Особенности самолетов с двумя крыльями.
Секреты бипланов.

Биплан — самолёт с двумя несущими поверхностями (крыльями),
как правило, расположенными одна над другой.

Часть 1

Бипланы нравятся всем. С ними вы переноситесь в эпоху, когда полеты были настоящим приключением, полным приятного ощущения ветра с запахом топлива и пением расчалок. Запустите мотор вашего биплана, добавьте оборотов, модель рвется в полет — и где-то на уровне подсознания вы почувствуете, будто вернулись в 1917 год и летите высоко над каналами на самолете со звездообразным двигателем, с двумя пулеметами наготове, сидя на хвосте у Красного Барона!

Если не акцентировать внимание на замечания о некоторых аэродинамических недостатках бипланов, можно сказать, что на протяжении нескольких десятилетий в начале прошлого столетия они оставались основным видом самолетов. Их популярность, в том числе как боевых истребителей, не угасала до 1930-х годов. Бипланы можно было сделать легче, прочнее, более маневренными и, как считали многие, более безопасными, чем монопланы.

К тому же старые двигатели были не так надежны и не были слишком мощными для своего веса. Частые вынужденные посадки убеждали первых авиаторов в том, что будет благоразумнее пожертвовать максимальной скоростью моноплана ради увеличения площади крыла и обеспечения прочной, но легкой конструкции, какова есть у бипланов.

Птицы - основоположники авиации.

На заре полетов на аппаратах тяжелее воздуха конструкторы самолетов могли учиться только у единственных на то время своих конкурентов, которые занимались этим делом уже долгое время — птиц. Форма и профили крыльев первых авиеток заимствованы у пернатых. Медленно и тяжело передвигающиеся первые самолеты отрывались от земли на несколько футов, но желание летать уже было огромно.

Уникальные по строению крылья птиц обладают характеристиками, которые уже более ста лет пытаются получить конструкторы самолетов, и постепенно им это удается. Одну очень важную особенность — изгибание крыла для управления креном - позаимствовали у птиц братья Райт, и это сыграло главную роль в их успехе. Оказалось, что элероны — грубые механизмы, которые не захотела бы иметь ни одна птица, - для самолета просто необходимы и делают его управление простым. Сто лет спустя авиация завершает виток, и вот уже создание адаптивного крыла, способного менять кривизну профиля, становится предметом тщательного изучения ведущих фирм при создании истребителей нового поколения.

Опытные образцы уже летали, например F-111 с адаптивным крылом. На тот момент у птиц уже позаимствовали переменную кривизну крыла, то есть - геометрическую крутку, а также сложные щели в крыле для регулирования циркуляции воздушного потока в пограничном слое — аналог щелевого крыла, также позаимствовали переменную стреловидность и облегчающую взлет переменную центровку.

Но задача номер один на момент первых шагов в небо для проницательных пионеров авиации было — получить только самое главное от крыла - создание подъемной силы при более-менее жесткой конструкции. Тонкость крыльев создавала большую проблему. Очень сложно было обеспечить жесткость и прочность конструкции. Размещение в ограниченной полости внутри крыла силовых элементов с целью получения самонесущей конструкции было бы чревато саморазрушением из-за избыточного собственного веса — слишком уж малы строительные высоты.

По этой причине первые конструкторы остановились на простом и гениальном решении - расчалочной конструкции, которая обладала значительной прочностью и малым весом. Так возникла бипланная схема. У бипланов расчалочной конструкции был обычный вид. Горизонтально расположенные верхнее и нижнее крылья образовывали легкую, жесткую и прочную коробчатую конструкцию, напоминающую решетку моста.

Но некоторые смелые экспериментаторы все же отказывались идти в общем строю и упрямо гнались за высокой скоростной эффективностью, что и привело к появлению монопланов. Конструкторы понимали, что монопланы совершеннее в плане аэродинамики, но построить одновременно жесткую и легкую конструкцию моноплана без расчалок было крайне сложно.

По мере развития авиации авиаторы стали стремиться к высоким скоростям, а профили оставались тонкими и изогнутыми, как у птиц. Они оказались узким местом и стали создавать проблемы связанные с прочностью конструкции и с аэродинамикой при увеличении скоростей полета.

Вскоре немецкие конструкторы придумали делать толстые профиля, не характерные для птиц и ставшие настоящим прорывом. Авиаконструкторы перестали копировать решения у природы, а создали принципиально новое. Толстые профиля оказались эффективны на практике при увеличении скоростей полета. Несмотря на незначительное увеличение аэродинамического сопротивления и более ранее сваливание, новый профиль крыла привлекал тем, что обеспечивал более высокую подъемную силу, а, кроме того, давал еще то, что появилось внутреннее пространство в крыле для размещения элементов конструкции. То есть стало возможным создание силового набора, очень прочного и достаточного для реализации свободнонесущей схемы крыла безо всей этой расчалочной проволоки. Так началась эра свободнонесущих монопланов.

Конструкторы поняли, что за счет увеличения толщины крыла вдвое можно в два раза увеличить прочность и в четыре — жесткость конструкции при незначительном увеличении веса — поистине предложение, от которого невозможно было отказаться.

Идея увеличения толщины крыла, впервые воплощенная авиаконструкторами Юнкерсом в 1910 году и далее развиваемая Фоккером в течении Первой мировой войны, постепенно реализовывалась, открывая дверь к созданию более эффективного в аэродинамическом плане моноплана без использования расчалок.

Бипланы и монопланы разделились в две самостоятельные и независимые ветки развития самолетов. Каждая из этих схем имеет свои плюсы и минусы.

Особенности обтекания крыльев биплана.

При полете над крылом любого самолета создается разряжение, а под ним - область высокого давления. А если над одним крылом находится другое, то зона высокого давления под верхним крылом соприкасается с зоной низкого давления, расположенной над нижним крылом. Из-за такого соседства снижается подъемная сила обоих крыльев, но больше - у нижнего крыла, так как подъемная сила по большей части создается все же верхней поверхностью крыла.

Такой вредный результат возникает из-за того, что нижнее крыло испытывает влияние от другого крыла, и поток воздуха больше скашивается вниз, в дополнение к скосу потока, который производит оно само. Крылу, которое перемещается в условиях скошенного потока воздуха от другого крыла, необходим больший угол атаки, чем крылу, у которого нет пары. Поэтому когда происходит такой крутой скос потока, значительно увеличивается общее аэродинамическое сопротивление, особенно при высоких значениях коэффициента подъемной силы.

Если коэффициент подъемной силы крыла низкий, например, при полете на максимальной скорости, скос потока минимальный, и оба крыла функционируют вполне нормально. Аэродинамическое сопротивление незначительно больше сопротивления крыла моноплана с такой же суммарной площадью. Это не считая сопротивления расчалок и подкосов.

Стоит только взять ручку управления на себя, чтобы сделать крутой разворот, для которого нужна почти максимальная подъемная сила, и "противостояние" одного крыла другому проявится в полную силу. Аэродинамическое сопротивление может подскочить в разы по сравнению с сопротивлением крыла моноплана при максимальном коэффициенте подъемной силы.

Особенности индуктивного сопротивления биплана.

Для крыла моноплана с малым удлинением (отношением размаха к средней аэродинамической хорде крыла) характерна проблема высокого индуктивного сопротивления. В связи с этим первые конструкторы пришли к верному выводу, что взаимная интерференция одного крыла биплана с другим дает тот же результат, что и уменьшение удлинения крыла. Большое удлинение чрезвычайно важно для обеспечения несущих свойств крыла, т. е. его способности создавать подъемную силу при минимальном лобовом сопротивлении. При небольшом удлинении крыла, большая часть воздуха высокого давления будет интенсивно перетекать по короткому контуру вокруг законцовок и затем соединяться с воздухом низкого давления сверху.

Из-за такой циркуляции значительно падает подъемная сила, и много энергии затрачивается на образование концевых вихрей, которые в виде мощных воздушных жгутов стекают на большое расстояние за крылом. Эти жгуты отклоняют стекающий за крылом поток вниз, являясь причиной возникновения скоса потока. А скос потока равносилен тому, как если бы крыло было установлено под большим углом атаки. Это в свою очередь означало бы увеличение не только подъемной силы, но и лобового сопротивления. Эта добавка сопротивления и есть индуктивное сопротивление. Так можно в двух словах "на пальцах" объяснить причину его возникновения. Небольшие активные концевые вихри зачастую дают о себе знать, когда последовательно выполняется несколько "мертвых петель" и модель внезапно кренится, попадая консолью в собственный концевой вихрь.

Для обеспечения максимальных несущих свойств крылу нужно максимальное удлинение. Для планеров так и есть, но для моторного полета вовсе не обязательно иметь крыло с чрезмерно большим удлинением. Тут возникают уже проблемы с прочностью, весом конструкции и с уменьшением маневренности аппарата с очень длинным крылом, а также с его высокими инерционными свойствами вследствие большого разноса масс. Поэтому удлинение крыла самолета редко превышает значение 6-8.

Вид биплана и моноплана спереди.

Показана площадь потока воздуха, которая может быть подвергнута скосу.

Если над первым крылом самолета с небольшим интервалом по вертикали достаточно близко (на расстоянии, не превышающем двух хорд крыла) расположить другое крыло, как уже отмечалось, пострадают несущие свойства обоих крыльев.

Увеличение индуктивного сопротивления биплана связано с взаимной интерференцией, то есть взаимным влиянием двух крыльев, расположенных с определенным интервалом по вертикали на расстоянии, меньшем, чем размах крыла. Взаимная интерференция крыльев биплана дает тот же результат, что и уменьшение удлинения крыла моноплана, то есть приводит к росту индуктивного сопротивления. Крылья биплана с удлинением 6 могут иметь такое же индуктивное сопротивление, что и крыло моноплана с удлинением крыла менее 4.

Индуктивное сопротивление увеличивается обратно пропорционально удлинению крыла. Если уменьшить вдвое удлинение крыла, индуктивное сопротивление увеличивается вдвое. При максимальной подъемной силе индуктивное сопротивление, создаваемое крылом с весьма небольшим удлинением может составлять до 90% сопротивления всего самолета. Чтобы преодолеть его, необходима очень большая мощность двигателя, поэтому угол планирования становится гораздо круче. Без работающего мотора бипланы планируют крайне плохо вследствие низкого аэродинамического качества, причиной чему является высокое индуктивное сопротивление.

О геометрии крыльев биплана.

Сначала поговорим о расстоянии между крыльями. Увеличение вертикального интервала между крыльями приводит к уменьшению сопротивления и незначительному увеличению подъемной силы. К сожалению, большое расстояние обуславливает необходимость использования для поддержки крыльев более длинных подкосов и расчалок, а значит — менее жестких и более тяжелых. Большой интервал может также затруднить управление. Простое увеличение интервала, т.е. поднятие верхнего крыла, может привести к перемещению точки приложения силы лобового сопротивления слишком высоко над центром тяжести и осью силы тяги, что создаст дополнительный нежелательный момент тангажа. Многие конструкторы останавливаются на оптимальном значении отношения вертикального интервала между двумя крыльями биплана к хорде крыла от 1 до 1,5. Дальнейшее увеличение интервала вплоть до значения 2 также вызовет уменьшение сопротивления и увеличение подъемной силы, но крайне не существенно.

Что же касается удлинения крыла — тут вопрос интересный. У бипланов лобовое сопротивление выше, чем у монопланов, поэтому им требуется большая тяга для выполнения полета. Виной тому не только индуктивное сопротивление, но и паразитное сопротивление от подкосов с расчалками, а также высокая интерференция между элементами конструкции планера.

Опуская формулы, скажем, что биплан с удлинением крыла 8 и расстоянием между крыльями в 1,2 хорды будет иметь эквивалентное значение удлинения крыла моноплана, равное 5,1. То есть для обеспечения похожих несущих свойств, как у моноплана с типичным удлинением 5-6, потребуется на биплане делать удлинение 8-10, но не забываем, что при этом необходимо еще добиваться минимального веса, что при таких параметрах крыльев становится уже крайне проблематично. Поэтому удлинения крыльев бипланов обычно гораздо меньше.

Возьмем биплан с более типичным удлинением крыла — 6. Если сделать расстояние между крыльями и площадь крыла такими же, как у рассмотренного выше — эквивалентное значение удлинения крыла моноплана получится примерно 3,9. Такое низкое удлинение 3,9 по сравнению со значением 5,1 выше рассмотренного биплана имеет своим результатом увеличение индуктивного сопротивления приблизительно в 1,3 раза при таком же коэффициенте подъемной силы, а также небольшое уменьшение максимальной подъемной силы. Это влечет за собой значительное снижение скорости при выполнении маневров, связанных с выходом на большие значения коэффициента подъемной силы, а также способствует увеличению минимального радиуса разворота и крутого угла планирования. И с этим приходится считаться, расплачиваясь повышенной мощностью силовой установки.

Конечно, можно просто увеличить площадь несущей поверхности крыла за счет чего увеличивается отношение подъемной силы к сопротивлению и уменьшается потребность в чрезмерной тяговооруженности. Но такой путь требует высокого мастерства конструкторов, поскольку сделать конструкцию одновременно прочную и легкую - задача весьма непростая.

Уменьшение размера крыльев обычного спортивного биплана с целью увеличения скорости — это неправильный путь. Обычно в результате этого самолет превращается в "утюг", который буквально падает с неба, когда убирается тяга.

Поэтому проектирование и постройка биплана - самое настоящее искусство, требующее от конструктора разносторонних знаний и определенное чутье. Назовем это талантом.

Часть 2

По материалам статьи К. Ристина "Секреты бипланов"
из журнала "Model Airplane News"

Обсудить на форуме