¿Qué características o técnicas especiales de manejo tienen los biplanos?

¿En qué se diferencia volar un biplano de volar un monoplano? Además del aumento de la resistencia y la sustentación, ¿en qué se diferencia el manejo y qué efecto tiene eso en las maniobras?

En particular, me interesan las diferencias entre un biplano y un hipotético monoplano equivalente , no las diferencias entre los aviones antiguos y los modernos, o las diferencias entre los aviones acrobáticos y los utilitarios.

Hay muchas respuestas basadas en opiniones y respuestas copiadas de otras fuentes, pero muy poca evidencia real. De alguna manera, esta pregunta no tiene sentido, a menos que alguien pueda pensar en dos aviones reales que tengan el mismo motor y fuselaje, pero con alas diferentes.
Pensé que la elección de diseño entre un biplano y un ala simple era una cuestión de área del ala, y los primeros diseñadores de aviones usaban diseños de caja debido a la ventaja de peso sobre un larguero largo, pesado y fuerte.
@rbp Las respuestas tienden a centrarse en las decisiones de diseño, pero estaba pensando más desde el punto de vista de un piloto. Cuando vuelo mi biplano, ¿qué estoy haciendo diferente de un monoplano viejo y lento?
habiendo volado ambos, la verdadera respuesta no es mucha. Encontrarás una mayor diferencia entre los estilos de engranajes, la rueda de cola y el triciclo, que entre un ala simple y un biplano.
Mejor visibilidad con un monoplano.
¿Cuál es la velocidad de pérdida del Tiger Moth?

Respuestas (5)

Respuesta corta:

A modo de aclaración: Equivalencia entre biplano y monoplano significa que ambos tienen la misma superficie alar y el mismo motor. Entonces las principales diferencias en la maniobra son:

  • El biplano tiene mejor aceleración de balanceo que un monoplano equivalente.
  • El biplano tiene una velocidad de balanceo más alta que un monoplano equivalente a las mismas velocidades.
  • Todos los vuelos en biplano se realizan a velocidades más bajas, lo que resulta en un menor requisito de espacio para todas las maniobras. Esto también significa que los efectos de la inercia son menos pronunciados: al subir, hay menos energía cinética disponible para escalar, por lo que (por ejemplo) los giros en forma de martillo terminarán con menos ganancia de altitud.

Diferencias en el manejo : El biplano tiene

  • menores fuerzas de alerones para la misma velocidad de balanceo a la misma velocidad
  • fuerzas de control más ligeras en general debido a una menor velocidad de vuelo

Diferencias en el rendimiento :

  • distancias más cortas de despegue y aterrizaje
  • una velocidad de pérdida más baja
  • una velocidad máxima mucho más baja
  • una velocidad de crucero y rango óptimos más bajos
  • un requisito de potencia más bajo debido a las velocidades de vuelo más bajas, o si ambos usan el mismo motor, una mejor relación potencia-peso

en comparación con un monoplano equivalente. Estas diferencias son más pronunciadas si el avión lleva solo al piloto y no mucha carga útil.

Las técnicas de vuelo son las mismas que para los monoplanos. Indirectamente, es probable que las diferencias se deban a diferencias en el diseño. Ejemplo: Pocos biplanos se benefician de tener un tren de aterrizaje retráctil, mientras que la retracción del tren tiene sentido para monoplanos con mayor carga de potencia (potencia instalada en relación con el área del ala).

Explicación

Los biplanos tienen dos diferencias principales:

  • Menor envergadura en la misma área del ala, y
  • El refuerzo de alambre da como resultado alas de biplano muy livianas.

El lapso más pequeño reduce la amortiguación del balanceo y la inercia del balanceo, por lo que un biplano acelerará más rápidamente que un monoplano equivalente y alcanzará una velocidad de balanceo más alta. Esta es la principal diferencia en la maniobra.

La menor envergadura del ala da como resultado una mayor resistencia inducida si ambas tienen la misma masa y la misma velocidad. Con refuerzos de alambre, esta condición no es realista y un biplano equivalente será mucho más ligero. Si la estructura es una parte sustancial de la masa de la aeronave (esto es típico de los aviones acrobáticos), el resultado puede ser fácilmente una menor resistencia inducida, a pesar de la menor envergadura, y también una menor carga alar. Esto, a su vez, significa que ambos vuelan a diferentes velocidades: el biplano podrá volar mucho más lento, pero la resistencia aerodinámica del refuerzo lo restringirá a velocidades bajas. Esto también significa que los efectos de inercia son menos pronunciados: la masa más baja y la velocidad más baja del biplano se combinan para una marcada diferencia con el monoplano equivalente.

Para exhibiciones acrobáticas, esto es ideal: toda la acción tiene lugar cerca de la audiencia, y el biplano necesitará un área mucho más pequeña para todas las maniobras que un monoplano equivalente, pero más pesado. La desventaja es la velocidad máxima baja y el rango bajo.

Otra diferencia en el rendimiento son las distancias mucho más cortas de despegue y aterrizaje debido a la menor carga alar, lo que resulta en una menor velocidad de pérdida. La resistencia óptima y las velocidades de rango óptimo también son más bajas que las de un monoplano equivalente, por lo que todos los vuelos en biplano se realizan a velocidades más bajas, lo que es beneficioso para los aviones de entrenamiento.

Dado que las fuerzas de control son proporcionales a la presión dinámica, un biplano tendrá fuerzas de control más bajas que un monoplano equivalente. Aquí la equivalencia también significa que la cuerda relativa de todas las superficies de control es la misma. En realidad, un buen diseñador seleccionará una cuerda relativa más alta para las superficies de control del biplano para garantizar que las fuerzas de control estén por encima del mínimo requerido.

Los motores pesados ​​y poco fiables de los primeros años hicieron de los biplanos la forma ideal de despegar. Una vez que los motores se volvieron más potentes y permitieron cargas útiles más altas, el monoplano se volvió más adecuado para transportar pasajeros y carga a velocidades más altas y en distancias más largas.

¿Cuántas de estas ventajas se pueden atribuir al peso más ligero de los biplanos en comparación con los aviones de una sola ala, para la misma área del ala? Además de la construcción de la cometa de caja, la mayoría de los biplanos tienen alas de tela, en lugar de piel de metal y largueros de madera o metal de los aviones de una sola ala, lo que los hace mucho más livianos.
@rbp: Equivalencia significa que ambos deben usar los mismos materiales y procesos. Con la presión dinámica más baja de los biplanos, tienen menos problemas con las cargas de aleteo y ráfagas, por lo que es posible construirlos de madera y tela. Ahora ambos ya no son equivalentes, como con la capacidad de retracción del engranaje que usé como ejemplo. Optimizar cada uno significará perder la base para una comparación justa. Cuando se comparan los diseños optimizados, el biplano aprovechará el diseño de ala liviana para ahorrar peso en todas las demás partes. Al final, todo esto es realmente una consecuencia de la construcción de la cometa de caja.
"la presión dinámica más baja de los biplanos, tienen menos problemas con las cargas de aleteo y ráfagas" ¿puede mejorar la respuesta para citar una referencia? o tal vez explicar mejor por qué?
@rbp: Tanto la velocidad como la presión dinámica son factores en el aleteo. La velocidad determina la frecuencia de las oscilaciones aerodinámicas y la presión dinámica determina la cantidad de energía involucrada. Las oscilaciones no deben tener frecuencias similares a los modos propios estructurales para evitar el aleteo, y una velocidad más baja significa que se necesita menos rigidez estructural para garantizar esto. Las cargas de ráfaga son nuevamente proporcionales a ambos, y una mayor velocidad de vuelo produce gradientes más pronunciados de cambios de fuerza, y el cambio de fuerza en sí mismo es proporcional a la presión dinámica.
¿Por qué un biplano tiene una velocidad de pérdida más baja que un monoplano con la misma área alar?
@Koyovis: Interferencia entre ambas alas. La alta presión debajo del ala superior se reduce por la succión en el ala inferior. Una sola ala limpia puede producir más sustentación.
@PeterKämpf Sin embargo, el ala superior todavía se detiene, ¿no es así?
@Koyovis: Con suficiente ángulo de ataque, ambos se estancarán. Las alas escalonadas hacen que el ala superior se comporte un poco como un slat y retrasa la entrada en pérdida en el ala inferior, pero solo porque el ala inferior ve un ángulo de ataque reducido.
Si un monoplano usó poste rey y arriostramiento de alambre para mitigar su debilidad estructural, ¿cuánto le ayuda eso a ponerse al día con la cometa de caja? (suponiendo que, por lo demás, la construcción ligera y la potencia del motor sean similares). Obviamente ambos tienen arrastre de alambre en ese caso...
@BrianDrummond: Esto ayuda mucho y hace que el ala única tenga una estructura muy similar a la de un biplano.
@Koyovis Al leer su pregunta y mi respuesta ahora me doy cuenta de que le di una respuesta deficiente. La menor velocidad de pérdida del biplano se debe enteramente a su ala mucho más liviana y su velocidad máxima más baja, lo que a su vez permite que el fuselaje se construya más liviano. Entonces, el biplano, a pesar de que sus alas producen menos sustentación por área que el monoplano, se detendrá a una velocidad más baja debido a su carga alar mucho más baja.

En pocas palabras, las ventajas y desventajas son:

Ventajas

  • Los biplanos (o triplanos ) generalmente pueden levantar hasta un 20% más que un monoplano de tamaño similar con una envergadura similar. Por lo tanto, un biplano tendrá típicamente una envergadura más corta que el monoplano equivalente, lo que tiende a permitir una mayor maniobrabilidad.
  • Los puntales y el arriostramiento de alambre de un biplano típico forman una viga de caja . Particularmente cuando se divide en bahías, esto permite una estructura de ala muy ligera pero fuerte y rígida. Esto permite que un biplano vuele con muy poca potencia...

Desventajas

  • Cada ala interfiere negativamente con la aerodinámica de la otra, lo que requiere una mayor área de superficie general para producir la misma sustentación que el monoplano equivalente.
  • Un biplano normalmente también produce más resistencia que un monoplano, especialmente a medida que aumenta la velocidad.

Comparación

Avances tecnológicos

En los primeros días (1900-1930), la mayor ventaja de los biplanos era tener el doble de superficie y una estructura rígida para sostener las alas. Pero en la actualidad, los plásticos reforzados con fibra de carbono de alta resistencia hicieron posible construir alas de muy alta relación de aspecto sin ningún (o poco) soporte externo. Con el advenimiento del acero, luego del aluminio, las estructuras de aire, las consideraciones anteriores quedaron mudas, y los monoplanos se han vuelto más comunes que los biplanos.

La NASA tiene una discusión histórica sobre esto.

¿Qué quieres decir con el segundo punto de ventaja? ¿Cómo afecta la estructura de viga cajón a la potencia (más allá de aumentarla porque tiene mayor resistencia)?
@JanHudec No pegué la explicación completa de Wikipedia, pero lo hice ahora. Si cree que todavía no aclara completamente el punto, hágamelo saber y lo actualizaré.
no lo hace Porque tampoco tiene sentido en Wikipedia. La viga cajón permite construirlo con material más débil. Pero tiene mayor arrastre y, por lo tanto, requiere más potencia del motor, a todas las velocidades.
@JanHudec: La declaración sobre el poder es correcta, pero solo porque el biplano puede volar mucho más lento. A la misma velocidad necesita más potencia.
@PeterKämpf: de hecho, tan lentamente que, según los informes, un Antonov 2 no tiene una velocidad de pérdida oficial. Si vuela lo suficientemente lento, simplemente descenderá con él como con un paracaídas.
@vsz... solo cuando el cg está completamente hacia atrás. Los biplanos siguen obedeciendo las leyes de la física, y esta pérdida de velocidad solo es posible cerca de una estabilidad neutral.
@PeterKämpf: el biplano puede volar más lentamente, pero eso no se deriva del uso de la estructura de vigas de caja. Y con peor L/D no está claro que necesitará menos potencia incluso a menor velocidad.
Esta es una buena discusión sobre las ventajas y desventajas de cada uno, pero estaba preguntando específicamente sobre las diferencias en volar desde el punto de vista del piloto.
Tenga en cuenta que agregar más aviones no siempre aumentará las ventajas mencionadas: images.slideplayer.de/1/666186/slides/slide_19.jpg
@JanHudec correcto, de hecho, la curva L/D nos dice que necesita MÁS potencia para volar más lento, no menos.
@JanHudec: Mayormente mal. No uses diseños un poco absurdos como Beech Staggerwing o DH89 Dragon Rapide para comparar. Un biplano bien diseñado tendrá cargas de ala bajas que ningún monoplano equivalente puede igualar. Recuerde que el requisito de potencia aumenta con el cubo de la velocidad aerodinámica. Un poco menos de velocidad contribuye en gran medida a reducir las necesidades de energía.
@PeterKämpf: ¿Cubo de velocidad aérea? Potencia = empuje * velocidad. Y el empuje solo aumenta con el cuadrado de la velocidad por encima de Vy. El biplano tendrá un Vy más bajo (debido a una carga alar más baja), pero necesitará un mayor empuje en su respectivo Vy debido a una L/D más baja. Las dos diferencias trabajan una contra la otra.
@JanHudec: Sí, y luego arrastre ~ velocidad². Hace potencia ~ velocidad³ cuando empuje = arrastre (como debería ser). Una hélice dará más empuje a menor velocidad, el avión es más lento Y más liviano; no veo cómo necesitaría MÁS potencia. Esta discusión no debe ocultarse en los comentarios, pero podría generar una buena pregunta en sí misma.
@PeterKämpf: ¿Y qué hay del arrastre inducido? Ese es inversamente proporcional a la velocidad, ¿no? Y la mayoría de los aviones no navegan tan rápido como Vy, la velocidad de arrastre mínimo.
@JanHudec: la resistencia inducida también es proporcional a la sustentación, y un avión más liviano requiere menos. Nuevamente, una pequeña diferencia de velocidad ya hará una gran diferencia en potencia.
Es posible que desee mencionar la visibilidad. Un ala adicional hace que sea un poco más difícil detectar el tráfico.
Me encanta esta conversación, he aprendido mucho. Pero me parece que desde el punto de vista del manejo, sería difícil o imposible para un piloto con los ojos vendados (bueno, uno que usa un "dispositivo limitador de vista") para notar la diferencia entre los dos. ¿Y hay más diferencia entre volar un EX300 y un SIAI-Marchetti que entre un EX300 y un Pitts?

Los biplanos se manejan como ladrillos. Pierden altitud más rápidamente a baja velocidad y son mucho más fáciles de entrar en pérdida. Tienen más arrastre y entrarán en un giro más fácilmente. Son mucho más susceptibles a los vientos cruzados que los monoplanos y, por lo tanto, solo pueden despegar y aterrizar en condiciones relativamente moderadas, ya que se volcarán con facilidad.

La ventaja que tienen es que pueden girar mucho más rápido que un monoplano, por lo que hoy en día se utilizan principalmente para acrobacias, como los Pitts Special.

Durante la guerra, los pilotos que volaban Fairey Swordfish y Fireflies estaban en gran peligro por los mucho más rápidos Bf109. Escaparían cayendo en picado al océano en una caída libre virtual y luego retirándose en el último momento. Cualquier piloto de Messerschmidt lo suficientemente tonto como para seguirlos en esta maniobra estaría volando en su última misión.

No hay diferencia principal en el manejo. Ambos tienen el mismo conjunto de superficies de control y la estabilidad se logra utilizando los mismos métodos, por lo que las técnicas de pilotaje son las mismas. Por lo general, habrá una diferencia en el rendimiento. Los biplanos pierden velocidad más rápido, pero son un poco más maniobrables.

La principal ventaja del biplano es que se puede construir con materiales menos fuertes, porque las alas son más cortas y la estructura de vigas cajón distribuye muy bien las cargas. Esto a menudo significaba un peso más bajo que compensaba el aumento de la resistencia.

La principal desventaja del biplano es que una envergadura más corta significa una relación de aspecto más baja y, por lo tanto, una mayor resistencia inducida, que domina a baja velocidad, y el área frontal y el área de superficie más grandes (la interferencia entre las alas significa que son menos eficientes de lo que serían de forma independiente). arrastre de forma superior, que domina a alta velocidad. Por lo tanto, un biplano necesita un motor más fuerte para el mismo peso y no se deslizará tan lejos si el motor falla.

Antes de que se desarrollaran las alas en voladizo (sin arriostramiento), el arriostramiento no permitía que los monoplanos lograran una resistencia mucho menor y su mayor peso anulaba la poca ventaja aerodinámica que tenían, por lo que dominaban los biplanos. Con las alas en voladizo, la ventaja aerodinámica de los monoplanos se hizo más importante y los biplanos casi desaparecieron.

Quedaron algunos biplanos acrobáticos (como el famoso Pitts SC1), probablemente porque con una envergadura más corta tienen un momento de inercia más bajo en el balanceo y, por lo tanto, ruedan un poco más fácilmente.

Los biplanos suelen tener áreas de ala más altas para aviones del mismo tamaño. ¡Recuerdo que el biplano en el que viajé se estrelló no una hora más tarde porque en la final corta atrapó una ráfaga de viento y terminó boca abajo en la pista!

(Todos estaban bien, pero nunca olvidas la lata que cuelga de una bicicleta con el sonido de un accidente aéreo).

Durante la Primera Guerra Mundial, el Fokker Triplane era realmente maniobrable. < acepilots.com/wwi/fokker_triplane.html > "Sin duda el caza más famoso de la Primera Guerra Mundial, el Fokker Dr I fue una revelación cuando entró en servicio en el frente occidental en 1917. El JG 1 de Manfred von Richthofen fue el primer Jasta en reequiparse completamente con el nuevo caza, y en las hábiles manos de sus numerosos ases, el Dr. I demostró ser un oponente formidable. El Dr. I permaneció en servicio en el frente occidental hasta que fue reemplazado por el superior Fokker D VII en mayo de 1918. .. .
Sin embargo, solo unas semanas antes de eso, el principal as de Alemania, el gran 'Barón Rojo', había sido asesinado a los mandos de un Dr. I. El diseño revolucionario del triplano adoptado por Fokker se inspiró en el igualmente exitoso Triplano de Sopwith, y aunque construido en números notablemente pequeños, la leyenda del Fokker Triplane lo ha convertido en el avión más conocido que surgió de la Primera Guerra Mundial".
Ooh, y los británicos también tenían un triplano. También parece muy efectivo, aunque no tan conocido como el Fokker Triplane
Fokker Triplane picture < plane-encyclopedia.com/wp-content/uploads/2016/06/… > Arrgh, el enlace no funcionará... Pero si se pega en un navegador, funcionará...
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