Que problemas você começa a enfrentar quando uma aeronave é desproporcionalmente longa?

A questão me lembra o DC-8 Super 61. Eu sempre achei a fuselagem absurdamente longa (foto abaixo, source ).

Arraste de atrito

Antes de mais nada, sua relação volume / superfície será prejudicada. Uma fuselagem mais delgada terá proporcionalmente mais área de superfície para o mesmo volume que uma mais grossa. O primeiro efeito aerodinâmico, portanto, é um arrasto de atrito maior em relação à capacidade da fuselagem. Abaixo de uma taxa de finura de cinco, o aumento da separação do fluxo aumentará indevidamente o arrasto. Mover-se de uma fuselagem no estilo A340 para algo mais fino, no entanto, não afetará a separação.

Enquanto o volume precisaria ser mantido constante no caso de dirigíveis, o objetivo de um avião de passageiros deveria ser manter a capacidade de assentos, que pode ser considerada proporcional ao espaço (dentro dos limites - a altura do corredor não deve cair abaixo de 6 pés) ). Portanto, a figura do mérito deve ser o volume $ ^ ⅔ $, e o crescimento no atrito da pele (e peso estrutural) deve ser menos severo com o aumento da esbelteza da fuselagem. Além disso, com uma cauda mais longa, as superfícies da cauda podem ser proporcionalmente menores, o que reduz um pouco o atrito.

O gráfico abaixo é de S. Arrasto Dinâmico Fluido de Hoerner , figura 24 do capítulo 13, e realmente válido para as fuselagens dos barcos voadores. Mostra bem como o coeficiente de arrasto aumenta com o aumento da taxa de finura; no entanto, como o coeficiente de arrasto é baseado na área frontal, isso é um pouco enganador.

Os comentários de Hoerner para este gráfico incluem um ótimo baseado no volume $ ^ ⅔ $:

The optimum ratio with respect to drag on frontal area, seems to be in the vicinity of 5. Based on (volume)⅔, a minimum drag coefficient is obtained at l/"d" ≈ 9, corresponding to l/b ≈ 15 in the hull family tested

Velocidade Máxima de Cruzeiro

Ao ser operado em velocidades próximas a Mach 1, a fuselagem mais fina mostrará um valor mais alto do número de Mach de divergência de arrasto , então o segundo efeito aerodinâmico de uma aeronave mais delgada é uma velocidade de cruzeiro ligeiramente maior, permitindo a aerodinâmica da asa.

Novamente, um gráfico do Fluid Dynamic Drag de Hoerner (figura 37 do capítulo 15) como prova:

Amortecimento de Pitch

Em terceiro lugar, uma vez que o comprimento da fuselagem determinará o braço de alavanca da empenagem, uma fuselagem mais delgada da mesma capacidade exibirá um maior amortecimento de inclinação em relação à sua estabilidade estática. Pitch damping depende do quadrado do braço de alavanca da cauda enquanto a estabilidade estática cresce apenas linearmente. Note que o tamanho da cauda necessário para a mesma estabilidade e autoridade de arremesso irá mudar inversamente ao comprimento da fuselagem, compensando parte do aumento no levantamento de zero-lift da fuselagem mais longa.

Velocidade de decolagem e pouso

Se o trem de pouso permanecer inalterado, um quarto efeito poderia ser um ângulo de rotação mais baixo na decolagem e na atitude de inclinação no pouso, a fim de evitar golpe de cauda . Isso pode resultar em maior velocidade de decolagem e pouso.

Essa resposta seria muito mais longa se considerações aeroelásticas e estruturais fossem incluídas. Eu o restringi a fatores aerodinâmicos, conforme solicitado.

    

Aerodinamicamente, não haveria muito problema. Talvez aeroelasticamente, por causa da curvatura fina do tubo quando as entradas do elevador e do leme são geradas. Mas definitivamente há problemas estruturais.

Ao voar, as asas sustentam a aeronave e a fuselagem fica suspensa. Um tubo longo e fino quer dobrar nas extremidades: tensão no topo do tubo, compressão no fundo. Quanto maior a distância entre o topo e o fundo, menores as tensões e os esforços e menor a construção - mas o nosso tubo longo e fino tem relativamente pouca distância e estamos criando uma construção pesada e flexível.

    

Existe um estudo sobre a resistência do tubo (= fuselagem, neste caso) à flexão forças, em função do diâmetro e da espessura da parede.

A partir deste estudo parece que o diâmetro maior (dada a mesma espessura da parede) torna o tubo mais resistente à flexão. Além disso, quando esse tubo finalmente se dobra, é mais provável que ele apenas se curve ao invés de falhar catastroficamente no ponto único.

Isso provavelmente explica por que os aviões maiores são mais largos e mais altos (dois níveis) do que apenas mais longos.