Por que os aviões mais antigos têm uma asa na parte superior e na parte inferior da aeronave?

Principalmente para força. Até cerca de 1920, as asas usavam aerofólios muito finos e eram feitos principalmente de tecido esticado sobre uma moldura de madeira. A longarina principal era muito fina e teria sido propensa a dobrar se tivesse que suportar todo o peso da aeronave em um único vão. Apenas usando duas asas, a superior como o membro de compressão e a outra como o membro de tensão de uma treliça, a força necessária era possível.

Comparação da espessura do aerofólio por D.R. Kirk, Instituto de Tecnologia da Flórida (foto fonte )

Na sua foto, você pode ver os fios correndo da asa superior (perto dos suportes externos) até onde a asa inferior se junta à fuselagem. Esses fios levam a maior parte da tensão em vôo, espalhando a carga nas asas. É o mesmo princípio que usar triângulos na construção de postes de eletricidade ou pontes.

Etrich Taube em vôo. Observe a treliça abaixo da asa e os muitos fios mantendo-a em forma (foto fonte ).

A envergadura mais curta de um biplano também reduz a carga nas asas. Os biplanos tendem a ter muita sustentação (devido ao seu tamanho) por causa da grande área da asa, mas também muito arrasto, então eles são bastante ineficientes em geral. Havia também triplanes, com três aviões principais para ainda mais sustentação na mesma envergadura. Os pilotos da WW I exigiram a maior taxa de rolamento, o que poderia ser melhor alcançado com biplanos.

No período entre as Guerras Mundiais, o uso de alumínio de alta resistência para aeronaves e a estrutura monobloco permitiram que as fuselagens se tornassem mais strongs. Isso significava que os projetos de monoplanos se tornavam mais práticos, embora os aviadores mais antigos não acreditassem que um monoplano pudesse ser strong o suficiente. Assim que os monoplanos eram práticos, as melhorias na eficiência e no desempenho do voo levaram-nos a substituir os bi e triplos.

Nos primeiros dias, parece que as pessoas realmente não descobriram o que funcionou melhor

Uma estrutura de viga de caixa com arame pode provavelmente fornecer melhor resistência e rigidez do que uma longarina de madeira única e muito mais longa.

Uma vantagem de múltiplas asas é que você pode ter asas mais curtas, e isso pode melhorar a manobrabilidade em combate

Talvez a melhor pergunta seja por que as pessoas optaram por apenas duas alas quando poderiam ter vinte?

A principal razão para ter várias alas nos primeiros anos da aviação foi a falta de disponibilidade de materiais com força suficiente.

A principal vantagem do biplano é que as asas podem ser mais curtas para um determinado levantamento. Durante os estágios iniciais da aviação, os materiais disponíveis para a fabricação de aeronaves eram de madeira, tecido dopado etc. Os componentes estruturais feitos a partir deles não tinham força suficiente, limitando o tamanho da asa.

As primeiras aeronaves também tinham motores menos potentes, resultando em menor velocidade. Neste caso, a menor velocidade de stall dos biplanos foi vantajosa.

Os biplanos tinham uma manobrabilidade muito boa (melhor taxa de rotação) em comparação com os monoplanos. Esta é a razão pela qual os triplanes foram desenvolvidos durante a WWWI.

^{" SopTri3 " por link . Licenciado sob domínio público através de Commons .} No entanto, com o advento de melhores materiais como as ligas de alumínio, as desvantagens aerodinâmicas dos biplanos se tornaram aparentes e os monoplanos tornaram-se rapidamente a escolha de projeto preferida.

À medida que a força do material melhorou, as relações de aspecto tornaram-se cada vez maiores, com aeronaves civis enfrentando limitações operacionais (de aeroportos) em vez de limitações de força no comprimento da asa.

No entanto, os biplanos ainda são usados. A melhor capacidade de manobra e a baixa velocidade de empilhamento fazem com que sejam aeronaves acrobáticas populares.

Na verdade, havia alguns monoplanos ao redor, mesmo nos primeiros dias:

1909: Bleriot XI atravessa o Canal da Mancha
1910: O Fokker Spider voa ao redor da torre da igreja de Haarlem. Young Anthony tem 20 anos.

1912: Deperdussin Monocoque, o primeiro projeto com uma fuselagem de pele estressada.
1913: Morane-Saulnier H

1915: Junkers J1
1915: Fokker E II: Max Immelmann

1915: Fokker E III
1918: Junkers D.1

1919: Junkers F-13
1921: Fokker F.III

1924: Fokker F.VII
1926: Ford Trimotor

1933: Boeing 247
1934: DC-2

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Apesar de algumas aeronaves antigas terem sido projetadas com asas cantilever que não precisavam de suportes de arame, ainda havia várias razões pelas quais o projeto do biplano de treliça de fio permanecia em uso por um longo tempo. Como qualquer nova tecnologia, o desenvolvimento leva tempo. Os projetos do estilista Fokker Reinhold Platz durante a 1ª Guerra Mundial são um ótimo exemplo. Sua asa espessa, as longarinas de caixa eram um projeto de som, mas a cola não era necessariamente muito strong, e / ou a mão-de-obra qualificada para a montagem era pobre, o que criava problemas e mortes. A madeira não é o problema. O abeto de alta qualidade tem, na verdade, a mesma relação peso / resistência que o alumínio das aeronaves, embora o AL seja mais isométrico, a madeira provou ser digna da construção de aeronaves quando usada corretamente. Quando a caixa do Fokker falhou, a notícia se espalhou rapidamente e gerou medo e aversão pelos pilotos que gostavam de saber que suas asas não se dobrariam. Os pilotos não gostavam de biplanos e queriam "o que sabemos já funciona". O triplano tinha longarinas de caixa e eram verdadeiras asas cantilever sem traves e suportes, mas os pilotos se afastaram com grande medo e se recusaram a voar. Então, Platz adicionou os suportes do interplan para unir todas as três alas nas extremidades apenas pela impressão que causou nos pilotos. Os fios foram, no entanto, eliminados. O monoplano Fokker D8 tinha uma verdadeira asa em balanço, que também tinha alguns problemas de qualidade no início, o que geralmente termina em uma morte, e os pilotos não gostaram disso. Monoplanos com fio não tinham vantagens, alto arrasto, menor elevação e mais fraco que os biplanos. Pilotos, passageiros e investidores gostavam de biplanos. Designers eventualmente provaram seu conhecimento para os pilotos e para o público, mas como qualquer outra coisa, existe um enorme elemento psicológico - um medo não totalmente inválido que retardou o progresso. Os militares são os piores em aceitar novas idéias, com uma longa história de aceitar apenas o provado e verdadeiro, sem o desejo real de colocar os pilotos em risco desnecessário. Além disso, havia duas vantagens distintas para os biplanos, a sustentação adequada com menor envergadura das asas, mais a alta taxa de rolamento associada, e a força era, e é muito boa, eles eram, na verdade, difíceis de superar.

A resistência estrutural não foi o principal motivo dos primeiros bi-planos. Otto Lilenthal fez seus experimentos de planador em uma estrutura semelhante a um monoplano. Os irmãos Wright estavam seguindo sua pesquisa, mas eles queriam criar um vôo motorizado. O primeiro mecanismo não tinha energia suficiente. Um biplano pode gerar mais sustentação em velocidade menor. Um monoplano não podia. Essa foi a principal razão para escolher um design biplano.