Biplano
Configuración del ala de un avión con dos superficies de vuelo principales apiladas verticalmente
Biplano Sopwith Camel de la Primera Guerra Mundial

Un biplano es una aeronave de ala fija con dos alas principales apiladas una sobre la otra. El primer avión controlado y propulsado que voló, el Wright Flyer , utilizó una disposición de alas biplanas, al igual que muchas aeronaves en los primeros años de la aviación . Si bien una estructura de ala biplana tiene una ventaja estructural sobre un monoplano , produce más resistencia que un ala monoplana. Las técnicas estructurales mejoradas, mejores materiales y velocidades más altas hicieron que la configuración biplana quedara obsoleta para la mayoría de los propósitos a fines de la década de 1930.

Los biplanos ofrecen varias ventajas sobre los diseños convencionales de monoplanos en voladizo : permiten estructuras de alas más ligeras, cargas alares bajas y una envergadura menor para una superficie alar determinada. Sin embargo, la interferencia entre el flujo de aire sobre cada ala aumenta la resistencia sustancialmente y los biplanos generalmente necesitan arriostramientos extensos, lo que provoca resistencia adicional.

Los biplanos se distinguen de los diseños de alas en tándem , donde las alas se colocan hacia adelante y hacia atrás, en lugar de arriba y abajo.

El término también se utiliza ocasionalmente en biología , para describir las alas de algunos animales voladores .

Características

Ala delta biplano de los años 1920

En un avión biplano, se colocan dos alas una encima de la otra. Cada una proporciona parte de la sustentación, aunque no son capaces de producir el doble de sustentación que una sola ala de tamaño y forma similares porque la superior y la inferior trabajan en casi la misma porción de la atmósfera y, por lo tanto, interfieren en el comportamiento de la otra. En una configuración de biplano sin escalonamiento entre el ala superior y la inferior, el coeficiente de sustentación se reduce entre un 10 y un 15 por ciento en comparación con el de un monoplano que utiliza el mismo perfil aerodinámico y relación de aspecto . [1]

El Gloster Gladiator , un biplano de combate de la Segunda Guerra Mundial

El ala inferior suele estar unida al fuselaje , mientras que el ala superior se eleva por encima del fuselaje con una disposición de puntales de cabina , aunque se han utilizado otras disposiciones. Una o ambas alas principales pueden soportar alerones , mientras que los flaps se colocan más habitualmente en el ala inferior. Casi siempre se añaden arriostramientos entre las alas superior e inferior, en forma de puntales interplano colocados simétricamente a cada lado del fuselaje y cables de arriostramiento para evitar que la estructura se flexione, donde las alas no son en sí mismas estructuras en voladizo .

Ventajas y desventajas

Biplano soviético Antonov An-2 de la década de 1940

La principal ventaja del biplano sobre un monoplano es su capacidad de combinar una mayor rigidez con un menor peso. La rigidez requiere profundidad estructural y, mientras que los primeros monoplanos tenían que tenerla provista de arriostramientos externos, el biplano naturalmente tiene una estructura profunda y, por lo tanto, es más fácil de hacer ligero y resistente. Los cables de aparejo en los monoplanos sin voladizo están en un ángulo mucho más agudo, lo que proporciona menos tensión para garantizar la rigidez del ala exterior. En un biplano, dado que los ángulos están más cerca del ideal de estar en línea directa con las fuerzas que se oponen, la estructura general puede hacerse más rígida. Debido a la rigidez reducida, los monoplanos arriostrados con cables a menudo tenían múltiples juegos de cables de vuelo y aterrizaje, mientras que un biplano podía construirse fácilmente con un conjunto de cables de aterrizaje y vuelo. Sin embargo, la resistencia adicional de los cables no era suficiente para compensar las desventajas aerodinámicas de tener dos perfiles aerodinámicos que interferían entre sí. Se probaron monoplanos arriostrados con puntales, pero ninguno de ellos tuvo éxito, sobre todo debido a la resistencia del número de puntales utilizados. [ cita requerida ]

Las fuerzas estructurales que actúan sobre los largueros del ala de un biplano tienden a ser menores, ya que están divididos entre cuatro largueros en lugar de dos, por lo que el ala puede utilizar menos material para obtener la misma resistencia general y, por lo tanto, es más liviana. Una determinada superficie del ala también tiende a ser más corta, lo que reduce los momentos de flexión sobre los largueros, lo que permite que también sean más livianos. [2] Sin embargo, el biplano necesita puntales adicionales para mantener el espacio entre las alas, lo que agrega peso y resistencia.

La baja potencia suministrada por los motores disponibles en los primeros años de la aviación limitaba a los aviones a velocidades relativamente bajas. Esto requería una velocidad de pérdida aún menor , lo que a su vez requería una carga alar baja , combinando una gran superficie alar con un peso ligero. Obtener una superficie alar lo suficientemente grande sin que las alas fueran largas y, por lo tanto, peligrosamente flexibles se lograba más fácilmente con un biplano. [ cita requerida ]

El ala más pequeña del biplano permite una mayor maniobrabilidad . Después de la Primera Guerra Mundial, esto ayudó a extender la era del biplano y, a pesar de las desventajas de rendimiento, la mayoría de los aviones de combate eran biplanos hasta mediados de la década de 1930. Todavía se fabrican biplanos acrobáticos deportivos especializados en pequeñas cantidades. [ cita requerida ]

Los biplanos sufren interferencias aerodinámicas entre los dos aviones cuando el aire a alta presión debajo del ala superior y el aire a baja presión sobre el ala inferior se anulan mutuamente. [ dudoso – discutir ] Esto significa que, en la práctica, un biplano no obtiene el doble de sustentación que un monoplano de tamaño similar. Cuanto más separadas estén las alas, menor será la interferencia, pero los puntales espaciadores deben ser más largos y el espacio debe ser extremadamente grande para reducirlo apreciablemente.

A medida que la potencia y la velocidad de los motores aumentaron a fines de la Primera Guerra Mundial , las alas voladizas gruesas con una resistencia inherentemente menor y una carga alar más alta se volvieron prácticas, lo que a su vez hizo que los monoplanos fueran más atractivos ya que ayudaron a resolver los problemas estructurales asociados con los monoplanos, pero ofrecieron pocas mejoras para los biplanos. [ cita requerida ]

Escalonar

Escalonamiento de alas en un avión de entrenamiento primario Fleet Finch

El diseño predeterminado de un biplano tiene las alas colocadas directamente una sobre la otra. Mover el ala superior hacia adelante en relación con la inferior se llama escalonamiento positivo o, más a menudo, simplemente escalonamiento. Puede aumentar la sustentación y reducir la resistencia al reducir los efectos de interferencia aerodinámica entre las dos alas en un pequeño grado, pero más a menudo se usó para mejorar el acceso a la cabina. Muchos biplanos tienen alas escalonadas. Los ejemplos comunes incluyen el de Havilland Tiger Moth , Bücker Bü 131 Jungmann y Travel Air 2000 .

Como alternativa, el ala inferior se puede mover por delante del ala superior, lo que proporciona un escalonamiento negativo y beneficios similares. Esto suele hacerse en un diseño determinado por razones estructurales o para mejorar la visibilidad. Algunos ejemplos de escalonamiento negativo incluyen el Sopwith Dolphin , el Breguet 14 y el Beechcraft Staggerwing . [3] [4] Sin embargo, el escalonamiento positivo (hacia delante) es mucho más común.

Laureles

El espacio encerrado por un conjunto de puntales entre planos se denomina bahía (de forma muy similar a la forma arquitectónica utilizada), por lo que un biplano o triplano con un conjunto de dichos puntales que conectan las alas a cada lado de la aeronave es un biplano de una sola bahía . Esto proporcionó suficiente resistencia para aviones más pequeños, como el caza Fokker D.VII de la Primera Guerra Mundial y el entrenador básico De Havilland Tiger Moth de la Segunda Guerra Mundial . [5]

El Curtiss JN-4 Jenny, de dos plazas y mayor tamaño , es un biplano de dos compartimentos , siendo necesario el compartimento adicional, ya que los compartimentos demasiado largos tienden a doblarse y pueden fallar. El caza SPAD S.XIII , aunque parece un biplano de dos compartimentos, tiene solo un compartimento, pero tiene los puntos medios del aparejo reforzados con puntales adicionales; sin embargo, estos no son estructuralmente contiguos de arriba a abajo del ala. [6] El Sopwith 1½ Strutter tiene una cabina en forma de W, sin embargo, como no conecta las alas entre sí, no aumenta el número de compartimentos. [7]

Los grandes biplanos de transporte y bombardeo a menudo necesitaban aún más compartimentos para proporcionar suficiente potencia. A menudo se los denomina biplanos de compartimentos múltiples . Un pequeño número de biplanos, como el Zeppelin-Lindau DI, no tienen puntales entre planos y se los denomina sin puntales . [8]

Aparejo

Como la mayoría de los biplanos no tienen estructuras en voladizo , requieren cables de aparejo para mantener su rigidez. Los primeros aviones usaban cables simples (trenzados o lisos), sin embargo, durante la Primera Guerra Mundial, la Royal Aircraft Factory británica desarrolló un cable de sección de perfil aerodinámico llamado RAFwire en un esfuerzo por aumentar la resistencia y reducir la resistencia. Se utilizan cuatro tipos de cables en la estructura del ala del biplano. Los cables de arrastre dentro de las alas evitan que las alas se plieguen hacia atrás contra el fuselaje, y corren dentro de un compartimento del ala desde la esquina interior delantera hasta la esquina exterior trasera. [9] Los cables antiarrastre evitan que las alas se muevan hacia adelante cuando el avión se detiene y corren en dirección opuesta a los cables de arrastre. [10] Ambos suelen estar ocultos dentro de las alas y, si la estructura es lo suficientemente rígida, pueden omitirse en algunos diseños. De hecho, muchos de los primeros aviones dependían de la cubierta de tela del ala para proporcionar esta rigidez, hasta que las velocidades y fuerzas más altas lo hicieron inadecuado. Externamente, los cables de elevación evitan que las alas se plieguen y van desde la parte inferior del ala exterior hasta la raíz del ala inferior. [11] Por el contrario, los cables de aterrizaje evitan que las alas se comben y resisten las fuerzas cuando un avión está aterrizando, y van desde la sección central del ala superior hasta el exterior de las alas inferiores. [12] Se pueden usar cables de arrastre y antiarrastre adicionales para apuntalar los puntales de la cabina que conectan el fuselaje a las alas y los puntales entre planos, que conectan las alas superior e inferior entre sí.

Sesquiplano

El ala inferior del Nieuport 17 tiene una cuerda menor, pero una envergadura similar, que el ala superior.

El sesquiplano es un tipo de biplano en el que una de las alas (normalmente la inferior) es significativamente más pequeña que la otra. [13] [14] La palabra, del latín, significa "ala y media". La disposición puede reducir la resistencia y el peso, manteniendo al mismo tiempo las ventajas estructurales del biplano. El ala inferior puede tener una envergadura significativamente más corta o una cuerda reducida . [13]

Los ejemplos incluyen la serie de aviones militares Nieuport , desde el Nieuport 10 hasta el Nieuport 27, que formó la columna vertebral de las fuerzas aéreas aliadas entre 1915 y 1917. [15] El rendimiento de los sesquiplanos Nieuport fue tan impresionante que la Idflieg (la Inspección alemana de tropas voladoras) solicitó a sus fabricantes de aviones que produjeran copias, un esfuerzo al que contribuyeron varios aviones capturados y dibujos detallados; una de las copias más famosas fue el Siemens-Schuckert DI . [16] Los Albatros D.III y DV , que también habían copiado el diseño general del Nieuport, proporcionaron de manera similar la columna vertebral de las fuerzas alemanas durante la Primera Guerra Mundial. [17] Los sesquiplanos Albatros fueron ampliamente aclamados por sus tripulaciones por su maniobrabilidad y alta tasa de ascenso. [18]

Durante el período de entreguerras , la configuración de sesquiplano continuó siendo popular, con numerosos tipos como la serie Nieuport-Delage NiD 42/52/62 , Fokker C.Vd & e, y Potez 25 , todos en servicio en un gran número de fuerzas aéreas. En el sector de la aviación general, aviones como la serie Waco Custom Cabin demostraron ser relativamente populares. [19] El Saro Windhover era un sesquiplano con el ala superior más pequeña que la inferior, que era una configuración mucho más rara que la inversa. [20] El Pfalz D.III también presentaba una disposición de sesquiplano algo inusual, poseyendo un ala inferior más sustancial con dos largueros que eliminaban los problemas de aleteo encontrados por los sesquiplanos de un solo larguero. [17]

Historia

Otto Lilienthal volando su gran biplano en Lichterfelde (cerca de Berlín) el 19 de octubre de 1895
Biplano Voisin de 1909, con "cortinas" que conectan las alas superior e inferior
Fiat CR.42 Falco de finales de la década de 1930 con puntales de armadura Warren entre planos que redujeron el trabajo necesario para aparejar un biplano

El apilamiento de planos de ala fue sugerido por Sir George Cayley en 1843. [21] Hiram Maxim adoptó la idea para su plataforma de prueba impulsada por vapor, que despegaba pero se mantenía abajo mediante rieles de seguridad, en 1894. [22] Otto Lilienthal diseñó y voló dos aladeltas biplanos diferentes en 1895, [23] aunque es más conocido por sus monoplanos. [24] En 1896, un grupo de jóvenes en los Estados Unidos, liderado por Octave Chanute , volaban aladeltas, incluidos biplanos, y concluyeron que el biplano con arriostramiento externo ofrecía mejores perspectivas para el vuelo propulsado que el monoplano. En 1903, el biplano Wright Flyer se convirtió en el primer avión propulsado exitoso. [25]

Durante los años pioneros, tanto los biplanos como los monoplanos eran comunes, pero al estallar la Primera Guerra Mundial, los biplanos habían ganado popularidad después de que varias fallas estructurales de monoplanos resultaran en la "Prohibición de Monoplanos" de la RFC , cuando todos los monoplanos en servicio militar fueron puestos en tierra, [26] mientras que los franceses también retiraron la mayoría de los monoplanos de los roles de combate y los relegaron al entrenamiento. Figuras como el autor de aviación Bruce observaron que había un aparente prejuicio incluso contra los monoplanos de nuevo diseño, como el Bristol M.1 , que causaba que incluso aquellos con atributos de rendimiento relativamente altos fueran pasados ​​por alto en favor de los biplanos "ortodoxos", y había una supuesta creencia generalizada en ese momento de que los aviones monoplanos eran inherentemente inseguros durante el combate. [27] [28]

Entre los años de 1914 y 1925, una clara mayoría de los nuevos aviones introducidos fueron biplanos; sin embargo, durante los últimos años de la Primera Guerra Mundial, los alemanes habían estado experimentando con una nueva generación de monoplanos, como el Fokker D.VIII , que podría haber terminado antes con las ventajas del biplano si el conflicto no hubiera terminado cuando terminó. [29] Los franceses también estaban introduciendo el Morane-Saulnier AI , un monoplano con parasol arriostrado por puntales , aunque el tipo fue rápidamente relegado al papel de entrenador avanzado después de la resolución de problemas estructurales. [30] Los tipos sesquiplano , que eran biplanos con alas inferiores abreviadas como el Nieuport 17 francés y el Albatros D.III alemán , ofrecían una menor resistencia que un biplano convencional y eran más fuertes que un monoplano.

Durante el período de entreguerras , se introdujeron numerosos aviones de pasajeros biplanos. El De Havilland Dragon británico fue un avión particularmente exitoso, con un diseño sencillo que podía transportar seis pasajeros en rutas concurridas, como los servicios Londres-París. [31] A principios de agosto de 1934, uno de estos aviones, llamado Trail of the Caribou , realizó el primer vuelo sin escalas entre el continente canadiense y Gran Bretaña en 30 horas y 55 minutos, aunque el objetivo previsto para este vuelo de larga distancia había sido originalmente Bagdad , Irak . [32] [33] A pesar de su relativo éxito, la producción británica del Dragon se terminó rápidamente a favor del más poderoso y elegante De Havilland Dragon Rapide , que había sido diseñado específicamente para ser un sucesor más rápido y cómodo del Dragon. [34]

A medida que la potencia y la velocidad de los motores aumentaron, la penalización por resistencia aerodinámica de los refuerzos externos limitó cada vez más el rendimiento de la aeronave. Para volar más rápido, sería necesario reducir los refuerzos externos para crear un diseño aerodinámicamente limpio; sin embargo, los primeros diseños en voladizo eran demasiado débiles o demasiado pesados. El sesquiplano Junkers JI de 1917 utilizó aluminio corrugado para todas las superficies de vuelo, con un mínimo de puntales; sin embargo, era relativamente fácil dañar la delgada piel de metal y requería un manejo cuidadoso por parte de las tripulaciones de tierra. [35] El caza Zeppelin-Lindau DI de 1918 era un biplano monocasco con revestimiento tensado totalmente de metal y totalmente en voladizo, pero su llegada había llegado demasiado tarde para ser utilizado en combate en el conflicto. [8]

En la década de 1930, los biplanos habían alcanzado sus límites de rendimiento y los monoplanos se volvieron cada vez más predominantes, particularmente en Europa continental, donde los monoplanos habían sido cada vez más comunes desde el final de la Primera Guerra Mundial . Al comienzo de la Segunda Guerra Mundial , varias fuerzas aéreas todavía tenían aviones de combate biplanos en servicio de primera línea, pero ya no eran competitivos y la mayoría se utilizaron en roles de nicho, como entrenamiento u operación a bordo, hasta poco después del final de la guerra. El biplano británico Gloster Gladiator , el italiano Fiat CR.42 Falco y los cazas sesquiplanos soviéticos I-153 todavía estaban operativos después de 1939. [36] [37] Según el autor de aviación Gianni Cattaneo, el CR.42 pudo lograr el éxito en el papel de caza nocturno defensivo contra los bombarderos de la RAF que atacaban objetivos industriales en todo el norte de Italia. [38] [39]

Avión de entrenamiento biplano Boeing-Stearman Modelo 75 PT-13D de los años 30 y 40

La Armada Británica operó el bombardero torpedero Fairey Swordfish desde sus portaaviones, y utilizó el tipo en el papel de guerra antisubmarina hasta el final del conflicto, en gran parte debido a su capacidad para operar desde las cubiertas relativamente compactas de los portaaviones de escolta . Su baja velocidad de pérdida y su diseño inherentemente resistente lo hicieron ideal para operaciones incluso en las condiciones climáticas a menudo severas del Atlántico medio. [40] Al final del conflicto, el Swordfish tenía la distinción de haber causado la destrucción de un mayor tonelaje de barcos del Eje que cualquier otro avión aliado. [41]

Tanto el Heinkel He 50 alemán como el Polikarpov Po-2 soviético se emplearon con relativo éxito en el papel de ataque terrestre nocturno durante la Segunda Guerra Mundial. En el caso del Po-2, la producción de la aeronave continuó incluso después del final del conflicto, y no finalizó hasta alrededor de 1952. [42] Una cantidad significativa de Po-2 fueron desplegados por la Fuerza Aérea Popular de Corea durante la Guerra de Corea , infligiendo graves daños durante los ataques nocturnos a las bases de las Naciones Unidas . [43] El Po-2 es también el único biplano al que se le atribuye un derribo documentado de un avión a reacción, ya que un Lockheed F-94 Starfire se perdió mientras reducía su velocidad a 161 km/h (100 mph) (por debajo de su velocidad de pérdida) durante una intercepción para atacar al Po-2 que volaba a baja altura. [44]

Los entrenadores biplanos posteriores incluyeron el De Havilland Tiger Moth en la Real Fuerza Aérea (RAF), la Real Fuerza Aérea Canadiense (RCAF) y otros y el Stampe SV.4 , que estuvo en servicio después de la guerra en las Fuerzas Aéreas francesa y belga. El Stearman PT-13 fue ampliamente utilizado por la Fuerza Aérea del Ejército de los Estados Unidos (USAAF), mientras que la Armada de los EE. UU. operaba la Fábrica Naval de Aeronaves N3N . En el uso civil posterior en los EE. UU., el Stearman se asoció particularmente con el vuelo acrobático, como el vuelo con las alas , y con la fumigación de cultivos, donde su compacidad funcionaba bien a bajas alturas, donde tenía que esquivar obstáculos.

Polikarpov Po-2 , de los cuales más de 20.000 fueron construidos por la Unión Soviética

Los diseños modernos de biplanos todavía existen en funciones especializadas, como las de acrobacia aérea y las aeronaves agrícolas . El papel y el formato de acrobacia aérea de competición para un biplano de este tipo quedó bien definido a mediados de la década de 1930 con el Udet U 12 Flamingo y el Waco Taperwing . El Pitts Special dominó la acrobacia aérea durante muchos años después de la Segunda Guerra Mundial y todavía se encuentra en producción.

La gran mayoría de los diseños de biplanos han sido equipados con motores alternativos . Las excepciones incluyen el Antonov An-3 y el WSK-Mielec M-15 Belphegor , equipados con motores de turbohélice y turbofán respectivamente. Algunos diseños de biplanos más antiguos, como el Grumman Ag Cat, están disponibles en versiones mejoradas con motores de turbohélice.

Los dos diseños de biplanos más producidos fueron el Avro 504 británico de 1913 , del que se construyeron 11.303, y el Polikarpov Po-2 soviético de 1928 , del que se construyeron más de 20.000, siendo el Po-2 el sustituto directo de la copia soviética del Avro 504. Ambos fueron ampliamente utilizados como aviones de entrenamiento. El Antonov An-2 también tuvo mucho éxito, con más de 18.000 unidades construidas.

Aviones ultraligeros

Biplano ultraligero de propulsión eléctrica Mauro Solar Riser

Aunque la mayoría de los ultraligeros son monoplanos, las bajas velocidades y la construcción sencilla que implican han inspirado un pequeño número de ultraligeros biplanos, como el Easy Riser de Larry Mauro (1975–). Mauro también fabricó una versión alimentada por células solares que impulsaban un motor eléctrico llamado Solar Riser . El Easy Riser de Mauro fue utilizado por "Father Goose", Bill Lishman . [45]

Otros ultraligeros biplanos incluyen el Aviasud Mistral de diseño belga , el FK12 Comet alemán (1997–), el Lite Flyer Biplane, [46] [47] el Sherwood Ranger y el Murphy Renegade .

Evolución aviar

El dinosaurio emplumado Microraptor gui planeaba, y quizás incluso volaba, sobre cuatro alas, que podrían haber estado configuradas en una disposición escalonada de sesquiplano. Esto fue posible gracias a la presencia de plumas de vuelo tanto en las extremidades anteriores como en las posteriores, con las plumas de las extremidades anteriores abriéndose hasta una mayor envergadura. Se ha sugerido que las extremidades posteriores no podrían haberse abierto hacia los lados, sino que en vuelo habrían quedado colgando por debajo y ligeramente detrás de las extremidades anteriores. [48]

Véase también

Referencias

Citas

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  • Colección histórica de fotografías de biplanos
  • Jacqui Hayes: Las alas de las aves evolucionaron a partir de los dinosaurios biplanos Archivado el 27 de enero de 2007 en Wayback Machine , Cosmos
  • Spicerweb.org, ala delta biplano Octave Chanute
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