Eixo de rotação das superfícies da cauda

Fonte da imagem

O eixo de rotação do estabilizador F-16 pode ser visto na imagem. O design deve ser tal que:

• O fluxo de ar tenta trazer a superfície de volta ao ponto morto devido a uma deflexão. Significado: mais superfície atrás da dobradiça do que antes da dobradiça.
• O momento de resistência aerodinâmica é relativamente constante e de magnitude não muito grande. Isso pode ser alcançado escolhendo a dobradiça perto de um ponto em que o momento aerodinâmico da dobradiça seja relativamente constante, em função do ângulo de ataque.

O eixo de rotação mais adequado seria a linha central aerodinâmica, em torno do acorde 0.25 para:

• Aerofólios simétricos.
• Fluxo subsônico.
• Gama limitada de deflexão.
• Ângulo de varredura zero.

Para fluxo supersônico, o centro de pressão se desloca para trás e o centro aerodinâmico da superfície é sobre o acorde 0.5. Para superfícies de varredura, há relativamente mais área atrás da linha da dobradiça e a dobradiça deve se mover para trás.

Uma solução "preferível" depende de muitos fatores, tanto na aerodinâmica quanto no projeto / construção. Não existe a melhor solução para todas as situações.

Em aeronaves subsônicas lentas (er) com controle reversível, a principal preocupação é fornecer força conveniente sobre o garfo / bastão. Para perfis aerodinâmicos simétricos, comuns em caudas, há um ponto no acorde 0.25 em que o momento da dobradiça será zero para toda a faixa operacional de desvios. Para fornecer alguma força positiva, você deve colocar o eixo um pouco à frente desse ponto.

No entanto, há outro problema: estabilidade com controles relaxados. Se você mover o eixo muito para a frente, tornando a superfície 'cata-vento' com a corrente, você reduzirá a estabilidade sem controle. Essa é uma consideração importante, porque quando você está voando com as mãos em um avião bem aparado, esta é exatamente a situação em que você está. Nos elevadores com dobradiças clássicas, esse efeito já é bastante perceptível, mas com caudas móveis, pode ser extremo, até a perda total de estabilidade. Por outro lado, obviamente, se você colocar o eixo à ré deste acorde 25%, terá uma configuração totalmente instável.

Portanto, a situação ideal para esses aviões é ter o eixo no acorde 25%, mas criar uma força de controle positiva com molas ou uma guia anti-servo, como no PA-28:

$ \ hskip 6cm $
^fonte

Para se qualificar para o aeronave supersônica, a situação é um pouco diferente.

Primeiro, o controle deles é tipicamente irreversível: os atuadores suportam toda a carga. Isso significa que o problema de estabilidade sem controle não existe; e os atuadores podem controlar potencialmente momentos de dobradiça altos (ou até negativos).

Ainda assim, você não deseja sobredimensionar os atuadores desnecessariamente. Além disso, muitas aeronaves supersônicas (mais antigas) permitiam controle totalmente manual ou assistido em caso de falha do sistema hidráulico, portanto a aeronave ainda precisava ser pilotada manualmente.

Isso coloca novamente a melhor localização da dobradiça perto do ponto de acorde 25%.

No entanto, a segunda diferença é o fato de que em velocidades supersônicas, este ponto mágico de acordes 25% (chamado centro aerodinâmico) muda para 50%. Além disso, a eficiência relativa do controle (por grau de deflexão) diminui, e essa é realmente uma das principais razões do uso de superfícies móveis em aeronaves supersônicas. Obviamente, isso cria enormes momentos de dobradiça.

Para reduzi-los, poderíamos mover o eixo um pouco para trás. Isso pode criar um momento negativo em velocidades subsônicas, mas se tivermos um controle hidráulico de autoridade total, essa poderá ser a solução ideal. Alguns caças da geração 4 parecem segui-lo.

A terceira diferença é que as caudas supersônicas são muitas vezes recuadas. Como você alinha o eixo então?

$ \ hskip 1cm $

Novamente, não há melhor solução para todos os casos. Aerodinâmica e cinemáticamente, o eixo reto (à esquerda) é um pouco melhor: cria controle linear direto. Estruturalmente, depende de como o estabilizador e a seção traseira são projetados.

Se houver a possibilidade de usar um eixo comum para as duas metades da cauda horizontal (o que normalmente ocorre nas caudas T e cruciformes), essa é uma vantagem enorme e, naturalmente, leva ao eixo reto. Por outro lado, geralmente é mais fácil integrar o eixo (ou pontos de dobradiça) ao longo da longarina do estabilizador, o que favorece o eixo de varredura para a maioria das caudas de varredura.

Esta resposta aborda apenas uma faceta específica da pergunta.

Se girarmos um par de superfícies (como estabilizadores horizontais) em torno de dobradiças varridas, criaremos uma geometria anédrica ou diédrica à medida que aumentamos ou abaixamos as bordas finais das superfícies, respectivamente.

Isso é resultado de geometria simples, não de aerodinâmica obscura - se isso não estiver claro, considere ângulos de varredura próximos dos graus 90.

No caso de estabilizadores horizontais em movimento, isso tende a levar a uma variação na quantidade total de "diédrica efetiva" da aeronave, com base na posição frontal e traseira do manípulo de controle. Isso geralmente seria considerado uma desvantagem dessa configuração específica.

A propósito, o princípio geral que observamos aqui é verdadeiro mesmo para superfícies como abas ou freios de velocidade - qualquer par de superfícies em movimento - mas abaixar abas ou acionar freios de velocidade provavelmente altera as características de voo de uma aeronave de tantas maneiras que a contribuição da linha de varredura varrida para uma diminuição ou aumento de "diédrica eficaz" não é particularmente censurável.