Почему вертикальные хвосты обычно сужаются?

Вертикальное оперение и горизонтальное оперение — это крылья, построенные по одним и тем же правилам. Распределение подъемной силы по размаху намного лучше, если крыло конусообразное: больше подъемная сила у основания, меньше у законцовки.

• Крыло можно сделать легче, площадь корневой части больше, жесткость на кручение выше.
• Сопротивление, вызванное вихрем, ниже.

В качестве справки, из Торенбека: страницы 232 и 233.

Отмечено, что в настоящее время существует в основном три формы прямых крыльев: коническое крыло, неконусное (прямоугольное) крыло и крыло с призматической внутренней частью и конической внешней частью.

О конусности крыльев (и оперения):

Конические крылья были приняты для большинства самолетов, поскольку они предлагают эффективное решение благодаря низкому индуктивному сопротивлению, высокой максимальной подъемной силе, малому весу конструкции... (и) могут быть получены приемлемые характеристики сваливания при условии, что крыло не слишком резко сужается.

Крылья без конуса хуже и дешевле:

Неконическое крыло привлекательно с точки зрения изготовления, так как задействован только один профиль аэродинамического профиля; это упрощает отсадку, поскольку нет сложных кривизн. Он аэродинамически уступает коническому крылу, но, тем не менее, может быть логичным выбором для недорогих частных самолетов, где коэффициент использования низкий, а первоначальная стоимость и дешевизна компонентов важны.

Есть очевидные аэродинамические и конструктивные преимущества конусности (и стреловидности), но также помните, что существенным фактором в форме вертикального оперения является то, что сводится к... стилю. Киль и руль направления составляют примерно треть формы самолета в профиль и определяющего его «внешнего вида». Дизайнеры не машины; они люди с чувством эстетики, как и все остальные, и в этом есть немного искусства, и одна из замечательных особенностей авиации заключается в том, что художественные формы естественным образом вытекают из эффективных форм, таких как слезы, сужающиеся и изогнутые поверхности. Любой дизайнер будет рассматривать внешний вид как часть общей формы хвоста в той или иной степени.

Теперь Pilatus Porter использует вертикальное хвостовое оперение с постоянной хордой, и оно отлично работает, дешевле и проще в постройке, и в большинстве легких низкоскоростных самолетов это более важный фактор, чем аэродинамические. Но он выглядит невероятно уродливым, и кто, черт возьми, захочет строить что-то уродливое, если только вы не решили сделать это частью своего бренда, или вас вообще не волнует внешний вид, или самолет был разработан комитетом без чувство эстетики.

С 50-х годов на самолетах АОН стреловидность стала ассоциироваться с «современностью» и высокими характеристиками, поскольку на самолетах с высокими характеристиками это действительно было так.

Между 1950 и 1966 годами хвосты Cessna пошли от:

и это не оказало ни малейшего влияния на управляемость или летно-технические характеристики самолетов. Это было строго для внешности. С точки зрения производства и аэродинамики, они должны были придерживаться среднего квадратного конуса, который использовался с середины 50-х до начала 60-х годов, но в середине 60-х годов стреловидные хвосты были в моде в GA.

Небольшое затруднение здесь (еще раз спасибо за работу Джона) для дизайнера:

Самое раннее хвостовое оперение Плюсы - очень сильное с желаемой задней кромкой в ​​стиле Прандтля и стреловидной передней кромкой, малым удлинением и высоким углом атаки сваливания. Не случайно это была хвостовая часть Bf 109. Минусы - не так эффективно создавать подъемную силу, как прямое крыло (читатели ASE должны видеть эту тенденцию), много места для "флюгера" при боковом ветре. Скругление, которое можно увидеть на P 51, также улучшит подъемную силу с высоким углом атаки.

Квадратный хвост Плюсы - опять же, очень сильный, маленькое удлинение, высокий угол атаки сваливания. Надежный и простой в изготовлении. Минусы - не так эффективен при подъеме, там нужно больше (лобовое сопротивление, флюгер).

Стреловидное хвостовое оперение Плюсы: стильный дизайн, лучшее распределение нагрузки по размаху (спасибо Питеру), более эффективное создание подъемной силы (такая же подъемная сила для меньшего размера). Меньше погодных условий. Минусы - глохнет при меньшем УА, и из-за большей длины не такой сильный. Вот почему пилоты авиакомпаний не могут агрессивно управлять рулем, особенно на высоких скоростях. Он сломается.

Таким образом, с точки зрения аэродинамики конусообразное хвостовое оперение получает плюс за внешний вид и грузоподъемность, но минус за прочность и высокий угол атаки. Первые два, особенно самый ранний, могут быть лучшим выбором, особенно для высшего пилотажа.