Qual é a carga aerodinâmica média em uma superfície de controle de um avião do tamanho de um viajante comum?

Acho que você não quer saber a carga, mas sim o momento da dobradiça de superfícies de controle. A carga do atuador é o momento de articulação dividido pelo comprimento da buzina de controle. Abaixo está um esboço bastante pobre para uma ligação típica de aileron, mas o princípio está correto ( source ):

Ele já mostra uma maneira popular de reduzir as forças de controle: a guia, uma pequena superfície de controle auxiliar que se move contra a superfície de controle "real". Isso reduz a efetividade um pouco, mas força muito. Aqui, a quantidade de deflexão da aba é controlada por uma mola em sua articulação, que é uma maneira inteligente de ajustar sua deflexão, de modo que as forças de atuação se tornem mais constantes em velocidade.

Outra maneira de reduzir as forças de controle é um chifre: uma extensão da superfície à frente de sua linha de articulação, de modo que as cargas aerodinâmicas aqui equilibram as da superfície atrás da linha de articulação. A figura abaixo mostra o aileron esquerdo do ATR-72 que é movido por ligação mecânica (source )

Desta forma, as cargas de içamento na superfície de controle são principalmente transportadas pela dobradiça e somente as cargas de acionamento precisam ser transportadas pela haste ou atuador de controle. Se você acha que não precisa de todos esses truques, seu atuador e sistema hidráulico ficarão muito mais pesados do que o necessário.

Por que dois métodos diferentes são usados? A aba reduz as cargas das mudanças de deflexão, enquanto a buzina reduz também as mudanças de ângulo de ataque. Quando dimensionado corretamente, ambos juntos irão conduzir o momento de dobradiça para perto de zero.

Por que eu explico tudo isso? Isso mostra que sua pergunta não tem uma resposta simples. Em vez disso, você precisa especificar exatamente como sua superfície de controle se parece e é movida, e só então você pode começar a calcular as cargas do atuador. Eu também quero mostrar que um avião subsônico para 10 a 20 passageiros será perfeitamente pilotável com controles manuais. O ATR-72 só precisa do sistema hidráulico para as abas, os spoilers, os freios e o trem de pouso. Evitar o sistema hidráulico para controles de vôo primários também permite que ele saia com com redundância única em seu sistema hidráulico .

Como você observou, há muitas complexidades a serem consideradas ao dimensionar os atuadores de controle, incluindo o tamanho da superfície de controle, o ângulo de deflexão desejado, o ângulo de deflexão real, momentos de articulação, efeitos de camada limite etc. aproximação aproximada da força na superfície, embora começando com a definição simples $$ P = \ frac {F} {A} $$

Onde P é a pressão dinâmica, q e A é a área de superfície de controle exposta. Resolver para força dá: $$ F = PA $$ Em seguida, substituir a pressão dinâmica e a área exposta resulta em: $$ F = \ frac {1} {2} \ rho V ^ 2A sin \ delta $$

Onde A é a área da superfície de controle, e multiplicá-lo pelo seno do ângulo de deflexão, produz a área exposta.

Para um avião de transporte leve, digamos um Beech 1900 (19 pax), o elevador tem uma área de 19,3 pés quadrados. Usando a lógica acima, essa superfície, quando defletida 5 graus na velocidade de cruzeiro, sentiria uma força de aproximadamente 421 lbf. O dimensionamento do seu atuador terá que levar em conta os parâmetros acima (e mais), mas esperamos que este seja um ponto de partida informativo.