Биплан -Biplane

Биплан Sopwith Camel времен Первой мировой войны

Биплан — это самолет с двумя основными крыльями , расположенными друг над другом. Первый управляемый самолет с двигателем , Райт Флайер , использовал расположение крыла биплана, как и многие самолеты в первые годы развития авиации . Хотя конструкция крыла биплана имеет конструктивное преимущество перед монопланом, она создает большее сопротивление , чем крыло моноплана . Усовершенствованные технологии конструкции, лучшие материалы и более высокие скорости сделали конфигурацию биплана устаревшей для большинства целей к концу 1930-х годов.

Бипланы имеют несколько преимуществ по сравнению с обычными конструкциями свободнонесущих монопланов : они обеспечивают более легкую конструкцию крыла, низкую нагрузку на крыло и меньший размах для данной площади крыла. Однако интерференция воздушного потока над каждым крылом существенно увеличивает сопротивление, и бипланы обычно нуждаются в обширных распорках, что вызывает дополнительное сопротивление.

Бипланы отличаются от тандемных крыльев , где крылья расположены вперед и назад, а не сверху и снизу.

Термин также иногда используется в биологии для описания крыльев некоторых летающих животных .

Характеристики

Биплан-дельтаплан 1920-х годов

В самолете-биплане два крыла размещены одно над другим. Каждое из них обеспечивает часть подъемной силы, хотя они не могут создать вдвое большую подъемную силу, чем одно крыло аналогичного размера и формы, потому что верхнее и нижнее воздействуют почти на одну и ту же часть атмосферы и, таким образом, мешают друг другу. . В конфигурации биплана без смещения верхнего крыла к нижнему коэффициент подъемной силы снижается на 10–15 процентов по сравнению с монопланом с таким же аэродинамическим профилем и удлинением.

Нижнее крыло обычно крепится к фюзеляжу , а верхнее крыло поднимается над фюзеляжем с помощью распорок кабины , хотя использовались и другие варианты. Одно или оба основных крыла могут поддерживать элероны , а закрылки обычно располагаются на нижнем крыле. Распорки почти всегда добавляются между верхним и нижним крыльями в виде межплоскостных распорок , расположенных симметрично по обеим сторонам фюзеляжа, и растяжек, чтобы предотвратить изгиб конструкции, где крылья сами по себе не являются консольными конструкциями.

Преимущества и недостатки

Советский биплан Антонов Ан-2 1940-х годов.

Основным преимуществом биплана перед монопланом является его способность сочетать большую жесткость с меньшим весом. Жесткость требует глубины конструкции, и там, где ранние монопланы должны были быть снабжены внешними распорками, биплан, естественно, имеет глубокую конструкцию, и поэтому его легче сделать одновременно легким и прочным. Такелажные тросы на неконсольных монопланах расположены под гораздо более острым углом, что обеспечивает меньшее натяжение для обеспечения жесткости внешнего крыла. На биплане, поскольку углы ближе к идеалу, когда они находятся на прямой линии с противодействующими силами, общая конструкция может быть сделана более жесткой. Из-за меньшей жесткости монопланы с проволочными связями часто имели несколько наборов полетных и посадочных тросов, тогда как биплан можно было легко построить с одним отсеком, с одним набором посадочных и подвесных тросов. Однако дополнительного сопротивления тросов было недостаточно, чтобы компенсировать аэродинамические недостатки из-за того, что два аэродинамических профиля мешали друг другу. Были опробованы монопланы с подкосами, но ни один из них не увенчался успехом, не в последнюю очередь из-за сопротивления от количества используемых стоек.

Структурные силы, действующие на лонжероны крыла биплана, имеют тенденцию быть ниже, поскольку они разделены между четырьмя лонжеронами, а не двумя, поэтому крыло может использовать меньше материала для получения той же общей прочности и, следовательно, легче. Определенная площадь крыла также имеет тенденцию быть короче, что снижает изгибающие моменты на лонжеронах, что также позволяет сделать их более легкими. Однако биплану нужны дополнительные стойки, чтобы сохранить зазор между крыльями, что увеличивает вес и сопротивление.

Низкая мощность двигателей, имевшихся в первые годы существования авиации, ограничивала самолеты достаточно низкими скоростями. Это требовало еще более низкой скорости сваливания , что, в свою очередь, требовало малой нагрузки на крыло , сочетая большую площадь крыла с малым весом. Получение достаточно большой площади крыла без длинных и, следовательно, опасно гибких крыльев было легче достичь с помощью биплана.

Меньшее крыло биплана обеспечивает большую маневренность . После Первой мировой войны это помогло продлить эру бипланов, и, несмотря на недостатки в характеристиках, большинство истребителей еще в середине 1930-х годов были бипланами. Специализированные спортивные пилотажные бипланы до сих пор производятся в небольшом количестве.

Бипланы испытывают аэродинамическую интерференцию между двумя самолетами, когда воздух высокого давления под верхним крылом и воздух низкого давления над нижним крылом компенсируют друг друга. Это означает, что на практике биплан не имеет вдвое большей подъемной силы, чем моноплан аналогичного размера. Чем дальше друг от друга разнесены крылья, тем меньше помехи, но распорки должны быть длиннее, а зазор должен быть чрезвычайно большим, чтобы заметно его уменьшить. Учитывая низкую скорость и мощность первых самолетов, сопротивление тросов и стоек и взаимное влияние воздушных потоков были относительно незначительными и приемлемыми факторами.

По мере того, как в конце Первой мировой войны мощность и скорость двигателей выросли , толстые свободнонесущие крылья с изначально меньшим лобовым сопротивлением и более высокой нагрузкой на крыло стали практичными, что, в свою очередь, сделало монопланы более привлекательными, поскольку помогло решить конструктивные проблемы, связанные с монопланами, но дало мало улучшений для бипланов. .

Шататься

Смещение крыльев на основном тренажере Fleet Finch

В стандартной конструкции биплана крылья расположены прямо одно над другим. Перемещение верхнего крыла вперед по отношению к нижнему называется положительным смещением или, чаще, просто смещением. Он может увеличить подъемную силу и уменьшить лобовое сопротивление за счет небольшого уменьшения аэродинамических интерференционных эффектов между двумя крыльями, но чаще использовался для улучшения доступа в кабину. Многие бипланы имеют ступенчатое расположение крыльев. Общие примеры включают de Havilland Tiger Moth , Bücker Bü 131 Jungmann и Travel Air 2000 .

В качестве альтернативы, вместо этого нижнее крыло может быть перемещено впереди верхнего крыла, что дает отрицательное смещение и аналогичные преимущества. Обычно это делается в данном дизайне по конструктивным причинам или для улучшения видимости. Примеры отрицательного смещения включают Sopwith Dolphin , Breguet 14 и Beechcraft Staggerwing . Однако положительное (вперед) смещение встречается гораздо чаще.

Бухты

Пространство, ограниченное набором межплоскостных распорок , называется отсеком (так же, как используется архитектурная форма ), следовательно, биплан или триплан с одним набором таких подкосов, соединяющих крылья с каждой стороны самолета, является бипланом с одним отсеком . Это обеспечивало достаточную прочность для небольших самолетов, таких как истребитель Fokker D.VII времен Первой мировой войны и базовый учебно-тренировочный самолет de Havilland Tiger Moth времен Второй мировой войны .

Более крупный двухместный самолет Curtiss JN-4 Jenny представляет собой биплан с двумя отсеками , причем дополнительный отсек необходим, поскольку слишком длинные отсеки склонны к изгибу и могут выйти из строя. Истребитель SPAD S.XIII , хотя и выглядит как биплан с двумя отсеками, имеет только один отсек, но средние точки такелажа укреплены дополнительными стойками; однако они конструктивно не являются смежными сверху до нижнего крыла. Sopwith 1½ Strutter имеет кабину W - образной формы, однако, поскольку она не соединяет крылья друг с другом, это не увеличивает количество отсеков.

Большим транспортным и бомбардировочным бипланам часто требовалось еще больше отсеков, чтобы обеспечить достаточную прочность. Их иногда называют многоместными бипланами . Небольшое количество бипланов, таких как Zeppelin-Lindau DI , не имеют межплоскостных распорок и называются бесподкосными .

Безопорный биплан Zeppelin-Lindau DI
Одноместный полутораплан Nieuport 23
Одноместный биплан SPAD S.XIII со вспомогательными стойками
Двухсекционный биплан Curtiss JN-4
Четырехместный или многоместный биплан Handley Page V / 1500

Такелаж

Поскольку большинство бипланов не имеют консольных конструкций, для поддержания жесткости им требуются такелажные тросы. В первых самолетах использовалась простая проволока (плетеная или обычная), однако во время Первой мировой войны Британский Королевский авиационный завод разработал проволоку аэродинамического профиля под названием RAFwire, чтобы увеличить прочность и уменьшить сопротивление. В конструкции крыла биплана используются четыре типа проволоки. Тяговые тросы внутри крыльев предотвращают складывание крыльев обратно к фюзеляжу и проходят внутри отсека крыла от переднего внутреннего угла к заднему внешнему углу. Противоскользящие тросы предотвращают движение крыльев вперед, когда самолет останавливается, и проходят в направлении, противоположном тормозным тросам. Оба они обычно скрыты внутри крыльев, и, если в остальном конструкция достаточно жесткая, в некоторых конструкциях их можно не использовать. Действительно, многие ранние самолеты полагались на тканевое покрытие крыла для обеспечения этой жесткости, пока более высокие скорости и силы не сделали это недостаточным. Внешне подъемные тросы предотвращают складывание крыльев и проходят от нижней части внешнего крыла к основанию нижнего крыла. И наоборот, посадочные тросы предотвращают провисание крыльев, противостоят силам при посадке самолета и проходят от верхней центральной части крыла к внешней стороне нижних крыльев. Дополнительные тормозные и противоскользящие тросы могут использоваться для крепления распорок кабины, которые соединяют фюзеляж с крыльями, и межплоскостных распорок, которые соединяют верхнее и нижнее крылья вместе.

биплан

На этой фотографии Nieuport 17 видно гораздо меньшее нижнее крыло.

Полутораплан — тип биплана , у которого одно крыло (обычно нижнее) значительно меньше другого. Слово означает «полтора крыла». Такая компоновка может уменьшить сопротивление и вес, сохранив при этом конструктивные преимущества биплана. Нижнее крыло может иметь значительно меньший размах или уменьшенную хорду .

Примеры включают серию военных самолетов Nieuport — от Nieuport 10 до Nieuport 27 , которые составляли костяк военно-воздушных сил союзников в период с 1915 по 1917 год . войска) обратились к своим производителям самолетов с просьбой изготовить копии, чему способствовали несколько захваченных самолетов и подробные чертежи; одной из самых известных копий был Siemens-Schuckert DI . Albatros D.III и DV , также скопировавшие общую компоновку с Nieuport, также составляли костяк немецких войск во время Первой мировой войны. Летные экипажи полуторапланов «Альбатрос» получили широкое признание за свою маневренность и высокую скороподъемность.

В межвоенный период конфигурация полутораплана продолжала оставаться популярной, и многие типы, такие как Nieuport- Delage NiD 42/52/62 , Fokker C.Vd & e и Potez 25 , служили в большом количестве военно-воздушных сил. В секторе авиации общего назначения такие самолеты, как серия Waco Custom Cabin, оказались относительно популярными. Saro Windhover представлял собой полутораплан с верхним крылом меньше нижнего, что было гораздо более редкой конфигурацией, чем обратное. Pfalz D.III также отличался несколько необычной компоновкой полуторного самолета с более прочным нижним крылом с двумя лонжеронами, что устраняло проблемы с флаттером, с которыми сталкивались однолонжеронные полуторапланы.

История

Отто Лилиенталь летит на своем большом биплане в Лихтерфельде (недалеко от Берлина) 19 октября 1895 г.

Биплан Voisin 1909 г. с «занавесками», соединяющими верхнее и нижнее крылья.

Конец 1930 -х годов Fiat CR.42 Falco с межплоскостными стойками фермы Уоррена , которые уменьшили объем работ, необходимых для оснащения биплана.

Компоновку самолетов с крыльями предложил сэр Джордж Кейли в 1843 году . Хирам Максим перенял эту идею для своей паровой испытательной установки, которая взлетела, но удерживалась предохранительными поручнями в 1894 году. Отто Лилиенталь спроектировал и управлял двумя разными подвесными бипланами. планеры в 1895 году, хотя он более известен своими монопланами. К 1896 году группа молодых людей в Соединенных Штатах во главе с Октавом Шанютом летала на дельтапланах , включая бипланы, и пришла к выводу, что биплан с внешними распорками предлагает лучшие возможности для полета с двигателем, чем моноплан. В 1903 году биплан Wright Flyer стал первым успешным самолетом с двигателем.

В первые годы и бипланы, и монопланы были обычным явлением, но к началу Первой мировой войны бипланы завоевали популярность после того, как несколько структурных отказов монопланов привели к «запрету монопланов» RFC, когда все монопланы, находящиеся на военной службе, были остановлены, в то время как французы также сняли большинство монопланов с боевых ролей и перевели их в учебные. Такие деятели, как авиационный автор Брюс, заметили, что существует очевидное предубеждение даже против монопланов новой конструкции, таких как Bristol M.1 , из-за которого даже те, у которых относительно высокие характеристики, упускаются из виду в пользу «ортодоксальных» бипланов, и в то время якобы было широко распространено мнение, что самолеты-монопланы по своей природе небезопасны во время боя.

Между 1914 и 1925 годами явное большинство представленных новых самолетов были бипланами; однако в последние годы Первой мировой войны немцы экспериментировали с новым поколением монопланов, таких как Fokker D.VIII , которые могли бы положить конец преимуществам биплана ранее, если бы конфликт не закончился вовремя. Французы также представили Morane-Saulnier AI , подкосный моноплан с зонтиком , хотя этот тип был быстро переведен на роль продвинутого тренировочного самолета после решения структурных проблем. Типы полуторапланов , которые представляли собой бипланы с укороченным нижним крылом, такие как французский Nieuport 17 и немецкий Albatros D.III , предлагали меньшее лобовое сопротивление, чем обычный биплан, но были прочнее моноплана.

В межвоенный период было введено множество авиалайнеров-бипланов. Британский de Havilland Dragon был особенно успешным самолетом с простой конструкцией, позволяющей перевозить шесть пассажиров на оживленных маршрутах, таких как рейсы Лондон-Париж. В начале августа 1934 года один такой самолет, получивший название Trail of the Caribou , совершил первый беспосадочный перелет между материковой частью Канады и Великобританией за 30 часов 55 минут, хотя первоначально целью этого дальнего полета был Багдад , Ирак . Несмотря на относительный успех, британское производство Dragon было быстро прекращено в пользу более мощного и элегантного de Havilland Dragon Rapide , который был специально разработан, чтобы стать более быстрым и удобным преемником Dragon.

По мере того, как доступная мощность и скорость двигателя увеличивались, сопротивление внешним распоркам все больше ограничивало летно-технические характеристики самолета. Чтобы летать быстрее, необходимо было бы уменьшить внешние распорки, чтобы создать аэродинамически чистую конструкцию; однако ранние консольные конструкции были либо слишком слабыми, либо слишком тяжелыми. В полутораплане Junkers JI 1917 года для всех летающих поверхностей использовался гофрированный алюминий с минимальным количеством стоек; однако было относительно легко повредить тонкую металлическую обшивку, и наземные бригады требовали осторожного обращения. Истребитель Zeppelin-Lindau DI 1918 года представлял собой цельнометаллический монокок с напряженной обшивкой и полностью свободнонесущим бипланом, но его появление произошло слишком поздно, чтобы увидеть боевое применение в конфликте.

К 1930-м годам бипланы достигли предела своих возможностей, и монопланы стали все более преобладать, особенно в континентальной Европе, где монопланы были все более распространены с конца Первой мировой войны . В начале Второй мировой войны некоторые военно-воздушные силы все еще имели боевые самолеты-бипланы на передовой, но они больше не были конкурентоспособными, и большинство из них использовались в нишевых ролях, таких как обучение или корабельные операции, до вскоре после окончания войны. . Британский биплан Gloster Gladiator , итальянский Fiat CR.42 Falco и советский полуторный истребитель I-153 все еще находились в эксплуатации после 1939 года. По словам автора авиации Джанни Каттанео, CR.42 смог добиться успеха в роли оборонительного ночного истребителя Бомбардировщики RAF, наносившие удары по промышленным объектам на севере Италии.

Учебно -тренировочный биплан Boeing-Stearman Model 75 PT-13D 30-х и 40-х годов.

Авиация британского флота эксплуатировала бомбардировщики- торпедоносцы Fairey Swordfish со своих авианосцев и использовала этот тип в качестве противолодочной войны до конца конфликта, в основном из-за их способности действовать с относительно компактных палуб эскортных авианосцев . Его низкая скорость сваливания и прочная конструкция сделали его идеальным для работы даже в часто суровых погодных условиях Средней Атлантики. К концу конфликта Swordfish отличился тем, что уничтожил большее количество кораблей Оси , чем любой другой самолет союзников.

И немецкий Heinkel He 50 , и советский Поликарпов По-2 с относительным успехом использовались в качестве ночных штурмовиков на протяжении всей Второй мировой войны. В случае с По-2 производство самолетов продолжалось даже после окончания конфликта, не прекращаясь примерно до 1952 года. Значительное количество По-2 было поставлено на вооружение Корейскими народными военно-воздушными силами во время Корейской войны , причинив серьезный ущерб . повреждения во время ночных рейдов на базы ООН . По-2 также является единственным бипланом, которому приписывают задокументированное убийство реактивным самолетом, поскольку один Lockheed F-94 Starfire был потерян при замедлении до 161 км/ч (100 миль в час) — ниже скорости сваливания — во время перехвата в чтобы поразить низколетящий По-2.

Более поздние учебные бипланы включали de Havilland Tiger Moth в Королевских ВВС (RAF), Королевских ВВС Канады (RCAF) и других, а также Stampe SV.4 , который после войны служил во французских и бельгийских ВВС. Stearman PT-13 широко использовался ВВС США (USAAF), в то время как ВМС США эксплуатировали военно- морской авиационный завод N3N . В более позднем гражданском использовании в США Stearman стал особенно ассоциироваться с каскадерскими полетами, такими как ходьба на крыльях , и с уборкой урожая, где его компактность хорошо работала на низких высотах, где ему приходилось уклоняться от препятствий.

Поликарпов По-2 , которых в Советском Союзе было построено более 20 000 штук.

Современные конструкции бипланов все еще существуют в специальных ролях, таких как высший пилотаж и сельскохозяйственные самолеты , а роль и формат соревновательного высшего пилотажа для такого биплана четко определены к середине 1930-х годов Udet U 12 Flamingo и Waco Taperwing . Pitts Special доминировал в высшем пилотаже в течение многих лет после Второй мировой войны и все еще находится в производстве.

Подавляющее большинство конструкций бипланов было оснащено поршневыми двигателями . Исключения составляют Антонов Ан-3 и WSK-Mielec M-15 Belphegor , оснащенные турбовинтовыми и турбовентиляторными двигателями соответственно. Некоторые старые конструкции бипланов, такие как Grumman Ag Cat , доступны в модернизированных версиях с турбовинтовыми двигателями.

Двумя наиболее производимыми конструкциями бипланов были британский Авро 504 1913 года, из которых было построено 11 303, и советский Поликарпов По-2 1928 года, из которых было построено более 20 000, причем По-2 был прямой заменой советской копии Авро 504. Оба широко использовались в качестве тренажеров.

Сверхлегкий самолет

Сверхлегкий биплан Mauro Solar Riser с электрическим приводом

Хотя большинство сверхлегких самолетов являются монопланами, низкие скорости и простая конструкция послужили источником вдохновения для создания небольшого количества сверхлегких самолетов-бипланов, таких как Easy Riser Ларри Мауро (1975–). Мауро также сделал версию с солнечными батареями, приводящими в движение электродвигатель, под названием Solar Riser . Easy Riser Мауро использовал «Отец Гусь» Билл Лишман .

Другие сверхлегкие бипланы включают Aviasud Mistral бельгийской разработки , немецкую комету FK12 (1997–), биплан Lite Flyer , Sherwood Ranger и Murphy Renegade .

Эволюция птиц

Пернатый динозавр Microraptor gui скользил и, возможно, даже летал на четырех крыльях, которые могли быть расположены в шахматном порядке. Это стало возможным благодаря наличию маховых перьев как на передних, так и на задних конечностях, при этом перья на передних конечностях открываются на больший размах. Было высказано предположение, что задние конечности не могли раскрываться в стороны, а в полете свисали ниже и немного позади передних конечностей.

Смотрите также

Внешние ссылки

Историческая коллекция фотографий бипланов
Джеки Хейс: Крылья птиц произошли от динозавров-бипланов . Архивировано 27 января 2007 г. в Wayback Machine , Cosmos .
Spicerweb.org , дельтаплан-биплан Octave Chanute

Languages

In other projects