Aeronave sem cauda - Tailless aircraft

Uma aeronave sem cauda não tem montagem de cauda e nenhuma outra superfície horizontal além de sua asa principal. O controle aerodinâmico e as funções de estabilização em pitch e roll são incorporados à asa principal. Um tipo sem cauda ainda pode ter uma aleta vertical convencional ( estabilizador vertical ) e leme .

Vantagens teóricas da configuração sem cauda incluem baixo atrito parasita como no Horten H.IV subindo planador e boas características discrição como no espírito Northrop B-2 bombardeiro.

A configuração sem cauda de maior sucesso tem sido o delta sem cauda , especialmente para aeronaves de combate, embora o delta sem cauda mais conhecido seja o avião Concorde .

A NASA usou a descrição 'sem cauda' para a nova aeronave de pesquisa X-36, que tem um painel dianteiro canard, mas nenhuma nadadeira vertical.

Asas voadoras

Uma asa voadora é um projeto sem cauda que também carece de uma fuselagem distinta , tendo o piloto, motores, etc. localizados diretamente na asa ou na asa.

Aerodinâmica

Arrastar

Uma aeronave de asa fixa convencional tem uma superfície estabilizadora horizontal separada de sua asa principal. Essa superfície extra causa arrasto adicional, exigindo um motor mais potente, especialmente em altas velocidades. Se a estabilidade longitudinal (passo) e o controle puderem ser obtidos por algum outro método (veja abaixo), o estabilizador pode ser removido e o arrasto reduzido.

Estabilidade longitudinal

Um avião sem cauda não tem estabilizador horizontal separado. Por causa disso, o centro aerodinâmico de uma asa comum ficaria à frente do centro de gravidade da aeronave, criando instabilidade na inclinação . Algum outro método deve ser usado para mover o centro aerodinâmico para trás e tornar a aeronave estável . Existem duas maneiras principais de o designer conseguir isso, sendo a primeira desenvolvida pelo aviador pioneiro JW Dunne .

Varrer o bordo de ataque da asa para trás, seja como uma asa varrida ou asa delta , e reduzir o ângulo de incidência da seção externa da asa permite que a asa externa atue como um estabilizador de cauda do avião convencional. Se isso for feito progressivamente ao longo do vão da seção externa, é chamado de lavagem da ponta . Dunne conseguiu isso dando à superfície superior da asa uma curvatura cônica . Em vôo nivelado, a aeronave deve ser aparada para que as pontas não contribuam com nenhuma sustentação: elas podem até precisar fornecer um pequeno empuxo para baixo. Isso reduz a eficiência geral da asa, mas para muitos projetos - especialmente para altas velocidades - isso é superado pelas reduções de arrasto, peso e custo em relação a um estabilizador convencional. A longa envergadura também reduz a capacidade de manobra, e por esta razão o projeto de Dunne foi rejeitado pelo Exército Britânico.

Uma alternativa é o uso de aerofólios de momento de pitching baixo ou nulo , vistos por exemplo na série Horten de planadores e caças. Estes usam uma seção de aerofólio de asa incomum com reflexo ou curvatura reversa na parte traseira ou em toda a asa. Com a curvatura reflexa, o lado mais plano da asa fica no topo e o lado fortemente curvo fica na parte inferior, de modo que a seção frontal apresenta um alto ângulo de ataque, enquanto a seção posterior é mais horizontal e não contribui para a sustentação, agindo como um plano traseiro ou as pontas desbotadas de uma asa varrida. A curvatura reflexa pode ser simulada ajustando-se grandes elevadores a um aerofólio convencional e aparando-os visivelmente para cima; o centro de gravidade também deve ser movido para frente da posição usual. Devido ao efeito Bernoulli , a curvatura reflexa tende a criar um pequeno impulso para baixo, então o ângulo de ataque da asa é aumentado para compensar. Isso, por sua vez, cria arrasto adicional. Este método permite uma escolha mais ampla de forma plana de asa do que sweepback e washout, e os projetos incluem asas retas e até mesmo circulares (Arup). Mas o arrasto inerente a um alto ângulo de ataque é geralmente considerado como tornando o projeto ineficiente, e apenas alguns tipos de produção, como as séries de planadores Fauvel e Marske Aircraft , o usaram.

Uma abordagem mais simples é superar a instabilidade localizando o peso principal da aeronave a uma distância significativa abaixo da asa, de modo que a gravidade tenderá a manter a aeronave em atitude horizontal e assim neutralizar qualquer instabilidade aerodinâmica, como no parapente . No entanto, na prática, isso raramente é suficiente para fornecer estabilidade por conta própria e, normalmente, é aumentado pelas técnicas aerodinâmicas descritas. Um exemplo clássico é a asa delta Rogallo , que usa o mesmo sweepback, washout e superfície cônica que Dunne.

A estabilidade também pode ser fornecida artificialmente. Existe uma compensação entre estabilidade e capacidade de manobra. Um alto nível de manobrabilidade requer um baixo nível de estabilidade. Algumas aeronaves de combate modernas de alta tecnologia são aerodinamicamente instáveis na inclinação e dependem do controle do computador fly-by-wire para fornecer estabilidade. A asa voadora Northrop Grumman B-2 Spirit é um exemplo.

Controle de tom

Muitos projetos anteriores falharam em fornecer controle de inclinação eficaz para compensar a falta do estabilizador. Alguns exemplos eram estáveis, mas sua altura só podia ser controlada com a potência do motor. Outros podem cair para cima ou para baixo de forma brusca e incontrolável se não forem manuseados com cuidado. Isso deu aos designs sem cauda uma reputação de instabilidade. Foi somente com o sucesso posterior da configuração delta sem cauda na era do jato que essa reputação foi amplamente aceita como imerecida.

A solução geralmente adotada é fornecer grandes superfícies de elevador e / ou elevon na borda de fuga da asa. A menos que a asa seja altamente varrida, estes devem gerar grandes forças de controle, pois sua distância do centro aerodinâmico é pequena e os momentos menores. Assim, um tipo sem cauda pode experimentar maior resistência durante as manobras de lançamento do que seu equivalente convencional. Em uma asa delta altamente inclinada, a distância entre a borda de fuga e o centro aerodinâmico é maior, portanto, superfícies alargadas não são necessárias. A série delta sem cauda Dassault Mirage e seus derivados estavam entre os jatos de combate mais usados. No entanto, mesmo no Mirage, o controle de inclinação nos ângulos de ataque elevados experimentados durante a decolagem e a aterrissagem pode ser problemático e alguns derivados posteriores apresentavam superfícies de canard adicionais .

Estabilidade de guinada

Um avião convencional é instável na guinada e precisa de uma barbatana de cauda para mantê-lo reto. O movimento dos ailerons cria uma guinada adversa puxando-o para fora da curva, que também deve ser compensado pelo leme . Embora uma asa varrida seja estável em vôo direto, ela ainda experimenta guinada adversa durante uma curva. Uma solução é dar à asa torção suficiente para que a seção externa se incline para baixo e forneça sustentação negativa. Isso reverte a ação de guinada adversa dos ailerons, ajudando o avião a fazer a curva e eliminando a necessidade de um leme vertical ou spoilers de arrasto diferencial.

A distribuição de sustentação em forma de sino que isso produz também demonstrou minimizar o arrasto induzido para um determinado peso (em comparação com a distribuição elíptica, que o minimiza para um determinado vão).

História

Veja também a história da asa voadora

JW Dunne

Entre 1905 e 1913, o oficial do exército britânico e aeronauta JW Dunne desenvolveram uma série de aeronaves sem cauda destinadas a serem inerentemente estáveis ​​e instáveis. Inspirado em seus estudos de gaivotas em vôo, eles foram caracterizados por asas inclinadas com uma superfície superior cônica. O cone foi organizado de forma que a asa torceu progressivamente para fora em direção às pontas, criando incidência negativa e, portanto, sustentação negativa, nas seções externas, criando estabilidade geral tanto em inclinação quanto em guinada. Uma única superfície de controle na borda de fuga de cada ponta de asa agia como aileron e profundor combinados. Dunne tinha uma avaliação qualitativa avançada dos princípios aerodinâmicos envolvidos, até mesmo entendendo como a sustentação negativa nas pontas das asas, combinada com a acentuada estabilidade direcional em ângulo inclinado para baixo.

Embora originalmente concebido como um monoplano , os projetos iniciais de Dunne para o Exército deveriam ser biplanos , tipicamente apresentando uma nacela de fuselagem entre os aviões com propulsor montado na parte traseira e aletas fixas de placa terminal entre cada par de pontas das asas.

Após o término de seu trabalho no Exército, em 1910 o biplano D.5 foi testemunhado em vôo estável por Orville Wright e Griffith Brewer , que apresentaram um relatório oficial à Royal Aeronautical Society para esse efeito. Assim, ele se tornou o primeiro avião a alcançar estabilidade natural em vôo, bem como o primeiro avião prático sem cauda. O D.8 posterior foi licenciado e vendido comercialmente por W. Starling Burgess na América como o Burgess-Dunne.

Ele também voltou ao seu monoplano. O D.6 de 1911 era um monoplano de asa alta do tipo empurrador que também apresentava pronunciado anédrico ou inclinação para as pontas das asas. As superfícies de controle agora também funcionavam como lemes.

Muitas das idéias de Dunne sobre estabilidade permanecem válidas, e ele é conhecido por ter influenciado designers posteriores, como John K. Northrop (pai do bombardeiro stealth Northrop Grumman B-2 Spirit ).

Entre guerras e segunda guerra mundial

GTR Hill e os Pterodáctilos

Após a Primeira Guerra Mundial, o piloto Geoffrey TR Hill também buscou um design estável e instável. Dunne deu alguma ajuda inicialmente e Hill passou a produzir a série Pterodactyl de aeronaves sem cauda dos anos 1920 em diante. Hill também começou a desenvolver a teoria do aerofólio intrinsecamente estável e a incorporou em seus projetos.

Deltas de Lippisch

Os teóricos alemães desenvolveram ainda mais a teoria do velame estável. O designer Alexander Lippisch produziu seu primeiro design sem cauda, ​​o Delta I, em 1931. Ele passou a construir uma série de designs cada vez mais sofisticados e, no final da Segunda Guerra Mundial, foi levado para a América para continuar seu trabalho .

Messerschmitt Me 163 Komet

Durante a Segunda Guerra Mundial , Lippisch trabalhou para o designer alemão Willy Messerschmitt na primeira aeronave sem cauda a entrar em produção, o Me 163 Komet . Foi o único interceptador movido a foguete a ser colocado em serviço na linha de frente e foi a aeronave mais rápida a chegar ao serviço operacional durante a guerra.

Northrop

Paralelamente a Lippisch, nos EUA, Jack Northrop estava desenvolvendo suas próprias ideias sobre designs sem cauda. O N-1M voou em 1941 e uma sucessão de tipos sem cauda se seguiram, alguns deles verdadeiras asas voadoras.

Pós-guerra

Andorinha de Havilland DH 108

Na década de 1940, o projetista de aeronaves britânico John Carver Meadows Frost desenvolveu a aeronave de pesquisa a jato sem cauda chamada de Havilland DH.108 Swallow , construída usando a fuselagem dianteira do caça a jato de Havilland Vampire . Uma delas foi possivelmente uma das primeiras aeronaves a quebrar a barreira do som - o fez durante um mergulho raso, e o estrondo sônico foi ouvido por várias testemunhas. Todos os três construídos foram perdidos em acidentes fatais.

Northrop X-4 Bantam

Semelhante ao DH.108, o Northrop X-4 de 1948 com motor a dois jatos foi uma das séries de aviões experimentais do pós-guerra desenvolvidos nos Estados Unidos após a Segunda Guerra Mundial para voar em programas de pesquisa explorando os desafios da alta -velocidade de vôo transônico e além. Ele tinha problemas aerodinâmicos semelhantes aos do DH.108, mas ambos os exemplos X-4 construídos sobreviveram aos seus programas de teste de vôo sem incidentes graves por meio de cerca de 80 voos de pesquisa no total de 1950-1953, atingindo apenas velocidades máximas de 640 mph (1.035 km / h).

Dassault Mirage

A série francesa Mirage de caças a jato supersônico foi um exemplo da configuração delta sem cauda e se tornou uma das aeronaves a jato ocidentais mais produzidas. Em contraste, o caça de asa delta equivalente amplamente produzido na União Soviética, o Mikoyan-Gurevich MiG-21 , tem um estabilizador de cauda.

Convair F2Y Sea Dart

Na década de 1950, o protótipo Convair F2Y Sea Dart tornou-se o único hidroavião a exceder a velocidade do som. Convair construiu vários outros tipos delta sem cauda de sucesso.

Aviões supersônicos

O transporte supersônico Concorde anglo-francês e seu equivalente soviético, o Tupolev Tu-144 , eram aviões a jato supersônicos sem cauda, ​​com asas em delta ogival . A graça e a beleza dessas aeronaves em vôo eram freqüentemente comentadas.

Lockheed SR-71 Blackbird

A aeronave de reconhecimento estratégico americano Lockheed SR-71 Blackbird é a aeronave a jato mais rápida, alcançando velocidades acima de Mach 3.

NASA PRANDTL-D

A asa do projeto aerodinâmico de pesquisa preliminar da NASA para reduzir o arrasto (PRANDTL-D) foi desenvolvida por Al Bowers no Centro de Pesquisa de Voo Armstrong da NASA . Bowers foi inspirado no trabalho de Ludwig Prandtl e, como Dunne, na observação do voo dos pássaros. Tal como acontece com o design Dunne, tem uma torção de asa suficiente para definir as pontas das asas em um ângulo negativo e criar o mesmo acoplamento roll-yaw positivo. Bowers desenvolveu uma análise quantitativa das características de elevação, levando à sua descoberta mais geral de uma distribuição de elevação em forma de sino que minimiza o arrasto induzido para o peso da aeronave. Ele aplicou essa distribuição na série de designs "Prandtl-D". No final de 2017, ele pilotou três desses modelos de pesquisa.

Veja também

• Movimento do centro de pressão
• Estabilidade estática longitudinal
• Lista de aeronaves sem cauda

Referências

Citações inline

Referências gerais

• Poulsen, CM "Testes sem cauda, ​​Tributo a um Pioneiro Britânico: Os Dunne Biplanes e Monoplane." , "p. 557." , "p. 558." Flight , 27 de maio de 1943, pp, 556–558.

links externos

• Aeronave sem cauda - discussão sobre design e estabilidade.