Почему так часто используется сила опускания хвоста?

Если бы это было так просто...

Для достижения естественной продольной устойчивости (самолет остается на заданной скорости даже после таких возмущений, как порывы ветра), задние подъемные поверхности должны иметь меньшую подъемную силу на единицу площади, чем передние поверхности. Почему? При порыве ветра угол атаки самолета изменяется практически одновременно по всем поверхностям. Имея меньшую подъемную силу на площадь, относительное увеличение подъемной силы из-за увеличения угла атаки выше для задних поверхностей, поэтому теперь они получают относительно большее увеличение подъемной силы, чем передние поверхности. Это создает дисбаланс, который поднимает хвост до тех пор, пока снова не будет достигнут старый угол атаки (и, следовательно, старая скорость).

Отрицательная нагрузка на хвост является признаком высокой устойчивости. Это создает большее сопротивление, но позволяет пилоту снять руки с джойстика, прочитать карты, что-то проверить или выпить чашку чая. Но его влияние на индуктивное сопротивление действительно может быть полезным. Вы можете быть удивлены, поэтому, пожалуйста, потерпите меня!

Что такое индуктивное сопротивление? Это следствие создания подъемной силы в ограниченном диапазоне. Крыло создает подъемную силу, отклоняя воздух вниз. Это происходит постепенно по хорде крыла и создает силу реакции, ортогональную местной скорости воздуха. Это означает, что сила реакции направлена ​​вверх и немного назад. Эта обратная составляющая является индуцированным сопротивлением! Продольное распределение поверхностей, которые отклоняются вниз, не имеет большого значения (очень техническое объяснение: см. здесь, где они говорят о самолете Treffz): Если у вас есть сильно нагруженное крыло «утка», его поток вниз в конце концов ударит по крылу, создав там большую подъемную силу, наклоненную назад. Утка сама по себе не вызовет такого сильного индуктивного сопротивления, но испортит воздушный поток над крылом. Сзади самолета не имеет значения, летите ли вы на канарде или в обычной конфигурации, важно то, на какой размах вы распределяете создание подъемной силы (для постоянной величины подъемной силы на заданной скорости).

Вы, наверное, знаете, что эллиптическое распределение циркуляции по размаху крыла создает наименьшее индуктивное сопротивление. Теперь представьте, что ваше крыло имеет скорее треугольное, чем эллиптическое распределение. Нисходящая подъемная сила на хвосте уменьшит этот горб подъемной силы в середине, делая распределение ближе к идеальному эллиптическому распределению позади всего самолета. Индуктивное сопротивление всего самолета снижается за счет хвоста!

Другое объяснение: поскольку крыло создает сильное нисходящее движение в центре, хвост летит в воздушном потоке, направленном немного вниз. Отрицательная подъемная сила здесь (примерно ортогональная местному воздушному потоку) на самом деле будет направлена ​​немного вперед, поэтому отрицательно нагруженный хвост создает небольшую тягу!

Черный: общая сила, синий: подъем, красный: сопротивление

И если вы считаете, что треугольное распределение подъемной силы необычно, пожалуйста, прочитайте этот отчет NACA от RT Jones . Он учитывает вес крыла, и это меняет картину того, как должно выглядеть распределение подъемной силы для минимального индуктивного сопротивления.

Да, в первом успешном полете моторизованного самолета с неподвижным крылом братья Райт использовали компоновку «утка», так почему же эта компоновка исчезла в пользу обычного хвостового оперения?

Источник изображения

Поверхность утка мешает воздушному потоку над основным крылом. Длинная спаренная утка размещает переднюю плоскость на значительном расстоянии от основного крыла, чтобы уменьшить взаимное влияние. Торенбек указывает на следующие проблемы проектирования этой конфигурации:

• Для достижения приемлемого диапазона центра тяжести носовая плоскость должна обеспечивать более высокий максимальный коэффициент подъемной силы, чем основное крыло. Как правило, это может быть достигнуто только в том случае, если основное крыло обладает малым удлинением. Передний самолет должен быть оснащен сложной системой закрылков.
• Сопровождающие вихри передней плоскости влияют на обтекание крыла и создают момент качки при боковом скольжении. Вихри также могут ударять по плавнику.

Преимущество схемы «утка» в том, что она обеспечивает аэродинамический момент подъема носа с положительной подъемной силой: она помогает поднимать самолет, а если он сваливается, нос опускается, автоматически корректируя ситуацию сваливания. Недостатком компоновки является то, что на больших углах атаки крыло-утка обеспечивает большую подъемную силу и всегда находится ближе к срыву, чем основное крыло. Это оставило бы неиспользованной большую часть грузоподъемности основного крыла на малых скоростях.

Таким образом, компоновка «утка» кажется особенно подходящей для трансзвуковых и сверхзвуковых самолетов — обычные самолеты с горизонтальной поверхностью в хвостовой части также могут совершать полеты с положительной хвостовой нагрузкой и иметь преимущество чистого потока над основным крылом плюс большой Диапазон ЦГ.

Идея приложить усилие к чему-то, что вы пытаетесь поднять, поначалу кажется совершенно неверным, но если присмотреться поближе, то можно увидеть истинную функцию правильно сконструированного H-образного удара, чтобы установить крыло под наиболее эффективным углом атаки, в то время как H-образный удар находится в (самом низком сопротивлении) 0 AOA!

Мы все знаем, что одно крыло эффективнее двух. На самом деле нет смысла положительно или отрицательно нагружать горизонтальный стабилизатор для оптимальной крейсерской эффективности. Конструктивной точкой оптимальной эффективности угла атаки крыла будет Clift непосредственно над центром тяжести.

Удар H при нулевом угле атаки будет выполнять свою работу, удерживая его там, с достаточными полномочиями по триммеру и рулю высоты, чтобы справиться с другими ситуациями.

Дополнительным преимуществом заднего Н-образного штыря является то, что он способствует курсовой устойчивости и помогает опустить нос, если самолет тонет.

Боб