Et århundrede med flyvning

Som en flyvevåbets testpilot har lt. Colleg Dawn Dunlop fløjet snesevis af forskellige fly fra den kvikke F-15E Strike Eagle-fighter til den massive C-17 transportstråle til den russiske MIG-21. Stationen er placeret ved Edwards Air Force Base og er en del af eliteskvadronen, der bringer den banebrydende F / A-22 Raptor, en jet-fighter, gennem sine skridt. Men det fly, som Dunlop har haft den sværeste tid med at kontrollere, var en kopi af Wright-brødrenes 1902-svævefly. Mere end én gang styrtede hun ned af det muslinhudede håndværk på det forblæste sand i Kitty Hawk, North Carolina. ”Det var en ægte øjenåbner, ” husker Dunlop om (blå mærker) oplevelsen sidste år, en del af et mindesmagtsprogram for luftvåben. ”De har gjort det så simpelt at flyve i dag, vi har glemt, hvor svært det var dengang.”

Denne måned vil store dele af verden revidere “dengang”, da adskillige ceremonier, bøger og genindførelser markerer opfindelsen af ​​den drevne flyvning. Det var lige efter kl. 10:30 om morgenen den 17. december 1903, da Orville Wright, en Ohio opfinder og ejer af cykelbutik, startede i en nær frysepunkt for en 12 sekunders propellrevet tur - en 120- fodrejse, der måske har lanceret den moderne tid. "Luftfart er den definitive teknologi i det 20. århundrede, " siger Tom Crouch, seniorkurator for luftfart ved Smithsonian National Air and Space Museum (NASM) og forfatter af Wings: AHistory of Aviation, fra drager til rumalderen . "Flyvning symboliserede vores dybeste forhåbninger, som frihed og kontrol over vores skæbne."

Midt i al fejringen af ​​det længe forventede hundredeår, kan det være let at miste synet af, hvor utroligt de milepæle tidlige flyvninger var. Som Dunlop opdagede, var Wright-fly farlige. Svage samlinger af tråd, træ og klud drevet af hjemmelavede motorer, de var modvillige fugle, vanskelige at styre og lette at gå ned. Faktisk ville fly, der var baseret på den flyer, som Orville Wright lokkede af jorden, dræbe snesevis af piloter i de kommende år. Stadig håndværket legemliggjorde det, vi i dag anerkender som det grundlæggende ved flyvning, og selvom luftfarten er fremskredt langt over alt, hvad brødrene først kunne forestille sig - i 2000, flyvede fly over tre milliarder passagerer - forventede Wrights en overraskende række afgørende udviklinger . "At flyve den svævefly var en reel udfordring, " siger Dunlop, "men når du tager dig selv tilbage, er du klar over, hvad et strålende design det virkelig var."

Fra de gamle grækere, hvis mytologiske fortælling om Icarus voksvinger smeltede, da han steg for tæt på solen, til udskæringer, der blev efterladt af den sydamerikanske inkan-civilisation på væggene i det hellige andeanske citadel Machu Picchu, har menneskeheden længe været fascineret af ideen om at flyve. Renæssancemalerier og freskomalerier af Kristi opstigning i himlen “havde et luftbegreb som en ting at arbejde”, siger Richard Hallion, en tidligere NASM-kurator og luftvåbens historiker og forfatter af Taking Flight: Inventing the Aerial Age from Antiquity through the Første verdenskrig . ”Kristus vises løftende som en raket, og apostlene har alle blæst tøj. Engle har muskuløse vinger i forhold til deres størrelse. ”Blandt de mest forbløffende tidlige visioner om drevet menneskelig flugt er Leonardo da Vincis skitser fra det 15. århundrede af mekaniske flappende vinger og rå helikoptere. Ikke desto mindre kom Leonardos ideer aldrig af siden.

Den første person, der anvendte videnskabelige principper på flyveproblemerne, var George Cayley, en engelsk baronet, der i dag er kendt som far til luftfartsnavigation. Han blev født i 1773 og byggede den første svævefly til at gå på højde med en person ombord - sin kusk, i 1853 - og korrekt identificerede løft, træk og skub som de vigtigste kræfter, der skal mestres til drevet flyvning. Cayley, der offentliggjorde sin forskning ligesom Nicholson's Journal of Natural Philosophy, Chemistry and the Arts, var den første luftfartseksperiment, der anvendte forskningsmetoder, der ville være velkendte for nutidens videnskabsfolk og ingeniører, Peter Jakab, formand for NASMs luftfartsafdeling, skriver i sin bog Visions of a Flying Machine .

Den første varmluftsballon med passagerer tog luften i 1783, da dens opfindere, brødrene Montgolfier, sendte et får, en hane og en and skyhøje i otte minutter på himlen over Versailles. I det næste århundrede blev lettere end luft-balloner og luftskibe, uhåndterlige eller umulige at kontrollere, betragtet som den eneste realistiske måde at komme op på. I mellemtiden kæmpede opfindere med udfordringen med den drevne, tungere end luft-flyvning. Nogle byggede svævefly formet som møl eller flagermus; andre byggede massive, dampdrevne fly, der kunne flyves; en sådan kontrast kollapsede under sin egen vægt. Ingen "havde den mindste indflydelse på opfindelsen af ​​flyvemaskinen, " skriver Crouch.

Nogle pionerer var på rette vej. Den tyske Otto Lilienthal byggede 16 forskellige svævefly mellem 1891 og 1896, hvilket gjorde næsten 2.000 flyvninger i de lave bakker uden for Berlin. I sine eksperimenter akkumulerede han data om lift og ville inspirere brødrene Wright, men hans død i 1896 i en af ​​hans egne svævefly havde en dæmpende virkning på luftfarten. Overbevist om, at drevet flyvning var en farlig dårskab, aborterede mange europæere, der arbejdede med problemet, deres indsats.

I modsætning til deres forgængere, indså Wrights, at kontrollen med et fly var mindst lige så vigtig som lift og skyvekraft. Deres afgørende inspiration var forståelsen af, at fly ville flyve i tre dimensioner: klatring og faldende (stigning), venstre og højre (gab) og rulle (den bankende, vippende bevægelse, der i forbindelse med roret sender et fly i dramatiske, fejende svinger) . Rulle var især stort set blevet ignoreret eller ikke forestillet af deres forgængere. Hallion skriver, at Wrights, som cyklister, visualiserede et fly, der drejer meget, som en cykelrytter gør en hård sving - ved at læne sig ind i den. John Anderson, kurator for aerodynamik ved National Air and SpaceMuseum og forfatter af The Airplane — A History of Its Technology, siger Wrights '”længstvarende teknologiske bidrag er rent og enkelt flyvekontrol. Wilbur Wright var den første person til at forstå, hvordan et fly vendte sig. ”

Enkle ror, som dem, der plejede at styre både gennem vand, og elevatorer (som ror undtagen vandret) var nok til at flytte et fly op og ned eller til venstre og højre. Men den tredje dimension, der lavede en flybank og drejning, krævede en helt ny tilgang. Wrights 'første gennembrud var ved at indse, at luft, der flydede over vingerne, kunne bruges til at skubbe den ene vinge ned, mens den løftede den anden - “rulle” flyet gennem en banket, skæv sving. Deres næste var at finde ud af, hvordan man fik begge vinger til at bevæge sig den rigtige vej til det rigtige tidspunkt - et smukt simpelt koncept kaldet vingevridning, som involverede drejning af hele vingen for at gøre det lettere at dreje.

Wrights 'kombination af kreativitet og ingeniørfærdigheder forbliver forskere i dag. ”De havde evnen til at visualisere maskiner, der endnu ikke var bygget, ” siger Crouch. Fra det tidspunkt, de ramte vingevridning som løsningen for at flytte et fly i tre dimensioner i foråret 1899, var det kun fire og et halvt år, indtil deres episke, hvis korte, drevne flyvning på Kitty Hawk. Som Hallion udtrykker det, "bevægede Wrights, da de fik deres handling sammen med utrolige hastighed."

Først begyndte flyets potentiale at forestille sig de mest progressive videnskabers forestillinger. For dyrt for enhver anden end rig våghals og for farlig til regelmæssig kommerciel brug, blev Wrights 'mask grinet som useriøs; selv brødrene troede, at kun nationale regeringer ville have ressourcerne til at bygge og flyve fly. ”Det er tvivlsomt, om fly nogensinde vil krydse havet, ” spottede den fremtrædende Harvard-astronom William Pickering i 1908 ifølge Hallions historie. ”Offentligheden har i høj grad overvurderet flyets muligheder og forestillet sig, at de i en anden generation vil være i stand til at flyve over til London om en dag. Dette er åbenlyst umuligt. ”

Sådan foragt kølede amerikanske investeringer i luftfart. Mellem 1908 og 1913 brugte den amerikanske regering kun $ 435.000 til luftfart - mindre end Tyskland, Frankrig, Chile og endda Bulgarien. Europæiske opfindere og iværksættere byggede snart bedre, hurtigere og mere stabile fly end Wrights. ”Wright-flyet blev erstattet af europæiske design allerede i 1910, ” siger Jakab. Tyske, russiske og især franske luftfartøjer og opfindere dominerede snart himlen, som vores ordforråd attesterer; “Luftfart”, “flyveflyvning”, “flykrop” og “helikopter” har alle fransk oprindelse.

For alle Wrights 'præstationer var deres fly stadig dårlige. Et halvt dusin piloter blev dræbt flyvende Wright-flyers i en periode på et år, der startede i 1909; andre tidlige fly var også farlige. ”Europæerne lærte ikke af Wright-oplevelsen, hvordan man flyver, de lærte at flyve bedre, ” skriver Hallion. Designere som Louis Blériot flyttede Wrights 'skubbe-propeller til fronten af ​​flyet, hvilket forenklede designet (en bagmonteret propel kræver mere detaljerede strukturer til rorene og elevatorerne). Den oprindelige biplane-konfiguration - som var stærk, let og genererede en masse løft - dominerede flyvemaskinsdesign indtil de tidlige 1930'ere, hvor monoplaner, der er hurtigere, overtog.

Ved starten af ​​første verdenskrig var flyet kommet til sin egen som en militær og kommerciel teknologi. Opencockpit, stort set træ-og-stof-fly, der snakede sig i Europas himmel - fly som den britiske Sopwith Camel og den tyske Albatros - var hurtigere og langt mere behagelig end Wright Flyer, men stadig farlige. Helte som Manfred von Richthofen (den "Røde Baron") og Amerikas Eddie Rickenbacker skabte mystikken fra kampflyet, men tusinder af andre omkom i luften. I 1917 var forventet en britisk jagerpilot i en kampzone, Hallion, forventet tre uger.

Men krigen fremskyndede udviklingen af ​​den nye luftfartsindustri. Den første passagerflyvning havde været i 1908, da Wilbur Wright bar en Charles Furnas under test af Wright Flyer. Planlagte passagerflyvninger begyndte ikke for alvor før den 1. januar 1914, da Tony Jannus, en iværksætter-pilot i Florida, begyndte at flyve $ 5 humle over TampaBay. Fly, der flyver i lave hastigheder og i lave højder, blev slået af vinde, hvilket forårsagede en ujævn - og ofte irriterende - tur. Dårligt ventilerede hytter fyldt med motorudstødning og gasdamp. Og dårligt vejr holdt flyene på jorden, hvilket gjorde flyrejser upålidelig. Alligevel accelererede den offentlige efterspørgsel.

I 1920'erne og 30'erne var investeringerne fra industrien og regeringen drivende til innovation. Trærammer og stofskind gav plads til allmetaldesign, som igen muliggjorde større, stærkere håndværk, strømlining, forseglede hytter og fly i højde. Også vigtige var pålidelige flyinstrumenter som den kunstige horisont, højdemåler og retningsgyroskop, der var afgørende for at flyve i dårligt vejr (og at holde flyselskaberne planlagt). I 1932 fløj amerikanske flyselskaber mere end 475.000 passagerer om året.

I 1935 nåede luftfarten et nyt højdepunkt - og underligt måske noget af et plateau - med udviklingen af ​​Douglas Aircraft Company's DC-3. Med 21 sæder, all-metal-konstruktion, et strømlinet design, udtrækkeligt landingsudstyr, automatisk pilot og en krydstogshastighed på næsten 200 miles i timen, betragtes DC-3 af mange eksperter som højdepunktet i det propeldrevne fly og sæt mønsteret for fly, vi kender i dag.

Da nye motordesign kørte propeller hurtigere og hurtigere - på deres tip, brød de lydbarrieren - kom ingeniører imod forvirrende aerodynamiske egenskaber. Stødbølger og uforudsagt turbulens underminerede ydeevnen. Propeller mistede effektiviteten og trækkerne, da de nærmede sig supersoniske hastigheder.

Manden, der overskred denne grænse, var ikke en professionel ingeniør. Frank Whittle, en machinistsøn og Royal Air Force pilot, kom med ideen om en jetmotor, mens han tjente som flyveinstruktør i de tidlige 1930'ere. ”Whittle var en underlig and, der skubbede på en idé, som alle troede var slags nødder, ” siger historikeren Roger Bilstein, forfatter af Flight in America: Fra Wrights til astronauterne . ”Ingen troede, at det ville fungere.”

Whittle vedvarede og skabte til sidst ressourcerne til at designe en brugbar jetmotor på egen hånd. Konceptet er under alle omstændigheder enkelt: luft, der kommer ind foran på motoren, komprimeres og kombineres med brændstof og tændes derefter; den brændende blanding brøler ud på bagsiden af ​​jet og genererer en enorm kraft, mens den passerer gennem turbiner, der driver kompressorerne foran på motoren.

Whittles jetmotor blev først testet i laboratoriet i 1937 og fire år senere drev en specielt designet jagerfly ved en flybase nær Gloucester, England. Piloter, der så den tophemmelige testflyvning fra siden af ​​det fugtige luftfelt blev forvirrede. ”Herregud, jeg skal gå rundt i svinget, ” sagde en officer officielt senere. ”Det havde ikke fået en propell!”

I mellemtiden havde en tysk ingeniør ved navn Hans von Ohain udviklet sin egen jetmotor. I 1944 så en håndfuld jet-kæmpere og bombefly, inklusive Messerschmitt Me 262 - verdens første operationelle jet - tjeneste i Luftwaffe . I Amerika satte militær messing jetfly på en bagbrænder, overbeviste om, at krigen ville blive vundet med konventionelle fly, og masser af dem. At aflede ressourcer til at arbejde på den ubeviste jet, insisterede myndighederne, ville være spild af tid. Men efter at de allierede fejede gennem Tyskland i slutningen af ​​krigen, rekrutterede de snesevis af tyske jet- og raketforskere, herunder Wernher von Braun, og tog dem derefter til USA i "Operation Paper-clip." Planen lagde grunden i årtier med USA-ledet innovation, fra øjeblikkelig brugbar jet-teknologi til fremskridt inden for raketry, der i sidste ende ville gøre rumprogrammet muligt.

Jet fremdriftsteknologi var den vigtigste ting inden for luftfart siden Wrights. ”Jet'en var ikke en forfining af noget, det var et komplet gennembrud, ” siger NASMs Anderson. ”En hel anden æra med luftfart blev åbnet af Whittle og von Ohain.” Alligevel fik jetens opfindere aldrig den anerkendelse, Wrights nød. Whittles patenter blev tildelt af den britiske regering under krigen, og von Ohain begyndte stille en ny karriere i 1947 - som en amerikansk fremdrivningsforsker fra det amerikanske luftvåben.

Alligevel ville det tage mange års omhyggeligt arbejde at gøre jetplanet til pålidelig transport. I de tidlige dage havde jagerflypiloter en en til fire-chance for at dø i en flyulykke. Supersonic-hastigheder, mindst ca. 650 km / h, krævede nytænkning af konventionelle forestillinger om aerodynamik, kontrol og effektivitet. Designet af X-1, der brød lydbarrieren over Californiens MurocDryLake i 1947, var baseret på kuglen på 0, 50 kaliber, et objekt, som ingeniører vidste, blev supersonisk. Det blev fløjet af den lakoniske vestjomfruktiske testpilot Chuck Yeager, en veteran-ace fra 2. verdenskrig, der tællede to Messerschmitt 262s blandt hans drab.

Tapperheden hos disse testpiloter er det, vi har en tendens til at huske på jet travels tidlige dage. Men måske mere vigtigt var de massive offentlige udgifter til luftfart og rumforskning i 1950'erne og 60'erne. I 1959 var luftfartsindustrien en af ​​de største arbejdsgivere i Amerikas fremstillingssektor med mere end 80 procent af sit salg i halvandet årti efter 2. verdenskrig til militæret. Amerikas luftfarts- og rumfartsucces blev potente symboler i den kolde krig, og den blomstrende luftfartsindustri fik det, der udgjorde en tom kontrol fra regeringen. Når alt kommer til alt observerede man som en figur i filmversionen af The Right Stuff : "No bucks, no Buck Rogers."

”Regeringens investering i ting, der er relateret til flyvning, drev en bred front af teknologisk udvikling, ” siger Crouch. ”Den ene efter den anden udviklede sig, fordi den på en eller anden måde var relateret til flyvning, og regeringerne brugte penge på den.” Computere blev allestedsnærværende luftfartøjsværktøjer, fra hjælp til design af komplekse fly til dannelse af globale billetnetværk. Jetmotoren tog også civil luftfart til nye højder - og hastigheder. Boeing introducerede en prototype af 707-passagerjetten i 1954, der kunne flyve mere end 600 km / h (tre gange hurtigere end DC-3). Fire år senere begyndte Pan American regelmæssig 707-service fra New York til Paris og indledte jetalderen.

Da de hårdt vundne lektioner af militære testpiloter gav sikrere, mere stabile jetdesign, begyndte verdens form at ændre sig. Fra massive B-52-atombomber, der var i stand til at flyve direkte fra Omaha til Moskva på 11 timer, til passagerfly, der kunne krydse Atlanterhavet på 7 timer, gjorde jetflyet internationale rejser tilgængelige for næsten alle. Store passagerfly blev almindeligt - den 452-passager Boeing 747 debuterede i 1969 - og antallet af mennesker, der fløj, klatrede støt hvert år.

Supersonic passagerfly var den næste indlysende grænse. Men med undtagelser fra den sovjetiske Tupolev TU-144, der først fløj i december 1968, og Concorde, et joint venture mellem Frankrig og Storbritannien, der startede to måneder senere, ville supersoniske passagerrejser forblive stort set en nyhed. Begge fly var en buste økonomisk. I næsten 30 år, der flyver over Atlanterhavet med dobbelt så høj lydstyrke, brød den gas-guppende Concorde aldrig jævn. Air France ophørte regelmæssigt med planlagt Concorde-service i maj måned og British Airways i oktober. Ikke desto mindre har iværksættere og politikere fortsat med at flyde futuristiske (og hidtil upraktiske) ideer, ligesom Orient Express, en massiv supersonisk transport, der ville transportere op til 200 passagerer fra New York til Beijing på to timer og springe som en sten over jordens atmosfære ved Mach 5.

At nå stadig højere hastigheder har ikke nødvendigvis været højeste prioritet for militæret. Siden 1970'erne har militærplanlæggere lagt vægt på manøvrerbarhed og stealth. Men de nye fly, med mindre, vinklede vinger og kontrolflader, var tilbøjelige til at være ustabile. Det ændrede sig med udviklingen i 1970'erne af onboardcomputere eller "fly-by-wire" -systemer inden for luftfartøj, der var i stand til at foretage tusindvis af justeringer i sekundet for ror og andre kontroloverflader. Northrop B-2-stealth-bombefly og Lockheed F-117ANighthawk-stealth-fighter, bizarre mat-sorte bundter af mærkelige vinkler og stubby vinger designet til at forsvinde fra fjendens radar synes at trodse aerodynamikens love ved hjælp af sofistikeret software. Den ultimative fly-by-wire-teknologi, ubemandede luftfartøjer eller UAV'er, er fjernstyrede droner, der allerede har set service i himlen over Afghanistan og Irak.

For mange luftfartseksperter ser det ud til, at flyteknologi har ramt en anden stilhed i fremskridt. ”Det er det store spørgsmål: Er flyvemaskinen i sin form nu en moden teknologi?” Siger NASM-kurator Jeremy Kinney. ”Luftfartsselskaberne klarer sig meget godt med brede organer, turbofanfly, der transporterer hundreder af mennesker, og militæret er i det væsentlige nyskabende forbedringer. Er der endda et næste plateau? ”

Ingeniører håber det. ”Jo, vi har nået et vist modenhedsniveau i den sidste del af det 20. århundrede, som nogle ser som et plateau, det samme som i 30'erne, ” siger Smithsonian's Anderson, en tidligere formand for University of Marylands Aerospace Ingeniørafdelingen. ”Jeg tror, ​​dette er en platform, hvorfra vi hopper af og ser dramatiske fremskridt.” Ud over forbedringer i eksisterende flys effektivitet og ydelse kan teknologiske forbedringer snart muliggøre fantastiske resultater: fly-for-wire-systemer, der holder en flyet op med et skud afskåret, reduktion eller endda eliminering af lydbommer og ubemandede fly, der er i stand til dramatiske manøvrer, der ville dræbe en pilot.

Mærkeligt nok, nogle af de mest avancerede forskning, der foregår lige nu, ligner en slående lighed med innovationer, som Wrights foretaget for mere end et århundrede siden. På NASAs Dryden Flight Research Center i Edwards, Californien, har ingeniører i Active Aeroelastic Wing Program udstyret et F / A-18 Hornet jagerplan med mere fleksible vinger, der tester mulighederne for aeroelastic wing design - i det væsentlige en version af Wrights 'wing -vikling, omend et, der bruger meget avancerede computersystemer til at inducere vinger til at ændre form ved supersoniske hastigheder. Aeroelastiske vinger muliggør rullende, bankende sving ved at dreje selve vingen og forbedre ydeevnen i supersoniske hastigheder. ”Meget få fugle flyver med luftveje eller forreste flapper, ” fortæller Dick Ewers, en NASA-testpilot om projektet. I stedet, siger han, ændrer fugle formen på deres vinger, afhængigt af hvor hurtigt eller langsomt de går, og om de drejer, klatrer, dykker eller skyhøje. ”Fly bruger en masse vægt og penge på at gøre vinger stive, ” fortsætter han. Den aeroelastiske vinge vil til sidst fjerne klapper og flytte flyet ved at ændre formen på selve vingen, forudsiger han: ”I stedet for at stive vingen, vi ønsker at lade det være fleksibelt og drage fordel af det. ”

Et Centennial of Flight-logo på prototypeflyet indstiller stolt projektets bemærkelsesværdige forbindelse med tradition. Fremtidens fly kan måske dele en inspiration med Wrights, der med succes styrede deres Flyer i tre dimensioner ved at skifte form på vingerne. ”Hundrede år senere kan vi opdage, at Wright-brødrenes svar var mere korrekte aerodynamisk, end hvad vi har levet med i 80 år, ” siger Dave Voracek, projektets chefingeniør. ”Vi er virkelig kommet i fuld cirkel.”