เครื่องบินสามพื้นผิวหรือบางครั้งเรียกว่าเครื่องบินสามพื้นผิวสร้างแรงยกประกอบด้วยปีกหน้า ปีกกลางและปีกท้าย ปีกกลางมีหน้าที่สร้างแรงยกเสมอและมักจะมีขนาดใหญ่ที่สุด ในขณะที่หน้าที่ของปีกหน้าและปีกท้ายอาจแตกต่างกันไปตามประเภทของเครื่องบิน และอาจรวมถึงการสร้างแรงยก การควบคุม และ/หรือการทรงตัว

ในเครื่องบินพลเรือน การจัดเรียงปีกแบบสามพื้นผิวอาจใช้เพื่อให้มี ลักษณะ การร่วงหล่น ที่ปลอดภัย และประสิทธิภาพการขึ้นลงในระยะสั้น (STOL) นอกจากนี้ยังมีการอ้างว่าช่วยลดพื้นที่ผิวปีกโดยรวม ลดแรงต้านผิวที่เกิดขึ้นด้วย ในเครื่องบินรบ การจัดเรียงปีกแบบนี้อาจใช้เพื่อเพิ่มความคล่องตัวทั้งก่อนและหลังการร่วงหล่น โดยมักใช้ร่วมกับแรงขับแบบปรับทิศทางได้

การกำหนดชื่อในยุคแรกที่ใช้ในปี พ.ศ. 2454 คือ "ระบบสามระนาบ" ^{[ 1 ]}การออกแบบของ Fernic ในช่วงทศวรรษ พ.ศ. 2463 ถูกเรียกว่า "แบบเรียงต่อกัน" แม้ว่าจะมีพื้นผิวปีกยกสองพื้นผิวในแบบเรียงต่อกัน แต่แพนหางก็ทำหน้าที่เป็นพื้นผิวแนวนอนที่สาม

ในช่วงปีบุกเบิกของการบิน มีเครื่องบินหลายลำที่บินโดยใช้พื้นผิวเสริมทั้งด้านหน้าและด้านหลัง ปัญหาเรื่องการควบคุมเทียบกับเสถียรภาพยังไม่เป็นที่เข้าใจดีนัก และโดยทั่วไปการควบคุมการขึ้นลงจะอยู่บนพื้นผิวด้านหน้า โดยพื้นผิวด้านหลังก็ช่วยยกตัวขึ้นด้วย ทำให้เกิดความไม่เสถียรในการขึ้นลง เครื่องบินKress Drachenfliegerในปี 1901 และเครื่องบินสามปีก Dufauxในปี 1908 มีกำลังไม่เพียงพอที่จะบินขึ้นได้ เครื่องบินที่ประสบความสำเร็จมากกว่า ได้แก่Voisin-Farman I (1907) และCurtiss No. 1 (1909) พี่น้องไรท์เองก็ทดลองกับการออกแบบ Flyer พื้นฐานเพื่อพยายามให้ได้ทั้งการควบคุมและเสถียรภาพ โดยบินในรูปแบบต่างๆ กัน ทั้งแบบปีกหน้า (canard) แบบสามพื้นผิว และแบบทั่วไป^{[ 2 ] [ 3 ]}เมื่อเกิดสงครามโลกครั้งที่หนึ่งในปี 1914 ปีกหลักที่มีพื้นผิวหางด้านหลังขนาดเล็กกว่าได้กลายเป็นแบบมาตรฐาน และเครื่องบินแบบสามพื้นผิวก็แทบจะไม่ถูกใช้งานอีกเลยเป็นเวลาหลายปี เครื่องบินFokker V.8ปี 1917 และCaproni Ca.60 Noviplano ปี 1921 ต่างก็ล้มเหลวทั้งคู่

ในช่วงทศวรรษ 1920 จอร์จ เฟอร์นิค ได้พัฒนาแนวคิดเกี่ยวกับพื้นผิวรับแรงยกสองชิ้นที่เรียงต่อกัน พร้อมกับแพนหางแบบดั้งเดิม แพนหางขนาดเล็กรับน้ำหนักได้มาก และเมื่อมุมปะทะเพิ่มขึ้น มันถูกออกแบบมาให้เกิดการเสียการทรงตัวก่อน ทำให้จมูกเครื่องบินตก และช่วยให้เครื่องบินสามารถฟื้นตัวได้อย่างปลอดภัยโดยไม่เกิดการเสียการทรงตัวของปีกหลัก การเสียการทรงตัวแบบ "อ่อน" นี้ให้ความปลอดภัยในระดับหนึ่งเมื่อเกิดการเสียการทรงตัว ซึ่งโดยปกติแล้วจะไม่มีในแบบแผนดั้งเดิม เครื่องบินFernic T-9ซึ่งเป็นเครื่องบินปีกเดียวแบบสามพื้นผิว บินครั้งแรกในปี 1929 เฟอร์นิคเสียชีวิตจากอุบัติเหตุขณะบินเครื่องบินรุ่นต่อมาคือ FT-10 Cruisaire ^{[ 4 ]}

การทำให้เกิดอาการเสียการทรงตัวอย่างนุ่มนวลได้ด้วยการออกแบบ ปีกหน้าแบบบริสุทธิ์นั้นเป็นไปได้แต่การควบคุมการเอียงขึ้นลงจะทำได้ยาก และอาจเกิดการสั่นสะเทือนขึ้นได้ เนื่องจากปีกหน้าจะยกส่วนหัวขึ้นซ้ำๆ ทำให้เกิดอาการเสียการทรงตัวและกลับสู่สภาวะปกติ นอกจากนี้ ในการออกแบบต้องระมัดระวังไม่ให้กระแสลมปั่นป่วนจากปีกหน้าที่เสียการทรงตัวรบกวนการไหลของอากาศเหนือปีกหลักมากพอที่จะทำให้สูญเสียแรงยกอย่างมีนัยสำคัญและหักล้างโมเมนต์การเอียง ลงของส่วน หัว ในการออกแบบแบบสามพื้นผิว พื้นผิวที่สามคือพื้นผิวหางจะไม่เกิดอาการเสียการทรงตัวและให้การควบคุมที่ดีกว่า

ในช่วงทศวรรษ 1950 เจมส์ โรเบิร์ตสันได้พัฒนาเครื่องบิน Skyshark รุ่นทดลองของเขา นี่เป็นการออกแบบที่ค่อนข้างธรรมดา แต่มีคุณสมบัติหลายอย่าง รวมถึงปีกหน้าขนาดเล็กที่ออกแบบมาเพื่อให้ไม่เพียงแต่การร่วงหล่นที่ปลอดภัย แต่ยังรวมถึง ประสิทธิภาพ การขึ้นลงในระยะสั้น (STOL) ที่ดีด้วย ปีกหน้าช่วยให้สามารถบรรลุประสิทธิภาพ STOL ได้โดยไม่ต้องใช้มุมปะทะสูงและอันตรายจากการร่วงหล่นที่ตามมาซึ่งจำเป็นสำหรับการออกแบบ STOL แบบดั้งเดิม เครื่องบินได้รับการประเมินโดยกองทัพสหรัฐฯ^{[ 5 ]}ระบบของโรเบิร์ตสันได้รับการพัฒนาเชิงพาณิชย์ในชื่อWren 460ซึ่งเป็นเครื่องบินเบา Cessna ที่ได้รับการดัดแปลง ต่อมาเครื่องบินนี้ได้รับการอนุญาตให้ผลิตในช่วงทศวรรษ 1980 ในชื่อPeterson 260SEและมีการดัดแปลงเฉพาะปีกหน้าในชื่อ 230SE ในปี 2006 รุ่นที่ทนทานกว่าคือPeterson Katmaiได้เข้าสู่สายการผลิต แนวทางที่คล้ายคลึงกันนี้ถูกนำมาใช้โดย Eagle-XTS ในปี 1988 ^{[ 6 ]}และรุ่นต่างๆ ของมัน เช่นEagle 150 series

ประมาณปี 1979 นักออกแบบเครื่องบินรบเริ่มศึกษาการออกแบบปีกสามด้านเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการบังคับเลี้ยวและการควบคุม โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่ความเร็วต่ำและมุมปะทะสูง เช่น ระหว่างการขึ้นบินและการต่อสู้^{[ 7 ]}ในสหรัฐอเมริกา เครื่องบินทดลองGrumman X-29บินได้ในปี 1984 และ เครื่องบิน McDonnell Douglas F-15 ที่ได้รับการดัดแปลง คือ F-15 STOL/MTD บินได้ในปี 1988 แต่การออกแบบเหล่านี้ไม่ได้ถูกนำไปพัฒนาต่อ ในสหภาพโซเวียต เครื่องบิน Sukhoi Su-27 ที่ได้รับการดัดแปลงด้วยปีกหน้าแบบแคนาร์ดบินได้ในปี 1985 [ 8 ^{]และเครื่องบิน}ที่พัฒนาต่อยอดจากการออกแบบนี้กลายเป็นเครื่องบินรบแบบปีกสามด้านเพียงประเภทเดียวที่เข้าสู่สายการผลิต

นอกจากนี้ ในปี 1979 Piaggioได้เริ่มศึกษาการออกแบบเครื่องบินโดยสารแบบสองเครื่องยนต์เทอร์โบพร็อปสามพื้นผิว ซึ่งเมื่อร่วมมือกับLearjetก็ได้พัฒนาเป็นPiaggio P.180 Avantiเครื่องบินรุ่นนี้บินครั้งแรกในปี 1986 และเริ่มให้บริการในปี 1990 โดยยังคงผลิตต่อเนื่องมาจนถึงปัจจุบัน ใน Avanti มีการอ้างว่าการกำหนดค่าสามพื้นผิวช่วยลดขนาดปีก น้ำหนัก และแรงต้านได้อย่างมากเมื่อเทียบกับแบบทั่วไป^{[ 9 ]}

ต่อมา Scaled Compositesได้สร้างเครื่องบินทดลองสองลำที่ใช้โครงสร้างนี้ภายใต้การนำของBurt Rutanและทำการบินในปี 1988 เครื่องบินTriumph เป็นเครื่องบิน เจ็ทเบาพิเศษแบบสองเครื่องยนต์เทอร์โบแฟนที่ออกแบบมาสำหรับBeechcraftการทดสอบการบินยืนยันช่วงประสิทธิภาพที่ตั้งเป้าไว้^{[ 10 ] [ 11 ]}เครื่องบินCatbirdเป็นเครื่องบินขับเคลื่อนด้วยใบพัดเครื่องยนต์เดียว ซึ่ง Rutan จินตนาการไว้เพื่อทดแทนBeechcraft Bonanza เครื่องบินลำ นี้ครองสถิติโลกด้านความเร็วในการบินรอบวงปิด 5,000 กม. (3,100 ไมล์) โดยไม่มีน้ำหนักบรรทุกที่ 334.44 กม./ชม. (207.81 ไมล์/ชม.) ซึ่งทำไว้ในปี 2014 ^{[ 12 ]}

เครื่องบินเจ็ทขั้นสูงบางรุ่นมีปีกสามด้าน ซึ่งมักใช้ร่วมกับระบบควบคุมทิศทางแรงขับโดยทั่วไปแล้วมีจุดประสงค์เพื่อเพิ่มการควบคุมและความคล่องตัว โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่มุมปะทะ สูงมาก เกินจุดเสียการทรงตัวของปีกหลัก การบินผาดโผนขั้นสูงบางอย่าง เช่นท่า Cobra ของ Pugachevและท่าKulbitนั้นได้รับการสาธิตครั้งแรกบนเครื่องบิน Sukhoi ที่มีปีกสามด้าน

เครื่องบินทดลองGrumman X-29มีโครงสร้างพื้นฐานแบบ "หางนำ" คล้ายปีก หน้า โดยมีปีกที่กวาดไปข้างหน้าอย่างผิดปกติ และมีครีบยื่นออกไปด้านหลังจากโคนปีกหลัก แผ่นปิดที่เคลื่อนที่ได้ที่ปลายครีบทำให้มีลักษณะการออกแบบสามพื้นผิว^{[ 13 ]} X-29 แสดงให้เห็นถึงความคล่องตัวในมุมปะทะสูงเป็นพิเศษ^{[ 14 ]}

การออกแบบสามพื้นผิวที่เรียบง่ายกว่านั้นพบได้ในเครื่องบินรบSukhoi Su-27 หลายรุ่น ซึ่งโดยทั่วไปแล้ว เป็นเครื่องบินรบแบบดั้งเดิม หลังจากประสบความสำเร็จในการเพิ่มปีกหน้าแบบคานาร์ดให้กับเครื่องบินต้นแบบ จึงได้มีการนำปีกหน้าแบบคานาร์ดไปใช้ในรุ่นผลิตจริงหลายรุ่น รวมถึงSu-33 สำหรับกองทัพเรือ (Su-27K) Su-30 บางรุ่น Su-35 และ Su-37 เครื่องบิน รบ Shenyang J-15 ของจีน ก็สืบทอดโครงสร้างของ Su-33 เช่นกัน

เครื่องบินMcDonnell Douglas F-15 STOL/MTDคือโครงสร้างลำตัวของเครื่องบิน F-15 ที่ได้รับการดัดแปลงโดยติดตั้งปีกหน้าแบบคานาร์ดและระบบควบคุมทิศทางแรงขับ ออกแบบมาเพื่อแสดงให้เห็นถึงเทคโนโลยีเหล่านี้ทั้งในด้านประสิทธิภาพการขึ้นลงในระยะสั้น (STOL) และความคล่องตัวสูง

มีการอ้างว่าการกำหนดค่าพื้นผิวสามด้านจะช่วยลดพื้นที่ผิวแอโรไดนามิกโดยรวมเมื่อเทียบกับการกำหนดค่าแบบดั้งเดิมและแบบคานาร์ด^{[ 9 ] [ 15 ]}จึงทำให้สามารถลดแรงต้านและน้ำหนักได้

ในเครื่องบินส่วนใหญ่จุดศูนย์กลางแรงดันของ ปีก จะเคลื่อนไปข้างหน้าและข้างหลังตามสภาพการบิน หากไม่ตรงกับจุดศูนย์กลางแรงโน้มถ่วง จะต้องใช้แรง แก้ไขหรือ แรง ปรับสมดุลเพื่อป้องกันไม่ให้เครื่องบินเอียงและรักษาสมดุล^{[ 16 ]}

ในเครื่องบินทั่วไป แรงปรับสมดุลการทรงตัวนี้จะถูกใช้โดยแพนหางในการออกแบบสมัยใหม่หลายๆ แบบ จุดศูนย์กลางแรงดันของปีกมักจะอยู่ด้านหลังจุดศูนย์กลางแรงโน้มถ่วง ดังนั้นแพนหางจึงต้องออกแรงกดลง^{[ 17 ]}แรงยกที่เป็นลบใดๆ ที่เกิดจากแพนหางจะต้องได้รับการชดเชยด้วยแรงยกเพิ่มเติมจากปีกหลัก ซึ่งจะทำให้พื้นที่ปีก แรงต้าน และน้ำหนักที่ต้องการเพิ่มขึ้น

ในเครื่องบินที่มีปีกสามส่วน แรงปรับสมดุลการทรงตัวสามารถแบ่งได้ตามความจำเป็นในระหว่างการบิน ระหว่างปีกหน้าและปีกหลัง การรักษาสมดุลสามารถทำได้โดยใช้แรงยกจากปีกหน้าแทนที่จะใช้แรงกดจากปีกหลัง ผลทั้งสองอย่าง คือ แรงกดที่ลดลงและแรงยกที่เพิ่มขึ้น จะช่วยลดภาระบนปีกหลัก

เครื่องบินPiaggio P.180 Avantiมีแฟลปทั้งบนปีกหน้าและปีกหลัก แฟลปทั้งสองจะกางออกพร้อมกันเพื่อรักษาระดับการบินให้เป็นกลางระหว่างการขึ้นและลงจอด^{[ 9 ]}

ในเครื่องบินแบบคานาร์ดเพื่อให้ เครื่องบิน ทรงตัวในสภาวะปกติได้ ปีกหน้าต้องสร้างแรงยก นอกจากนี้ เพื่อให้เครื่องบินมี ลักษณะ การร่วงหล่น ที่ปลอดภัย ปีกหน้าต้องร่วงหล่นก่อนปีกหลัก ทำให้เครื่องบินเอียงลงและฟื้นตัวได้ ซึ่งหมายความว่าต้องมีระยะปลอดภัยในพื้นที่ปีกหลัก เพื่อ ไม่ให้ ค่าสัมประสิทธิ์แรงยกและภาระปีกสูงสุดเกิดขึ้นจริง ดังนั้นจึงหมายความว่าปีกหลักต้องมีขนาดใหญ่ขึ้น

ในเครื่องบินที่มีปีกสามชั้น แพนหางทำหน้าที่เหมือนแพนรักษาเสถียรภาพแนวนอน ทั่วไป ในสภาวะที่เครื่องบินเสียการทรงตัว แม้ว่าปีกหลักจะเสียการทรงตัวแล้ว แพนหางก็ยังสามารถสร้างแรงดึงลงและช่วยให้เครื่องบินกลับมาทรงตัวได้ ดังนั้นจึงสามารถใช้ปีกได้ถึงค่าสัมประสิทธิ์แรงยกสูงสุด ซึ่งเป็นข้อดีที่อาจส่งผลให้ลดพื้นที่และน้ำหนักของปีกได้

ปีกหน้าที่มีแรงยกจะอยู่ด้านหน้าจุดศูนย์ถ่วง ดังนั้นแรงยกของมันจึงกระทำในทิศทางเดียวกับการเคลื่อนที่ในแนวดิ่ง หากเครื่องบินต้องการความเสถียรโดยธรรมชาติ ขนาด ความชันของแรงยก และระยะห่างของแรงยกของปีกหน้าจะต้องถูกเลือกให้เหมาะสม เพื่อไม่ให้แรงยกนั้นมากเกินกว่าแรงรักษาเสถียรภาพที่เกิดจากปีกและแพนหาง ข้อจำกัดด้านเสถียรภาพจึงจำกัดอัตราส่วนปริมาตร ของปีกหน้า (ซึ่งเป็นตัววัดประสิทธิภาพในแง่ของการปรับสมดุลและความเสถียร) ซึ่งอาจจำกัดความสามารถในการแบ่งปันแรงปรับสมดุลในแนวดิ่งดังที่ได้กล่าวไว้ข้างต้น

ขนาดขั้นต่ำของปีกยกของเครื่องบินจะถูกกำหนดโดย: น้ำหนักของเครื่องบิน แรงที่จำเป็นในการต้านทานแรงยกติดลบที่เกิดจากแพนหางระดับ ความเร็วในการขึ้นและลงจอดที่ต้องการ และสัมประสิทธิ์แรงยกของปีก

เครื่องบินสมัยใหม่ส่วนใหญ่ใช้แฟลปที่ขอบปีกด้านท้ายเพื่อเพิ่มค่าสัมประสิทธิ์แรงยกของปีกในระหว่างการขึ้นและลงจอด ซึ่งทำให้สามารถใช้ปีกที่มีขนาดเล็กกว่าที่จำเป็นได้ การทำเช่นนี้อาจช่วยลดน้ำหนักของปีก และลดพื้นที่ผิวของปีกเสมอ การลดพื้นที่ผิวจะช่วยลดแรงต้านอากาศที่ความเร็วทุกระดับ

ข้อเสียอย่างหนึ่งของการใช้แฟลปที่ขอบปีกด้านท้ายคือ มันจะสร้างโมเมนต์การหมุนรอบแกนแนวดิ่งที่เป็นลบอย่างมากเมื่อใช้งาน เพื่อให้สมดุลกับโมเมนต์การหมุนรอบแกนแนวดิ่งนี้ ปีกหางจะต้องมีขนาดใหญ่กว่าปกติเล็กน้อย เพื่อให้สามารถสร้างแรงได้มากพอที่จะสมดุลกับโมเมนต์การหมุนรอบแกนแนวดิ่งที่เป็นลบที่เกิดจากแฟลปที่ขอบปีกด้านท้าย ซึ่งหมายความว่าปีกหลักจะต้องมีขนาดใหญ่กว่าปกติเล็กน้อย เพื่อให้สมดุลกับแรงยกที่เป็นลบที่มากขึ้นซึ่งเกิดจากปีกหางที่มีขนาดใหญ่ขึ้น

ในเครื่องบินแบบคานาร์ด ปีกหน้าสามารถสร้างแรงยกบวกขณะขึ้นบิน ลดแรงกดลงที่หางเสือท้ายจะต้องสร้างขึ้น อย่างไรก็ตาม ปีกหลักต้องมีขนาดใหญ่พอที่จะยกน้ำหนักส่วนที่เหลือของเครื่องบินขณะขึ้นบิน และต้องมีระยะปลอดภัยที่เพียงพอเพื่อป้องกันการเสียการทรงตัว ในเครื่องบินแบบสามพื้นผิว ข้อเสียทั้งสองนี้ไม่มี และปีกหลักสามารถลดขนาดลงได้ จึงช่วยลดน้ำหนักและแรงต้าน มีการกล่าวอ้างว่าพื้นที่รวมของพื้นผิวปีกทั้งหมดของเครื่องบินแบบสามพื้นผิวอาจน้อยกว่าเครื่องบินแบบสองพื้นผิวที่เทียบเท่ากัน จึงช่วยลดทั้งน้ำหนักและแรงต้าน

พื้นที่ขั้นต่ำในการบินสามารถลดลงได้อีกโดยการใช้อุปกรณ์ยกตัวสูงแบบดั้งเดิม เช่น แฟลป ซึ่งช่วยให้การออกแบบสามพื้นผิวมีพื้นที่ผิวขั้นต่ำในทุกจุดของขอบเขตการบิน^{[ 9 ]}

ตัวอย่างของเครื่องบินสามพื้นผิวที่มีพื้นที่ลดลง ได้แก่Piaggio P.180 AvantiและScaled Composites TriumphและCatbirdเครื่องบินเหล่านี้ได้รับการออกแบบมาเพื่อลดพื้นที่ผิวทั้งหมดที่สัมผัสกับกระแสลมให้น้อยที่สุด จึงช่วยลดแรงต้านของพื้นผิวเพื่อเพิ่มความเร็วและประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิง บทวิจารณ์หลายฉบับเปรียบเทียบความเร็วสูงสุดและเพดานบินของ Avanti กับเครื่องบินเจ็ทระดับล่าง และรายงานว่ามีประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงที่ดีกว่าอย่างเห็นได้ชัดที่ความเร็วในการบิน^{[ 18 ] [ 19 ]} Piaggio ระบุว่าประสิทธิภาพนี้ส่วนหนึ่งมาจากโครงสร้างของเครื่องบิน โดยอ้างว่าลดพื้นที่ปีกทั้งหมดลง 34% เมื่อเทียบกับโครงสร้างแบบดั้งเดิม^{[ 9 ] [ 15 ]}

• ดัชนีบทความด้านการบิน
• คานาร์ด (การบิน)
• แพนหาง
• ปีกคู่
• การกำหนดค่าปีก