Las primeras máquinas voladoras incluyen todas las formas de aeronaves estudiadas o construidas antes del desarrollo del avión moderno. Una vez que se había alcanzado la potencia, se había logrado un vuelo controlado, todavía era necesario progresar para crear una máquina voladora práctica para uso general. Este período previo a la Primera Guerra Mundial a veces se llama la era pionera de la aviación.

Los hermanos Wright
Los Wright resolvieron tanto el control como los problemas de poder que enfrentaron los pioneros aeronáuticos. Inventaron el control de balanceo usando ala de alabeo y rollo combinado con control de guiñada simultáneo utilizando un timón trasero direccionable. Aunque el ala-warping como un medio de control de balanceo se usó solo brevemente durante la historia temprana de la aviación, la innovación de combinar el control de balanceo y guiñada fue un avance fundamental en el control de vuelo. Para el control del paso, los Wright usaron un elevador delantero (canard), otro elemento de diseño que luego quedó anticuado.

Los Wright realizaron rigurosas pruebas en el túnel de viento de superficies aerodinámicas y pruebas de vuelo de planeadores de tamaño completo. No solo construyeron un avión propulsado que funcione, el Wright Flyer, sino que también avanzaron significativamente en la ciencia de la ingeniería aeronáutica.

Se concentraron en la controlabilidad de las aeronaves sin motor antes de intentar volar un diseño con motor. De 1900 a 1902, construyeron y volaron una serie de tres planeadores. Los primeros dos fueron mucho menos eficientes de lo que esperaban los Wright, basados ​​en experimentos y escritos de sus predecesores del siglo XIX. Su planeador de 1900 tenía solo la mitad del empuje que esperaban, y el planeador de 1901 funcionaba aún peor, hasta que modificaciones improvisadas lo hicieron útil.

Buscando respuestas, Wright construyó su propio túnel de viento y lo equipó con un sofisticado dispositivo de medición para calcular la sustentación y el arrastre de 200 diseños diferentes de ala de tamaño modelo que crearon. Como resultado, los Wright corrigieron los errores anteriores en los cálculos de levantamiento y arrastre y usaron este conocimiento para construir su planeador 1902, el tercero de la serie. Se convirtió en la primera máquina voladora tripulada, más pesada que el aire, mecánicamente controlable en los tres ejes: cabeceo, balanceo y guiñada. Su diseño pionero también incluyó alas con una relación de aspecto más alta que los planeadores anteriores. Los hermanos volaron con éxito el planeador 1902 cientos de veces, y funcionó mucho mejor que sus dos versiones anteriores.

Para obtener la potencia adecuada para su Flyer impulsado por motor, Wright diseñó y construyó un motor de combustión interna de baja potencia. Utilizando sus datos de túnel de viento, diseñaron y tallaron hélices de madera que eran más eficientes que ninguna otra antes, lo que les permitió obtener el rendimiento adecuado de su baja potencia del motor. El diseño del Flyer también fue influenciado por el deseo de los Wright de aprender a volar con seguridad sin riesgos irrazonables para la vida y la integridad física, y para hacer que los choques puedan sobrevivir. La potencia limitada del motor resultó en bajas velocidades de vuelo y la necesidad de despegar en un viento en contra.

Según la Smithsonian Institution y la Fédération Aéronautique Internationale (FAI), Wrights realizó el primer vuelo tripulado sostenido, controlado y con motor pesado en Kill Devil Hills, Carolina del Norte, 4 millas (6,4 km) al sur de Kitty Hawk, North Carolina el 17 de diciembre de 1903. El primer vuelo de Orville Wright, de 120 pies (37 m) en 12 segundos, se registró en una fotografía famosa. En el cuarto vuelo del mismo día, Wilbur Wright voló 852 pies (260 m) en 59 segundos. El análisis moderno realizado por el profesor Fred EC Culick y Henry R. Rex (1985) ha demostrado que el Wright Flyer de 1903 era tan inestable que casi nadie lo podía manejar, excepto los Wright, que se habían entrenado en el planeador de 1902.

Los Wright continuaron desarrollando sus máquinas voladoras y volaron en Huffman Prairie cerca de Dayton, Ohio en 1904-05. Después de un accidente en 1905, reconstruyeron el Flyer III e hicieron importantes cambios de diseño. Casi doblaron el tamaño del elevador y el timón y los movieron aproximadamente el doble de la distancia de las alas. Agregaron dos paletas verticales fijas (llamadas «luces intermitentes») entre los ascensores, y les dieron a las alas un diedro muy ligero. Desconectaron el timón del control de deformación del ala y, como en todos los aviones futuros, lo colocaron en una palanca de control separada. El Flyer III se convirtió en el primer avión práctico (aunque sin ruedas y con un dispositivo de lanzamiento), volando consistentemente bajo control total y llevando a su piloto de regreso al punto de partida de forma segura y aterrizando sin daños. El 5 de octubre de 1905, Wilbur voló 24 millas (39 km) en 39 minutos 23 segundos «.

Eventualmente, los Wright abandonarían por completo el foreplane, con el Modelo B de 1910 que, en cambio, tenía un avión de cola de la manera que para entonces se estaba volviendo convencional.

Según el número de abril de 1907 de la revista Scientific American, los hermanos Wright parecían tener el conocimiento más avanzado de navegación más pesada que el aire en ese momento. Sin embargo, la misma edición de la revista también afirmó que no se había realizado ningún vuelo público en los Estados Unidos antes de su edición de abril de 1907. Por lo tanto, diseñaron el Trofeo Aeronáutico Científico Americano con el fin de fomentar el desarrollo de una máquina voladora más pesada que el aire.

El primer avión práctico
Una vez que se había alcanzado la potencia, se había logrado un vuelo controlado, todavía era necesario progresar para crear una máquina voladora práctica para uso general. Este período previo a la Primera Guerra Mundial a veces se llama la era pionera de la aviación.

Poder confiable
La historia del vuelo con motor temprano es en gran medida la historia de la construcción del motor temprano. Los Wright diseñaron sus propios motores. Utilizaron un solo motor de vuelo, un motor de cuatro cilindros en línea refrigerado por agua de 12 caballos de fuerza (8,9 kW) con cinco cojinetes principales e inyección de combustible. La nave de Whitehead estaba propulsada por dos motores de su diseño: un motor de 10 caballos de fuerza (7,5 kW) que impulsaba las ruedas delanteras en un esfuerzo por alcanzar la velocidad de despegue y un motor de acetileno de 20 caballos de fuerza (15 kW) alimentando las hélices. Whitehead era un maquinista con experiencia, y se informa que recaudó fondos para su avión fabricando y vendiendo motores a otros aviadores. La mayoría de los primeros motores no eran lo suficientemente potentes ni fiables para su uso práctico, y el desarrollo de motores mejorados iba de la mano con mejoras en los propios fuselajes.

En Europa, el ejemplo pionero de Léon Levavasseur Antoinette 8V del formato de motor V-8, patentado por primera vez en 1902, dominó el vuelo durante varios años después de que se introdujo en 1906, impulsando muchas naves notables de esa época. Al incorporar inyección directa de combustible, enfriamiento con agua evaporativa y otras características avanzadas, generó alrededor de 50 caballos de fuerza (37 kW).

El British Green C.4 de 1908 siguió el patrón de Wright de un diseño de cuatro cilindros en línea refrigerado por agua, pero produjo 52 caballos de fuerza (39 kW). Impulsó muchos aviones pioneros exitosos, incluidos los de AV Roe.

También se produjeron diseños horizontalmente opuestos. El Havilland Iris de cuatro cilindros refrigerado por agua logró 45 caballos de fuerza (34 kW) pero fue poco utilizado, mientras que el exitoso diseño Nieuport de dos cilindros logró 28 hp (21 kW) en 1910.

En 1909, las formas radiales de los motores cobraron importancia. El motor semi-radial o de ventilador de tres cilindros Anzani de 1909 (también construido en una verdadera forma radial de cilindro de 120 °) desarrolló solo 25 caballos de fuerza (19 kW) pero era mucho más ligero que el Antoinette, y fue elegido por Louis Blériot para su vuelo a través del canal. Más radical fue la serie de motores radiales rotativos Gnôme de los hermanos Seguin, protagonizada por el motor rotativo de siete cilindros refrigerado por aire Gnome Omega de 50 caballos de fuerza (37 kW) en 1906. En un motor rotativo, el cigüeñal está fijado al fuselaje y al toda la carcasa del motor y los cilindros giran con la hélice. Aunque este tipo había sido introducido ya en 1887 por Lawrence Hargrave, las mejoras hechas al Gnome crearon un diseño robusto, relativamente confiable y liviano que revolucionó la aviación y que vería un desarrollo continuo durante los próximos diez años. Se introdujo combustible en cada cilindro directamente desde el cárter, lo que significa que solo se requirió una válvula de escape. El más grande y más potente de nueve cilindros, 80 caballos de fuerza Le Rhône 9C rotatorio se introdujo en 1913 y fue ampliamente adoptado para uso militar.

Los tipos en línea y en V seguían siendo populares, y la compañía alemana Mercedes producía una serie de modelos de seis cilindros refrigerados por agua. En 1913, introdujeron la muy exitosa serie DI de 75 kilovatios (101 hp).

Elevación y eficiencia
La ligereza y la fuerza del biplano se ven compensadas por la ineficiencia inherente al colocar dos alas muy juntas. Los diseños de biplano y monoplano compitieron entre sí, con ambos aún en producción por el estallido de la guerra en 1914.

Un desarrollo notable, aunque fue un fracaso, fue el primer monoplano en voladizo jamás construido. El Antoinette Monobloc de 1911 tenía una cabina totalmente cerrada y un tren de aterrizaje blindado, pero la potencia de 50 caballos de fuerza (37 kW) del motor V-8 no era suficiente para volar a más de unos pocos pies como máximo. Más exitoso fue el monoplano reforzado Deperdussin, que ganó la carrera inaugural del Trofeo Schneider de 1913 pilotada por Maurice Prévost, completando 28 circuitos del recorrido de 10 km (6.2 millas) con una velocidad promedio de 73.63 kilómetros por hora (45.75 mph).

Triplanes también experimentó con, en particular una serie construida entre 1909 y 1910 por el pionero británico AV Roe. Yendo mejor con cuatro alas, el cuadruplano también hizo apariciones raras. El Multiplano, que tiene un gran número de alas muy delgadas, también fue experimentado con más éxito por Horatio Phillips. Su último prototipo confirmó la ineficiencia y el bajo rendimiento de la idea.

También se estaban probando otros enfoques radicales al diseño de alas. El inventor nacido en Escocia Alexander Graham Bell ideó una forma de ala octaédrica celular que, como el multilínea, resultó decepcionantemente ineficiente. Otros artistas deslucidos incluyen el Edwards Rhomboidal, el ala anular Lee-Richards y el número variable de alas una tras otra en tándem.

Muchas de estas primeras formas experimentales fueron en principio bastante prácticas y desde entonces han reaparecido.

Estabilidad y control
Los primeros trabajos se habían centrado primordialmente en hacer que una nave fuera lo suficientemente estable como para volar, pero no para ofrecer una capacidad de control total, mientras que los Wright sacrificaron la estabilidad para hacer que su Flyer fuera totalmente controlable. Un avión práctico requiere ambos. Aunque la estabilidad se había logrado mediante varios diseños, los principios no se entendían completamente y el progreso era errático. El alerón reemplazó lentamente el ala de alabeo por el control lateral, aunque los diseñadores algunas veces, al igual que Blériot XI, volvieron brevemente al ala deformado. De forma similar, las superficies de la cola que volaban hacia adentro dieron paso a estabilizadores fijos con superficies de control articuladas unidas. La configuración del empujador de canard de los primeros Wright Flyers fue suplantada por diseños de aviones de hélice de tractor.

En Francia, el progreso fue relativamente rápido.
En 1906, el brasileño Alberto Santos-Dumont realizó vuelos públicos en Francia con su 14-bis. Biplano empujador de canard con pronunciado diedro de ala, tenía un ala de caja de estilo Hargrave con un ensamblaje «boxkite» montado hacia delante que era móvil para actuar como elevador y como timón. Luego agregó superficies auxiliares entre las alas como alerones primitivos para proporcionar control lateral. Su vuelo fue el primero realizado por una máquina con motor más pesado que el Aéro-Club de France, y ganó el Premio Deutsch-Archdeacon por el primer vuelo oficialmente observado de más de 25 metros (82 pies). Más tarde estableció el primer récord mundial reconocido por la Federación Aeronáutica Internacional al volar 220 metros (720 pies) en 21.5 segundos.

Al año siguiente, Louis Blériot voló el Blériot VII, un monoplano tractor con control completo de tres ejes utilizando las superficies de cola horizontales como ascensores y alerones combinados. Su descendiente inmediato, el Blériot VIII, fue el primer fuselaje que reunió los elementos reconocibles del moderno sistema de control de vuelo de la aeronave en abril de 1908. Cuando Horatio Phillips y Traian Vuia fallaron, Blériot’s fue el primer monoplano de tractor y marcó el comienzo de una tendencia en la aviación francesa. Para 1909, había desarrollado esta configuración hasta el punto en que el Blériot XI pudo cruzar el Canal de la Mancha, entre otros refinamientos que usaban las superficies de la cola solo como ascensores y usaban ala para el control lateral. Otro diseño que apareció en 1907 fue el Voisin biplane. Esto carecía de cualquier disposición para el control lateral, y solo podía hacer giros poco profundos usando solo control de timón, pero fue volado con mayor éxito durante el año por Henri Farman, y el 13 de enero de 1908 ganó el Gran Premio Deutsch de la Meurthe-Archdeacon de 50,000 francos. de l’Aviation por ser el primer aviador en completar un vuelo de circuito cerrado de 1 kilómetro observado oficialmente, que incluye despegar y aterrizar bajo la propia potencia de la aeronave.

Los diseños del pionero francés Léon Levavasseur se conocen mejor con el nombre de la empresa Antoinette que fundó. Su Antoinette IV de 1908 era un monoplano de lo que ahora es la configuración convencional, con cola y aleta cada uno teniendo superficies de control móviles, y alerones en las alas. Los alerones no fueron lo suficientemente efectivos y en modelos posteriores fueron reemplazados por alabeo.

A finales de 1908, los hermanos Voisin vendieron un avión encargado por Henri Farman a JTC Moore-Brabazon. Enfadado, Farman construyó su propio avión, adaptando el diseño de Voisin añadiendo alerones. Después de otras modificaciones a las superficies de la cola y los alerones, el Farman III se convirtió en el avión más popular vendido entre 1909 y 1911, y fue ampliamente imitado. En Gran Bretaña, el expatriado estadounidense Samuel Cody voló un avión similar en diseño al volante Wright en 1908, incorporando un avión de cola y un gran elevador delantero. En 1910, un modelo mejorado equipado con alerones entre alas ganó la competencia de la Copa Michelin, mientras que el segundo avión estilo Farman de Geoffrey de Havilland tenía alerones en el ala superior y se convirtió en la Royal Aircraft Factory FE1. El Bristol Boxkite, una copia del Farman III, se fabricó en cantidad. En los Estados Unidos, Glenn Curtiss había volado primero el AEA June Bug y luego su Golden Flyer, que en 1910 logró el primer aterrizaje y despegue de la plataforma naval. Mientras tanto, los Wright también habían estado luchando con el problema de lograr tanto la estabilidad como el control, experimentando aún más con el planeador antes de agregar primero un segundo avión pequeño en la cola y finalmente finalmente quitar el planeador. Anunciaron su modelo B de dos asientos en 1910 y lo licenciaron para la producción en 1911 como el modelo F. de Burgess.

Se probaron muchos otros diseños más radicales, y solo unos pocos mostraron alguna promesa. En el Reino Unido, JW Dunne desarrolló una serie de diseños de empuje sin cola que tenían alas levantadas con una superficie superior cónica. Su D.5 biplano voló en 1910 y demostró ser completamente estable. Dunne evitó deliberadamente el control total de tres ejes, ideando en su lugar un sistema que era más fácil de operar y que consideraba mucho más seguro en la práctica. El sistema de Dunne no sería ampliamente adoptado. Su diseño sin cola alcanzó su pico con el D.8 que fue fabricado bajo licencia en Francia por Nieuport y en los Estados Unidos como el Burgess-Dunne, sin embargo fue rechazado como un avión de guerra práctico por el ejército británico, en el que Dunne era un oficial, porque era demasiado estable y por lo tanto no lo suficientemente maniobrable en la batalla.

Hidroaviones
1901 en Austria, Wilhelm Kress no puede despegar en su Drachenflieger de poca potencia, un hidroavión con dos pontones hechos de aluminio y tres alas en tándem.

1910 en Francia, Henri Fabre realiza el primer vuelo en hidroavión en su Hydravion. Era un monoplano con un planeador biplano y tres flotadores cortos en el diseño de triciclo.

1912 El primer transportista de hidroaviones del mundo, Foudre de la marina francesa, embarca su primer hidroavión, un Voisin Canard.

Un problema con los primeros hidroaviones fue la tendencia a la succión entre el agua y la aeronave a medida que aumentaba la velocidad, deteniendo la aeronave e impidiendo el despegue. El diseñador británico John Cyril Porte inventó la técnica de colocar un escalón en la parte inferior del avión para romper la succión, y esto se incorporó en el Curtiss Model H. 1914.

Uso militar
En 1909 los aviones permanecieron frágiles y de poco uso práctico. La potencia limitada del motor disponible significaba que la carga útil efectiva era extremadamente limitada. La tecnología estructural y de materiales básica de los fuselajes consistía principalmente en materiales de madera dura o tubos de acero, reforzados con alambres de acero y cubiertos con tela de lino dopada con un rigidizador y sellador inflamable. La necesidad de ahorrar peso significaba que la mayoría de los aviones eran estructuralmente frágiles, y no pocas veces se rompían en vuelo, especialmente al realizar maniobras violentas, como salir de una inmersión empinada, lo que sería necesario en el combate.

Sin embargo, se reconoció que estas máquinas voladoras en evolución no eran solo juguetes, sino armas en construcción. En 1909, el funcionario italiano Giulio Douhet comentó:

El cielo está a punto de convertirse en otro campo de batalla no menos importante que los campos de batalla en tierra y mar … Para conquistar el aire, es necesario privar al enemigo de todos los medios de volar, golpeándolo en el aire, en sus bases de operaciones, o en sus centros de producción. Es mejor que nos acostumbremos a esta idea y nos preparemos.

– Giulio Douhet (oficial de personal italiano), 1909
En 1911, el capitán Bertram Dickson, primer oficial del ejército británico en volar y el primer oficial militar británico en realizar una misión de reconocimiento aéreo en un avión de ala fija durante maniobras militares en 1910, predijo el uso militar de aviones y el posterior desarrollo y escalada de combate aéreo en una presentación al Subcomité Técnico del Reino Unido para la Defensa Imperial.

Los misiles fueron lanzados desde un avión por primera vez cuando el teniente del ejército estadounidense Paul W. Beck arrojó bolsas de arena simulando bombas sobre Los Ángeles, California.

Los aviones se usaron por primera vez en la guerra durante la guerra italo-turca de 1911-1912. El primer uso operacional tuvo lugar el 23 de octubre de 1911, cuando el Capitán Carlo Piazza hizo un vuelo cerca de Benghazi en Blériot XI. El primer bombardeo aéreo siguió poco después el 1 de noviembre, cuando el segundo teniente Giulio Gavotti arrojó cuatro bombas en dos oasis de los turcos. El primer vuelo de reconocimiento fotográfico tuvo lugar en marzo de 1912, también pilotado por el Capitán Piazza.

Algunos tipos desarrollados durante este período verían el servicio militar en, o incluso durante la Primera Guerra Mundial. Estos incluyen Etrich Taube de 1910, Fokker Spin de 1911, Royal Aircraft Factory BE.2, Sopwith Tabloid / Schneider y una variedad de tipos obsoletos. que se usaría para el entrenamiento de pilotos. El Sikorsky Ilya Muromets fue el primer avión de cuatro motores en entrar en producción y el más grande de su día, el primer prototipo volando en 1914 justo antes del estallido de la guerra. El tipo continuaría para ver el servicio tanto en funciones de bombardero como de transporte.

Helicópteros
Los primeros trabajos sobre la elevación del rotor impulsado fueron seguidos por investigadores posteriores, independientemente del desarrollo de aviones de ala fija.

En el siglo XIX, en Francia, se estableció una asociación para colaborar en el diseño de helicópteros, de los cuales había muchos. En 1863, Gustave de Ponton d’Amécourt construyó un modelo utilizando los rotores contrarrotatorios establecidos. Inicialmente impulsado por vapor, falló, pero una versión de reloj sí lo hizo. Otros diseños, que abarcan una amplia variedad de formas, incluyen Pomés y De la Pauze (1871), Pénaud, Achenbach (1874), Dieuaide (1887), Melikoff (1877), Forlanini (1877), Castel (1878) y Dandrieux ( 1878-79). De estos, el modelo contra-rotativo impulsado por vapor de Forlanini voló durante 20 segundos, alcanzando una altura de 13 metros (43 pies), y el modelo impulsado por caucho de Dandrieux también voló.

El padre de Hiram Maxim concibió un helicóptero impulsado por dos rotores contrarrotativos, pero no pudo encontrar un motor suficientemente potente para construirlo. Hiram mismo esbozó los planes para un helicóptero en 1872 antes de centrar su atención en el vuelo de ala fija.

En 1907, el giroplano francés Breguet-Richet No. 1 despegó en un vuelo de prueba «amarrado», convirtiéndose en el primer helicóptero tripulado en levantarse del suelo. Se elevó unos 60 centímetros (24 pulgadas) y se mantuvo suspendido durante un minuto. Sin embargo, el vuelo demostró ser extremadamente inestable.

Dos meses más tarde, en Lisenux, Francia, Paul Cornu realizó el primer vuelo libre en una nave con alas rotativas tripuladas en su helicóptero Cornu, que se elevó a 30 centímetros (12 pulgadas) y permaneció en el aire durante 20 segundos.