Por que as aeronaves comerciais não usam superfícies traseiras móveis como o meu avião RC? [duplicado]

O que é melhor e mais fácil para modelos de pequena escala não é necessariamente melhor para aeronaves maiores.

Primeiro, você não pode dizer que a parte fixa "não faz nada". A cauda é principalmente um estabilizador; sem ele, um avião normal não voará. Só então é uma superfície de controle, que permite voar bem e como você quer.

Consequentemente, o tamanho da cauda é impulsionado principalmente por considerações de estabilidade. Para controle, você precisa de uma certa quantidade e não muito mais. Se você tem uma cauda em movimento, pode achar que precisa movê-la apenas um pouco, ou o controle se tornará muito sensível. Isso não é necessariamente mais fácil de fazer.

Do ponto de vista do projeto, a cauda em movimento requer que todo o estabilizador esteja conectado a um único eixo. Em um pequeno avião RC, você pode torná-lo simples. Em uma aeronave grande, isso se traduz em algo maior que o tubo de abastecimento de água do seu subúrbio: estabilizadores de aviões como A380 or Um 124 são maiores que as asas de alguns aviões. Além do problema de escala, isso o torna um único ponto de falha, o que torna ainda mais pesado a confiabilidade.

Outro problema de projeto é o bom acoplamento aerodinâmico entre a cauda em movimento e a fuselagem. Muitas vezes, os designers precisam inventar algo assim (A330):

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No geral, é geralmente mais fácil e isqueiro fazer uma cauda convencional e anexar um elevador (e leme) a ela.

No entanto, muitos aviões têm um estabilizador em movimento. Existem várias razões diferentes para isso.

1. Para acomodar uma grande variedade de locais do centro de gravidade (CG), ou seja, distribuição de carga e / ou configurações aerodinâmicas diferentes (por exemplo, abas). Isso requer uma grande quantidade de controle. Mas esse controle geralmente é 'lento': a carga ou a configuração não muda em frações de segundo. Assim, a cauda é dividida entre a parte lenta e móvel que fornece o chamado aparare o rápido elevador convencional. A maioria dos aviões tem esse arranjo, como o A330 da imagem acima. Mas os maiores, o An-124 e -225, não usam: muito difícil. Eles dependem inteiramente do elevador.

   Raramente existe uma demanda pela cauda vertical: os aviões são mais ou menos simétricos; portanto, raramente você encontra um estabilizador vertical em movimento como este.

2. Para facilitar balanceamento de carga para aviões pequenos com reversível controle, ou seja, aqueles em que as superfícies de controle são movidas pela força muscular do piloto. Se você montar um elevador com dobradiças normais, pode ser bastante difícil movê-lo em alta velocidade. Vários truques são usados ​​para tornar a força confortável (que deve ser "correta", não muito, nem muito pequena). Mas uma das soluções diretas é fazer com que toda a cauda se mova em torno de um eixo cuidadosamente escolhido. Para aeronaves GA menores, o problema de escala ainda não é muito ruim; muitos projetos usam essa abordagem, por exemplo, o Piper PA28

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   (O que você vê na borda traseira não é um elevador tradicional, é a guia anti-servo que fornece a força 'correta').

3. Eficiência de controle normal do elevador. Às vezes, os aviões precisam apenas de mais controle do que a cauda de tamanho normal pode fornecer. Isso se aplica principalmente a aeronaves supersônicas ágeis. Existem várias razões para isso:

   • Manobras ágeis obviamente precisam de mais controle;
   • Em velocidades supersônicas, a estabilidade do pitch (e, portanto, o controle do esforço) aumenta significativamente;
   • A eficiência do elevador diminui. O problema é que, em velocidades subsônicas, o elevador normal redistribui o fluxo de ar sobre a cauda, ​​de modo que mais ar é afetado do que apenas a área do elevador assume. A relação é $ \ sqrt \ frac {S_ {elevador}} {S_ {tail}} $, se você tem um elevador ocupando metade da cauda, ​​sua eficiência não será apenas $ $ 0.5, mas $ \ sqrt 0.5 \ aprox 0.7 $ comparado com o estabilizador em movimento desviado para o mesmo ângulo. Mas em velocidades supersônicas, isso não se aplica, e a relação é apenas linear. Portanto, superfícies que se movem fazem mais sentido. Ocasionalmente, você pode até encontrar uma cauda vertical em movimento, como na Tu-160 (observe que também possui cauda horizontal em movimento):

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Para um pequeno avião RC que viaja em baixa velocidade, seu design funcionaria muito bem. No entanto, esse tipo de projeto possui limitações estruturais. Para uma configuração de estabilizador vertical e horizontal totalmente móvel, todas as forças exercidas nas superfícies de controle seriam transferidas para um rolamento móvel. Este seria um ponto único de falha se o rolamento falhar. Normalmente, o estabilizador vertical ou horizontal usaria vários parafusos para prendê-lo à estrutura da aeronave. Em alguns aviões, essas superfícies de controle são soldadas. Isso distribui as tensões de forma mais igual. Piloto um Piper Cherokee com um estabilizador horizontal (móvel) totalmente móvel e uma de nossas pré-verificações é garantir que não haja queda no rolamento. Se o rolamento ceder, teríamos um dia ruim.

Bem, eles fazem um certo grau.

As aeronaves comerciais de grande porte possuem faixas CG significativamente maiores do que suas contrapartes menores, a fim de acomodar uma ampla variedade de cargas, bem como mudanças no Cp devido aos efeitos de compressibilidade em altos números de Mach e alterações de AoA. Para acomodar isso, a maioria dos aviões usa um rabo de cauda em movimento completo para ajuste de inclinação, daí uma superfície adicional de controle de elevador é adicionada para a autoridade de inclinação pelo piloto. Isso oferece um compromisso entre o pitch excelente e o arrasto e o peso mínimos, em vez de acionar todo o plano traseiro. Agora, planos traseiros totalmente móveis para controle de pitch foram implementados antes, como Ron Beyer aponta no L-1011. Mas não é muito comum.

As superfícies fixas da cauda devem fornecer um efeito passivo de resistência às intempéries para estabilidade. Se você tem uma cauda que voa, ela tende a querer apenas seguir o fluxo de ar, então você precisa de uma de duas coisas; controle hidráulico, onde a superfície de controle é rigidamente posicionada por atuadores e a sensação de controle é por molas (o F-86 tinha uma cauda horizontal operada hidraulicamente), ou se não for hidráulica, a superfície precisa de uma guia anti-servo (como a O C-177 e quase todos os estabilizadores operados por cabo existentes no mercado para fornecer uma força restauradora sensível à velocidade que conduz a superfície para uma determinada posição que a mão a mantém lá e fornecer um gradiente de força de aderência desejável (aumento da força com deslocamento da velocidade de compensação) ) A guia anti-servo também fornece a função de ajuste de afinação, alterando seu ponto neutro quando você ajusta o ajuste, alterando a velocidade de ajuste do avião.

Existem alguns planadores que possuem todas as caudas voadoras sem guias de servo, e elas dependem de uma mola elástica no circuito de controle do elevador para garantir toda a estabilidade do passo livre da vara. Eu costumava pilotar um planador chamado LS-1 que era assim, e o bungee não era particularmente rígido, e o avião era de tom divergente se eu soltasse o manche, mas tudo bem se eu o estivesse segurando.

E aviões como o Cardinal ou Cherokee, com uma cauda estabilizadora operada manualmente, seriam muito difíceis de controlar sem a guia anti-servo. A haste de controle da guia é um item de inspeção muito crítico em um pré-vôo. A principal vantagem das caudas voadoras é mais autoridade de controle para uma determinada área de superfície (o Cardinal tem uma força de cauda MASSIVA em comparação com aeronaves similares) e a capacidade de ajustar o gradiente da sensação de afinação pela maneira como a guia anti-servo é acionada.

Seu avião RC foge sem guia anti-servo porque os servos elétricos mantêm a superfície em uma determinada posição. Basicamente o mesmo que controles hidráulicos.

A família Zenith de homebuilts usa um leme flutuante sem aleta vertical fixa. Normalmente, isso não funcionaria tão bem sem uma barbatana fixa para fornecer uma força passiva de resistência às intempéries, mas o Zenith se safa com uma grande superfície vertical da fuselagem à popa das asas. Caso contrário, ele teria que ter uma guia anti-servo para o leme na ausência de uma barbatana vertical.

Na maioria das vezes, é necessário forçar o movimento de toda a superfície de controle, exigindo um ponto de conexão reforçado que prejudique a necessidade primária de uma aeronave comercial, transportando carga, sejam pessoas ou coisas. Aeronaves militares o utilizam para obter um ganho maciço de manobrabilidade, mas a maioria dos passageiros pode ficar um pouco angustiada se o seu 737 ficar repentinamente em sua cauda com um leve movimento do pulso de um piloto.