Se fosse tão simples ...

Para alcançar a estabilidade longitudinal natural (a aeronave permanece na velocidade compensada, mesmo após distúrbios como rajadas), as superfícies de elevação traseiras precisam ter uma elevação menor por área do que as superfícies dianteiras. Por quê? Em uma rajada, o ângulo de ataque da aeronave muda em todas as superfícies quase ao mesmo tempo. Por ter menos sustentação por área, o aumento relativo de sustentação devido a um aumento no ângulo de ataque é maior para as superfícies traseiras, então agora eles ganham relativamente mais aumento de sustentação do que as superfícies dianteiras. Isso cria um desequilíbrio que levanta a cauda, ​​até que o antigo ângulo de ataque (e, conseqüentemente, a velha velocidade) seja alcançado novamente.

Um carregamento negativo da cauda é um sinal de alta estabilidade. Isso cria mais arrasto, mas permite que o piloto tire as mãos do manche, leia seus mapas, verifique algo ou tome uma xícara de chá. Mas seu efeito no arrasto induzido pode realmente ser útil. Você pode se surpreender, então, por favor, tenha paciência comigo!

O que é resistência induzida, afinal? É a consequência da criação de sustentação em um período limitado. A asa cria sustentação desviando o ar para baixo. Isso acontece gradualmente sobre a corda da asa e cria uma força de reação ortogonalmente à velocidade local do ar. Isso significa que a força de reação está apontando para cima e ligeiramente para trás. Este componente para trás é o arrasto induzido! A distribuição longitudinal das superfícies que fazem a deflexão para baixo é de pouca importância (para uma explicação muito técnica: veja aqui, onde eles falam sobre o avião Treffz): Se você tem uma asa de canard altamente carregada, seu downwash atingirá a asa eventualmente, criando ali uma grande quantidade de sustentação inclinada para trás. O canard por si só não causará tanto arrasto induzido, mas bagunçará o fluxo de ar sobre a asa. Atrás do avião, não importa se você pilota um canard ou uma configuração convencional, o que importa é quanto vão distribuir a criação de sustentação (para uma quantidade constante de sustentação em uma determinada velocidade).

Você provavelmente sabe que uma distribuição elíptica da circulação ao longo da envergadura produz o menor arrasto induzido. Agora imagine que sua asa tem uma distribuição mais triangular do que elíptica. A sustentação para baixo na cauda reduzirá essa curva de sustentação no meio, tornando a distribuição mais próxima da distribuição elíptica ideal atrás de todo o avião. O arrasto induzido de todo o avião é abaixado pela cauda!

Outra explicação: como a asa cria um forte downwash em seu centro, a cauda voa em um fluxo de ar que aponta ligeiramente para baixo. A sustentação negativa ali (sendo aproximadamente ortogonal ao fluxo de ar local) apontará ligeiramente para a frente, de modo que sua cauda carregada negativamente produz uma pequena quantidade de impulso!

Preto: Força total, Azul: Elevação, Vermelho: Arraste

E se você acha que uma distribuição de elevação triangular é incomum, leia este relatório NACA de RT Jones. Ele leva em consideração o peso da asa, e isso muda a imagem de como a distribuição de sustentação para arrasto mínimo induzido deve ser.

Sim, o primeiro voo motorizado de asa fixa bem-sucedido dos irmãos Wright usou um layout canard, então por que esse layout desapareceu em favor do avião de cauda convencional?

Fonte da imagem

A superfície do canard perturba o fluxo de ar sobre a asa principal. O canard longo acoplado coloca o avião avançado a uma distância considerável da asa principal, a fim de reduzir a interferência mútua. Torenbeek cita os seguintes problemas de design para esta configuração:

• Para atingir um intervalo aceitável para o centro de gravidade, o plano frontal deve ser capaz de produzir um coeficiente de sustentação máximo maior do que a asa principal. Geralmente, isso só pode ser alcançado quando a asa principal possui uma relação de aspecto baixa. O avião de vante deve ser fornecido com um sistema de flap sofisticado.
• Os vórtices do avião de vante afetam o fluxo sobre a asa e criarão um momento de rolamento em uma derrapagem. Os vórtices também podem atingir a nadadeira.

O layout do canard tem como vantagem fornecer um momento aerodinâmico do nariz para cima com sustentação positiva: ajuda na elevação do avião, e se estolar, o nariz desce, corrigindo automaticamente a situação de estol. A desvantagem do layout é: em ângulos de ataque elevados, a asa canard fornece uma grande força de levantamento e está sempre mais próxima do estol do que a asa principal. Isso deixaria sem uso uma grande parte da capacidade de elevação da asa principal em baixas velocidades.

Portanto, o layout canard parece ser particularmente adequado para aeronaves transsônicas e supersônicas - aeronaves convencionais com uma superfície horizontal em a cauda também pode cruzar com uma carga de cauda positiva e tem a vantagem de um fluxo limpo sobre a asa principal, além de um grande intervalo de CoG.

A ideia de colocar força em algo que você está tentando levantar inicialmente não parece certa, mas olhar mais de perto revela a verdadeira função da punhalada H projetada apropriadamente, para definir a asa em seu ângulo de ataque mais eficiente enquanto o H stab is at (menor arrasto) 0 AOA!

Todos nós sabemos que uma asa é mais eficiente do que 2.Realmente não faz sentido carregar positivamente ou negativamente o estabilizador horizontal para eficiência de cruzeiro ideal. O ponto do projeto em um AOA de asa de cruzamento de eficiência ideal seria Clift diretamente sobre CG.

A punhalada H, em AOA zero, estaria fazendo seu trabalho mantendo-a lá, com trim e autoridade de elevador suficientes para lidar com outras situações.

O benefício adicional de uma punhalada H traseira é que ajuda a estabilidade direcional e ajuda a baixar o nariz se o avião estiver afundando.

Bob