que un avión sea un poco más inestable mejora su manejo (como mencionaste, debido a una mayor inercia). Yo mismo me di cuenta de esto en uno de mis aviones RC con CG tan atrás que requería un ajuste neutral en el ascensor. No podía explicar por qué voló durante tanto tiempo.
¿Qué hay de mencionar PIO ?
@yankeekilo: Eso es lo que los Wright llamaron ondulación. Usé su terminología porque la encuentro muy descriptiva. Pero, sí, este fue un caso temprano de PIO, y se volvieron menos intensos cuando la frecuencia propia de la aeronave se alejó de la frecuencia propia del sistema de control (esto es Wilbur u Orville más el control de cabeceo del Flyer).

Para que un avión sea estable, una pequeña entrada de control debe conducir a pequeñas correcciones. Además, las pequeñas corrientes de aire deberían dar lugar a pequeñas desviaciones.

Ahora considere lo que sucede cuando el Flyer se inclina un poco hacia abajo. Aumenta la velocidad y el ala genera más sustentación. Si el centro de gravedad está demasiado adelantado, la sustentación del ala genera un par que inclina el morro aún más hacia abajo. En otras palabras, ese pequeño cambio se amplifica.

Mover el CG hacia atrás reduce el cambio de par en los cambios de cabeceo, lo que significa que los pequeños cambios siguen siendo pequeños y, por lo tanto, el avión es estable.

Mover el CG hacia adelante hace que la aeronave sea estable . Para ambos aviones con cola regular o canard (Flyer era un canard). La razón es que con el centro de gravedad delantero, la superficie delantera vuela con un mayor ángulo de ataque. El Flyer tenía el CG demasiado atrás y no era estable. (-1, esta es una explicación incorrecta).
@JanHudec: No puedo encontrar una buena fuente que afirme que el Flyer tenía su bulo en un AoA más alto. Con un canard que genera sustentación hacia arriba, debe tener un CG entre el canard y el ala (obviamente, de lo contrario, los dos torques no pueden cancelarse en absoluto). Moverlo un poco hacia adelante o después entre esos límites altera el balance de torques, pero no se puede generalizar y decir que el CG hacia adelante es estable. Simplemente coloque el CG en la ubicación del canard y la estabilidad se vuelve imposible .
El AOA relativo de la superficie de control y el ala principal es una función del centro de gravedad, no al revés. Porque el piloto ajusta el bulo para equilibrar la nave. Flyer tenía el canard en un AoA más bajo que el ala principal, porque no era estable. Pero mover su CG hacia adelante haría que el piloto aumentara el AoA del bulo y, por lo tanto, mejoraría la estabilidad. Pero Wrights nunca lo movió lo suficiente como para estabilizarlo. Y como bien explica Peter Kämpf, moverlo un poco hacia adelante lo hizo menos controlable y moverlo un poco hacia atrás lo hizo más controlable. Aunque menos estable.
Las aeronaves con CG en la ubicación del "canard" podrían ser fácilmente estables. Pero su "canard" sería el ala principal que produce toda la sustentación y el "ala" sería un estabilizador que vuela a 0 AoA en vuelo constante. Tal configuración sería estable muy bien.
@JanHudec: Ese es un problema de nombre entonces: uso canard para referirme a una superficie de control adelante del ala, que puede generar torque para alterar el tono según sea necesario. Para generar torque, necesita una palanca, y la palanca es, por definición, 0 si el CG está ubicado en el canard. Por supuesto, puede tener el ala en el centro de gravedad si la superficie de control (canard o tail) genera 0 torque en condiciones normales.
Uso canard para decir exactamente lo mismo. Para generar un par, de hecho necesita una palanca. ¡ Pero para la estabilidad no importa cuál de las dos superficies genera el par! Un avión con centro de gravedad coincidente con el centro de sustentación de la superficie de sustentación delantera (y los controles en esa superficie; no importan en absoluto; los controles no se mueven cuando analizamos la estabilidad) es estable. Si cabecea hacia abajo, el ángulo de ataque de ambas superficies se reduce. La superficie delantera no comienza a generar ningún par. Pero la parte trasera ahora vuela con un AoA negativo y hace que se restablezca el par.
La condición para un avión estable es simple. La superficie delantera tiene que volar en un ángulo de ataque más alto que la popa. Independiente sobre cual es la superficie de control. Mover el centro de gravedad hacia adelante significa que debe aumentar la sustentación y, por lo tanto, el ángulo de ataque en la superficie delantera en relación con la superficie trasera, lo que aumenta la estabilidad. Mover el centro de gravedad hacia atrás significa que debe disminuir el ángulo de ataque en la superficie delantera y, por lo tanto, reducir la estabilidad. Flyer no estaba estable. La razón era que tenía su centro de gravedad demasiado hacia atrás . Usted dice adelante en su respuesta y eso no es correcto.
¿Por qué mover el CG hacia atrás en el avión de los hermanos Wright mejoró el manejo?
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