Биплан — это самолет с фиксированным крылом, два основных крыла которого расположены одно над другим. Первый управляемый самолет с двигателем, который поднялся в воздух, Wright Flyer , использовал бипланную компоновку крыла, как и многие самолеты в первые годы авиации . Хотя конструкция крыла биплана имеет структурное преимущество перед монопланом , она создает большее сопротивление, чем крыло моноплана. Улучшенные структурные методы, лучшие материалы и более высокие скорости сделали конфигурацию биплана устаревшей для большинства целей к концу 1930-х годов.
Бипланы предлагают несколько преимуществ по сравнению с обычными конструкциями свободнонесущих монопланов: они позволяют использовать более легкие конструкции крыла, низкую нагрузку на крыло и меньший размах для данной площади крыла. Однако интерференция между потоками воздуха над каждым крылом существенно увеличивает сопротивление, и бипланам обычно требуется обширное крепление, что вызывает дополнительное сопротивление.
Бипланы отличаются от самолетов с тандемным расположением крыльев , в которых крылья расположены спереди и сзади, а не сверху и снизу.
Этот термин также иногда используется в биологии для описания крыльев некоторых летающих животных .
В биплане два крыла расположены одно над другим. Каждое из них обеспечивает часть подъемной силы, хотя они не могут производить вдвое больше подъемной силы, чем одно крыло аналогичного размера и формы, поскольку верхнее и нижнее работают почти на одну и ту же часть атмосферы и, таким образом, мешают поведению друг друга. В конфигурации биплана без смещения от верхнего крыла к нижнему крылу коэффициент подъемной силы уменьшается на 10–15 процентов по сравнению с монопланом, использующим тот же аэродинамический профиль и соотношение сторон . [1]
Нижнее крыло обычно крепится к фюзеляжу , в то время как верхнее крыло приподнято над фюзеляжем с помощью расположения стоек кабана , хотя использовались и другие расположения. Одно или оба основных крыла могут поддерживать элероны , в то время как закрылки чаще всего располагаются на нижнем крыле. Скрепы почти всегда добавляются между верхним и нижним крыльями в виде межплоскостных стоек , расположенных симметрично по обе стороны фюзеляжа, и распорных тросов, чтобы удерживать конструкцию от изгиба, когда крылья сами по себе не являются консольными конструкциями.
Основным преимуществом биплана перед монопланом является его способность сочетать большую жесткость с меньшим весом. Жесткость требует структурной глубины, и если ранние монопланы должны были иметь ее с помощью внешних распорок, то биплан, естественно, имеет глубокую структуру и поэтому его легче сделать как легким, так и прочным. Такелажные тросы на неконсольных монопланах находятся под гораздо более острым углом, тем самым обеспечивая меньшее натяжение для обеспечения жесткости внешнего крыла. На биплане, поскольку углы ближе к идеалу, находящемуся на прямой линии с противодействующими силами, общая структура может быть сделана более жесткой. Из-за уменьшенной жесткости монопланы с распорками из тросов часто имели несколько наборов летных и посадочных тросов, тогда как биплан можно было легко построить с одним отсеком, с одним набором посадочных и летных тросов. Однако дополнительного сопротивления от тросов было недостаточно, чтобы компенсировать аэродинамические недостатки, связанные с наличием двух аэродинамических профилей, мешающих друг другу. Были предприняты попытки создания монопланов с подкосами, но ни один из них не увенчался успехом, не в последнюю очередь из-за сопротивления, создаваемого большим количеством используемых подкосов. [ необходима цитата ]
Структурные силы, действующие на лонжероны крыла биплана, как правило, 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. Заданная площадь крыла также имеет тенденцию быть короче, что снижает изгибающие моменты на лонжеронах, что затем позволяет сделать их более легкими. [2] Однако биплану нужны дополнительные стойки для поддержания зазора между крыльями, что добавляет как вес, так и сопротивление.
Низкая мощность двигателей, доступных в первые годы авиации, ограничивала самолеты довольно низкими скоростями. Это требовало еще более низкой скорости сваливания , что в свою очередь требовало низкой нагрузки на крыло , сочетая как большую площадь крыла с малым весом. Получение достаточно большой площади крыла без того, чтобы крылья были длинными, и, таким образом, опасно гибкими, было легче осуществить с бипланом. [ необходима цитата ]
Меньшее крыло биплана обеспечивает большую маневренность . После Первой мировой войны это помогло продлить эру бипланов, и, несмотря на недостатки в производительности, большинство истребителей были бипланами вплоть до середины 1930-х годов. Специальные спортивные пилотажные бипланы все еще производятся в небольших количествах. [ необходима цитата ]
Бипланы испытывают аэродинамическую интерференцию между двумя плоскостями, когда воздух высокого давления под верхним крылом и воздух низкого давления над нижним крылом нейтрализуют друг друга. [ сомнительно – обсудить ] Это означает, что биплан на практике не получает подъемную силу, вдвое большую, чем моноплан аналогичного размера. Чем дальше друг от друга расположены крылья, тем меньше интерференция, но распорки должны быть длиннее, а зазор должен быть чрезвычайно большим, чтобы заметно ее уменьшить.
По мере того, как в конце Первой мировой войны мощность двигателей и скорость возросли , толстые свободнонесущие крылья с изначально меньшим сопротивлением и большей нагрузкой на крыло стали практичными, что, в свою очередь, сделало монопланы более привлекательными, поскольку помогло решить структурные проблемы, связанные с монопланами, но не дало существенных улучшений бипланам. [ необходима цитата ]
Стандартная конструкция биплана имеет крылья, расположенные прямо друг над другом. Перемещение верхнего крыла вперед относительно нижнего называется положительным разносом или, чаще, просто разносом. Это может увеличить подъемную силу и уменьшить сопротивление за счет небольшого снижения эффектов аэродинамической интерференции между двумя крыльями, но чаще использовалось для улучшения доступа в кабину. Многие бипланы имеют разносные крылья. Распространенные примеры включают de Havilland Tiger Moth , Bücker Bü 131 Jungmann и Travel Air 2000 .
В качестве альтернативы, нижнее крыло может быть перемещено вперед верхнего крыла, давая отрицательный сдвиг и аналогичные преимущества. Обычно это делается в данной конструкции по структурным причинам или для улучшения видимости. Примерами отрицательного сдвига являются Sopwith Dolphin , Breguet 14 и Beechcraft Staggerwing . [3] [4] Однако положительный (вперед) сдвиг встречается гораздо чаще.
Пространство, ограниченное набором межплоскостных стоек , называется отсеком (в зависимости от используемой архитектурной формы ), поэтому биплан или триплан с одним набором таких стоек, соединяющих крылья с каждой стороны самолета, является одноотсечным бипланом . Это обеспечивало достаточную прочность для небольших самолетов, таких как истребитель Fokker D.VII времен Первой мировой войны и базовый учебный самолет de Havilland Tiger Moth времен Второй мировой войны . [5]
Более крупный двухместный Curtiss JN-4 Jenny — это двухотсечный биплан , дополнительный отсек необходим, поскольку слишком длинные отсеки склонны к изгибу и могут выйти из строя. Истребитель SPAD S.XIII , хотя и выглядит как двухотсечный биплан, имеет только один отсек, но его средние точки такелажа укреплены дополнительными стойками; однако они конструктивно не являются смежными сверху донизу крыла. [6] Sopwith 1½ Strutter имеет W-образную кабину, однако, поскольку она не соединяет крылья друг с другом, она не увеличивает количество отсеков. [7]
Большие транспортные и бомбардировочные бипланы часто нуждались в еще большем количестве отсеков для обеспечения достаточной прочности. Их часто называют многоотсечными бипланами . Небольшое количество бипланов, таких как Zeppelin-Lindau DI, не имеют межплоскостных стоек и называются бесстойковыми . [8]
Поскольку большинство бипланов не имеют консольных конструкций, им требуются такелажные тросы для поддержания их жесткости. Ранние самолеты использовали простую проволоку (плетеную или гладкую), однако во время Первой мировой войны британский Королевский авиазавод разработал проволоку профиля крыла под названием RAFwire, чтобы как увеличить прочность, так и уменьшить сопротивление. В конструкции крыла биплана используются четыре типа тросов. Трансформирующие тросы внутри крыльев предотвращают складывание крыльев назад к фюзеляжу, проходя внутри отсека крыла от переднего внутреннего угла к заднему внешнему углу. [9] Анти-трансформирующие тросы предотвращают движение крыльев вперед, когда самолет останавливается, и проходят в противоположном направлении к трансмиссионным тросам. [10] Оба они обычно скрыты внутри крыльев, и если конструкция достаточно жесткая, в некоторых конструкциях могут быть опущены. Действительно, многие ранние самолеты полагались на тканевое покрытие крыла, чтобы обеспечить эту жесткость, пока более высокие скорости и силы не сделали этого недостаточным. Снаружи подъемные тросы предотвращают складывание крыльев и проходят от нижней стороны внешнего крыла к нижнему основанию крыла. [11] И наоборот, посадочные тросы предотвращают провисание крыльев и противостоят силам, возникающим при посадке самолета, и проходят от центральной секции верхнего крыла к наружной части нижних крыльев. [12] Дополнительные тяговые и противотяговые тросы могут использоваться для укрепления стоек кабана, которые соединяют фюзеляж с крыльями, и межплоскостных стоек, которые соединяют верхнее и нижнее крылья вместе.
Полутораплан — тип биплана, в котором одно крыло (обычно нижнее) значительно меньше другого. [ 13] [14] Слово, происходящее от латинского, означает «полтора крыла». Такое расположение позволяет уменьшить сопротивление и вес, сохраняя при этом структурные преимущества биплана. Нижнее крыло может иметь значительно меньший размах или уменьшенную хорду . [13]
Примерами служат военные самолеты серии Nieuport — от Nieuport 10 до Nieuport 27 , которые составляли костяк военно-воздушных сил союзников в период с 1915 по 1917 год. [15] Характеристики полуторапланов Nieuport были настолько впечатляющими, что Idflieg (Немецкая инспекция летных войск) попросила своих производителей самолетов изготовить копии, в чем им помогли несколько захваченных самолетов и подробные чертежи; одной из самых известных копий был Siemens-Schuckert DI . [16] Albatros D.III и DV , которые также скопировали общую компоновку с Nieuport, также составляли костяк немецких войск во время Первой мировой войны. [17] Полуторапланы Albatros получили широкое признание среди своих экипажей за свою маневренность и высокую скороподъемность. [18]
В межвоенный период конфигурация полутораплана продолжала оставаться популярной, с многочисленными типами, такими как Nieuport-Delage NiD 42 / 52 / 62 series, Fokker C.Vd & e и Potez 25 , все они служили во многих военно-воздушных силах. В секторе авиации общего назначения такие самолеты, как Waco Custom Cabin, оказались относительно популярными. [19] Saro Windhover был полуторапланом с верхним крылом меньше нижнего, что было гораздо более редкой конфигурацией, чем обратная. [20] Pfalz D.III также отличался несколько необычной компоновкой полутораплана, обладая более прочным нижним крылом с двумя лонжеронами, что устраняло проблемы флаттера, с которыми сталкивались полуторапланы с одним лонжероном. [17]
Складывание плоскостей крыла было предложено сэром Джорджем Кейли в 1843 году. [21] Хирам Максим принял эту идею для своего испытательного стенда с паровым двигателем, который поднялся в воздух, но был удержан предохранительными поручнями, в 1894 году. [22] Отто Лилиенталь спроектировал и пилотировал два разных дельтаплана- биплана в 1895 году, [23] хотя он больше известен своими монопланами. [24] 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 перспективы для полета с двигателем, чем моноплан. В 1903 году биплан Wright Flyer стал первым успешным самолетом с двигателем. [25]
В течение первых лет были распространены как бипланы, так и монопланы, но к началу Первой мировой войны бипланы приобрели популярность после того, как несколько структурных отказов монопланов привели к «запрету монопланов» RFC , когда все монопланы на военной службе были приземлены, [26] в то время как французы также изъяли большинство монопланов из боевых действий и перевели их в разряд учебных. Такие деятели, как автор статей об авиации Брюс, заметили, что существовало явное предубеждение даже против недавно разработанных монопланов, таких как Bristol M.1 , из-за которого даже те, у которых были относительно высокие летные характеристики, игнорировались в пользу «ортодоксальных» бипланов, и в то время якобы широко распространено было мнение, что самолеты-монопланы изначально небезопасны во время боя. [27] [28]
В период с 1914 по 1925 год подавляющее большинство новых самолетов, представленных на вооружение, 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 бипланов раньше, если бы конфликт не закончился вовремя. [29] Французы также представили Morane-Saulnier AI , моноплан-парасоль с подкосами , хотя этот тип был быстро низведен до роли продвинутого учебно-тренировочного самолета после решения структурных проблем. [30] Типы полуторапланов , которые представляли собой бипланы с укороченными нижними крыльями, такие как французский Nieuport 17 и немецкий Albatros D.III , имели меньшее сопротивление, чем обычный биплан, и были прочнее моноплана.
В межвоенный период было представлено множество бипланных авиалайнеров. Британский самолет de Havilland Dragon был особенно успешным самолетом, использовавшим простую конструкцию, чтобы перевозить шесть пассажиров на загруженных маршрутах, таких как рейсы Лондон-Париж. [31] В начале августа 1934 года один из таких самолетов, названный Trail of the Caribou , выполнил первый беспосадочный перелет между материковой частью Канады и Великобританией за 30 часов 55 минут, хотя изначально предполагаемой целью этого дальнего перелета был Багдад , Ирак . [32] [33] 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 комфортным преемником Dragon. [34]
По мере увеличения мощности и скорости двигателя, издержки внешнего крепления все больше ограничивали летные характеристики самолета. Чтобы летать быстрее, необходимо было уменьшить внешнее крепление, чтобы создать аэродинамически чистую конструкцию; однако ранние конструкции с консольными крыльями были либо слишком слабыми, либо слишком тяжелыми. Полутораплан Junkers JI 1917 года выпуска использовал гофрированный алюминий для всех летательных поверхностей с минимальным количеством стоек; однако было относительно легко повредить тонкую металлическую обшивку, и наземным службам требовалось осторожное обращение. [35] Истребитель Zeppelin-Lindau DI 1918 года выпуска был цельнометаллическим монококом с несущей обшивкой , полностью консольным бипланом, но его появление произошло слишком поздно, чтобы увидеть боевое применение в конфликте. [8]
К 1930-м годам бипланы достигли предела своих возможностей, и монопланы стали все более преобладающими, особенно в континентальной Европе, где монопланы стали все более распространенными с конца Первой мировой войны . В начале Второй мировой войны несколько военно-воздушных сил все еще имели боевые самолеты-бипланы на передовой, но они уже не были конкурентоспособны, и большинство из них использовались в нишевых ролях, таких как обучение или корабельные операции, до самого конца войны. Британский биплан Gloster Gladiator , итальянский Fiat CR.42 Falco и советские истребители-полуторапланы И-153 все еще были в эксплуатации после 1939 года. [36] [37] По словам авиационного автора Джанни Каттанео, CR.42 смог добиться успеха в роли оборонительного ночного истребителя против бомбардировщиков Королевских ВВС, которые наносили удары по промышленным объектам по всей северной Италии. [38] [39]
Воздушные силы британского флота эксплуатировали торпедоносцы Fairey Swordfish со своих авианосцев и использовали этот тип в качестве средства борьбы с подводными лодками до конца конфликта, в основном из-за их способности действовать с относительно компактных палуб эскортных авианосцев . Его низкая скорость сваливания и изначально прочная конструкция делали его идеальным для операций даже в часто суровых погодных условиях Средней Атлантики. [40] К концу конфликта Swordfish отличился тем, что уничтожил больше тоннажа судов стран Оси , чем любой другой самолет Союзников. [41]
И немецкий Heinkel He 50 , и советский Поликарпов По-2 с относительным успехом применялись в качестве ночных штурмовиков на протяжении всей Второй мировой войны. В случае с По-2 производство самолетов продолжалось даже после окончания конфликта, не прекращаясь до 1952 года. [42] Значительное количество По-2 было задействовано Корейскими народными военно-воздушными силами во время Корейской войны , нанося серьезный ущерб во время ночных налетов на базы ООН . [43] По-2 также является единственным бипланом, которому приписывают задокументированную сбитую реактивную машину, поскольку один Lockheed F-94 Starfire был потерян при замедлении до 161 км/ч (100 миль/ч) — ниже скорости сваливания — во время перехвата, чтобы вступить в бой с низколетящим По-2. [44]
Более поздние учебные бипланы включали de Havilland Tiger Moth в Королевских ВВС (RAF), Королевских канадских ВВС (RCAF) и других, а также Stampe SV.4 , который служил после войны во французских и бельгийских ВВС. Stearman PT-13 широко использовался ВВС США (USAAF), в то время как ВМС США эксплуатировали Naval Aircraft Factory N3N . В более позднем гражданском использовании в США Stearman стал особенно ассоциироваться с фигурными полетами, такими как ходьба по крылу , и с опылением посевов, где его компактность хорошо работала на малых высотах, где ему приходилось уклоняться от препятствий.
Современные конструкции бипланов все еще существуют в специальных ролях, таких как пилотаж и сельскохозяйственные самолеты , при этом роль и формат спортивного пилотажа для такого биплана были четко определены к середине 1930-х годов моделями 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 были оснащены поршневыми двигателями . Исключения включают 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 биплана были британский Avro 504 1913 года , 11 303 экземпляра которого было построено, и советский Поликарпов По-2 1928 года , более 20 000 экземпляров которого было построено, причем По-2 был прямой заменой советской копии Avro 504. Оба широко использовались в качестве учебных самолетов. Антонов Ан-2 также был очень успешным, более 18 000 экземпляров было построено.
Хотя большинство сверхлегких самолетов являются монопланами, низкая скорость и простая конструкция вдохновили небольшое количество сверхлегких самолетов-бипланов, таких как Easy Riser Ларри Мауро (1975–). Мауро также создал версию, работающую на солнечных батареях, приводящих в движение электродвигатель, под названием Solar Riser . Easy Riser Мауро использовался «Отцом Гусь» Биллом Лишманом . [45]
Другие сверхлегкие бипланы включают разработанный в Бельгии Aviasud Mistral , немецкий FK12 Comet (1997–), Lite Flyer Biplane, [46] [47] Sherwood Ranger и Murphy Renegade .
Пернатый динозавр Microraptor gui скользил, а возможно, даже и летал, на четырех крыльях, которые могли быть сконфигурированы в шахматном порядке полутораплана. Это стало возможным благодаря наличию маховых перьев как на передних, так и на задних конечностях, причем перья на передних конечностях раскрывались на больший размах. Было высказано предположение, что задние конечности не могли раскрываться в стороны, а в полете висели бы ниже и немного позади передних конечностей. [48]