Почему у старых самолетов есть крыло как сверху, так и снизу самолета?

В основном для прочности. Примерно до 1920 года в крыльях использовались очень тонкие аэродинамические поверхности, и они в основном делались из ткани, натянутой на деревянный каркас. Главный лонжерон был слишком тонким и мог бы сгибаться, если бы ему пришлось выдерживать весь вес самолета в одном пролете. Только при использовании двух крыльев, верхнего в качестве сжимающего элемента, а другого в качестве растягивающего элемента фермы, была возможна необходимая прочность.

Сравнение толщины аэродинамического профиля, проведенное Д. Р. Кирком, Технологический институт Флориды ( источник изображения )

На вашей фотографии почти видны провода, идущие от верхнего крыла (рядом с внешними стойками) к месту соединения нижнего крыла с фюзеляжем. Эти тросы принимают на себя большую часть нагрузки в полете, распределяя нагрузку на крылья. Это тот же принцип, что и использование треугольников при строительстве опор линий электропередач или мостов.

Монопланы того времени нуждались в еще большей проволочной растяжке. Посмотрите на фотографию реплики Etrich Taube , очень популярного самолета довоенного периода.

Этрих Таубе в полете. Обратите внимание на ферму под крылом и множество проводов, удерживающих его форму ( источник изображения ).

Более короткий размах крыла биплана также снижает нагрузку на крылья. Бипланы, как правило, имеют большую подъемную силу (для своего размера) из-за большой площади крыла, но также и большое сопротивление, поэтому в целом они довольно неэффективны. Были также трипланы с тремя основными самолетами для еще большей подъемной силы при том же размахе крыла. Пилоты Первой мировой войны требовали максимальной скорости крена, которую лучше всего можно было достичь с помощью бипланов.

В период между мировыми войнами использование высокопрочного алюминия для самолетов и планер-монокок позволили сделать планеры прочнее. Это означало, что конструкции монопланов стали более практичными, хотя старые авиаторы не верили, что моноплан может быть достаточно прочным. Как только монопланы стали практичными, благодаря повышению эффективности и летных характеристик они заменили двух- и трехместные самолеты.

В первые дни это действительно выглядело так, как будто люди действительно не разобрались, что работает лучше всего.

^{Горацио Фредерик Филлипс, 1904 г. Мультиплан. Самый длинный полет 50 футов (15 метров) Джанни Капрони, около 60 лет. 1921. Разбился во втором полете.}

Конструкция коробчатой ​​балки с проволочными связями, вероятно, может обеспечить лучшую прочность и жесткость, чем одиночный и гораздо более длинный деревянный лонжерон.

Преимущество нескольких крыльев в том, что у вас могут быть более короткие крылья, и это может улучшить маневренность в бою.

^{Триплан Фоккер. 1917 г.}

Может быть, лучше спросить, почему люди выбрали только два крыла, когда у них могло быть двадцать?

Основной причиной наличия нескольких крыльев в первые годы существования авиации было отсутствие материалов достаточной прочности.

Главное преимущество биплана в том, что крылья могли быть короче при заданной подъемной силе. На начальных этапах развития авиации материалами, доступными для изготовления самолетов, были древесина, легированная ткань и т. Д. Элементы конструкции, изготовленные из них, не обладали достаточной прочностью, что ограничивало размер крыла.

Ранние самолеты также имели менее мощные двигатели, что приводило к меньшей скорости. При этом меньшая скорость сваливания бипланов была выгодна.

У бипланов была очень хорошая маневренность (лучшая скорость крена) по сравнению с монопланами. Именно по этой причине во время Первой мировой войны были разработаны трипланы .

^{" SopTri3 " http://www.earlyaviator.com/archive/a/images/tripe_peggy.jpg . Под лицензией Public Domain через Commons .} Однако с появлением более качественных материалов, таких как алюминиевые сплавы, стали очевидны аэродинамические недостатки бипланов, и монопланы быстро стали предпочтительным выбором конструкции.

По мере повышения прочности материала удлинение становится все больше, и гражданские самолеты сталкиваются с эксплуатационными ограничениями (аэропорт), а не с ограничениями прочности по длине крыла.

Тем не менее, бипланы все еще используются. Лучшая маневренность и низкая скорость сваливания делают их популярными пилотажными самолетами.

На самом деле, даже в первые дни вокруг было довольно много монопланов:

1909: Bleriot XI пересекает Ла-Манш
. 1910: Fokker Spider пролетает над церковной башней Харлема. Юному Антонию 20 лет.

1912: Deperdussin Monocoque, первая конструкция с фюзеляжем с напряженной обшивкой.
1913: Моран-Сольнье Х.

1915: Junkers J1
1915: Fokker E II: Макс Иммельманн

1915: Fokker E III
1918: Юнкерс D.1

1919: Юнкерс F-13
1921: Фоккер F.III

1924: Фоккер F.VII
1926: Форд Тримотор

1933: Боинг 247
1934: DC-2

Все изображения из Википедии

Несмотря на то, что некоторые ранние самолеты были спроектированы с свободнонесущими крыльями, которым не требовались проволочные опоры, все же существовал ряд причин, по которым конструкция биплана с проволочной фермой использовалась в течение длительного времени. Как и любая новая технология, разработка требует времени. Дизайн дизайнера Fokker Райнхольда Платца во время Первой мировой войны является отличным примером. Его толстое крыло, коробчатые лонжероны были хорошей конструкцией, но клей не обязательно был очень прочным, и / или квалифицированная рабочая сила для сборки была плохой, что создавало проблемы и смерти. Дрова не проблема. Высококачественная ель на самом деле имеет примерно такое же отношение прочности к весу, что и авиационный алюминий, хотя AL более изометричен, древесина при правильном использовании зарекомендовала себя как достойная для строительства самолетов. Когда лонжероны коробки Fokker вышли из строя, молва быстро распространилась, и вызывал страх и ненависть у Пилотов, которым нравилось знать, что их крылья не складываются. Пилоты не любили бипланы и хотели, чтобы «то, что мы знаем, уже работало». У триплана были коробчатые лонжероны и настоящие свободнонесущие крылья без распорок и подкосов, но пилоты в большом страхе отклонялись от него и отказывались летать на нем. Итак, Платц добавил межплоскостные распорки, чтобы связать все три крыла вместе на концах исключительно для впечатления, которое они производили на пилотов. Однако провода были устранены. У моноплана Fokker D8 было настоящее свободнонесущее крыло, у которого также были некоторые проблемы с качеством на ранних этапах, что, конечно, обычно заканчивалось смертью, и пилотам это не нравилось. Проводные монопланы не имели преимуществ, высокое лобовое сопротивление, меньшая подъемная сила и слабее бипланов. Пилотам, пассажирам и инвесторам понравились бипланы. Конструкторы в конечном итоге доказали свои знания пилотам и публике, но, как и во всем остальном, здесь присутствует огромный психологический элемент — не совсем необоснованный страх, замедляющий прогресс. Военные хуже всего воспринимают новые идеи, они давно уже принимают только проверенное и верное, не желая подвергать пилотов ненужному риску. Кроме того, у бипланов было два явных преимущества: достаточная подъемная сила при более коротком размахе крыла, плюс связанная с этим высокая скорость крена, и прочность была и остается очень хорошей, их действительно было трудно превзойти.

Прочность конструкции не была основной причиной появления первых бипланов. Отто Лиленталь проводил свои эксперименты с планером в виде моноплана. Братья Райт следили за его исследованиями, но они хотели создать полет с двигателем. Самый ранний двигатель не имел достаточной мощности. Биплан мог генерировать большую подъемную силу на меньшей скорости. Моноплан не мог. Это было основной причиной выбора конструкции биплана.

Дело не в том, что дерево и ткань не были «достаточно прочными» материалами для создания монопланов и более длинных крыльев. (Кстати, это множественное число. Оно не требует буквы «s» на конце, которую все больше и больше людей в настоящее время придерживаются.) Петер Кампф справедливо обращает внимание на высокотехнологичную деревянную монококовую конструкцию фюзеляжа Deperdussin 1912 года и Взгляд на длиннокрылые деревянные планеры Вассеркуппе спустя немногим более десяти лет после Первой мировой войны показывает, насколько ошибочна эта идея. Две уже упомянутые особенности определяли конструкцию и структуру многокрылого самолета: тонкие аэродинамические поверхности, использовавшиеся на первых самолетах (по понятным причинам, знания о физике аэродинамических поверхностей в то время также были довольно скудными) и желательность высокой скорости крена. Эти машины времен Первой мировой войны всегда описывались журналистами как «хлипкие».