Введение
Конфигурация крыльев самолета с двумя расположенными друг над другом основными несущими поверхностями
Бипланы в математике
Биплан – это самолет с фиксированным крылом, имеющий два основных крыла, расположенных одно над другим. Первый самолет с двигателем и управляемый полет совершил Wright Flyer, который использовал бипланную схему крыла, как и многие самолеты в первые годы авиации. Хотя конструкция крыла биплана имеет структурное преимущество перед крылом моноплана, она создает большее сопротивление, чем крыло моноплана. Совершенствование конструктивных технологий, использование более качественных материалов и увеличение скоростей сделали бипланную конфигурацию устаревшей для большинства применений к концу 1930-х годов. Бипланы обладают рядом преимуществ по сравнению с традиционными консольными монопланами: они позволяют создавать более легкие конструкции крыльев, снижать нагрузку на крыло и уменьшать размах крыла при заданной площади. Однако интерференция воздушных потоков над каждым крылом значительно увеличивает сопротивление, и бипланам обычно требуется обширное расчагивание, что также создает дополнительное сопротивление. Бипланы отличаются от тандемной схемы крыла, где крылья расположены впереди и позади, а не сверху и снизу. Этот термин иногда используется и в биологии для описания крыльев некоторых летающих животных.
Характеристики
В двухплановом самолете два крыла расположены одно над другим. Каждое из них создает часть подъемной силы, однако они не способны обеспечить вдвое большую подъемную силу, чем одно крыло аналогичного размера и формы, поскольку верхнее и нижнее крылья работают почти в одной и той же части атмосферы и, таким образом, взаимно влияют на аэродинамические характеристики. В двухплановой конфигурации без разгона верхнего крыла относительно нижнего, коэффициент подъемной силы снижается на 10–15% по сравнению с монопланом, использующим тот же профиль крыла и удлинение.
Нижнее крыло обычно крепится к фюзеляжу, а верхнее поднимается над фюзеляжем с помощью кабанных подкосов, хотя использовались и другие схемы крепления. На любом или обоих основных крыльях могут быть установлены элероны, а закрылки чаще располагают на нижнем крыле. Для усиления конструкции между верхним и нижним крыльями почти всегда устанавливают межплановые распорки, симметрично расположенные по обе стороны фюзеляжа, и расчалки, предотвращающие изгиб крыльев, если сами крылья не являются консольными.
Преимущества и недостатки
Основное преимущество биплана над монопланом заключается в его способности сочетать большую жесткость с меньшим весом. Жесткость требует конструктивной глубины, и в то время как ранние монопланы нуждались в внешней расчалке для обеспечения этой глубины, биплан по своей природе имеет глубокую структуру и поэтому его легче сделать одновременно легким и прочным. Растяжки на неконсольных монопланах имеют гораздо более острый угол, что создает меньшее натяжение для обеспечения жесткости крыла. На биплане углы ближе к оптимальным, располагаясь почти в прямой линии с направлением действующих сил, что позволяет сделать общую конструкцию более жесткой. Из-за меньшей жесткости проволочные монопланы часто имели несколько комплектов летящих и посадочных растяжек, в то время как биплан можно было легко построить с одним оттяжным отсеком и одним комплектом посадочных и летящих растяжек. Однако дополнительное сопротивление от растяжек не компенсировало аэродинамические недостатки, связанные с взаимным влиянием двух несущих поверхностей. Монопланы с подкосами также испытывались, но ни один из них не оказался успешным, в частности из-за сопротивления, создаваемого большим количеством подкосов. Структурные нагрузки, действующие на лонжероны крыла биплана, как правило, ниже, поскольку они распределяются между четырьмя лонжеронами вместо двух, что позволяет использовать меньше материала для достижения той же прочности и, следовательно, снизить вес. Определенная площадь крыла также, как правило, короче, что уменьшает изгибающие моменты на лонжеронах и позволяет использовать более легкие лонжероны. Однако биплану требуются дополнительные подкосы для поддержания зазора между крыльями, что увеличивает как вес, так и сопротивление. Небольшая мощность двигателей, доступных в первые годы авиации, ограничивала скорость самолетов довольно низкими значениями. Это требовало еще более низкой скорости сваливания, что, в свою очередь, требовало низкой нагрузки на крыло, сочетающей большую площадь крыла с небольшим весом. Достичь достаточной площади крыла без чрезмерной длины крыльев, и, следовательно, опасной гибкости, было проще с помощью биплана. Меньшее крыло биплана обеспечивает большую маневренность. После Первой мировой войны это способствовало продлению эры бипланов, и, несмотря на недостатки в характеристиках, большинство истребителей оставались бипланами вплоть до середины 1930-х годов. Специализированные спортивные пилотажные бипланы до сих пор производятся небольшими сериями. Бипланы страдают от аэродинамических помех между крыльями, когда воздух высокого давления под верхним крылом и воздух низкого давления над нижним крылом взаимно нейтрализуют друг друга. Это означает, что биплан на практике не обеспечивает вдвое большую подъемную силу, чем моноплан аналогичного размера. Чем больше расстояние между крыльями, тем меньше помехи, но подкосы должны быть длиннее, а зазор – чрезвычайно большим, чтобы значительно уменьшить их. С ростом мощности двигателей и скоростей в конце Первой мировой войны стали практичными толстые консольные крылья с изначально меньшим сопротивлением и большей нагрузкой на крыло, что, в свою очередь, сделало монопланы более привлекательными, поскольку это помогло решить структурные проблемы, связанные с монопланами, но не дало существенных преимуществ бипланам.
Стрельца
По умолчанию конструкция биплана предполагает расположение крыльев непосредственно друг над другом. Смещение верхнего крыла вперед относительно нижнего называется положительным разбегом или, чаще, просто разбегом. Это может незначительно увеличить подъемную силу и уменьшить сопротивление за счет снижения эффектов аэродинамического взаимодействия между крыльями, но чаще использовалось для улучшения доступа в кабину пилота. Многие бипланы имеют крылья с разбегом. Типичные примеры включают de Havilland Tiger Moth, Bücker Bü 131 Jungmann и Travel Air 2000. В качестве альтернативы, нижнее крыло может быть выдвинуто вперед относительно верхнего, что дает отрицательный разбег и схожие преимущества. Обычно это делается в конкретной конструкции по соображениям прочности или для улучшения обзора. Примеры отрицательного разбега включают Sopwith Dolphin, Breguet 14 и Beechcraft Staggerwing. Однако положительный (передний) разбег встречается гораздо чаще.
Заливы
Пространство, ограниченное набором межпланных распорок, называется отсеком (по аналогии с архитектурным термином), поэтому биплан или триплан с одним набором таких распорок, соединяющих крылья с каждой стороны самолета, является одноотсечным бипланом. Это обеспечивало достаточную прочность для небольших самолетов, таких как истребитель Fokker D. VII времён Первой мировой войны и базовый учебный самолет de Havilland Tiger Moth времён Второй мировой войны. Более крупный двухместный Curtiss JN 4 Jenny является двухотсечным бипланом, дополнительный отсек необходим, так как чрезмерно длинные отсеки склонны к прогибу и могут разрушиться. Истребитель SPAD S. XIII, хотя и выглядит как двухотсечный биплан, имеет только один отсек, но средние точки расчалок усилены дополнительными распорками; однако, эти распорки не являются структурно связанными от верхней до нижней плоскости крыла. Sopwith 1½ Strutter имеет кабану в форме буквы W, но поскольку она не соединяет крылья между собой, она не увеличивает количество отсеков. Крупным транспортным и бомбардировочным бипланам часто требовалось еще больше отсеков для обеспечения достаточной прочности. Их иногда называют многоотсечными бипланами. Небольшое количество бипланов, таких как Zeppelin Lindau D. I, не имеют межпланных распорок и называются бесраспорными.
Подтасовка
Поскольку большинство бипланов не имеют консольных конструкций, им требуются расчалочные провода для поддержания жесткости. Ранние самолеты использовали простую проволоку (плетеная или обычная), однако во время Первой мировой войны британский Королевский авиационный завод разработал проволоку аэродинамического сечения под названием RAFwire, чтобы повысить прочность и снизить сопротивление. В конструкции крыла биплана используются четыре типа расчалочных проводов. Внутренние растяжки предотвращают загиб крыльев назад к фюзеляжу, проходя внутри крыла от переднего внутреннего угла к заднему наружному. Противорастяжки препятствуют смещению крыльев вперед при остановке самолета и проходят в направлении, противоположном внутренним растяжкам. Обычно оба этих типа проводов скрыты внутри крыла, и в конструкциях с достаточной жесткостью могут быть опущены. Действительно, многие ранние самолеты полагались на обшивку крыла из ткани для обеспечения жесткости, пока более высокие скорости и нагрузки не сделали это недостаточным. Внешние подъемные растяжки предотвращают складывание крыльев вверх и проходят от нижней поверхности внешнего крыла к корневой части нижнего крыла. Напротив, посадочные растяжки предотвращают прогиб крыльев, противодействуют нагрузкам при посадке и проходят от центральной секции верхнего крыла к наружным частям нижних крыльев. Дополнительные растяжки и противорастяжки могут использоваться для усиления подкосов кабины, соединяющих фюзеляж с крыльями, и межплановых подкосов, соединяющих верхнее и нижнее крылья.
Сесквиплане
Сескиплан – это тип биплана, в котором одно крыло (обычно нижнее) значительно меньше другого. Слово, происходящее от латинского, означает «одно и полтора крыла». Такая схема позволяет снизить сопротивление и вес, сохраняя при этом структурные преимущества биплана. Нижнее крыло может иметь значительно меньшую размах или уменьшенную хорду. Летные характеристики сескипланов Nieuport были настолько впечатляющими, что Idflieg (немецкая инспекция авиации) запросила у своих производителей самолетов изготовление копий, чему способствовали захваченные самолеты и подробные чертежи; одной из самых известных копий был Siemens Schuckert D. I. Albatros D. III и D. V, которые также копировали общую компоновку Nieuport, также составляли основу немецких ВВС во время Первой мировой войны. В межвоенный период конфигурация сескиплана оставалась популярной, и ее использовали такие самолеты, как Nieuport Delage NiD 42/52/62, Fokker C. Vd & e и Potez 25, которые служили во многих военно-воздушных силах. В сфере гражданской авиации относительно популярными были самолеты серии Waco Custom Cabin. Saro Windhover был сескипланом с верхним крылом меньше, чем нижнее, что было гораздо более редкой конфигурацией. Pfalz D. III также имел несколько необычную конструкцию сескиплана, с более массивным нижним крылом с двумя лонжеронами, что позволило устранить проблемы флаттера, возникавшие у сескипланов с одним лонжероном.
История
Складывание крыльев самолетов было предложено сэром Джорджем Кейли в 1843 году. Хирам Максим применил эту идею в своей паровой испытательной установке, которая взлетала, но удерживалась страховочными рельсами, в 1894 году. Отто Лилиенталь спроектировал и испытал два различных биплана-планера в 1895 году, хотя он более известен своими монопланами. К 1896 году группа молодых людей в США во главе с Октавом Шанутом летала на планерах, включая бипланы, и пришла к выводу, что биплан с внешней расчалкой имеет лучшие перспективы для создания самолета с двигателем, чем моноплан. В 1903 году биплан Wright Flyer стал первым успешным самолетом с двигателем. В первые годы авиации как бипланы, так и монопланы были распространены, но к началу Первой мировой войны бипланы стали более популярными после нескольких структурных разрушений монопланов, что привело к "запрету на монопланы" в Королевских военно-воздушных силах (RFC), когда все монопланы в военной службе были приземлены, а французы также сняли большинство монопланов с боевых заданий, переведя их на обучение. Такие авторы, как Брюс, отмечали, что существовало явное предубеждение даже против недавно разработанных монопланов, таких как Bristol M.1, из-за чего даже самолеты с относительно высокими характеристиками игнорировались в пользу "ортодоксальных" бипланов, и широко распространено было убеждение, что монопланы по своей сути небезопасны в бою. В период с 1914 по 1925 год большинство 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 раньше положить конец преимуществам бипланов, если бы конфликт не завершился так скоро. Французы также представили Morane Saulnier AI, моноплан с крылом-парасолем, хотя после решения проблем с прочностью конструкция быстро была переведена в категорию учебных самолетов. Сескипланы, представлявшие собой бипланы с укороченными нижними крыльями, такие как французский Nieuport 17 и немецкий Albatros D.III, обеспечивали меньшее сопротивление, чем обычный биплан, и были прочнее моноплана. В межвоенный период было представлено множество бипланов-авиалайнеров. Британский de Havilland Dragon был особенно успешным самолетом, благодаря своей простой конструкции он мог перевозить шесть пассажиров на оживленных маршрутах, таких как линия Лондон-Париж. В начале августа 1934 года один из таких самолетов, названный "Trail of the Caribou", совершил первый беспосадочный перелет между материковой Канадой и Великобританией за 30 часов 55 минут, хотя первоначальной целью этого дальнего перелета 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 как более быстрый и комфортный преемник Dragon. С увеличением доступной мощности двигателя и скорости штраф за внешнюю расчалку все больше ограничивал характеристики самолетов. Чтобы летать быстрее, необходимо было уменьшить внешнюю расчалку для создания аэродинамически чистой конструкции; однако ранние бескрепежные конструкции были либо слишком слабыми, либо слишком тяжелыми. В сескиплане Junkers J.I 1917 года использовался гофрированный алюминий для всех несущих поверхностей с минимальным количеством расчалок; однако тонкую металлическую обшивку было относительно легко повредить, и требовалось осторожное обращение со стороны наземного персонала. Истребитель Zeppelin Lindau D.I 1918 года был полностью металлическим, монококовым, бескрепежным бипланом, но его появление было слишком запоздалым для участия в боевых действиях. По словам авиационного автора Джанни Каттанео, CR.42 смог добиться успеха в роли ночного истребителя против бомбардировщиков RAF, наносивших удары по промышленным объектам на севере Италии. Британский военно-морской флот использовал торпедоносцы Fairey Swordfish со своих авианосцев и использовал их в борьбе с подводными лодками до конца конфликта, во многом благодаря их способности работать с относительно компактных палуб эскортных авианосцев. Низкая скорость сваливания и изначально прочная конструкция делали его идеальным для эксплуатации даже в часто суровых условиях средней Атлантики. К концу конфликта Swordfish заслужил признание за уничтожение большего тоннажа судов противника, чем любой другой самолет союзников. Немецкий Heinkel He 50 и советский Polikarpov Po-2 успешно использовались в роли ночных штурмовиков на протяжении всей Второй мировой войны. В случае Po-2 производство самолета продолжалось даже после окончания конфликта, прекратившись лишь около 1952 года. Значительное количество Po-2 было использовано Корейской народной авиацией во время Корейской войны, нанося серьезный ущерб в ночных рейдах на базы Организации Объединенных Наций. Po-2 также является единственным бипланом, которому приписывают уничтожение реактивного самолета, поскольку один Lockheed F-94 Starfire был потерян при снижении скорости – ниже скорости сваливания – во время перехвата для атаки низко летящего Po-2. Более поздние учебные бипланы включали de Havilland Tiger Moth в Королевских военно-воздушных силах (RAF), Королевских военно-воздушных силах Канады (RCAF) и других, а также Stampe SV.4, который использовался после войны в военно-воздушных силах Франции и Бельгии. Stearman PT-13 широко использовался Военно-воздушными силами армии США (USAAF), а ВМС США использовали самолет Naval Aircraft Factory N3N. В дальнейшем гражданском использовании в США Stearman особенно ассоциировался с высшим пилотажем, таким как ходьба по крылу, и с обработкой сельскохозяйственных угодий, где его компактность была полезна на малых высотах, где ему приходилось уклоняться от препятствий. Современные бипланы все еще существуют для специализированных целей, таких как высший пилотаж и сельскохозяйственная авиация, формат и правила соревнований по высшему пилотажу 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 на протяжении многих лет после Второй мировой войны и до сих пор производится. Подавляющее большинство бипланов оснащены поршневыми двигателями. Исключения составляют Antonov An-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. Самыми массовыми бипланами были британский Avro 504 1913 года (11 303 единицы) и советский Polikarpov Po-2 1928 года (более 20 000 единиц), причем Po-2 был прямой заменой советской копии Avro 504. Оба широко использовались в качестве учебных самолетов. Antonov An-2 также был очень успешен, было построено более 18 000 единиц.
Сверхлегкие воздушные суда
Хотя большинство ультралёгких самолётов – монопланы, низкие скорости и простота конструкции вдохновили небольшое количество бипланов, таких как Easy Riser Ларри Мауро (1975 – настоящее время). Мауро также создал версию с питанием от солнечных элементов, приводящую в действие электродвигатель под названием Solar Riser. Easy Riser Мауро использовался Биллом Лишманом, известным как "Отец Гусь". Среди других бипланных ультралёгких самолётов – бельгийский Aviasud Mistral, немецкий FK12 Comet (1997 – настоящее время), Lite Flyer Biplane, Sherwood Ranger и Murphy Renegade.
Эволюция птиц
Пернатый динозавр Микрораптор ги парил и, возможно, даже летал на четырех крыльях, которые могли быть расположены в эшелонированной сессиквипланной схеме. Это стало возможным благодаря наличию маховых перьев как на передних, так и на задних конечностях, при этом размах крыльев передних конечностей был больше. Предполагается, что задние конечности не могли раскрываться в стороны, а в полете свисали ниже и немного позади передних конечностей.