A adoção de aviões de cauda convencionais como 'aeronaves comuns' foi inevitável ou existem outros projetos que podem ser igualmente bons?

Se você escrever um otimizador que modifique a asa de uma aeronave virtual, terá uma asa grande no meio e uma menor na cauda, ​​se seu objetivo era obter um bom desempenho, uma ampla faixa de CG e um comportamento dócil. Então, sim, uma evolução simultânea também resultaria em um layout convencional.

Por que não canard?

• A asa dianteira é mais altamente carregada para estabilidade. A adição de superfícies de controle reduziria a possível eficácia do controle. Colocá-los na asa traseira grande resultará em maiores forças de tração e mudanças de elevação mais altas para as mesmas mudanças de momento de inclinação.
• Pela mesma razão, a asa não pode utilizar todo o seu potencial de elevação porque o canário precisa parar primeiro.
• Como a envergadura da asa é menor que a da asa, o rastro da cana atinge a asa e atrapalha a distribuição do elevador ao longo da extensão.
• Para estabilidade direcional, uma cauda ainda é necessária, mesmo que seja usada apenas para superfícies verticais. Alternativamente, a asa de canard pode ser varrida e as aletas podem ser usadas para estabilidade direcional, mas adicionar varredura reduzir a eficiência da asa.

Isso tudo coloca o canard em uma desvantagem distinta. Funciona, mas tem um preço.

Por que nenhuma asa voadora?

• Asas voadoras têm amortecimento de tom baixo e um centro de gravidade muito limitado.
• Eles não podem ter abas na borda traseira para levantamento extra durante o vôo lento, portanto, suas velocidades de decolagem e pouso são maiores do que as de uma aeronave de cauda comparável. Ou o carregamento da asa é maior, o que dói em alta velocidade.
• Embora um bom design de asa voadora tenha asas de varredura, elas são pouco adequadas para altas velocidades transsonicas. Os perfis aerodinâmicos das asas não podem ter carga traseira; portanto, o número Mach crítico no mesmo coeficiente de elevação é muito menor do que nas configurações convencionais.

O layout do canard tem sérias limitações que a cauda de abaixamento não possui. O maior deles é obter a resposta de inclinação x velocidade desejável para proporcionar boa estabilidade de inclinação, com as características adequadas de busca de velocidade sem stick, enquanto possui autoridade adequada em baixa velocidade.

Com a cauda na parte traseira na configuração de avião como gangorra, levantando para baixo, é fácil obter as respostas adequadas (acelerar, aumentar, diminuir a velocidade, diminuir a velocidade, etc.).

Com uma superfície de elevação na frente (configuração de avião como uma mesa), a resposta de inclinação necessária à velocidade é obtida usando um aerofólio de canard com uma inclinação de elevação mais íngreme que a asa principal; portanto, quando você acelera, o o avião levanta e vice-versa. Com uma cauda regular, o aerofólio pode ser uma folha de madeira compensada e ainda funciona bem.

Os desenhos do Rutan usaram desde cedo um aerofólio de canard desenvolvido pela Universidade de Glasgow que possuía a característica de inclinação necessária. Infelizmente, esse aerofólio era muito sensível à perturbação laminar e voar na chuva poderia ter um efeito enorme na compensação (cairiam na chuva, não fora de controle, mas o suficiente para ser um problema). Uma solução bandaid para isso foi adicionar geradores de vórtice à canard. Mais tarde, foi desenvolvido um novo aerofólio que não apresentava sensibilidade à chuva.

Quase todos os benefícios teóricos da canard foram negados no mundo real, razão pela qual a configuração é rara. Não é uma conspiração anti-canard; eles simplesmente não funcionam tão bem na balança de compromissos que faz um avião.

Sim, eles não podem parar / girar, mas você pode fazer um avião normal fazer isso também (Ercoupe). O VariEZe / Long-EZ tem altas velocidades de decolagem e pouso e sim, você não pode girá-lo, mas se você o abaixar após uma falha no motor, provavelmente se machucará.

Rutan desenvolveu um planador chamado Solitaire que usava uma superfície de canard. Você pensaria que isso otimizaria as vantagens do canard para criar o planador perfeito. Não teve êxito porque desenvolveu altas taxas de afundamento na velocidade de aquecimento (normalmente você está girando logo acima do estol, na velocidade mínima do afundamento). Ele é um cara brilhante, mas todos os projetos de Rutan são homebuilts ou aeronaves especiais, onde as limitações podem ser superadas.

E a produção em massa? Bem, você tem a Nave Estelar Beech. Uma catástrofe para a Beechcraft, quase à falência. O único lugar que você vê canards no mundo da produção é como superfícies suplementares à superfície estabilizadora primária, a cauda horizontal.

Os Wrights colocaram uma superfície de elevação na frente, porque parecia a coisa lógica a se fazer na época. A superfície se moveu para trás rapidamente, à medida que os aviões progrediam.

No que diz respeito ao estabilizador horizontal montado na traseira, a inexorável trilha e o erro da natureza em tempo ilimitado deram a resposta. Os canards funcionam muito bem com deltas, mas deltas não são tão eficientes quanto as asas retas em todas as análises importantes de levantamento / arrasto. Os pássaros têm mais de um milhão de anos de história. Os deles estão atrás da asa.

Mas para objetos voadores humanos, as flechas existem há muito mais tempo e, de fato, fazem parte do entendimento do vôo. Os arqueiros são capazes de manter considerável poder de ataque a longa distância, ajustando o CG para frente, de modo que a flecha abaixe para manter a velocidade, como um avião. O plano traseiro traseiro também ajuda a inclinar o nariz para baixo enquanto o avião afunda. Esses dois fatores ajudam a recuperar a velocidade e o ângulo de ataque adequados no caso de uma paralisação.

Os estabilizadores verticais têm mais possibilidades e podem ser montados nas pontas das asas e também na parte traseira da fuselagem. Porém, com os computadores de bordo ativos, nos tornamos mais parecidos com pássaros, controlando finamente nossas superfícies aerodinâmicas. Isso ajudará a eliminar a necessidade de estabilizadores que produzem arrasto e levarão a uma maior eficiência de combustível.

Aviões que "comem como um pássaro".

Aplicações diferentes têm ótimos diferentes, tanto na aviação quanto na maioria das outras coisas. Se você está maximizando uma combinação de desempenho geral, visão do piloto para a frente (na posição de pouso para cima e atitude de táxi de um design de engrenagem convencional, que era quase tudo o que existia antes do 1930), e custo / peso da construção, é muito fácil para ver você obter praticamente os desenhos que tínhamos na época, que levam aos desenhos que temos agora.

Dito isto, se algo tivesse sido inventado mais cedo ou mais tarde do que era, poderia ter mudado o resultado final cinquenta ou setenta e cinco anos depois. Se o equipamento de triciclo tivesse se tornado popular antes dos porta-aviões ganharem o teatro de combate naval do Pacífico, poderíamos ter visto projetos em serviço da 1945 abandonados em nossa história - aeronaves como o Curtis XP-55 Ascender, por exemplo, ou o amplamente semelhante Projetos alemães e japoneses que nunca viram serviço, apesar da promessa de melhores características de desempenho e vôo do que o motor do trator, projetos de layout convencionais anteriores a eles.

Outros fatores podem facilmente ter resultado em aeronaves sem cauda (como o caça Cutlass dos 1950s ou o bombardeiro YB-49) - esses canards ou canards podem ser suficientemente estáveis ​​e oferecer desempenho suficiente para uma determinada tarefa, em geral, mas a indústria tem muito mais experiência com projetos de conversação que designers e clientes se sentem mais confortáveis ​​com o elevador na parte traseira e a hélice na frente, e não importam o quão bem os projetos de aparência estranha de Rutan voem.

That alone seems to imply that the tailplane is the superior choice to any other design, but is it really? Or was it just a case of technological and economic inertia?

Um pouco dos dois. E, além das características tecnológicas discutidas em outras respostas, não se deve esquecer a história aqui. O plano traseiro / motor dianteiro tem suas desvantagens, mas ao mesmo tempo uma incrível vantagem de desenvolvimento devido ao WW2. Planos de configuração padrão permitem configurações muito ágeis, das quais dependem os lutadores. E enquanto muitas outras configurações foram tentadas durante a guerra, foi dada mais atenção às configurações padrão. Como resultado, o conhecimento de sua construção foi difundido após a guerra e utilizado para desenvolvimentos civis.

É um pouco como a questão de por que o carro elétrico que antes liderava foi desligado por carros a gasolina - novamente, o WW1 teve o papel principal. Embora carregar baterias não seja um aborrecimento em um ambiente civil desenvolvido, torna-se quase impossível em condições de guerra - aqui a gasolina tem uma vantagem logística incrível, pois é fácil mover alguns barris de gasolina, em contraste com a configuração de geradores de energia para carregar baterias .

Nem sempre é a guerra, pois o dimensionamento econômico também funciona - como o motivo pelo qual nossos computadores modernos quase se reúnem nas principais construções simplificadas de mini computadores - e agora são adicionados grandes esforços para desimplicá-los novamente.