Kenmerken Vliegtuigen WWI

door

Hans Appel

1/16 © Hans Appel, 13-07-19

Eigenschappen van een jachtvliegtuigHet primaire doel van een jachtvliegtuig is het vernietigen van een ander vliegtuig.Dit moet zowel in een aanvallende als op een verdedigende manier worden uitgevoerd.

Die vijandelijke vliegtuigen kunnen jachtvliegtuigen zijn, maar ook bommenwerpers, patrouille-, verkennings- en transportvliegtuigen, of vliegtuigen die specifiek zijn ontworpen voor het aanvallen van gronddoelen.

Om in een goede positie te komen voor het uitvoeren van zijn aanvallende taken moet de jachtvlieger zijn prooi goed kunnen waarnemen. In de eerste Wereld Oorlog was dat altijd visueel, optisch. Vandaar dat bij het ontwerpen van een jager een maximaal uitzicht van de vlieger boven aan het wensenlijstje voor het ontwerp stond.

Naast een goed uitzicht, zijn de vliegprestaties en de manoeuvreerbaarheid, plus het hebben van een stabiel geschutplatform een noodzaak. En dit alles weer gekoppeld aan voldoende krachtige vuurwapens om de vijand te vernietigen,

Voor wat betreft de vliegprestaties en de manoeuvreerbaarheid zijn de volgende parameters van belang:

• de juiste snelheid onder verschillende vliegcondities, • stijgsnelheid, • hoogte van het plafond, • rolsnelheid, • draaicirkel, • klimsnelheid tijdens het draaien van een bocht, • en reikwijdte.

De Fokker Eindecker serieDe Fokker Eindecker was niet bijzonder goed manoeuvreerbaar of erg snel, maar hij had als voordeel de aanwezigheid van een machinegeweer dat door de draaicirkel propeller kon schieten. Het machinegeweer was vast opgesteld en werd gericht door het hele vliegtuig te richten op de vijand. Deze Fokker kwam in de zomer van 1915 beschikbaar.

De Fokker E-I, E-II en E-III hadden slechts één machinegeweer, de E-IV had er twee en bovendien was dit vliegtuig groter en had meer vermogen ter beschikking dan de anderen. De E-I, E-II en E-III zien er uit als een breekbare ééndekker met veel spandraden waarvan er veel samenkomen aan een rek boven de vleugel.

De vleugel is opmerkelijk dun, zoals bij veel ontwerpen in de eerste oorlogsjaren. Men veronderstelde dat dikkere vleugels erg veel luchtweerstand zouden opleveren. Met de kennis van later, een totaal verkeerd uitgangspunt. Maar in die jaren was de verhouding van vleugeldikte tot vleugel koorde 4% tot 6%. Later pasten de Duitsers met veel succes dikkere vleugels toe!

2/16 © Hans Appel, 13-07-19

Het besturingsmechanisme van de Eindeckers was, zelfs voor 1914, erg “ouderwets”.Men liet het vliegtuig rollen (lateral control) door het scheluw trekken van de vleugels (wing warping) toe te passen. De horizontale en verticale delen van de staart bestond uit één geheel.

Frank Tallman, de schrijver van het boek “Flying the Old Planes” beschrijft het vliegen met de Fokker Eindeckers als volgt: Gedurende de hele vlucht heb je het gevoel dat, wanneer je de handen om stick loslaat of je voeten van het roerbesturing afhaalt, de Eindecker onmiddellijk wil gaat rollen of een duik neemt. Terwijl alle bewegende delen constant trillen en trekken moet de piloot continue handen en voeten gebruiken om de boel in bedwang te houden.

Bij moderne begrippen zouden we zeggen dat het vliegtuig onplezierig is om mee te vliegen en niet stabiel is. Heden ten dage zou zo’n vliegtuig geen goedkeuring van luchtwaardigheid krijgen.

De constructie van de romp was van chroom-molybdeen buizen. Romp en vleugels werden bekleed met stof en met speciale lak bewerkt om de stof strak te trekken en tegen de weersomstandigheden te beschermen. Er werd gebruik gemaakt van rotatiemotoren. Bij de E-III bijvoorbeeld een Oberursel die 100pk leverde. Om de centrifugaal krachten binnen de perken te houden werden relatief lage toerentallen gebruikt van zo’n 1200 tot 1400 toeren per minuut. Daarom werden vierbladige propellers van een grote diameter toegepast.

3/16 © Hans Appel, 13-07-19

De De Havilland DH-2De Britten hadden niet de beschikking over een gesynchroniseerd machinegeweer.Om dit probleem op te lossen bedachten de zij een constructie waarbij de motor en dus ook de propeller, achter de piloot werden geplaatst. Het vliegtuig werd dus uitgerust met een duwschroef (pusher).Op die manier kreeg men een vrij schootsveld aan de voorzijde van het vliegtuig. De De Havilland DH-2 is een mooi voorbeeld van die Britse constructie.

Het vliegtuig was een dubbeldekker, het had erg dunne niet taps toelopende vleugels, voorzien van twee door stutten afgebakende vakken. Er was een kleine gondel (nacelle), die was opgenomen in de onderste vleugel. Het toestel was, zoals eerder aangegeven, voorzien van een rotatie duwmotor met een vierbladige propeller.Zowel de bovenste als onderste vleugel waren voorzien van rolroeren (ailerons). Overigens was de besturing van het toestel erg gevoelig, het had de neiging om in een spin te geraken. Het toestel kon sneller klimmen dan de Fokker E-serie en het vloog, ondanks de gevoelige besturing, toch stabieler dan de Fokker E-serie toestellen.

De Nieuport 17De Nieuport 17 was een uitstekende dubbeldekker, waar de “aces” van die tijd veel overwinningen mee behaalden.

Toen de Nieuport 17 op het strijdtoneel verscheen had men nog geen gesynchroniseerd machinegeweer ter beschikking. Vandaar dat er een Lewis Machine Gun op de bovenste vleugel werd geplaatst, zodat over de propeller heen kon worden geschoten. Later gebouwde toestellen hadden een gesynchroniseerd machinegeweer ter beschikking.

De Nieuport 17 is een “sesquiplane”, een anderhalfdekker, waarbij de koorde (dwarsdoorsnede) van de onderste vleugel veel kleiner is dan de bovenste vleugel. Daardoor is maar één stut nodig die bovendien ook nog een “V”-vorm heeft. Dit maakt dat de vlieger een prima uitzicht naar beneden heeft.

4/16 © Hans Appel, 13-07-19

De eerste Nieuport jachtvliegtuigen hadden wat structurele problemen met de onderste vleugel die bij hoge snelheden (dus bijvoorbeeld in een duikvlucht) de neiging had tot torderen. Verder liet bij een duik met hoge snelheid de bekleding van de bovenste vleugel los. Deze problemen werden echter snel opgelost.

Dit vliegtuig werd tot ver in 1917 met veel succes ingezet.

Albatros jachtvliegtuigenAlbatros is een grote naam op gebied van vliegtuigbouw gedurende de Eerste Wereldoorlog. De Albatros D-III en D-V met hun varianten waren geweldig succesvollejachtvliegtuigen. Deze Albatros toestellen waren er in April 1917 door hun overwicht op de geallieerde vliegtuigen de oorzaak van dat deze maand als “Bloody April” de geschiedenis in ging.Manfred von Richthofen behaalde de meeste van zijn overwinningen in Albatros jagers.

De Albatros D-III toestellen waren tweedekkers voorzien van “V”-vormige metalen stutten (net zo als we bij de Nieuport zagen). De onderste vleugel vertoonde bij duiken met hoge snelheid structurele problemen. De bovenste vleugel was voorzien van rolroeren.

De Albatros D-III was voorzien van een rudimentaire vorm van “trim” systeem. Om op een bepaalde hoogte te blijven zonder dat constant aan de stuurknuppel getrokken of geduwd hoefde te worden, was er een “glijdende kraag” constructie rond de stuurknuppel gemaakt met een buis die verankert was met de bodemplaat van de cockpit. De piloot kon een en ander vastzetten waardoor hij de handen vrij kreeg om bijvoorbeeld een vastgelopen machinegeweer te deblokkeren.

Het vermogen werd gehaald uit een zescilinder 160 pk Mercedes motor. Op de bovenste vleugel bevond zich een aerodynamisch gevormde koelradiator. Het vliegtuig was voorzien van twee gesynchroniseerde machinegeweren.

5/16 © Hans Appel, 13-07-19

De romp was uitgevoerd als een schaalconstructie (monocoque). De buitenste schaal was gemaakt van multiplex die in vorm werd gehouden door dwarsbalken (spanten). Om in de lengte meer stabiliteit te krijgen werden over de lengte een aantal extra spanten aangebracht, vandaar dat bij de Albatros D-III gesproken wordt van een “semi-monocoque” constructie.

Fokker Dr-IDe Fokker Dr-I was een driedekker waarvan alle drie de vleugels zelfdragend waren (cantilever). Dat wil zeggen, de vleugels werden wel geschoord maar dat werd binnen in de vleugel gedaan. Tussen de vleugels stonden stutten maar dat was omdat de piloten zich dan veiliger voelden maar die stutten waren structureel niet nodig.

De vleugels van de Fokker Dr-I waren erg dik vergeleken met de dunne vleugels die indie tijd gebruikelijk waren. Men begreep aanvankelijk niet dat dikke vleugels met meerprofiel ook meer lift kunnen genereren dan hun dunne tegenhangers.

6/16 © Hans Appel, 13-07-19

Op de Universiteit van Göttingen werd onderzoek gedaan naar de invloed van vleugeldikte en Fokker paste als eerste de zo geheten Göttingen 298 vleugel als draagvlak toe in zijn ontwerp voor voor de Dr-I

Verder werden de vleugels voorzien van “hoorns” (horn-balanced aileron) (olifanten oren).

Dit werd gedaan om de scharniermomenten van de rolroeren te verminderen zodatde piloot minder kracht op de stick hoefde te gebruiken om de rolbeweging in te zetten.

De Dr-I had het laagste zero-lift drag coëfficiënt (0.0323) van alle jachtvliegtuigen uit de Eerste Wereldoorlog. Deze waarde was voornamelijk te danken aan de relatief kleine vleugeloppervlakte van de Dr-I. Daarnaast had het ontbreken van stutten en spankabels natuurlijk ook grote invloed op deze waarde. En ten slotte was daar dan het “dikke” vleugelprofiel dat werd gebruikt.(De uitleg van de zero-lift drag coëfficiënt vindt u aan het eind van dit document)

De snelheid van de Dr-I was met 166 km/h zeker niet indrukwekkend, in vergelijking met andere vliegtuigen uit die tijd, maar de Dr-I beschikte over een uitstekend klimvermogen en een voortreffelijke manoeuvreerbaarheid.

De Sopwith CamelDe Sopwith Camel werd ontwikkeld vanuit het Sopwith Pup concept. Het was de eerste Engelse jager met twee naar voren vurende, gesynchroniseerde, machinegeweren. De stroomlijnkappen over deze beide machinegeweren lieten twee “bulten” zien, vandaar de naam “Camel”.

Wat opvalt bij de Sopwith Camel is de platte bovenste vleugel. Daar lagen geen aerodynamische principes aan ten grondslag, maar werd alleen gedicteerd door de behoefte een zo eenvoudig mogelijke productie mogelijk te maken! De grote V-stellingshoek die de onderste vleugel maakte, was als compensatie voor de platte bovenste vleugel bedoeld.

Er werden voor het eerst “gestroomlijnde” spandraden gebruikt, die waren ontworpen door de Royal Aircraft Factory in Farnborough. Het voordeel van deze spandraden boven de ronde draden was wel een factor 10 in het verminderen van luchtweerstand!De prima manoeuvreerbaarheid, beweeglijkheid, van de Sopwith Camel had te maken met een goede load & balance. De voornaamste gewichten zoals piloot, motor, machinegeweren en brandstof werden op één plek geconcentreerd. Het gevolg was wel dat de positie van de piloot niet te benijden was. Zijn voeten bevonden zich onder het achterste deel van de motor, zijn benen zaten onder de machinegeweren en de brandstoftank bevond zich direct achter zijn rug. Dus bij een ongeluk stonden de overlevingskansen van de piloot zwaar onder druk.

7/16 © Hans Appel, 13-07-19

De Sopwith Camel was een geweldig wapen in de handen van een bekwame piloot. Het toestel had opmerkelijke besturingseigenschappen. De combinatie van de aerodynamische eigenschappen van het vliegtuig, samen met het draaimoment (torsiekoppel) en de gyroscopische eigenschappen van de zware rotatiemotor, zorgde er voor dat het vliegtuig enorm wendbaar was.

Maar deze zaken waren tevens de oorzaak van een aantal eigenaardige, karakteristieke bedieningskenmerken.

De vreemde manier waarop in de linker en rechter bochten de bedieningsorganen moeten worden behandeld, was de oorzaak van veel ongelukken. Bij een linker bocht werd de neus van het vliegtuig omhoog gedwongen (door het gyroscopisch koppel van de motor), terwijl bij een rechter bocht de neus naar beneden werd gestuurd. Met als gevolg dat bij een scherpe bocht naar links, naast het bewegen van de stick naar links tevens een grote hoeveelheid links voetstuur (rudder) nodig was en een matige back stick moest worden gegeven. Gaf men teveel back stick dan werd het vliegtuig onmiddellijk overtrokken en ging hetspinnen (tolvlucht of vrille).

Bij een rechter bocht werd de stick naar rechts bewogen en diende een matige hoeveelheid links roer te worden gegeven, terwijl een de stick volledig naar achter diende te worden getrokken. Het mag duidelijk zijn dat een onervaren piloot snel verward kon raken bij deze eigenaardige bedieningseigenschappen. Vandaar dat de Sopwith Camel het meest gehate en tevens het meest geliefde toestel van de Eerste Wereldoorlog wordt genoemd.

8/16 © Hans Appel, 13-07-19

SPAD XIIISPAD is een acroniem voor het Franse bedrijf: Societé pour Aviation et les Derieves, dat werd geleid door Louis Blériot.

De SPAD XIII was een wat “gedrongen” maar elegant vliegtuig dat onder andere werd gevlogen door de Amerikanen die in de Eerste Wereldoorlog werden ingezet (Waaronder de Amerikaanse ace Captain Edward V. (Eddy) Rickenbacker).

In de bovenste vleugel was een uitsparing gemaakt zodat de piloot een erg goed uitzicht naar boven had. Het ontwerp was een double bay-airplane. De cockpit was zo direct achter de motor geplaatst, dat de piloot zijn voeten en onderbenen in een soort aluminium pijpen onder de motor zaten. Het landingsgestel zat ver voor het zwaartepunt van het vliegtuig. Dit was om neuslandingen te voorkomen. De rolroeren van het vliegtuig waren op de bovenste vleugel aangebracht.

De SPAD XIII is ook goed te herkennen door een typisch ronde radiator die voor de Hispano-Suiza V8 motor was aangebracht en waarvan de “rolluiken” (shutters) door de piloot handmatig konden worden bediend. Verder waren er aan iedere zijde van de romp lange uitlaatpijpen aangebracht. De vliegers maakten gebruik van die uitlaten door tijdens de vlucht die uitlaten met hun dikke handschoenen vast te pakken om hun koude handen op te warmen.

De SPAD XIII was het snelste en tevens stevigste vliegtuig van zijn tijd. In een steile duikvlucht die voor langere tijd werd volgehouden, deden zich geen problemen van de mechanische structuur van het vliegtuig voor, dat was best bijzonder voor die tijd.

9/16 © Hans Appel, 13-07-19

Fokker D-VIIDe Fokker D-VII zag er uit als een wat hoekig vliegtuig met een inline motor die was voorzien van een radiator in de neus. Fokker gebruikte een voor die tijd geavanceerde technologie met betrekking tot de vleugels. Het waren zelfdragende, dikke vleugels die binnen in de vleugel werden geschoord. De dikke vleugels waren verantwoordelijk voor veel van de uitmuntende vliegeigenschappen van dit vliegtuig.

De rolroeren waren van het horn-balanced type (olifanten-oren), het stabilo en rudderwerden ook zo uitgevoerd. Ondanks het feit dat de prestaties niet uitzonderlijk waren, waren de vliegeigen-schappen uitmuntend. Het vliegtuig reageerde snel en nauwkeurig. De bediening vande besturing was licht. Er waren geen “vreemde” eigenschappen, waar tijdens het besturen rekening mee moet worden gehouden, zoals bij de Sopwith Camel,.

De Fokker D-VII is het enige vliegtuig dat in de wapenstilstandsverklaring met name wordt genoemd. Wat wel iets zegt over de voortreffelijke kwaliteiten van dit vliegtuig.

10/16 © Hans Appel, 13-07-19

De Sopwith DolphinEen erg mooi voorbeeld van het geëxperimenteer met vliegtuigen tijdens de eerste Wereldoorlog is de Sopwith Dolphin. Als je dit ontwerp goed bekijkt zie je onmiddellijk dat het geen doorsnee tweedekker vliegtuig is.

Het eerste wat opvalt is dat de bovenste vleugel achter de onderste vleugel staat. We noemen het dat de vleugels een “negative stagger” hebben (een tegengesteldezigzag opstelling). Dit werd gedaan om de piloot een geheel vrij uitzicht te geven.

Verder zat de piloot onmiddellijk achter de Hispano-Suiza motor met zijn voeten op hetvoetenstuur, direct onder de krukas van de motor. De brandstoftank bevond zich direct achter de vlieger. Het hoofd van de vlieger stak door een opening in de bovenste vleugel, boven het vliegtuig uit. De vliegers maakten gebruik van die uitlaten door tijdens de vlucht die uitlaten met hundikke handschoenen vast te pakken om hun koude handen op te warmen. Immers bij iedere 1.000 voet hoogte winst neemt de temperatuur met 2ºC af. Dus op zo’n 15.000 voet, waar in het algemeen de luchtgevechten plaatsvonden, was dat een verschil van -30ºC met de grondtemperatuur.

Alles bij elkaar had de vlieger een weinig benijdenswaardige positie. Wanneer het toestel een “neuslanding” zou maken (wat in die tijd zeker regelmatig voorkwam), dan moet hij snel het hoofd intrekken want anders steunde het hele gewicht van het vliegtuig op de ongelukkige. Was dat gelukt dan was het een wirwar van spandraden en stutten en een brandstof tank die ieder ogenblik kon ontploffen.

11/16 © Hans Appel, 13-07-19

Terugkeer van de ééndekkerTegen het einde van de eerste Wereldoorlog, in juni 1918, schreef de Duitse luchtmacht een competitie uit voor het verkrijgen van een ééndekker jachtvliegtuig. Fokker scoorde met de Fokker D-VIII een contract voor 400 toestellen terwijl Junkers zijn J-1 mocht bouwen, een geheel metalen vliegtuig.

Fokker D-VIIIDe Fokker D-VIII was een parasol configuratie. Kenmerkend voor deze configuratie is dat de vleugel boven de vlieger is geconstrueerd zodat een vrij uitzicht naar de grond ontstaat. Nadeel van deze configuratie zijn de benodigde spantoren stutten (verstijvingsbalken) die nodig zijn en veel aerodynamische weerstand produceren.

De vleugel is relatief dik zodat de schoren voor de versteviging in de vleugel zijn opgenomen. De vleugel liep taps toe en was helemaal van multiplex gemaakt. Dit soort vleugel werd in de jaren na de oorlog op vele door Fokker geproduceerde vliegtuigen toegepast.

De romp was van metalen buizen gemaakt die met stof werden bekleed. De motor was van een Oberursel rotatiemotor van slechts 110 pk. Overigens waren de vliegeigenschappen van een erg goede kwaliteit. Het klimvermogen was fenomenaal voor die tijd en werd bereikt door het toepassen van de “dikke”, taps toelopende vleugel.

Bij de eerste 20 geleverde toestellen bemoeide de Duitse luchtmacht zich met de manier van schoren van de vleugel. Ze wilden dat “oude” methodes zouden worden toegepast, zoals die bij traditionele vleugels werden gebruikt. Met als gevolg dat door torsie de vleugels afbraken. Toen Fokker de oorspronkelijk ontworpen methode mocht gaan gebruiken was dit probleem opgelost.

12/16 © Hans Appel, 13-07-19

Junkers J-1 en D-1De Junkers J-1 dubbeldekker en de D-1 ééndekker waren een erg modern ontwerp met dikke, volledig zelfdragende vleugels. Bij de D-1 ééndekker waren de vleugels onder aan de romp bevestigd (laagdekker). De vleugels liepen taps toe, van voor naar achter met 17%, van romp naar de tip met 12%.

Meest opvallend aan deze vliegtuigen is dat ze geheel uit metaal bestaan. Er werden gegolfde, geklonken, uit een aluminium legering bestaande, metalen platen gebruikt. De duurzaamheid van de metalen constructie was een enorme vooruitgang boven de met stof bekleedde vliegtuigen.

De stoffen bekleding degenereerde snel onder de invloed van het weer, de zon en deluchtdrukverschillen. Ook het toegepaste hout ontkwam niet aan rot en het loslaten van de houtlagen waaruit het multiplex bestond.

De Junkers J-1 dubbeldekker was standaard uitgerust met een fotocamera en radiozender. Deze vliegtuigen werden in eerste instantie gepantserd met 5 mm stalen platen, maar tijdens de productie werd de dikte terug gebracht naar 3,5 mm.Dit was nodig om het gewicht van het toestel te beperken.

13/16 © Hans Appel, 13-07-19

De baanlengte, nodig om te starten, was veel groter dan bij de vliegtuigen van hout en stoffen bekleding. En aangezien aan het front niet voldoende grote vliegvelden waren, werd deze concessie gedaan.

Overigens waren de piloten blij met de aanwezige bepantsering. De J-1 werd tactisch gebruikt voor het ondersteunen van de infanterie (de PBI, Poor Bloody Infantry) en het aanvallen van gronddoelen. Er kwamen vliegers terug van hun missie met tientallen treffers van grondvuur, maar de J-1 leek wel onverwoestbaar.

Een overigens saillant detail is de stoel van de vlieger. Op het eerste gezicht ziet die er comfortabel uit, zelfs voorzien van armsteunen. Maar deze stoel was de hoofd-brandstoftank van 120 liter. Daarnaast zat in de stoel een soort van gleuf waardoor de bediening van het hoogteroer liep!

14/16 © Hans Appel, 13-07-19

Bijlagen

Stijgsnelheid van verschillende vliegtuigen uit de eerste WereldoorlogVerticaal de hoogte en horizontaal de benodigde tijd in minuten.

Benodigde tijd in minuten ---------→

Te zien is dat de Fokker E-III ca. een half uur nodig had om op 10.000 Ft te komen en de Fokker D-VIII in minder dan 20 minuten naar 20.000 ft klom.En dat schetst onder andere de vooruitgang van het vliegtuig in 3 à 4 jaar.

15/16 © Hans Appel, 13-07-19

Zero-lift drag coëfficiënt

CD,0 = CD - CD,i

CD,0 = zero-lift drag coefficient

CD = totale drag coefficient voor een combinatie van vermogen, snelheid en hoogte

CD,i = geïnduceerd drag coefficient met gelijke vlucht condities als totale drag coefficient

Het zero-lift drag coefficient is een dimensieloos getal wat bij ieder vliegtuig verschilt. Hoe kleiner dit getal is, des te “aerodynamisch schoner” is het vliegtuig. Voor het Fokker E-III jacht vliegtuig was dit getal 0.0771

Drag area fDe “drag area f” is het product van CD,0 (zero-lift dag coefficient) en de oppervlakte van de vleugel. Dit getal is interessant omdat het de verhouding aangeeft tussen het zero drag coefficient en een plaat die dezelfde parameters heeft. De ideale verhouding is 1.0 Voor het Fokker E-III jacht vliegtuig was dit getal 12.61

Maximum lift-drag ratio (L/D)maxDe waarde van de maximum lift-drag ratio (L/D)max is de aerodynamische efficiëntie bij kruissnelheid. De hoeveelheid vermogen die nodig iso een gegeven massa in de lucht te houden en is evenredig met het aantal miles per pound van brandstof bij een specifiek aandrijving systeem en vliegtuiggewicht. Hoe hoger het (L/D)max getal, hoehoger de efficiëntie bij kruissnelheid.

16/16 © Hans Appel, 13-07-19