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複葉機は、 2枚の主翼が上下に重ねられた固定翼機です。動力飛行に成功した最初の操縦可能な飛行機であるライトフライヤー号は、初期の航空時代の多くの航空機と同様に、複葉機の翼配置を採用していました。複葉機の翼構造は単葉機に比べて構造的に有利ですが、単葉機の翼よりも抗力が大きくなります。構造技術の向上、より優れた材料、そして高速化により、 1930年代後半には複葉機の構成はほとんどの用途において時代遅れとなりました。
複葉機は、従来の片持ち式単葉機に比べていくつかの利点があります。例えば、翼構造を軽量化でき、翼面荷重を低く抑え、同じ翼面積でより小さな翼幅を実現できます。しかし、各翼上の気流の干渉により抗力が大幅に増加し、複葉機は一般的に大規模な補強が必要となるため、抗力がさらに増大します。
複葉機は、翼が上下ではなく前後に配置されるタンデム翼配置とは区別される。
複葉機では、2枚の翼が上下に配置されます。それぞれの翼が揚力の一部を提供しますが、上下の翼がほぼ同じ大気領域で作用するため、互いの挙動が干渉し合い、同じサイズと形状の単翼の2倍の揚力を生み出すことはできません。上翼から下翼へのずれがない複葉機の構成では、同じ翼型とアスペクト比を使用する単葉機と比較して、揚力係数が10～15パーセント減少します。[ 1 ]
下翼は通常胴体に取り付けられ、上翼はキャビンストラットの配置によって胴体の上に持ち上げられますが、他の配置が用いられることもあります。主翼のどちらか一方、または両方に補助翼を取り付けることができますが、フラップは通常下翼に配置されます。翼自体が片持ち構造でない場合、胴体の両側に左右対称に配置された翼間支柱と補強ワイヤーの形で、上翼と下翼の間にはほぼ必ず補強材が追加され、構造のたわみを防ぎます。
複葉機が単葉機よりも優れている主な点は、剛性を高めながら軽量化を実現できることである。剛性には構造的な深さが必要であり、初期の単葉機では外部ブレースでこれを確保する必要があったが、複葉機は構造が自然に深く、軽量かつ高強度に作りやすい。片持ち梁構造ではない単葉機では、リギングワイヤーの角度がはるかに鋭角であるため、外翼の剛性を確保するための張力が少なくなる。複葉機では、角度が抵抗する力と一直線になるという理想的な角度に近いため、全体の構造をより剛性が高くすることができる。剛性が低いため、ワイヤーブレース構造の単葉機では飛行用ワイヤーと着陸用ワイヤーが複数セット必要となることが多かったが、複葉機では1つのベイに1セットの着陸用ワイヤーと飛行用ワイヤーで簡単に製造できた。しかし、ワイヤーによる余分な抗力は、2つの翼型が互いに干渉することによる空力的な不利を相殺するには十分ではなかった。支柱で補強された単葉機も試みられたが、どれも成功しなかった。その主な理由は、使用する支柱の数による抗力だった。
複葉機の翼の桁にかかる構造力は、2本ではなく4本の桁に分散されるため、一般的に小さくなります。そのため、同じ全体強度を得るために使用する材料が少なくなり、結果として翼は軽くなります。また、翼の一定面積も短くなる傾向があり、桁にかかる曲げモーメントが減少するため、桁もより軽量に作ることができます。[ 2 ]ただし、複葉機は翼間の隙間を維持するために追加の支柱が必要となり、重量と抗力が増加します。
航空黎明期に利用できたエンジンの出力が低かったため、飛行機の速度はかなり低速に制限されていた。そのため、失速速度をさらに低く抑える必要があり、さらにそのためには翼面荷重を低く抑え、大きな翼面積と軽量化を両立させる必要があった。翼を長くしすぎず、危険なほど柔軟にならずに十分な翼面積を得るには、複葉機の方が容易だった。
小型の複葉機の翼は、より高い機動性を可能にする。第一次世界大戦後、これは複葉機の時代を延長するのに役立ち、性能上の不利にもかかわらず、1930年代半ばまでほとんどの戦闘機は複葉機であった。特殊なスポーツ曲技飛行用の複葉機は、現在でも少数生産されている。[ 3 ]
複葉機は、上翼下の高圧空気と下翼上の低圧空気が互いに打ち消し合うことで、両翼間に空力干渉が生じる。そのため、複葉機は実際には同サイズの単葉機の2倍の揚力を得ることはできない。翼の間隔が広いほど干渉は少なくなるが、干渉を大幅に軽減するには、翼間支柱を長くし、翼間間隔を極めて大きくする必要がある。
第一次世界大戦末期にエンジンの出力と速度が向上するにつれ、本質的に抗力が低く翼面荷重が高い厚い片持ち翼が実用的になった。これにより、単葉機の構造上の問題を解決するのに役立ったため、単葉機の魅力が増したが、複葉機にはほとんど改善が見られなかった。
複葉機の標準的な設計では、翼は上下に一直線に並んでいます。上側の翼を下側の翼に対して前方に移動させることをポジティブスタッガー、または単にスタッガーと呼びます。これにより、両翼間の空力干渉効果をわずかに低減することで揚力を増加させ、抗力を低減できますが、多くの場合、操縦席へのアクセスを改善するために用いられました。多くの複葉機はスタッガー翼を採用しています。一般的な例としては、デ・ハビランド タイガーモス、ビュッカー Bü 131 ユングマン、トラベルエア 2000などがあります。
あるいは、下翼を上翼より前に移動させて、負のスタッガーと、同様の利点を得ることもできます。これは通常、構造上の理由、または視認性を向上させるために、特定の設計で行われます。負のスタッガーの例としては、ソッピース ドルフィン、ブレゲー 14、ビーチクラフト スタッガーウィングなどがあります。[ 4 ] [ 5 ]ただし、正の（前方）スタッガーの方がはるかに一般的です。
翼間支柱で囲まれた空間はベイ（建築様式で使われるのと同じようなもの）と呼ばれ、そのため、機体の両側の翼をつなぐ支柱が1組ずつある複葉機や三葉機は、シングルベイ複葉機と呼ばれる。これにより、第一次世界大戦時代のフォッカー D.VII戦闘機や第二次世界大戦時のデ・ハビランド タイガーモス基本練習機のような小型機に十分な強度が得られた。[ 6 ]
大型の2人乗りカーチスJN-4ジェニーは2ベイ複葉機で、長すぎるベイはたわみやすく破損する可能性があるため、追加のベイが必要です。SPAD S.XIII戦闘機は、2ベイ複葉機のように見えますが、ベイは1つしかなく、リギングの中間点が追加の支柱で補強されています。ただし、これらは構造的に上翼から下翼まで連続していません。[ 7 ]ソッピース1½ストラッターはW字型のキャビンを備えていますが、翼同士を接続していないため、ベイの数を増やすことはありません。[ 8 ]
大型の輸送用および爆撃用複葉機は、十分な強度を確保するためにさらに多くのベイを必要とすることが多かった。これらはしばしばマルチベイ複葉機と呼ばれる。ツェッペリン・リンダウ DIのような少数の複葉機は翼間支柱がなく、支柱なしと呼ばれる。[ 9 ]
ほとんどの複葉機は片持ち構造を持たないため、剛性を維持するためにリギングワイヤーが必要です。初期の航空機は単純なワイヤー（編組または平らなワイヤー）を使用していましたが、第一次世界大戦中に、英国王立航空機工場は強度を高め、抗力を減らすために、RAFwireと呼ばれる翼型断面のワイヤーを開発しました。複葉機の翼構造には4種類のワイヤーが使用されています。翼内部の抗力ワイヤーは、翼が胴体に向かって折り畳まれるのを防ぎ、翼ベイ内を前方の内側の角から後方の外側の角まで走っています。[ 10 ]抗力ワイヤーは、航空機が停止したときに翼が前方に動くのを防ぎ、抗力ワイヤーとは逆方向に走っています。[ 11 ]これらのワイヤーは通常両方とも翼内部に隠されており、構造が十分に剛性がある場合は、一部の設計では省略されることがあります。実際、多くの初期の航空機は、高速化と高負荷により不十分になるまで、翼の布張りにこの剛性を頼っていました。外部的には、揚力ワイヤーは翼が折り畳まれるのを防ぎ、外翼の下面から下翼の付け根まで伸びています。[ 12 ]一方、着陸ワイヤーは翼が垂れ下がるのを防ぎ、航空機が着陸する際の力に抵抗し、上翼の中央部から下翼の外側まで伸びています。[ 13 ]追加の抗力ワイヤーと抗抗ワイヤーは、胴体と翼をつなぐキャビン支柱と、上翼と下翼をつなぐ翼間支柱を補強するために使用されることがあります。
セスキプレーンは、片方の翼（通常は下側の翼）がもう一方の翼よりも著しく小さい複葉機の一種です。[ 14 ] [ 15 ]この言葉はラテン語で「1.5枚の翼」を意味します。この配置により、複葉機の構造上の利点を維持しながら、抗力と重量を減らすことができます。下側の翼は、翼幅が著しく短いか、翼弦が小さくなっている場合があります。[ 14 ]
例としては、1915年から1917年にかけて連合国空軍の中核を成したニューポール軍用機シリーズ（ニューポール10からニューポール27まで）が挙げられる。 [ 16 ]ニューポール複葉機の性能は非常に優れていたため、Idflieg（ドイツ飛行部隊監察局）は航空機メーカーにコピー機の製造を要請し、その取り組みは鹵獲した数機の航空機と詳細な図面によって助けられた。最も有名なコピー機の1つがジーメンス・シュッケルトDIである。[ 17 ]ニューポールの全体的なレイアウトをコピーしたアルバトロスD.IIIとDVも同様に、第一次世界大戦中のドイツ軍の中核を成した。[ 18 ]アルバトロス複葉機は、その機動性と高い上昇率で乗組員から広く称賛された。[ 19 ]
戦間期には、ニューポール・デラージュ NiD 42 / 52 / 62シリーズ、フォッカー C.Vd & e、ポテーズ 25など多数の機種が多数の空軍で使用され、セスキプレーンの構成は引き続き人気を博した。一般航空分野では、ワコ カスタム キャビン シリーズなどの航空機が比較的人気を博した。[ 20 ]サロウィンドホバーは上翼が下翼より小さいセスキプレーンで、これは逆の構成よりもはるかに珍しい構成だった。[ 21 ]プファルツD.IIIもやや珍しいセスキプレーンの配置を採用しており、2 本の桁を持つより頑丈な下翼を備え、単一桁のセスキプレーンで発生するフラッターの問題を解消した。[ 18 ]
翼機の積み重ねは、1843 年にジョージ・ケイリー卿によって提案されました。 [ 22 ]ハイラム・マキシムは、1894 年に蒸気動力の試験装置にこのアイデアを採用し、離陸はできたものの安全レールで固定されました。[ 23 ]オットー・リリエンタールは、1895 年に2 種類の複葉ハンググライダーを設計して飛行させましたが、[ 24 ]彼は単葉機でよりよく知られています。[ 25 ] 1896 年までに、オクターブ・シャヌートに率いられた米国の若者グループが複葉機を含むハンググライダーを飛行し、外部に支柱のある複葉機は単葉機よりも動力飛行の見込みが高いと結論付けました。1903 年に、ライトフライヤー複葉機が最初の成功した動力飛行機となりました。[ 26 ]
黎明期には複葉機と単葉機の両方が一般的でしたが、第一次世界大戦勃発までに、いくつかの単葉機の構造的欠陥によりRFCが「単葉機禁止令」を発令し、軍用単葉機がすべて地上待機となったため、複葉機が好まれるようになりました[ 27 ]。フランスもほとんどの単葉機を戦闘任務から外し、訓練用に回しました。航空作家のブルースなどの人物は、ブリストルM.1のような新設計の単葉機に対しても明らかな偏見があり、比較的高い性能特性を持つものでさえ「正統派」の複葉機を優先して見過ごされ、当時、単葉機は戦闘中に本質的に危険であるという広く信じられていた考えがあったと指摘しています[ 28 ] [ 29 ] 。
1914年から1925年の間に導入された新しい航空機の圧倒的多数は複葉機でしたが、第一次世界大戦の末期には、ドイツはフォッカー D.VIIIのような新世代の単葉機を実験しており、戦争が終結していなければ複葉機の優位性はもっと早く失われていたかもしれません。[ 30 ]フランスも支柱で支えられたパラソル型単葉機であるモラーヌ・ソルニエ AIを導入していましたが、構造上の問題が解決された後、この機種はすぐに高等練習機としての役割に追いやられました。[ 31 ]フランスのニューポール 17やドイツのアルバトロス D.IIIのような、下翼を短縮した複葉機であるセスキプレーンは、従来の複葉機よりも抗力が低く、単葉機よりも強度がありました。
戦間期には、多数の複葉旅客機が導入された。イギリスのデ・ハビランド・ドラゴンは特に成功した航空機で、ロンドン-パリ路線などの混雑路線で6人の乗客を運ぶことができるシンプルな設計だった。[ 32 ] 1934年8月初旬、トレイル・オブ・ザ・カリブーと名付けられたそのような航空機の1機が、カナダ本土とイギリスの間を30時間55分で初の無着陸飛行を行った。ただし、この長距離飛行の当初の目的地はイラクのバグダッドだった。[ 33 ] [ 34 ]ドラゴンは比較的成功を収めたにもかかわらず、より強力で優雅なデ・ハビランド・ドラゴン・ラピードに取って代わられ、イギリスでのドラゴンの生産はすぐに終了した。ドラゴン・ラピードは、ドラゴンの後継機としてより速く、より快適に設計されていた。[ 35 ]
エンジンの出力と速度が増加するにつれて、外部ブレースによる抗力増加が航空機の性能をますます制限するようになった。より速く飛ぶためには、外部ブレースを減らして空力的にクリーンな設計にする必要がありましたが、初期のカンチレバー設計は弱すぎたり重すぎたりしました。1917年のユンカース JI複葉機は、最小限の支柱で全ての飛行面に波形アルミニウムを使用しましたが、薄い金属の外皮は比較的簡単に損傷し、地上整備員による慎重な取り扱いが必要でした。 [ 36 ] 1918年のツェッペリン・リンダウ DI戦闘機は、全金属製の応力外皮モノコック完全カンチレバー複葉機でしたが、その登場は紛争での戦闘使用には遅すぎました。[ 9 ]
1930年代までに複葉機は性能の限界に達し、単葉機がますます主流になりつつあった。特に第一次世界大戦終結後から単葉機が普及し始めていたヨーロッパ大陸ではそうだった。第二次世界大戦の開始時には、いくつかの空軍はまだ複葉戦闘機を第一線で運用していたが、それらはもはや競争力がなく、ほとんどは終戦直後まで訓練や艦上運用などのニッチな役割で使用されていた。イギリスのグロスター・グラディエーター複葉機、イタリアのフィアットCR.42ファルコ、ソ連のI-153セスキプレーン戦闘機はすべて1939年以降も運用されていた。[ 37 ] [ 38 ]航空作家のジャンニ・カッタネオによると、CR.42は北イタリア全域の工業目標を攻撃していたRAF爆撃機に対する夜間防衛戦闘機として成功を収めることができた。[ 39 ] [ 40 ]
イギリス海軍航空隊は、航空母艦からフェアリー・ソードフィッシュ雷撃機を運用し、護衛空母の比較的コンパクトな甲板から運用できる能力のおかげで、終戦まで対潜水艦戦の役割でこの機種を使用した。その低い失速速度と本質的に頑丈な設計により、大西洋中部のしばしば厳しい気象条件下での作戦にも最適であった。[ 41 ]終戦までに、ソードフィッシュは他のどの連合軍機よりも多くの枢軸国の船舶を破壊したという栄誉を得た。[ 42 ]
ドイツのハインケル He 50とソ連のポリカルポフ Po-2は、第二次世界大戦を通して夜間地上攻撃の役割で比較的成功を収めて使用された。Po-2 の場合、戦争終結後も生産が続けられ、1952 年頃まで生産が終了しなかった。[ 43 ]朝鮮戦争中、朝鮮人民空軍は相当数の Po-2 を投入し、国連基地への夜間攻撃で大きな損害を与えた。[ 44 ] Po-2 は、記録に残るジェット機撃墜の功績を持つ唯一の複葉機でもある。ロッキード F-94 スターファイア1 機が、低空飛行する Po-2 を迎撃するために失速速度以下の161 km/h (100 mph)まで減速した際に撃墜された。 [ 45 ]
後期の複葉練習機には、イギリス空軍(RAF)、カナダ空軍(RCAF)などで使用されたデ・ハビランド タイガーモスや、戦後にフランス空軍とベルギー空軍で使用されたスタンペ SV.4などがある。ステアマン PT-13 はアメリカ陸軍航空隊(USAAF)で広く使用され、アメリカ海軍は海軍航空機工場 N3N を運用していた。アメリカでの後の民間利用では、ステアマンは特にウィングウォーキングなどの曲芸飛行や農薬散布と結びつき、そのコンパクトさは障害物を避ける必要のある低空飛行で有利に働いた。
現代の複葉機は、曲技飛行や農業用航空機といった特殊な用途で今もなお存在しており、曲技飛行競技における複葉機の役割と形式は、1930年代半ばにUdet U 12 FlamingoとWaco Taperwingによって明確に確立された。Pitts Specialは第二次世界大戦後長年にわたり曲技飛行を席巻し、現在も生産が続けられている。
複葉機の設計の大部分はレシプロエンジンを搭載している。例外として、アントノフ An-3とWSK-ミエレツ M-15 ベルフェゴールはそれぞれターボプロップエンジンとターボファンエンジンを搭載している。グラマン Ag Catのような古い複葉機の中には、ターボプロップエンジンを搭載した改良型が存在するものもある。
最も多く生産された複葉機は、1913年にイギリスで開発されたアブロ504（ 11,303機製造）と、1928年にソ連で開発されたポリカルポフPo-2（20,000機以上製造）の2機種である。Po-2はアブロ504のソ連版の直接の後継機として開発された。どちらも練習機として広く使用された。アントノフAn-2も非常に成功し、18,000機以上が製造された。
ほとんどの超軽量機は単葉機だが、低速でシンプルな構造であることから、ラリー・マウロのイージーライザー（1975年～）のような複葉の超軽量機も少数ながら開発されている。マウロは、ソーラーセルで電動モーターを駆動するソーラーライザーというバージョンも製作した。マウロのイージーライザーは、「ファーザー・グース」ことビル・リシュマンが使用した。[ 46 ]
その他の複葉超軽量機には、ベルギー設計のAviasud Mistral、ドイツ製のFK12 Comet（1997年～）、Lite Flyer Biplane、[ 47 ] [ 48 ] Sherwood Ranger、Murphy Renegadeなどがある。
羽毛恐竜ミクロラプトル・ギは、おそらく千鳥配置の複葉機のような4枚の翼で滑空し、おそらく飛行もしていた。これは、前肢と後肢の両方に飛翔羽が存在し、前肢の羽がより大きく開くことによって可能になった。後肢は横に開くことはできず、飛行中は前肢の下方やや後方に垂れ下がっていたと考えられている。[ 49 ]