Почему бы мне не использовать «подъемный хвост» на моей сверхлегкой конструкции?

Вы можете использовать подъемный «хвост» для любой конструкции самолета, но это будет зависеть от конструкции. Единственное требование к естественно устойчивому летательному аппарату состоит в том, что он должен иметь достаточно хороший положительный статический запас. И чтобы это произошло, нагрузка на заднюю летающую поверхность должна быть меньше, чем на переднюю летающую поверхность - это не обязательно означает прижимную силу, хотя это простой способ соблюсти правило.

В одном крайнем случае вы должны использовать подъемный «хвост», иначе у самолета не будет достаточно подъемной силы для полета. Это самолеты-утки, такие как Rutan Long-EZ. Теперь вы можете возразить, что то, что сзади, — это не хвост, а крыло. Да, если бы вы настаивали на классификации самолетов по жестким категориям, то задняя поверхность полета самолетов-утков обычно называлась бы «крыльями», но такой образ мышления закрывает глаза на то, что на самом деле происходит с устойчивостью самолета при изменении конструкции формы в плане.

Размещение центра тяжести, силы на хвосте и в плане

Правильное размещение ЦТ для устойчивости зависит от нескольких факторов, включая расстояние между крыльями и стабилизаторами и аэродинамический профиль крыльев, но доминирующим фактором является соотношение между площадью крыльев и площадью стабилизатора.

Большинство полноразмерных самолетов, включая сверхлегкие, обычно имеют очень маленькие стабилизаторы:

В этой конфигурации стабильный диапазон центровки обычно находится между передней кромкой крыльев и серединой хорды. Обычно это проявляется в эмпирическом правиле от 25% до 33% хорды, но для фактических значений вам необходимо рассчитать ЦТ на основе желаемого статического запаса.

Вы заметите, что большинство моделей самолетов имеют стабилизаторы большего размера. Это особенно актуально для немасштабируемых моделей и тем более для свободнолетающих моделей:

В этой конфигурации ЦТ для того же статического запаса (стабильности) оказывается довольно далеко позади. В большинстве случаев это 50% хорды - прямо около середины крыльев. Это только кажется таким по сравнению с полноразмерными самолетами или масштабными моделями. С аэродинамической точки зрения размещение CG обеспечивает точно такой же уровень стабильности.

Это когда некоторые самолеты можно начинать обрезать с подъемным оперением. Некоторые реальные самолеты с большими хвостами, такие как Avro Lancaster, в некоторых условиях могут летать так, как будто хвост поднимается.

При дальнейшем увеличении размера стабилизатора ЦТ для стабильного полета смещается еще дальше назад:

Это обычно наблюдается в моделях продолжительности свободного полета. Почти все самолеты такой формы в плане имеют подъемное «хвостовое оперение». Редко можно увидеть настоящий самолет с такой формой в плане, однако есть один очень известный дизайн, на котором явно виден поднимающийся хвост — Pou-de-Ciel:

(Обратите внимание, что первоначальная конструкция Pou-de-Ciel имеет катастрофическую ошибку, когда заднее крыло взаимодействует с потоком воздуха переднего крыла - более поздние модификации сдвинули крыло на несколько дюймов назад - НЕ СОЗДАВАЙТЕ ЭТО, если вы не знаете все проблемы)

Если вы еще больше измените соотношение между передней и задней несущими поверхностями, вы получите тандемное крыло. Если вы следили за тенденцией в этот момент, я думаю, вы можете видеть, куда она движется: да, компьютерная графика движется еще дальше назад:

Типичная ЦТ для тандемных крыльев находится полностью за пределами передних крыльев и находится между передними и задними крыльями. Помните, что все формы в плане, включая эту, были рассчитаны с одинаковым статическим запасом — все они одинаково стабильны.

Все тандемные самолеты имеют как переднюю, так и заднюю летные поверхности, сконфигурированные как подъемные.

Тандемы менее редки в пилотируемых самолетах, чем описанная выше почти тандемная конфигурация. Самый известный, вероятно, красивый Rutan Quickie:

По мере того, как мы будем изменять соотношение между передней и задней летательными поверхностями, мы в конечном итоге придем к конфигурации «утка»:

Канарды явно имеют подъемную заднюю летную поверхность. Настолько, что люди инстинктивно называют их «крыльями». А ЦТ смещается еще дальше назад (по отношению к передней поверхности полета, очевидно, перед «крыльями»).

TL;DR

Как видите, погода или нет, ваш хвост поднимается или создает прижимную силу, это не просто выбор, который вы делаете. В некоторых случаях вам придется поднять хвост. В некоторых случаях это будет зависеть от вашего текущего маневра. Все зависит от конструкции вашего самолета.

Примечание: почему большинство самолетов имеют (относительно) крошечные стабилизаторы?

Есть две основные причины, по которым большинство дизайнеров решили сделать хвост маленьким:

Во-первых, уменьшить вес в хвосте. Чем больше хвост, тем сложнее правильно распределить вес для правильной центровки. Однако обратите внимание, что это в основном связано с тем, что большинство дизайнеров руководствуются общепринятым мнением, потому что, как мы видим выше, если вы сделаете хвост достаточно большим, вы можете сместить центр тяжести еще дальше назад для точно такой же стабильности.

Но это подводит нас ко второй причине: уменьшить лобовое сопротивление. Чем больше хвост, тем большее сопротивление он создает. Тандемы — это наихудший сценарий, когда и крылья, и «хвост» создают одинаковое индуктивное сопротивление. Однако несколько дизайнеров, таких как Берт Рутан, воспользовались характеристиками самолетов с тандемным крылом для создания очень эффективных конструкций.

Когда я хотел хороший набор высоты и планирование, я использовал кормовую ЦТ и подъемный хвост...

Все идет отлично, пока вы не остановитесь и вам не придется восстанавливаться. Модели обычно имеют гораздо более высокое отношение тяги к весу, чем полноразмерные прогулочные самолеты, которые обычно составляют 1: 4.

С задней ЦТ хвост будет иметь тенденцию «провисать» вниз по мере уменьшения скорости, что приведет к более высокому углу атаки, что приведет к прямому бархатному скольжению вплоть до точки сваливания. Вы определенно не хотите этого полного масштаба.

Модели с тяжелым хвостом требуют меньшей дифферентовки при изменении скорости, но отсутствие «статической устойчивости» опасно при медленном полете. Избыточная мощность покрывает «множество грехов» моделей, потому что добавление газа может увеличить скорость полета почти мгновенно, тогда как при полной шкале могут пройти драгоценные секунды, чтобы разогнать больший вес с пропорционально меньшей тягой.

Это сила, которая позволяет подняться, а не «поднятый хвост». Вы просто не хотите, чтобы он имел чрезмерную прижимную силу, которая может быть не только результатом чрезмерно выдвинутой вперед ЦТ, но и чрезмерным углом направленного вниз винта, установленного на носу.

Если вы хотите «снова оторваться от земли», почему бы не отправиться в полет с инструктором на безопасной и проверенной конструкции, такой как Cessna 172? Они подготовили всю теорию, и теперь у вас есть безопасный и веселый самолет для полета.

С обычным хвостовым оперением (прижимной силой) ЦТ впереди центра давления приведет к тому, что нос опустится по мере уменьшения воздушной скорости. Чем меньше скорость, тем меньше прижимная сила. Этот наклон носом вниз будет увеличивать скорость полета до тех пор, пока не будет достигнут стазис. Система будет статически стабильной, что снизит нагрузку на пилота.

Если вы переместите ЦТ дальше назад для поднятия хвоста, то по мере снижения скорости нос будет подниматься вверх. Чем меньше скорость полета, тем меньше подъемная сила вверх. Этот тангаж вверх приведет к дальнейшему снижению воздушной скорости, что приведет к большему тангажу вверх. Система будет статически нестабильной, что увеличит нагрузку на пилота.

Вы можете поместить ЦТ примерно в то же место, что и центр давления. Вы даже можете сбалансировать систему, чтобы обеспечить равное количество подъемной силы и крутящего момента с ЦТ между двумя подъемными поверхностями. К сожалению, наличие двух подъемных поверхностей разного размера и конструкции привело бы к разным пропорциям общей подъемной силы при изменении воздушной скорости.

Кроме того, ЦТ ближе к рулю направления и рулю высоты (особенно к рулю направления) затруднит выход из сваливания и/или штопора. Момент плеча корректирующей силы будет меньше.

Если вам нужна низкая скорость снижения, убедитесь, что индуктивное сопротивление низкое. Лучше всего этого можно добиться за счет широкого крыла с малой площадью хвостового оперения . Равномерное распределение площади крыла между двумя крыльями приведет к тому, что одно большое крыло будет лететь по потоку другого большого крыла, а суммарное индуктивное сопротивление увеличится.

При размахе крыла всего 25 футов и общей массе от 120 до 150 кг нагрузка на размах составит 18 кг/м (12 фунтов/фут). Это явно слишком много для слабых термиков, поэтому для парения требуется больший размах крыльев. Соотношение сторон — это еще не все — в вашем индуктивном сопротивлении преобладает нагрузка на пролет, поэтому держите его низким.

Использовать летающее крыло в качестве первого проекта очень амбициозно — приличная поверхность хвостового оперения значительно упрощает задачу. Держите нагрузку на хвостовую поверхность низкой, чтобы у вас было достаточно места для маневрирования. Да, более переднее расположение центра тяжести (= большая прижимная сила хвоста) дает лучшее сопротивление вращению, но, выбрав аэродинамический профиль законцовки крыла с хорошим поведением после сваливания, вы можете получить такое же преимущество с лучшими характеристиками в целом.