Biplan

Dans un avion biplan, deux ailes sont superposées. Chacune contribue à la portance, mais elles ne peuvent pas produire deux fois plus de portance qu'une aile unique de taille et de forme similaires, car les ailes supérieure et inférieure agissent sur une portion d'atmosphère quasi identique et interfèrent donc entre elles. Dans une configuration biplan sans décalage entre l'aile supérieure et l'aile inférieure, le coefficient de portance est réduit de 10 à 15 % par rapport à celui d'un monoplan utilisant le même profil et le même allongement .

L'aile inférieure est généralement fixée au fuselage , tandis que l'aile supérieure est surélevée par des mâts de cabane , bien que d'autres configurations existent. L'une ou l'autre des ailes principales, voire les deux, peuvent supporter des ailerons , tandis que les volets sont le plus souvent positionnés sur l'aile inférieure. Un haubanage est presque toujours ajouté entre les ailes supérieure et inférieure, sous la forme d' entretoises interplans disposées symétriquement de part et d'autre du fuselage et de câbles de haubanage pour empêcher la flexion de la structure, lorsque les ailes ne sont pas des structures en porte-à-faux .

Avantages et inconvénients

Le principal avantage du biplan par rapport au monoplan réside dans sa capacité à allier une plus grande rigidité à un poids réduit. La rigidité exige une structure profonde ; or, si les premiers monoplans devaient y remédier par des haubans externes, le biplan possède naturellement une structure profonde et se prête donc plus facilement à la conception de modèles à la fois légers et robustes. Sur les monoplans non cantilever, les haubans forment un angle beaucoup plus aigu, ce qui réduit la tension nécessaire à la rigidité de l'aile extérieure. Sur un biplan, les angles étant plus proches de l'idéal (alignement direct avec les forces opposées), la structure globale peut ainsi être rendue plus rigide. Du fait de cette rigidité réduite, les monoplans haubanés comportaient souvent plusieurs jeux de haubans de vol et d'atterrissage, tandis qu'un biplan pouvait aisément être construit avec une seule travée, ne comportant qu'un seul jeu de haubans. La traînée supplémentaire générée par les haubans ne compensait cependant pas les désavantages aérodynamiques liés à l'interférence de deux profils d'aile. Des monoplans à haubans ont été essayés, mais aucun n'a été couronné de succès, notamment en raison de la traînée engendrée par le nombre de haubans utilisés.

Les forces structurelles agissant sur les longerons d'une aile de biplan sont généralement plus faibles car elles sont réparties entre quatre longerons au lieu de deux. L'aile peut donc utiliser moins de matériau pour obtenir la même résistance globale et est par conséquent plus légère. Une surface alaire donnée est également généralement plus courte, ce qui réduit les moments de flexion sur les longerons et permet ainsi de les construire plus légèrement. Le biplan nécessite cependant des entretoises supplémentaires pour maintenir l'écart entre les ailes, ce qui augmente le poids et la traînée.

La faible puissance des moteurs disponibles aux débuts de l'aviation limitait les avions à des vitesses relativement basses. Il fallait donc une vitesse de décrochage encore plus faible, ce qui impliquait une faible charge alaire , combinant une grande surface alaire et un poids léger. Obtenir une surface alaire suffisamment importante sans que les ailes soient longues, et donc dangereusement flexibles, était plus facile avec un biplan.

L'aile plus petite du biplan permet une plus grande maniabilité. Après la Première Guerre mondiale, cela a contribué à prolonger l'ère du biplan et, malgré ses inconvénients en termes de performances, la plupart des avions de chasse étaient des biplans jusque dans les années 1930. Des biplans de voltige sportive spécialisés sont encore produits en petit nombre.

Les biplans subissent des interférences aérodynamiques entre leurs ailes lorsque la haute pression sous l'aile supérieure et la basse pression au-dessus de l'aile inférieure s'annulent. De ce fait, un biplan n'atteint pas, en pratique, le double de la portance d'un monoplan de taille similaire. Plus l'écartement entre les ailes est important, moins ces interférences sont marquées, mais les entretoises doivent alors être plus longues et l'écartement extrêmement grand pour les réduire sensiblement.

À mesure que la puissance des moteurs et les vitesses augmentaient vers la fin de la Première Guerre mondiale , les ailes cantilever épaisses, avec une traînée intrinsèquement plus faible et une charge alaire plus élevée, devinrent pratiques, ce qui rendit les monoplans plus attrayants car cela contribua à résoudre les problèmes structurels associés aux monoplans, mais n'offrit que peu d'améliorations pour les biplans.

Échelonner

La conception standard d'un biplan prévoit des ailes alignées l'une au-dessus de l'autre. Décaler l'aile supérieure vers l'avant par rapport à l'aile inférieure est appelé décalage positif , ou plus simplement décalage. Ce décalage permet d'augmenter la portance et de réduire la traînée en diminuant légèrement les interférences aérodynamiques entre les deux ailes, mais il était surtout utilisé pour faciliter l'accès au poste de pilotage. De nombreux biplans sont équipés d'ailes décalées. Parmi les exemples courants, citons le de Havilland Tiger Moth , le Bücker Bü 131 Jungmann et le Travel Air 2000 .

Une autre solution consiste à placer l'aile inférieure en avant de l'aile supérieure, créant ainsi un décalage négatif et des avantages similaires. Ce choix est généralement fait pour des raisons structurelles ou pour améliorer la visibilité. Le Sopwith Dolphin , le Breguet 14 et le Beechcraft Staggerwing sont des exemples d'appareils à décalage négatif . Cependant, le décalage positif (vers l'avant) est beaucoup plus courant.

L'empilement des ailes fut suggéré par Sir George Cayley en 1843. Hiram Maxim adopta cette idée pour son banc d'essai à vapeur, qui décollait mais était retenu au sol par des barres de sécurité, en 1894. Otto Lilienthal conçut et pilota deux deltaplanes biplans différents en 1895, bien qu'il soit plus connu pour ses monoplans. Dès 1896, un groupe de jeunes hommes aux États-Unis, mené par Octave Chanute , pilotait des deltaplanes, notamment des biplans, et conclut que le biplan à haubans externes offrait de meilleures perspectives de vol motorisé que le monoplan. En 1903, le biplan Wright Flyer devint le premier aéroplane motorisé à connaître un succès commercial.

Durant les premières années de l'aviation, biplans et monoplans étaient courants, mais au déclenchement de la Première Guerre mondiale, les biplans prirent l'ascendant après que plusieurs défaillances structurelles de monoplans eurent entraîné l'interdiction des monoplans par le RFC , clouant au sol tous les monoplans en service militaire Parallèlement, les Français retirèrent la plupart de leurs monoplans des combats et les reléguèrent à l'entraînement. Des personnalités comme l'auteur aéronautique Bruce observèrent un préjugé apparent, même à l'encontre des monoplans de conception récente, tels que le Bristol M.1 , qui fit que même ceux aux performances relativement élevées furent négligés au profit des biplans « classiques ». Il existait, semble-t-il, une croyance largement répandue à l'époque selon laquelle les monoplans étaient intrinsèquement dangereux au combat [

Entre 1914 et 1925, la grande majorité des nouveaux avions mis en service étaient des biplans. Cependant, durant les dernières années de la Première Guerre mondiale, les Allemands expérimentaient une nouvelle génération de monoplans, comme le Fokker D.VIII , qui auraient pu mettre fin plus tôt à l'avantage du biplan si le conflit ne s'était pas terminé à ce moment-là. Les Français introduisaient également le Morane-Saulnier AI , un monoplan à aile parasol haubanée , mais ce modèle fut rapidement relégué au rôle d'avion d'entraînement avancé après la résolution de problèmes structurels. Les sesquiplans , biplans à ailes inférieures raccourcies tels que le Nieuport 17 français et l'Albatros D.III allemand , offraient une traînée inférieure à celle d'un biplan classique tout en étant plus robustes qu'un monoplan.

Durant l' entre-deux-guerres , de nombreux avions de ligne biplans furent mis en service. Le de Havilland Dragon britannique connut un succès particulier : sa conception simple lui permettait de transporter six passagers sur des lignes très fréquentées, comme la liaison Londres-Paris. Début août 1934, l'un de ces appareils, baptisé « Trail of the Caribou » , réalisa le premier vol sans escale entre le Canada et la Grande-Bretagne en 30 heures et 55 minutes, bien que la destination initialement prévue pour ce vol long-courrier fût Bagdad , en Irak . Malgré ce succès relatif, la production britannique du Dragon fut rapidement abandonnée au profit du de Havilland Dragon Rapide , plus puissant et plus élégant, conçu spécifiquement pour succéder au Dragon en termes de vitesse et de confort.

Avec l'augmentation de la puissance et de la vitesse des moteurs, la traînée induite par les haubans externes limitait de plus en plus les performances des avions. Pour voler plus vite, il était nécessaire de réduire ces haubans afin d'obtenir une conception aérodynamiquement plus propre ; cependant, les premiers modèles à structure cantilever étaient soit trop fragiles, soit trop lourds. Le sesquiplan Junkers JI de 1917 utilisait de l'aluminium ondulé pour toutes les surfaces portantes, avec un minimum d'entretoises ; toutefois, sa fine enveloppe métallique était relativement facile à endommager et nécessitait une manipulation soigneuse de la part des équipes au sol. Le chasseur Zeppelin-Lindau DI de 1918 était un biplan monocoque à structure entièrement métallique et à structure cantilever, mais son arrivée était trop tardive pour qu'il puisse être utilisé au combat pendant le conflit.

Dans les années 1930, les biplans atteignirent leurs limites de performance et les monoplans devinrent de plus en plus prédominants, notamment en Europe continentale où ils s'étaient largement répandus depuis la fin de la Première Guerre mondiale . Au début de la Seconde Guerre mondiale , plusieurs forces aériennes disposaient encore de biplans de combat en première ligne, mais ces appareils n'étaient plus compétitifs et la plupart furent utilisés pour des missions spécifiques, comme l'entraînement ou les opérations embarquées, jusqu'à peu après la fin du conflit. Le biplan britannique Gloster Gladiator , le chasseur italien Fiat CR.42 Falco et le sesquiplan soviétique I-153 étaient tous encore opérationnels après 1939. Selon l'auteur aéronautique Gianni Cattaneo, le CR.42 remporta des succès en tant que chasseur de nuit défensif contre les bombardiers de la RAF qui ciblaient des sites industriels dans tout le nord de l'Italie.

L' aéronavale britannique utilisa le bombardier-torpilleur Fairey Swordfish depuis ses porte-avions, notamment pour la lutte anti-sous-marine jusqu'à la fin du conflit, en grande partie grâce à sa capacité à opérer depuis les ponts relativement compacts des porte-avions d'escorte . Sa faible vitesse de décrochage et sa conception robuste le rendaient idéal pour les opérations, même dans les conditions météorologiques souvent difficiles du milieu de l'Atlantique. À la fin du conflit, le Swordfish détenait le record du tonnage détruit par un avion allié pour la marine de l'Axe .

Le Heinkel He 50 allemand et le Polikarpov Po-2 soviétique furent tous deux utilisés avec un succès relatif pour les attaques au sol nocturnes durant la Seconde Guerre mondiale. La production du Po-2 se poursuivit même après la fin du conflit, jusqu'en 1952 environ. Un nombre important de Po-2 furent déployés par l' Armée de l'air populaire coréenne durant la guerre de Corée , infligeant de lourds dégâts lors de raids nocturnes sur les bases des Nations Unies . Le Po-2 est également le seul biplan à avoir abattu un avion à réaction : un Lockheed F-94 Starfire fut perdu alors qu'il ralentissait à mph) – en dessous de sa vitesse de décrochage – lors d'une interception visant à engager le Po-2 volant à basse altitude.

Parmi les biplans d'entraînement ultérieurs , on peut citer le de Havilland Tiger Moth, utilisé par la Royal Air Force (RAF), l'Aviation royale canadienne (RCAF) et d'autres forces aériennes, ainsi que le Stampe SV.4 , qui servit après-guerre au sein des forces aériennes françaises et belges. Le Stearman PT-13 fut largement utilisé par l' USAAF ( United States Army Air Force ), tandis que l'US Navy exploitait le Naval Aircraft Factory N3N . Plus tard, aux États-Unis, le Stearman, utilisé par le secteur civil, devint particulièrement associé aux acrobaties aériennes, comme le vol acrobatique sur les ailes , et à l'épandage agricole, où sa compacité s'avérait un atout précieux à basse altitude, lui permettant d'éviter les obstacles.

Des biplans modernes existent toujours pour des usages spécialisés tels que la voltige aérienne et l'agriculture. Le rôle et le format de la voltige de compétition pour un tel biplan étaient bien définis dès le milieu des années 1930 par l' Udet U-12 Flamingo et le Waco Taperwing . Le Pitts Special a dominé la voltige aérienne pendant de nombreuses années après la Seconde Guerre mondiale et est toujours en production.

La grande majorité des biplans sont équipés de moteurs à pistons . Font exception l' Antonov An-3 et le WSK-Mielec M-15 Belphegor , respectivement dotés de turbopropulseurs et de turboréacteurs . Certains biplans plus anciens, comme le Grumman AG Cat, sont disponibles en versions modernisées avec turbopropulseurs.

Les deux biplans les plus produits furent l' Avro 504 britannique de 1913, construit à 11 303 exemplaires, et le Polikarpov Po-2 soviétique de 1928, produit à plus de 20 000 exemplaires. Le Po-2 remplaçait directement la copie soviétique de l'Avro 504. Tous deux furent largement utilisés comme avions d'entraînement. L' Antonov An-2 connut également un grand succès, avec plus de 18 000 exemplaires construits.

Avions ultralégers

Bien que la plupart des ultralégers soient des monoplans, leur faible vitesse et leur construction simple ont inspiré quelques ultralégers biplans, comme l' Easy Riser de Larry Mauro (1975–). Mauro a également conçu une version alimentée par des cellules solaires entraînant un moteur électrique, appelée Solar Riser . L'Easy Riser de Mauro a été utilisé par « Father Goose », Bill Lishman .

Parmi les autres ultralégers biplans, on peut citer l' Aviasud Mistral de conception belge , le FK12 Comet allemand (1997–), le Sherwood Ranger et le Murphy Renegade .

Le dinosaure à plumes Microraptor gui planait, et peut-être même volait, sur quatre ailes, probablement disposées en sesquiplan décalé. Ceci était rendu possible par la présence de rémiges sur les membres antérieurs et postérieurs, les rémiges des membres antérieurs offrant une plus grande envergure. Il a été suggéré que les membres postérieurs ne pouvaient pas s'ouvrir latéralement, mais qu'en vol, ils pendaient en dessous et légèrement en arrière des membres antérieurs.