Seria viável construir um caça a jato baseado em uma construção de madeira?

Sim, seria possível construir um avião de caça a partir de madeira, não um que pudesse voar a Mach 3, no entanto. Há alguns exemplos antigos de aviões de caça usando construção de madeira, eis outro de 1938: o Fokker G.1. com uma asa de madeira. Esses aviões não se parecem com os F16s, mas estavam sujeitos a forças g totalmente acrobáticas.

Este documento de 1941 fornece uma visão geral do conhecimento da construção de madeira aeronáutica. A madeira é um material de construção leve, e uma das maiores aeronaves já construídas, o Spruce Goose, era feita inteiramente de madeira. A madeira também possui propriedades de resistência assimétrica: é muito mais strong em relação ao grão do que perpendicular a ela, uma das principais vantagens citadas para os compósitos. Poderíamos seguir o mesmo método de construção dos compósitos: raspar finas camadas de madeira e incorporá-las em resina, alinhar a maior parte do grão na direção de maior tensão e usar algumas direções alternativas de grãos como em compensado para criar força suficiente e rigidez em todas as direções.

Se considerarmos as propriedades dos materiais de construção do avião:

1. Força.

   A madeira tem uma resistência específica que é ligeiramente inferior à do alumínio: o abeto tem uma resistência à compressão de 27,5 N / mm $ ^ 2 = 27,5 MPa e uma densidade de 418 kg / m $ ^ 3 $. Compare isso com a liga de alumínio 7075 não temperada: uma resistência à tração de 280 MPa e uma densidade de 2.810 kg / m $ ^ 3 $. A liga de alumínio de aeronaves é 10,2 vezes mais strong e 6,7 vezes mais pesada que o abeto, então sua força específica é 10,2 / 6,7 = 1,52 a do abeto. Mas metade da asa é carregada de compressão, e uma pele mais grossa feita de um material mais leve se curva com menos facilidade. Assim, para as asas com uma alta proporção, parte da vantagem de peso do alumínio é comercializada: a pele comprimida é dimensionada na espessura da pele, não na força de escoamento.

2. Resistência ao calor / inflamabilidade

   A força de escoamento das ligas de alumínio para aeronaves diminui em função da temperatura, conforme indicado no gráfico abaixo ( source ). A linha vermelha é para o alumínio 2024: a 250 ° C, a resistência à tração (= resistência à compressão) é dividida ao meio.

   

   Compare isso com a força de compressão do abeto: metade a cerca de 150 ° C (Fonte: fig 5-14 de o Manual de Madeira . Existem duas regiões gráficas para diferentes conteúdos de umidade, e isso nos traz a principal desvantagem da madeira: a variabilidade de um material natural, logo abaixo do ponto 3.

   

   Mas é claro que o principal ponto de atenção seria usar um motor a jato em uma moldura de madeira. Até o G.1 tinha uma construção de motor dianteiro de alumínio.

3. Consistência e resistência às intempéries

   De MATÉRIAS DE AVIÕES: Suas propriedades, seleção e características

   ...the principal factors tending to restrict the use of wood are a not unlimited supply of the most desirable species; a hygroscopicity that results in shrinking and swelling and changes in strength; and a wide difference in properties with different directions of the grain.

   Essas desvantagens podem ser parcialmente desfeitas usando madeira compensada, mas isso tem uma penalidade de peso adicional.

A madeira não é usada há várias décadas para construir aviões de passageiros ou caças e por um bom motivo. A Fokker construiu com sucesso aviões monoplanos de madeira na década de 1920/1930, até que um acidente de um FX de alta visibilidade trouxe método de construção sob escrutínio. Não muito tempo depois, o Boeing 247 e o DC-2 foi pioneiro na construção de aviões de pele lisa de alumínio, e a indústria nunca olhou para trás.

Então, sim, um lutador pode ser construído em madeira e seria strong o suficiente. No entanto, seria mais pesado, propenso a influências climáticas, e causa de grandes dores de cabeça para a integração de um motor a jato em sua construção inflamável. Não pode voar a Mach 3: o SR-71 precisava ser construído em titânio, não em alumínio, devido à resistência ao calor necessária. Spruce não teria a menor chance e pegaria fogo.

Não há boas razões para não construir um jato de combate a partir de metal ou compostos atuais.

As asas e algumas partes do corpo do caça a jato Heinkel He 162 eram feitas de compensado. link

O Bachem Ba 349 'Natter', um interceptador movido a foguete, foi construído quase inteiramente de madeira. link

O Mosquito não foi muito rápido para ser atingido por fogo AA de 8,8 Flak (não há aeronave), mas voou muito alto ao operar perto de seu teto operacional máximo. O maior calibre 10,5 e 12,8 as armas chegariam mais alto, mas não tão generalizadas. Com seu teto máximo de 14,8 km, os 12,8 poderiam derrubar facilmente um Mosquito.

Ed Swearingen observou certa vez que, independentemente do material que você usa, um design teria o mesmo peso. Isto é certamente verdade para as aeronaves GA, se você comparar madeira, alumínio e compósitos. Para uma aeronave militar, a madeira teria a maior desvantagem, porque é sensível à água e apodrece se não for mantido seco. Se você pode viver com isso, um jato de madeira subsônico é fácil de projetar.

Em 1944, as asas do Messerschmitt 109 foram redesenhadas para construção em madeira e o resultado acabou sendo ser equivalente ao original de alumínio, mas um pouco mais pesado. Sua principal desvantagem, no entanto, era que as asas de madeira precisavam de mais horas de trabalho para serem concluídas. Que o leme de madeira usado nas versões posteriores era mais pesado do que o leme de alumínio que ele substituiu foi principalmente devido ao tamanho aumentado que melhor estabilidade direcional em alta velocidade.

Ah, e há planos (e algumas amostras voadoras) de um todo em madeira Me-109 .

Na verdade, já havia um caça a jato de madeira. O Horten IX ( ou Gotha 229 ) tinha asas de madeira e uma estrutura de tubulação de aço na asa média com pele de madeira. A pele usaria um tipo especial de madeira compensada, chamada "Formholz", cujas camadas eram coladas em um molde, de modo que elas se juntassem à forma e à curvatura corretas. A madeira foi escolhida para tornar o avião menos visível para o radar e como um material não estratégico.

Espero, no entanto, que os designers tenham selecionado uma construção completa de metal se essas limitações não existissem.

Se você quiser que seu jato atinja velocidade supersônica, eu definitivamente prefiro construir grandes partes dele, como a borda dianteira da asa ou a região ao redor do pós-combustor, do metal. A madeira pode ser melhor usada se for muito preenchida com resina epóxi e não mais madeira pura.

A madeira é definitivamente mais leve que os metais, mas não é tão strong. Uma importante figura de mérito aqui é a relação entre resistência e peso, isto é, a resistência à tração dividida pela densidade. Wikipedia lista força para pesar as proporções de vários materiais. Vamos comparar apenas carvalho e alumínio 7075. O alumínio pesa cerca de 4 vezes mais que o carvalho, mas é cerca de 5 vezes mais strong. Então, para pegar uma determinada carga, você precisa de menos alumínio (em massa) do que de carvalho. É por isso que a madeira não é usada em nenhuma construção aeroespacial. Observe também nesta tabela quanto compósito de fibra de carbono é maior do que o alumínio. Esse é um grande motivador por que as empresas aeroespaciais estão migrando para esse material (por exemplo, o Boeing 787).

O Vampiro - De Havilland novamente, e não muito depois do Mosquito (embora seja tarde demais para o serviço ativo na Segunda Guerra Mundial) - foi em parte de construção de madeira. Como o Mosquito, desenvolver-se em condições de guerra (primeiro vôo em 1943) foi sem dúvida uma das razões.

Fotos aqui mostram claramente a marcenaria.

A resposta está contida na sua pergunta e ainda está implícita, embora algumas vezes de forma indireta em alguns dos comentários e respostas.

O de Havilland Mosquito de madeira usava dois motores "Merlin" Rolls Royce, com as chaminés de escape inclinadas para trás, porque na época do desenvolvimento da ordem do motor com essa quantidade de potência, descobriram que dobrar as pilhas de escape A retaguarda proporcionou uma vantagem de velocidade nas baixas dezenas de milhas por hora em relação à velocidade máxima de uma aeronave de 300 mph, comparada com a de quando ela não tinha as pilhas inclinadas para trás. ie. já havia algo de um componente "jato" no Mosquito com grandes quantidades de ar quente de motores potentes explodindo para trás em plena aceleração.

EDITADO: REFERÊNCIA ADICIONADA:

As referências abaixo sobre o efeito "jato" que mencionei acima, não são as duas referências históricas que descobri em 2010, que primeiro me levaram a responder à pergunta. Eu perdi essas referências nos movimentos da casa e no computador. Eu não li as referências abaixo, mas é tudo o que pude encontrar agora, provavelmente dado que os efeitos de jatos de escapamentos de motores a pistão são bastante irrelevantes, e sem dúvida gradualmente se tornando ainda menos interessantes na aviação moderna, seja em guerra ou tempo de paz. p>

link

Desça até "Ejector Exhausts". Note citações no.35 & 36.

cit.35: Price, 1982. p. 51 (Bib: Price, Alfred. The Spitfire Story. Londres: Editora Jane's Company Ltd., 1982. ISBN 0-86720-624-1).

cit.36: Tanner 1981, A.P.1565E, Vol. 1, Seção II (Bib: Tanner, John. The Spitfire V Manual (reedição AP1565E). London: Arms and Armor Press, 1981. ISBN 0-85368-420-0).

(fim da edição das referências)

Obviamente, a presença de gases de escape quentes e abrasivos de dois motores de pistão, desde que o impulso "extra" não incomodasse o Mosquito de madeira.

E como "quente" é quente? Foi o jato Canberra, um avião de metal com motor duplo, que tinha os motores a jato nas asas? Eu nunca li nada sobre, por exemplo, a pintura em qualquer logótipo pintado nas laterais daquela aeronave sendo chamuscada ou derretida pelo jato de escape. Sugiro, portanto, que mesmo com a compreensão da aviação dos anos 1940, o Mosquito poderia servir de exemplo para um avião a jato de madeira que não foi construído, mas poderia ter sido se os motores estivessem disponíveis.

E não, eu não estou sugerindo que o Mosquito seria capaz de velocidade supersônica como um jato duplo. Essa questão já foi abordada em comentários e respostas.

VAMPIRE BREVE EDIT: O Havilland Vampire, desenvolvido pela Segunda Guerra Mundial, foi, evidentemente, parte da construção em madeira. Foi usado como força de combate da Força Aérea Real da Nova Zelândia por talvez 20 anos. A evidência de um projeto geral bem-sucedido foi strong, graças à minha observação pessoal de que a aeronave gritava na minha casa por décadas da Base Aérea de Ohakea, a cerca de 48 quilômetros de distância. É um ponto discutível quanto a madeira contribuiu para o sucesso do Vampiro como um lutador, mas deve contribuir para parte do corpo de evidências de que madeira e jatos podem trabalhar juntos, mesmo que apenas parcialmente e em velocidades subsônicas.

Não se esqueça da escassez de material durante a 2ª Guerra Mundial, que exigiu métodos inteligentes de construção de equipamentos com materiais que estavam prontamente disponíveis, por exemplo, madeira.

Eu pensaria que o maior desempenho das aeronaves de hoje seria um fator significativo quando se tratava de manutenção. Madeira vs liga de metal em um ambiente de maior estresse exigiria mais manutenção.

Se você olhar para aeródromos hoje, eu encontrei todas as aeronaves com estrutura de madeira e lona em cabides durante a noite, onde as latas de spam são deixadas do lado de fora em qualquer tempo.

Um bombardeiro? Sim, mas para FYI, o Mosquito era um caça-bombardeiro e era usado extensivamente como um caça noturno.

Respostas anteriores apontaram - corretamente - que aeronaves subsônicas de alto desempenho foram construídas usando madeira.

Eu digo 'usando' porque até mesmo o Mosquito usava um pouco de aço e alumínio - mas as longarinas, a pele e a estrutura da fuselagem eram de madeira, e essa é uma definição razoável de 'feita de madeira'.

O Wood é um bom material composto, quando usado com cuidado - mas é variável, e tanto o fabricante quanto a equipe de manutenção precisam usar habilidade e bom senso para usá-lo efetivamente. E esse é o ponto: como o design da aeronave aumenta ainda mais os limites dos materiais, as margens de segurança são reduzidas - mas a segurança é mantida dentro dessas margens mais rigorosas pela análise precisa de tensão no estágio de projeto, rigoroso controle de qualidade na fabricação e inspeção repetida em serviço.

Você pode fazer isso com os materiais consistentes que fabricamos a partir do metal e (atualmente) de compostos de carbono e Kevlar - e os compostos foram perseguidos pelos mesmos problemas de consistência que atormentam os componentes de madeira até o último 10-15 anos.

Não é que eles, ou madeira, eram mais fracos a um determinado custo e peso - em alguns casos, eles são mais strongs - a questão é que eles não entregam o desempenho de forma consistente e, portanto, não poderiam ser usados sem ampliar margens de segurança - peso extra - e um excesso de esforço antieconômico no controle de qualidade e na inspeção em serviço.

Mudando para o regime de voo supersônico, tudo é muito mais exigente. As asas têm que ser muito mais finas - uma relação de corda menor que cinco por cento - então tanto os mastros quanto a pele têm que ser mais finos e isso está empurrando o envelope muito longe para fazê-lo com segurança com madeira. Note também que as forças de atrito são mais altas - massivamente em algumas áreas - assim como as cargas de pressão positiva e negativa na pele durante a transição entre o vôo sub e supersônico.

Isso é especialmente verdadeiro para as superfícies de controle.

é teoricamente possível fazê-lo, com algum metal em áreas críticas e injeção de epóxi, mas você estaria chegando perto de fazer a asa de madeira maciça e você não faria para o tailplane em tudo. A penalidade de peso teria sido um não-vôo para a aeronave supersônica de primeira geração e, embora motores mais potentes tenham menos problemas hoje em dia, o custo em alcance e carga útil é inaceitável.

Além disso, ele deslizaria como um tronco serrado e isso teria implicações para velocidades de pouso seguras, além de aterrissar com segurança um "obstáculo" com uma falha de motor.

Como nota final, o Mosquito foi superado pelo Hornet em 1944/45 - tarde demais para a Segunda Guerra Mundial e cem nós mais lento que o Gloster Meteor. Menciono isso porque o Hornet era, em termos gerais, a "Maravilha de Madeira" reprojetada em alumínio: tamanho semelhante, planta semelhante e os mesmos motores. Enquanto o Mosquito era bom, não fica nem perto do " Winkle Brown" O excesso de poder era tal que as manobras no plano vertical só podem ser descritas como foguetes "que ele e outros pilotos experimentaram em seu sucessor de metal .

E essa é a sua resposta: você pode construir aeronaves de alto desempenho a partir de madeira, mas você sempre poderá construir uma aeronave melhor em alumínio e aço.

De acordo com um artigo de Reimar Horten na revista National Aeronautics da Argentina, em 1936, a empresa alemã Farben Werke (Color Works) construiu um protótipo de asa voadora supersônico para ser movido por um motor de turbina.  O Mosquito De Havilland teria voado supersônico com suas partes de Madeira de Balsa se tivesse uma forma e potência adequadas? Por que não?