Век на полет - Вземане на крило

Като пилот на военновъздушните сили, подполковник Зората Дънлоп е прелетял десетки различни самолети, от пъргавия изтребител F-15E Strike Eagle до масивния транспортен самолет C-17 до руския MIG-21. Разположена във военновъздушната база на Едуардс, тя е част от елитната ескадрила, която прокарва най-модерния F / A-22 Raptor, реактивен изтребител. Самолетът, който Дънлоп е контролирал най-трудно, беше реплика на планера на 1902 г. на братя Райт. Неведнъж тя катастрофира с кораба с мусенска кожа върху ветровитите пясъци на Кити Хоук, Северна Каролина. „Беше истинско око за отваряне на очи“, спомня си Дънлоп за преживяното (натъртване) миналата година, част от възпоменателна програма на ВВС. "Те направиха толкова лесно да летим днес, че забравихме колко трудно беше тогава."

През този месец голяма част от света ще бъде преразгледана „тогава“, тъй като многобройни церемонии, книги и реконструкции бележат изобретението с мощен полет. Беше малко след 10:30 сутринта на 17 декември 1903 г., когато Орвил Райт, изобретател и магазин за велосипеди в Охайо, излетя в почти замръзнал вятър за 12-секундно пътуване с витло - 120- крачно плаване, което може би е стартирало модерната епоха. „Авиацията е окончателната технология на 20-ти век“, казва Том Крауч, старши уредник по аеронавтика в Националния музей на въздуха и космоса в Смитсън (NASM) и автор на Wings: AHistory of Aviation, от Kites до космическата ера . „Полетът символизира най-дълбоките ни стремежи, като свобода и контрол над съдбата ни.“

На фона на всички тържества на дългоочакваната стогодишнина, може да е лесно да се изгуби поглед колко невероятни са тези забележителни ранни полети. Както Дънлоп откри, самолетите на Райт бяха опасни. Слаби сглобки от тел, дърво и плат, задвижвани от домашно изработени двигатели, те бяха неохотни птици, трудни за управление и лесни за разбиване. Всъщност самолетите, базирани на флаера, който Орвил Райт слязъл от земята, биха убили десетки пилоти в следващите години. Все пак корабът въплъщава това, което днес признаваме за основите на полета, и въпреки че авиацията е напреднала далеч отвъд всичко, което братята биха могли да си представят за първи път - през 2000 г. самолетите превозваха повече от три милиарда пътници - Wrights предвиждаше изненадващ набор от решаващи развития, „Летенето на този планер беше истинско предизвикателство - казва Дънлоп, - но когато се върнете назад, осъзнавате какъв наистина е бил блестящ дизайн.“

От древните гърци, чиято митологична приказка за восъчните крила на Икар се стопяваше, когато се издигаше твърде близо до слънцето, до дърворезби, оставени от цивилизацията на южноамериканските инки на стените на светата й андска цитадела на Мачу Пикчу, човечеството отдавна е очаровано от идеята за летене. Ренесансовите картини и стенописите на възкачването на Христос в небето „имаха концепция за въздуха като нещо, което трябва да се работи“, казва Ричард Холион, бивш куратор на НАСМ и историк на ВВС и автор на „ Поемане на полет: Измисляне на въздушната епоха от античността през античността“. Първата световна война . „Христос е показан да се издига като ракета, а всички апостоли имат ветрови дрехи. Ангелите имат мускулести крила, пропорционални на техния размер. ”Сред най-стряскащите ранни видения на мощен човешки полет са скиците на Леонардо да Винчи от 15-ти век на механични размахващи крила и груби хеликоптери. И все пак идеите на Леонардо никога не излязоха от страницата.

Първият човек, приложил научни принципи към проблемите на полета, беше Джордж Кейли, английски баронет, известен днес като баща на въздушната навигация. Роден през 1773 г., той построил първия планер, който се качил на височина с човек на борда - негов кочияш през 1853 г. - и правилно определил повдигане, влачене и тяга като основни сили, които трябва да бъдат овладени за мощен полет. Кейли, който публикува своите изследвания в харесването на списание „Природна философия, химия и изкуства“ на Никълсън, е първият експериментатор на авиацията, използвал изследователски методи, които биха били познати на днешните учени и инженери, Питър Джакаб, председател на отдела по аеронавтика на НАСМ, пише в книгата си „ Видения на летяща машина“ .

Първият балон с горещ въздух с пътници излезе във въздуха през 1783 г., когато неговите изобретатели, братята Монголфиер, изпратиха овца, петел и патица, които се извисяваха за осем минути в небето над Версай. През следващия век по-леките от въздуха балони и дирижабли, нелеки или невъзможни за контрол, се считат за единственият реалистичен начин за издигане. Междувременно изобретателите продължиха да се борят с предизвикателството на задвижвания, по-тежък от въздуха полет. Някои изградени планери, оформени като молци или прилепи; други изградиха масивни самолети с парно захранване, които бяха невероятни; една такава измишльотина се срина под собствената си тежест. Никой „не е имал най-малко влияние върху изобретението на самолета“, пише Крауч.

Някои пионери бяха на прав път. Германецът Ото Лилиентал построи 16 различни планера между 1891 и 1896 г., като направи почти 2000 полета в ниските хълмове извън Берлин. В експериментите си той натрупва данни за издигането и ще вдъхнови братята Райт, но смъртта му през 1896 г. в един от неговите собствени планери има затихващ ефект върху авиацията. Убедени, че полетът с мощност е опасна глупост, много европейци, работещи по проблема, прекъснаха усилията си.

За разлика от своите предшественици, Wrights осъзнаха, че управлението на самолет е поне толкова важно, колкото повдигането и тягата. Тяхното решаващо вдъхновение беше разбирането, че самолетът ще лети в три измерения: катерене и спускане (стъпка), наляво и надясно (прозяване) и преобръщане (банковото, накланящо се движение, което в комбинация с кормилото изпраща самолет в драматични, широки завои), Особено Roll беше в голяма степен игнорирана или немислима от своите предшественици. Холион пише, че Wrights, като колоездачи, визуализира самолет, който се завърта толкова много, колкото мотоциклетистът прави тежък завой - като се подпира в него. Джон Андерсън, куратор по аеродинамика в Националния музей на въздуха и космоса и автор на „ The Airplane - A History of Its Technology“, казва, че „най-дълготрайният технологичен принос на Wrights е чисто и просто управление на полета. Уилбър Райт беше първият човек, разбрал как се завъртя самолет.

Прости кормила, като тези, използвани за управление на лодки през вода, и асансьори (като руля, с изключение на хоризонтални) бяха достатъчни за придвижване на равнина нагоре и надолу или наляво и надясно. Но третото измерение, правене на самолетна банка и завой, изискваше изцяло нов подход. Първият пробив на Wrights осъзнаваше, че въздухът, преминаващ през крилата, може да се използва за натискане на едното крило надолу, докато вдига другото - „преобръщане“ на самолета през наклонен, подпрян завой. Следващото им беше да измислят как да накарат и двете крила да се движат по правилния път в точното време - красиво проста концепция, наречена крила, която включваше усукване на цялото крило, за да се улесни завъртането.

Комбинацията от творчество и инженерни умения на Wrights продължава да учудва учените и днес. „Те имаха способността да визуализират машини, които все още не са били изградени“, казва Крауч. От момента, в който попаднаха на крилата като решение за преместване на самолет в три измерения през пролетта на 1899 г., минаха само четири години и половина до епичния им, макар и кратък, захранван полет в Кити Хоук. Както Хелион казва: „The Wrights, когато сключиха своя акт, се движеха с невероятна скорост.“

Отначало потенциалът на самолета зароди въображението на най-прогресивните учени. Прекалено скъпа за всеки, но богата смелчаци и твърде опасна за редовна търговска употреба, машината на Wrights се смееше като несериозна; дори братята смятаха, че само националните правителства ще разполагат с ресурси за изграждане и летене на самолети. „Съмнително е дали самолетите някога ще прекосят океана“, изсмива се през 1908 г. известният харвардски астроном Уилям Пикинг, според историята на Холион. „Обществото значително надцени възможностите на самолета, като си представи, че в друго поколение те ще могат да прелетят до Лондон за един ден. Това е очевидно невъзможно. “

Подобно пренебрежение охлажда американските инвестиции в авиацията. Между 1908 и 1913 г. правителството на САЩ харчи само 435 000 долара за авиация - по-малко от Германия, Франция, Чили и дори България. Европейските изобретатели и предприемачи скоро изграждаха по-добри, по-бързи и стабилни самолети, отколкото Wrights. „Самолетът на Райт беше заменен от европейските проекти още през 1910 г.“, казва Джакаб. Немски, руски и особено френски авиатори и изобретатели скоро доминираха в небето, както свидетелства нашата лексика; „Авиация“, „елерон“, „фюзелаж“ и „хеликоптер“ имат френски произход.

За всички постижения на Wrights, самолетът им все още беше ифи. Половин дузина пилоти бяха убити с летящи флаери на Райт в едногодишен период, започващ от 1909 г .; други ранни самолети също бяха опасни. „Европейците не се учеха от опита на Райт как да летят, те се учеха как да летят по-добре“, пише Холион. Дизайнери като Louis Blériot преместиха витловете на „Wrights” на Wrights в предната част на самолета, което опрости дизайна (монтиран отзад витъл изисква по-сложни конструкции за кормилата и асансьорите). Оригиналната конфигурация на биплана - която беше силна, лека и създаваше много повдигане - доминираше самолетния дизайн до началото на 30-те години, когато монопланите, които са по-бързи, поеха.

В началото на Първата световна война самолетът беше влязъл в сила като военна и търговска технология. Откритият пилот, до голяма степен самолети от дървесина и плат, които се движат в небето на Европа - самолети като британската Сопвит Камил и германския Албатрос - бяха по-бързи и далеч по-пъргави от Райт Флайър, но все пак опасни. Герои като Манфред фон Рихтхофен („Червеният барон“) и Америка Еди Рикенбекър създадоха мистиката на ас боеца, но хиляди други загинаха във въздуха. През 1917 г. продължителността на живота на британски пилот изтребител в бойна зона, пише Холион, е била три седмици.

Но войната ускори развитието на развиващата се авиационна индустрия. Първият пътнически полет е бил през 1908 г., когато Уилбър Райт е превозвал един Чарлс Фърнас по време на тестове на флаерата на Райт. Планираните полетни пътнически полети започват сериозно чак до 1 януари 1914 г., когато Тони Янус, предприемачески пилот във Флорида, започва да прелита хмел от $ 5 през TampaBay. Самолетите, които летят с ниска скорост и ниска надморска височина, са били отблъсквани от ветрове, което води до неравномерна и често боледуваща. Лошо вентилирани каюти, пълни с изгорели газове и газове на двигателя. И лошото време задържа самолети на земята, което прави пътуването с въздух ненадеждно. И все пак общественото търсене се ускори.

През 1920-те и 30-те години инвестициите от промишлеността и правителството са подхранвали иновациите. Дървените рамки и кожени платна отстъпиха на всички метални дизайни, което от своя страна направи възможно по-големи, по-силни плавателни съдове, рационализиране, запечатани каюти и полет на голяма надморска височина. Важни бяха и надеждните полетни инструменти като изкуствения хоризонт, висотомерът и насоченият жироскоп, решаващи за полетите при лошо време (и поддържане на авиокомпаниите по график). До 1932 г. американските авиокомпании летяха повече от 475 000 пътници годишно.

През 1935 г. авиацията достига нов връх - и, колкото и странно да е, нещо на плато - с развитието на DC-3 на Douglas Aircraft Company. С 21 места, изцяло метална конструкция, усъвършенстван дизайн, прибиращ се механизъм за кацане, автоматичен пилот и крайна скорост от почти 200 мили в час, DC-3 се счита от много експерти за върха на самолета, задвижван от витлото, и задават схемата за самолети, която познаваме днес.

Тъй като новите дизайни на двигатели задвижваха витлата по-бързо и по-бързо - по техните съвети, те пречупиха звуковата бариера - инженерите се изправиха срещу озадачаващи аеродинамични свойства. Ударните вълни и непредвидената турбулентност подкопават работата. Витлата са загубили ефективността и тягата, когато наближили свръхзвуковите скорости.

Човекът, който преодоля тази граница, не беше професионален инженер. Франк Уитъл, син на машинист и пилот на Кралските военновъздушни сили, дойде на идеята за реактивен двигател, докато служи като инструктор по полет в началото на 30-те години. „Уитъл беше странна патица, която тласкаше идеята, която всички смятат за ядки“, казва историкът Роджър Билщайн, автор на „ Полет в Америка: От Wrights to Astronauts“ . „Никой не мислеше, че ще работи.“

Уитъл настойчиво накрая събираше ресурсите, за да проектира сам работещ реактивен двигател. Във всеки случай концепцията е проста: въздухът, който влиза в предната част на двигателя, се компресира и комбинира с гориво, след което се запалва; изгарящата смес изрева отзад на струята, генерира огромна тяга, докато преминава през турбини, които захранват компресорите в предната част на двигателя.

Реактивният двигател на Уитъл за първи път е тестван в лабораторията през 1937 г. и четири години по-късно задвижва специално проектиран изтребител във въздушна база близо до Глостър, Англия. Пилотите, които наблюдават строго секретния тестов полет от страната на влажното летище, бяха поразени. "Боже мой, момчета, трябва да вървя по завоя", каза един офицер по-късно. "Нямаше витло!"

Междувременно немски инженер на име Ханс фон Охайн разработва свой собствен реактивен двигател. През 1944 г. шепа реактивни изтребители и бомбардировачи, включително Messerschmitt Me 262 - първият в света оперативен реактивен самолет - видяха служба в Luftwaffe . В Америка военните месинги поставят струи на задна горелка, убедени, че войната ще бъде спечелена с конвенционални самолети и много от тях. Отклоняването на ресурсите за работа върху недоказаната струя, настояваха властите, би било загуба на време. Но след като в края на войната съюзниците преминават през Германия, те набират десетки немски учени и реактивни ракети, включително Вернер фон Браун, и след това ги отвеждат в Съединените щати в „Операционна хартия-клип“. Планът поставя основите. в продължение на десетилетия на иновации, водени от САЩ, от незабавно полезна реактивна технология до напредък в ракетата, което в крайна сметка би направило възможно космическата програма.

Технологията на реактивно задвижване беше най-важното в авиацията от времето на Wrights. „Самолетът не беше прецизиране на нищо, а пълен пробив“, казва Андерсън от NASM. „Цяла втора епоха на авиацията бе открита от Уитъл и фон Охайн.“ Въпреки това изобретателите на самолета никога не са получили признанието, на което се радват Wrights. Патентите на Уитъл са присвоени от британското правителство по време на войната, а фон Охайн тихо започва нова кариера през 1947 г. - като учен от ВВС на САЩ.

И въпреки това ще са необходими години на старателна работа, за да се превърне реактивният самолет в надежден транспорт. В първите дни пилотите на изтребители имаха един от четири шанса да загинат при самолетна катастрофа. Свръхзвуковите скорости, поне около 650 мили / ч, изискват преосмисляне на конвенционалните представи за аеродинамика, контрол и ефективност. Дизайнът на X-1, който пречупи звуковата бариера над калифорнийския MurocDryLake през 1947 г., се основава на куршума от .50 калибър, предмет, за който инженерите знаеха, че е свръхзвуков. Той е летял от лаконичния пилот от Западна Виргиния Чък Йегер, ас на ветерана от Втората световна война, който преброи двама Messerschmitt сред своите убийства.

Смелостта на тези пилоти е това, което сме склонни да помним от ранните дни на джет пътешествията. Но може би по-важни бяха огромните правителствени разходи за авиационни и космически изследвания през 50-те и 60-те години. До 1959 г. авиационната индустрия е един от най-големите работодатели в производствения сектор в Америка, като повече от 80 процента от продажбите й през десетилетието и половината след Втората световна война са били на военните. Американските авиационни и космически успехи се превърнаха в мощни символи в студената война, а процъфтяващата аерокосмическа индустрия получи това, което представляваше празен чек от правителството. В крайна сметка, като герой във филмовата версия на „ The Right Stuff“ забелязва: „Без долари, без Бък Роджърс“.

„Правителствените инвестиции в неща, свързани с полетите, задвижваха широк фронт на технологичното развитие“, казва Крауч. „Едно след друго се разви, защото по някакъв начин беше свързано с полета и правителствата харчеха пари за него.“ Компютрите станаха повсеместни авиационни инструменти, от подпомагане на проектирането на сложни самолети до формиране на глобални мрежи за билети. Реактивният двигател също отведе гражданската авиация до нови височини и скорости. Boeing представи прототип на пътническия самолет 707 през 1954 г., който може да лети над 600 мили / ч (три пъти по-бързо от DC-3). Четири години по-късно Pan American започва редовно обслужване от 707 от Ню Йорк до Париж, въвеждайки в еврейската епоха.

Тъй като трудно спечелените уроци на военните тестови пилоти донесоха по-безопасни и по-стабилни модели на реактивни реактиви, самата форма на света започна да се променя. От масивни атомни бомбардировачи B-52, способни да летят нонстоп от Омаха до Москва за 11 часа, до пътнически самолети, които могат да преминат Атлантическия океан за 7 часа, самолетът направи международното пътуване достъпно за почти всички. Големите пътнически самолети станаха често срещани - 452-пътническият Boeing 747, дебютирал през 1969 г. - и броят на хората, които летели, се покачва непрекъснато всяка година.

Свръхзвукови пътнически самолети бяха следващата очевидна граница. Но с изключенията на съветския Туполев TU-144, който за пръв път лети през декември 1968 г., и Concorde, съвместно предприятие между Франция и Великобритания, което излетя два месеца по-късно, свръхзвуковите пътнически пътувания ще останат до голяма степен новост. И двата самолета бяха бюст финансово. За почти 30 години, летящи над Атлантическия океан с двойно по-висока скорост на звука, газираният Конкорд никога не се е счупил. Air France преустанови редовното редовно обслужване на Concorde през миналия май, а British Airways през октомври. Независимо от това предприемачите и политиците продължават да плават футуристични (и засега непрактични) идеи, като Orient Express, масивен свръхзвуков транспорт, който би превозил до 200 пътници от Ню Йорк до Пекин за два часа, прескачайки като камък през земната зона атмосфера в Mach 5.

Постигането на все по-високи скорости не е непременно най-големият приоритет за военните. От 70-те години на миналия век военните планиращи акцентират върху маневреността и стелта. Но новите самолети, с по-малки ъглови крила и контролни повърхности, обикновено бяха нестабилни. Това се промени с развитието през 70-те години на бордовите компютри, или „летящи по проводник” системи, в авиационния линго, способен да извършва хиляди корекции в секунда на руля и други контролни повърхности. Стелт бомбардировачът Northrop B-2 и стелт-изтребителят Lockheed F-117ANighthawk, причудливи матово-черни снопове с странни ъгли и упорити крила, проектирани да изчезнат от вражески радари, изглежда опровергават законите на аеродинамиката с помощта на сложен софтуер. Най-добрата технология за полет по тел, безпилотни летателни апарати или БПЛА са дронове с дистанционно управление, които вече са виждали служба в небето над Афганистан и Ирак.

За много авиационни експерти изглежда самолетната технология е ударила поредното затишие в темповете на напредък. „Това е големият въпрос: самолетът във вида си вече е зряла технология?“, Казва кураторът на NASM Джеръми Кини. „Авиокомпаниите се справят много добре с самолети с широк корпус и турбомашини, превозващи стотици хора, а военните по същество иновации. Има ли дори следващо плато? “

Инженерите се надяват така. „Разбира се, достигнахме определено ниво на зрялост през последната част на 20-ти век, което някои виждат като плато, същото като през 30-те“, казва Андерсън Смитсониън, бивш председател на Аерокосмическия университет в Мериленд Инженерен отдел. „Вярвам, че това е платформа, от която ще скочим и ще видим драматичен напредък.“ В допълнение към подобренията в ефективността и производителността на съществуващите самолети, технологичните усъвършенствания скоро могат да позволят невероятни постижения: „fly-by-wire“ системи, които поддържат самолет на височина с едно изстрелвано крило, намаляване или дори премахване на звукови стрели и безпилотен самолет, способен на драматични маневри, които биха убили пилот.

Любопитното е, че някои от най-модерните изследвания, които се правят в момента, имат поразителна прилика с иновациите, които Wrights правят преди повече от век. В центъра за изследване на полета на НАСА в Едуардс, Калифорния, инженерите в Програмата за активно аероеластично крило са оборудвали изтребител F / A-18 Hornet с по-гъвкави крила, които тестват възможностите на аероеластичния дизайн на крилото - по същество версия на крилото на Wrights - изкривяване, макар и използващо много усъвършенствани компютърни системи, за да накара крилата да променят формата си със свръхзвукови скорости. Аероеластичните крила правят подвижни, банкови завои са възможни чрез усукване на самото крило, подобряване на производителността при свръхзвукови скорости. „Много малко птици летят с елерони или предни крайници, “ извиква Дик Еуърс, тест-пилот на НАСА по проекта. Вместо това, казва той, птиците променят формата на крилата си, в зависимост от това колко бързо или бавно вървят и дали се обръщат, катерят, гмуркат или вият. "Самолетите харчат много тежест и пари, правейки криле твърди", продължава той. Аероеластичното крило в крайна сметка ще премахне клапите и ще премести самолета, променяйки формата на самото крило, той прогнозира: "Вместо да затегне крилото, искаме да го оставим гъвкав и да се възползваме от него. "

Лого на Стогодишнината на полета в самолета на прототипа гордо известява забележителната връзка на проекта с традицията. Самолетите на бъдещето може да споделят вдъхновение с Wrights, които успешно ръководят своя Flyer в три измерения, като изместват формата на крилата си. „Сто години по-късно можем да открием, че отговорите на братя Райт бяха по-правилни аеродинамично, отколкото това, с което живеем 80 години“, казва Дейв Ворачек, главен инженер на проекта. „Наистина влязохме в пълен кръг.“