Disseram-me que, para serem mais manobráveis, os caças são projetados de uma maneira que os torna impossíveis de controlar por um ser humano sem a ajuda de um computador de vôo. Isso é realmente verdade? Um lutador moderno (como um Visto F-22 or Su-35) travar se os computadores de estabilidade morrerem?
Além disso, se isso for verdade, que técnicas de design as tornam instáveis e como elas ajudam na manobrabilidade?
Minha resposta curta:
Para a resposta longa, deixe-me primeiro esclarecer os termos:
A estabilidade estática é a tendência de um sistema retornar ao seu estado antigo após ser perturbado. Pegue um pêndulo: se você o puxar para um lado, ele retornará ao meio. Eventualmente.
Estabilidade dinâmica é a tendência de um sistema oscilante para que as oscilações diminuam com o tempo. Pegue o mesmo pêndulo: ele irá balançar de um lado para o outro, e o atrito garantirá que isso aconteça com uma amplitude cada vez menor.
Agora precisamos adicionar dimensões, todas as três: inclinação, rotação e guinada. Um avião pode ser estável em uma dimensão e instável em outra. Entendo sua pergunta de modo que você pergunte sobre a estabilidade estática do passo (ou estabilidade longitudinal) das aeronaves de combate.
O Wright Flyer era longitudinalmente instável (consulte aqui para mais). Depois que os projetistas de aeronaves descobriram que as aeronaves podem ser feitas para voar estável e que isso traz imenso benefício no treinamento de pilotos, a estabilidade estática se tornou um requisito para novas aeronaves. Quando a guerra na Europa eclodiu, as forças britânicas estavam equipadas com uma soberba avião de treinamento, mas era tão estável que foi preciso esforço e tempo para convencê-lo a mudar de rumo. Eles foram abatidos em massa.
A partir de agora, a baixa estabilidade era um requisito primordial para caças e aeronaves acrobáticas. A estabilidade estática é proporcional às forças de controle (mais precisamente: ao momento de dobradiça da respectiva superfície de controle), portanto a redução da estabilidade deu aos pilotos mais resposta pelo mesmo esforço. A estabilidade estática longitudinal é medida como a distância relativa entre o ponto neutro (NP) e o centro de gravidade (CG). Vejo aqui para mais. A estabilidade estática longitudinal é alcançada colocando o CG à frente do NP. Mudar o CG para trás dá a você um avião mais responsivo, mas também um que é mais facilmente perturbado por rajadas.
Esta é a técnica de design sobre a qual você perguntou. Muito simples, certo?
Depois de mudar o CG à ré do NP, a estabilidade é perdida e o avião aumentará os desvios do estado aparado. Isso pode ser útil se você quiser grandes mudanças de ângulo e rapidamente. Uma aeronave instável precisa apenas de um pequeno chute e fará o resto da manobra sozinha.
É assim que ajuda na manobrabilidade. Mas é ainda mais útil reduzir as inércias, especialmente em torno do eixo do rolo, para obter uma resposta mais rápida. É por isso que todas as aeronaves de combate têm seus motores perto do centro.
Obviamente, a estabilidade negativa não é aceitável quando você precisa tirar as mãos do bastão para tirar um mapa ou fazer xixi em um vôo longo. Portanto, sem o controle do computador, o limite era uma posição de CG próxima, mas não atrás do NP.
Com aeronaves supersônicas, as coisas ficaram mais complicadas. Agora, a aeronave opera em dois regimes de vôo, um em que o elevador atua no quarto de corda da asa e outro em que atua no meio do acorde. Aeronaves com baixa estabilidade estática tornam-se muito estáveis em vôo supersônico, e a superfície da cauda deve criar uma alta força descendente, de modo que a soma de toda sustentação permaneça onde está o CG. A criação de sustentação sempre incorre em uma penalidade de arrasto e, em voo supersônico, ela deve ser paga duas vezes: uma pelo excesso de sustentação na asa (necessária para compensar a força descendente da cauda) e uma pela força descendente na cauda .
O uso de um computador de controle de vôo oferece a possibilidade de permitir que o piloto solte o manete sem que a aeronave saia do curso. Agora, o manípulo não comanda a deflexão do elevador, mas a taxa de afinação e o CG pode ser movido de volta de talvez 12% do MAC (acorde aerodinâmico médio) para -2%. Se você comparar as áreas de asa de jatos estáveis e instáveis (Jaguar e Mirage F-1 são exemplos excelentes), verá o quanto é alcançado apenas voltando com o CG em alguns por cento do acorde de asa.
Convencional SEPECAT Jaguar e versão CCV (foto de Fundamentos de design de lutadores de Ray Whitford). Ambas as configurações têm o mesmo aeródromo e desempenho de combate!
Um humano ainda pode pilotar uma aeronave assim? Nas competições de planadores, os pilotos mais ousados voam com estabilidade estática relaxada e não têm problemas para manter a aeronave sob controle. Até os irmãos Wright podiam lidar com seu avião instável, e o manuseio melhorava quando eles moviam o CG mais para trás (se você quiser saber o porquê, envie uma nova pergunta. Essa resposta já está demorando demais!). No entanto, a velocidade da resposta de pitch de uma aeronave é proporcional à velocidade de vôo (e inversa ao momento de inércia do pitch), portanto, aeronaves mais rápidas são mais difíceis de controlar. É possível comparar a pressão dinâmica com a rigidez de uma mola: uma mola mais rígida move a freqüência própria de um sistema de massa de mola para cima e o mesmo vale para os valores próprios da mola. equações de movimento de uma aeronave. Dado que o tempo de reação de um bom piloto é de pelo menos 0.1 s (e mais se ele / ela estiver cansado), é impossível neutralizar movimentos com frequências de mais do que alguns Hertz. O atraso significa que a reação chega tarde demais e apoiará o movimento. Vejo este clipe do YouTube como isso funciona na prática. Esse acidente ocorreu devido a ganhos errados de sinal, não a uma instabilidade clássica (afinal, o computador de vôo ainda estava funcionando, mas produzia deflexões de elevador muito fortes).
Atrevo-me a dizer que um ser humano ainda mal consegue pilotar um jato instável em baixa velocidade (afinal, Tom Morgenfeld quase controlou o YF-22), mas uma vez que ele acelera o acelerador, ele estará sempre atrás do avião, e falhará em breve.
O tamanho ajuda: Aviões maiores têm menores freqüências próprias e veículos leves e grandes são fáceis de controlar, independentemente da estabilidade. Todos os Zeppelins eram completamente instáveis na guinada e acima da velocidade crítica de um dirigível (novamente, solicite uma resposta mais detalhada sobre esse aspecto) também em campo, mas com uma pessoa cada para as superfícies de controle vertical e horizontal e número suficiente de pessoas a bordo para girá-los após as horas 2 - 4, ninguém sentiu a necessidade de tornar os Zeppelins naturalmente estáveis.
Se um computador morre, os outros assumem o controle. A maioria das configurações instáveis possui quatro computadores paralelos que verificam seus resultados para detectar qualquer mau funcionamento. o Dassault Rafale usa apenas três, mas adiciona segurança por algoritmos inteligentes para verificar os resultados.
Sim, o primeiro desses aviões foi o F-16. Foi projetado como inerentemente aerodinamicamente instável, o que lhe permite responder de maneira soberba em combate. Isso foi possível porque é uma aeronave fly-by-wire. A manobrabilidade é aumentada, porque, por definição, é a capacidade de mudar de estado. Estabilidade é a resistência à mudança. Quanto mais estável você estiver, mais difícil será girar / lançar rapidamente em uma situação dinâmica.
E sim, um piloto não seria capaz de pousar essas aeronaves se os sistemas fly-by-wire se tornassem inoperantes. Há casos em que os pilotos do F-16 perdem o computador e morrem por causa das oscilações induzidas pelo piloto - a condição em que o piloto não está corrigindo a instabilidade da aeronave a uma velocidade rápida o suficiente para manter o controle.
Outras aeronaves instáveis são as B-2, F-22, F-35, Eurofighter, etc. Todos os caças modernos precisam ser inerentemente instáveis para serem competitivos.
A instabilidade no tom reduz o arrasto de compensação para uma aeronave com cauda. Estabilidade refere-se às posições relativas do centro de sustentação (cl) e centro de gravidade (cg). Quando o CG está à frente do CL (estável), uma aeronave que fica parada pode cair para frente, aumentando a velocidade e se recuperando. Quando cl está à frente de cg, isso não acontece. No entanto, quando cl está à frente de cg, o painel traseiro produz elevação. Quando cg está à frente de cl (instável), o painel traseiro produz uma força descendente, diminuindo a eficiência. Para um canard, a estabilidade permite que ambas as superfícies produzam elevação. No entanto, os lutadores de canard tendem a ser instáveis para aumentar a taxa de afinação e diminuir o arrasto supersônico. Em velocidades supersônicas, o cl se move para trás, o que significa que o canard teria de suportar uma parte maior do fardo de levantar a aeronave. Como o canard é uma superfície de elevação menos eficiente que a asa, isso é indesejável.
Edit:
Acrescentarei que, à medida que um lutador se torna supersônico, ele passa de instável para estável, tanto para canards quanto para caudas.