I progettisti di Aircraft devono affrontare una decisione fondamentale quando si modella l'ampennage: se le superfici di controllo orizzontale si siedono davanti all'ala come una canard, o dietro di essa come una coda convenzionale? Questa scelta si increspa su ogni aspetto delle prestazioni del volo, dalla stabilità statica e manovrabilità al risparmio di carburante e al peso strutturale.

Panoramica delle configurazioni di Empennage

Il comportamento di empennage, il montaggio della coda, fornisce le forze necessarie per tagliare l'aereo in campo e in sbavatura, e per mantenere la stabilità. In una coda [anche chiamata un piano di coda o stabilizzatore orizzontale), le superfici di sollevamento sono poste dietro l'ala principale e di solito contribuiscono a una forza discendente per bilanciare il momento di lancio del naso-down generato dall'ala.

La configurazione della canna

Storia e Esempi notevoli

Il Wright Flyer del 1903 ha usato un ascensore in avanti, rendendolo uno dei primi velivoli a canardo. La configurazione è caduta di favore per gran parte del 20 ° secolo, ma è stato rianimato in particolare da Burt Rutan VariEze] e Long-EZ

Principi aerodinamici

In un layout di canardo, sia l'aereo che l'ala principale producono ascensore. Il canardo è tipicamente impostato ad un angolo più alto di attacco che l'ala principale, quindi si blocca prima. Questo è utile perché uno stallo del canardo causa il naso a cadere, riducendo l'angolo di attacco e impedendo l'ala principale di stallare - un vantaggio di sicurezza chiave.

In termini di trascinamento di taglio, un canardo adeguatamente progettato può ridurre la resistenza totale rispetto ad una coda convenzionale. Poiché la canapa solleva verso l'alto, l'ala principale può essere più piccola o operare ad un angolo inferiore di attacco per lo stesso sollevamento totale.

Vantaggi di Canard Designs

  • caratteristiche di stallo eccellente:[ Il canardo si staglia prima dell'ala principale, fornendo movimento naturale di pitch-down e riducendo il rischio di una stalla profonda o rotazione piatta.
  • Trascino di taglio ridotto:[ Con entrambe le superfici che producono un sollevamento verso l'alto, la penalità di trascinamento indotta è inferiore a quella di una coda convenzionale che richiede un download.
  • Capacità di sollevamento potenziata:[ La canapa contribuisce al sollevamento complessivo, consentendo un carico ala principale o più alto, senza sacrificare le prestazioni di decollo.
  • Migliora manovrabilità:[] Le configurazioni di canapa possono raggiungere tassi di rotazione istantanei molto elevati perché la canard aggiunge il momento di pitching del naso, soprattutto quando viene defletta come elevon.
  • Resistenza al piazzola:[] Ad angoli di attacco elevati, l'ala principale in un layout di canapa tende a rimanere installata, ritardando l'instabilità del passo.

Svantaggi di disegni di canardo

  • Complex interazioni:[] Il downwash e la veglia della canapa possono interferire con l'ala principale, causando una riduzione della separazione del flusso o dell'ascensore se non accuratamente allineati.
  • Peso strutturale:[[] La regolazione delle superfici di controllo in avanti del centro di gravità richiede spesso un naso di fusoliera più lungo o una struttura più pesante per gestire i momenti di curvatura e i margini di fluttuazione.
  • Handling vs. stabilità trade-off:[ Gli aeromobili Canard sono spesso progettati per essere statiticamente instabile longitudinalmente, richiedendo un'aumento del volo per cavo.
  • Volume misto per il carburante o il carico utile nel naso:[ L'attacco strutturale della canapa e le superfici in movimento consumano lo spazio di fusoliera in avanti.
  • difficoltà di recupero del rombo:[] Se il canardo si blocca asimmetricamente, la partenza risultante può essere più difficile da recuperare da che in un design di coda convenzionale.

Tipi di Canardo

  • Canna da colmare con un colpetto di calici:[] Situato molto vicino all'ala principale per beneficiare di un'ingerenza favorevole e di un momento di lancio.
  • Cannaia a lungo con rivestimento:[] Situato molto avanti all'ala principale per una progressione più delicata dello stallo e una maggiore stabilità statica. Tipica degli aerei da crociera (Pi Avanti).
  • Canna da barattolo libero:[] Nessun collegamento di controllo; la canapa è libera di cerniera e impostare il proprio angolo di attacco.
  • Canna da incidenza variabile:[ Può essere ruotato per cambiare l'angolo di attacco per diverse fasi di volo, ottimizzando l'efficienza.

Configurazione del Tail Convenzionale

Storia e Esempi notevoli

La coda convenzionale è stata il layout dominante per oltre un secolo, dal Fokker Dr.I triplane al Boeing 737 e Cessna 172. Il suo principio fondamentale è che la coda, situata dietro l'ala, esercita una forza discendente per contrastare il momento di lancio dell'ala - un metodo provato attraverso milioni di ore di volo.

Principi aerodinamici

La coda convenzionale opera nel campo del downwash dell'ala. Poiché l'ala deflette il flusso d'aria verso il basso, la coda sperimenta un angolo di attacco efficace ridotto, che influenza la sua efficienza. Per tagliare l'aereo, la coda deve produrre un sollevamento negativo (download) quando il centro di gravità è in avanti—questo è tipico per la maggior parte delle condizioni di volo.

Un vantaggio aerodinamico della coda convenzionale è che è in gran parte isolato dalla stalla principale dell'ala: la coda è tipicamente impostata ad un angolo inferiore di attacco e rimane installata quando l'ala stalla, fornendo il controllo positivo del passo durante il recupero. Inoltre, la posizione della coda di poppa generalmente fornisce maggiore smorzamento in campo, contribuendo ad una corsa liscia e stabile.

Vantaggi delle tail convenzionali

  • Stabilità del prodotto:[] L'aereo è naturalmente stabile in campo; se il naso sale, il download della coda aumenta per riportarlo indietro e viceversa.
  • Aerodinamica semplificatrice:[ Il flusso sulla coda è ben compreso e gli strumenti di progettazione sono maturi.
  • Facile manutenzione e accessibilità:[ L'ascensore e il timone sono facilmente raggiungibili a terra, riducendo i tempi di svolta e i costi di ispezione.
  • Buone caratteristiche di recupero del giro:[ Le code convenzionali forniscono una forte autorità per contrastare una rotazione, e la forza verso il basso aiuta a guidare il naso verso il basso.
  • Ben adattato per motori posteriori:[ Le configurazioni a coda T posizionano lo stabilizzatore orizzontale fuori dallo scarico del motore, evitando l'impingement del gas caldo.

Svantaggi delle tail convenzionali

  • Trim drag penali:[ Il download della coda richiede che l'ala produca più ascensori, aumentando la resistenza indotta, in particolare a basse velocità e ad alta angolazione di attacco.
  • Drazza dalla struttura:[ La coda si estrae, oltre al corpo a poppa fusoliera, aggiungete l'area bagnata e la resistenza parassita.
  • Peso e equilibrio:[ Il peso della coda molto dietro il centro di gravità richiede una fusoliera più lunga per mantenere un braccio di momento corretto, che aggiunge massa strutturale.
  • Piccolo rischio di stalla su aerei T-tail:[ Se le stalli dell'ala e la coda è elevata nella scia dell'ala, può diventare inefficace o sbiancato, portando a una stalla profonda con recupero limitato.
  • Materiale retto:[ Ad alta angolazione di attacco, il download della coda può opporsi ad un rapido pitch-up, limitando le prestazioni di giramento istantanee.

Variazioni delle tails convenzionali

  • T-tail:[] Stabilizzatore orizzontale montato sulla parte superiore della pinna verticale.Comune su molti velivoli a swept-wing (Boeing 727, MD-80). Riduce l'interferenza della coda-fusolage ma aggiunge peso e rischio di stalla profondo.
  • Cruciforme coda:[] Stabilizzatore orizzontale montato a metà strada sulla pinna verticale, bilanciando il supporto strutturale e la pulizia aerodinamica.
  • H-tail (coda gemella): Due pinne verticali con uno stabilizzatore orizzontale che spazia tra loro. Usato su alcuni grandi trasporti (An-225) per ridondanza del timone.
  • V-tail:[] Una singola superficie che può arrivare fino a fornire sia il controllo di passo che di yaw tramite un timone. Leggero ma incline all'autorità di controllo sfavorevole e limitato.

Analisi comparativa dei trade-off aerodinamici

Stall e Spin Recovery

Il layout della canapa eccelle nella prevenzione dello stallo: il primo piano sta inseguendo, producendo un momento naturale di discesa del naso. Questo dà ai piloti un ampio margine di sicurezza, motivo per cui i caniardi sono popolari nei modelli di kit e sport leggeri certificati. Tuttavia, una volta che un giro si sviluppa, soprattutto se le bancarelle di canardo offrono il download asimmetrico convenzionale, la copertura può essere più impegnativa perché le superfici in avanti sono meno efficaci nel recupero rapido della rotazione.

Trim Drag ed Efficienza

Per una data area di peso lordo e di ali, un canardo ha solitamente un limite inferiore trascinamento perché solleva piuttosto che spinge verso il basso. Questo si traduce in un vantaggio di efficienza di crociera del 5% al 15% in casi favorevoli, secondo la ricerca della NASA. Tuttavia, l'interferenza del canardo trascina spesso compensa alcuni guadagni, soprattutto in disegni ravvicinati. La coda convenzionale, perché opera in downwash e genera sollevamento negativo, incorre a una penalità di trasporto fisso del quarto piano che aumenta.

Maneuverabilità e Agility

I caccia canadesi come l'Eurofighter Typhoon possono tirare 9 g e raggiungere angoli molto alti di attacco perché la canapa aggiunge un potente momento di nascontro indipendente dall'alzata dell'ala. I combattenti convenzionali della coda, come il F-16 (che usa una coda convenzionale con un piano di coda volante), si affidano a stabilizzatori orizzontali a pieno movimento che possono anche raggiungere alti tassi di constrazione.

Integrazione strutturale e peso

Il layout della canapa sfida i progettisti strutturali: il piano e la sua struttura di sostegno devono essere posizionati molto avanti, spesso richiedendo un naso più lungo o una scatola di ali avanti. Questo può aggiungere 10-15% di peso di fusoliera più rispetto ad un design convenzionale coda di carico simile.

Radar Cross-Section e Stealth

La distanza tra i due modelli è stata ridotta in modo da poter essere combinata con la fusoliera orizzontale per creare una forma a basso contenuto di oggetti, e la sua posizione in avanti può aiutare a proteggere le riflessioni di assunzione del motore da alcuni angoli. Tuttavia, la canapa aggiunge una grande superficie instabile che è difficile da trattare con materiali a raggi infrarossi. La coda convenzionale, in particolare una coda a V, può essere più facilmente allineata con l'ala convenzionale.

Considerazioni di progettazione e Trade-Offs

Influenza del profilo Missione

La scelta finale dipende dalla missione. Un jet business a lungo raggio che privilegia l'efficienza del carburante può beneficiare di una coda pulita convenzionale con un minimo trascinamento di assetto, mentre un addestratore o un aereo sportivo leggero che valorizza il comportamento dello stallone docile può appoggiarsi verso una canard.Per missioni di combattimento, agilità e post-stall la capacità di favorire la canard, ma il costo e la stealth può spingere verso una coda convenzionale.

Test dinamici e tunnel eolici computazionali

Questi strumenti moderni di CFD permettono ai progettisti di analizzare le interferenze di canardo, i gradienti di downwash e il comportamento di trim non lineare all'inizio del ciclo di progettazione, riducendo il rischio. I test di tunnel eolici rimangono essenziali per convalidare i derivati di stabilità e la progressione di stalla.

Conclusioni

I sistemi di distribuzione aerodinamica tra canardo e configurazioni tradizionali di coda sono sottili e indipendenti dal contesto. I candei offrono un comportamento di stalla superiore, una resistenza ridotta al taglio e un'agilità impressionante, ma richiedono un design aerodinamico attento e spesso incurgono le sanzioni di peso e manutenzione. Le code convenzionali forniscono stabilità comprovata, il recupero robusto della rotazione e le strutture più semplici, ma portano una penalità di trascinamento fisso e possono limitare le prestazioni ad alta angolodinamica.

[LT]
[[FLT]]] [[FLT]]] ]]]Carta tecnica NSA 1108: "Aerodinamica delle configurazioni dei canardi"
- AIAA Paper 2018-1234: "Attacco di canardo-Wing all'alto angolo