As primeiras máquinas voadoras incluem todas as formas de aeronaves estudadas ou construídas antes do desenvolvimento do avião moderno. Uma vez acionado, o vôo controlado havia sido alcançado, o progresso ainda era necessário para criar uma máquina voadora prática para uso geral. Esse período que antecedeu a Primeira Guerra Mundial é às vezes chamado de era pioneira da aviação.

Os irmãos Wright
Os Wrights resolveram tanto os problemas de controle quanto os de energia que confrontavam os pioneiros aeronáuticos. Eles inventaram o controle de rolagem usando o empenamento das asas e o rolamento combinado com o controle de guinada simultâneo usando um leme traseiro direcionável. Embora a deformação das asas como um meio de controle de rolagem tenha sido usada apenas brevemente durante o início da história da aviação, a inovação da combinação do controle de rolagem e guinada foi um avanço fundamental no controle de vôo. Para controle de arremesso, os Wrights usaram um elevador para a frente (canard), outro elemento de design que mais tarde ficou fora de moda.

Os Wrights fizeram testes rigorosos em aerofólios e testes de voo de planadores em tamanho real. Eles não apenas construíram uma aeronave com motor, o Wright Flyer, mas também avançaram significativamente a ciência da engenharia aeronáutica.

Eles se concentraram na controlabilidade de aeronaves não motorizadas antes de tentar voar com um projeto energizado. De 1900 a 1902, eles construíram e voaram uma série de três planadores. Os dois primeiros foram muito menos eficientes do que os esperados, com base em experimentos e escritos de seus antecessores do século XIX. Seu planador de 1900 tinha apenas cerca de metade do levantamento que eles anteciparam, e o planador de 1901 teve um desempenho ainda pior, até que modificações improvisadas o tornaram útil.

Buscando respostas, os Wrights construíram seu próprio túnel de vento e o equiparam com um dispositivo de medição sofisticado para calcular o levantamento e o arrasto de 200 designs de asas de tamanho de modelo diferentes que eles criaram. Como resultado, os Wrights corrigiram erros anteriores em cálculos de levantamento e arrasto e usaram esse conhecimento para construir seu planador de 1902, terceiro da série. Tornou-se a primeira máquina voadora tripulada, mais pesada que o ar, que era mecanicamente controlável em todos os três eixos: inclinação, rotação e guinada. Seu design pioneiro também incluiu asas com maior proporção do que os planadores anteriores. Os irmãos voaram com sucesso o planador de 1902 centenas de vezes, e ele teve um desempenho muito melhor do que suas duas versões anteriores.

Para obter potência adequada para o seu motorizado Flyer, o Wrights projetou e construiu um motor de combustão interna de baixa potência. Usando seus dados de túnel de vento, eles projetaram e esculpiram hélices de madeira que eram mais eficientes do que qualquer outra antes, permitindo-lhes obter desempenho adequado a partir de sua baixa potência de motor. O design do Flyers também foi influenciado pelo desejo dos Wrights de aprender a voar com segurança sem risco insensato à vida e à integridade física e a tornar as colisões resistentes. A potência limitada do motor resultou em baixas velocidades de vôo e a necessidade de decolar.

De acordo com a Smithsonian Institution e a Fédération Aeronutique Internationale (FAI), os Wrights fizeram o primeiro voo tripulado sustentado, controlado e pesado em Kill Devil Hills, Carolina do Norte, a 6,4 km ao sul de Kitty Hawk, North. Carolina em 17 de dezembro de 1903. O primeiro voo de Orville Wright, de 120 pés (37 m) em 12 segundos, foi registrado em uma fotografia famosa. No quarto voo do mesmo dia, Wilbur Wright voou 852 pés (260 m) em 59 segundos. A análise moderna feita pelo professor Fred EC Culick e Henry R. Rex (1985) demonstrou que o Wright Flyer de 1903 era tão instável que quase não podia ser gerenciado por ninguém além dos Wright, que haviam se treinado no planador de 1902.

Os Wrights continuaram desenvolvendo suas máquinas voadoras e voando na Huffman Prairie perto de Dayton, Ohio em 1904–05. Depois de uma queda em 1905, eles reconstruíram o Flyer III e fizeram importantes mudanças no design. Eles quase dobraram o tamanho do elevador e do leme e os moveram duas vezes a distância das asas. Eles adicionaram duas palhetas verticais fixas (chamadas de “piscas”) entre os elevadores e deram às asas um diédrico muito leve. Eles desligaram o leme do controle de desvio de asas e, como em todas as futuras aeronaves, colocaram-no em uma alavanca de controle separada. O Flyer III tornou-se a primeira aeronave prática (embora sem rodas e usando um dispositivo de lançamento), voando consistentemente sob controle total e trazendo seu piloto de volta ao ponto de partida com segurança e aterrissando sem danos. Em 5 de outubro de 1905, Wilbur voou 24 milhas (39 km) em 39 minutos e 23 segundos “.

Eventualmente, os Wrights abandonariam completamente o anteparo, com o Modelo B de 1910 em vez de ter um plano de cauda da maneira que estava então se tornando convencional.

De acordo com a edição de abril de 1907 da revista Scientific American, os irmãos Wright pareciam ter o conhecimento mais avançado de navegação mais pesada que o ar na época. No entanto, a mesma edição da revista também afirmou que nenhum vôo público havia sido feito nos Estados Unidos antes de sua edição de abril de 1907. Assim, eles criaram o Troféu Aeronáutico da Scientific American para estimular o desenvolvimento de uma máquina voadora mais pesada que o ar.

A primeira aeronave prática
Uma vez acionado, o vôo controlado havia sido alcançado, o progresso ainda era necessário para criar uma máquina voadora prática para uso geral. Esse período que antecedeu a Primeira Guerra Mundial é às vezes chamado de era pioneira da aviação.

Poder confiável
A história do voo motorizado inicial é muito a história da construção inicial do motor. Os Wrights projetaram seus próprios motores. Eles usaram um único motor de vôo, um tipo inline de quatro cilindros refrigerado a água de 12 cavalos de potência (8,9 kW) com cinco mancais principais e injeção de combustível. O veículo de Whitehead era movido por dois motores de seu projeto: um motor de 10 cavalos de potência (7,5 kW) que impulsionava as rodas dianteiras em um esforço para atingir a velocidade de decolagem e um motor de acetileno de 20 cavalos (15 kW) acionando as hélices. Whitehead era um maquinista experiente, e ele teria levantado fundos para suas aeronaves fabricando e vendendo motores para outros aviadores. A maioria dos motores antigos não era nem potente nem confiável o suficiente para uso prático, e o desenvolvimento de motores melhorados caminhava lado a lado com melhorias nas próprias fuselagens.

Na Europa, o exemplo pioneiro Antoinette 8V de Léon Levavasseur do formato do motor V-8, patenteado pela primeira vez em 1902, dominou o vôo por vários anos depois de ter sido introduzido em 1906, alimentando muitos ofícios notáveis ​​da época. Incorporando injeção direta de combustível, resfriamento por água evaporativa e outros recursos avançados, gerou cerca de 50 cavalos de potência (37 kW).

O British Green C.4 de 1908 seguiu o padrão Wright de um design de quatro cilindros inline refrigerado a água, mas produziu 52 cavalos de potência (39 kW). Ele forneceu muitos aviões pioneiros de sucesso, incluindo os da AV Roe.

Projetos horizontais opostos também foram produzidos. O De Havilland Iris de quatro cilindros refrigerado a água alcançou 45 cavalos de potência (34 kW), mas foi pouco usado, enquanto o bem-sucedido design de dois cilindros do Nieuport alcançou 28 cv (21 kW) em 1910.

Em 1909, as formas de motores radiais alcançaram significância. O motor semi-radial ou ventilador Anzani de 3 cilindros de 1909 (também construído em um formato de ângulo cilíndrico de 120 °) desenvolveu apenas 25 cavalos de potência (19 kW), mas foi muito mais leve que o Antoinette e foi escolhido por Louis Blériot para seu voo através do canal. Mais radical foi a série de motores radiais rotativos Gnôme dos irmãos Seguin, estrelando com o motor rotativo Gnome Omega de 50 cavalos (37 kW) refrigerado a ar de sete cilindros em 1906. Em um motor rotativo, o virabrequim é fixado à estrutura da aeronave. carcaça inteira do motor e cilindros giram com a hélice. Embora esse tipo tenha sido introduzido já em 1887 por Lawrence Hargrave, as melhorias feitas no Gnome criaram um design robusto, relativamente confiável e leve, que revolucionou a aviação e veria um desenvolvimento contínuo nos próximos dez anos. O combustível foi introduzido em cada cilindro diretamente do cárter, o que significa que apenas uma válvula de escape era necessária. O maior e mais potente rotor Le Rhône 9C de nove cilindros e 80 cavalos de potência foi introduzido em 1913 e foi amplamente adotado para uso militar.

Os tipos Inline e Vee permaneceram populares, com a empresa alemã Mercedes produzindo uma série de modelos de seis cilindros refrigerados a água. Em 1913, eles introduziram a bem sucedida série de 75 kilowatts (101 hp) DI.

Levante e eficiência
A leveza e força do biplano é compensada pela ineficiência inerente em colocar duas asas tão próximas umas das outras. Os projetos biplano e monoplano competiam entre si, com os dois ainda em produção pela eclosão da guerra em 1914.

Um desenvolvimento notável, embora um fracasso, foi o primeiro monoplano cantilever já construído. O Monobloco Antoinette de 1911 tinha um material rodante completamente fechado e com carroceria, mas a potência de 50 cavalos (37 kW) do seu motor V8 não era suficiente para voar por mais de alguns metros no máximo. Mais bem sucedido foi o monoplano de Deperdussin, que venceu a corrida inaugural de 1913 do Schneider Trophy pilotada por Maurice Prévost, completando 28 circuitos do percurso de 10 km com uma velocidade média de 73,63 km / h.

Triplanos também foram experimentados, notavelmente uma série construída entre 1909 e 1910 pelo pioneiro britânico AV Roe. Indo um melhor com quatro asas o quadruplano também fez aparições raras. O Multiplane, tendo um grande número de asas muito finas, também foi experimentado com sucesso por Horatio Phillips. Seu protótipo final confirmou a ineficiência e o fraco desempenho da ideia.

Outras abordagens radicais para o design das asas também estavam sendo testadas. O inventor escocês Alexander Graham Bell desenvolveu uma forma de asa octaédrica celular que, como o multiplano, provou ser decepcionantemente ineficiente. Outros artistas sem brilho incluíam o Edwards Rhomboidal, a asa anular de Lee-Richards e vários números de asas uma após a outra em conjunto.

Muitas dessas primeiras formas experimentais eram, em princípio, bastante práticas e, desde então, reapareceram.

Estabilidade e controle
O trabalho inicial tinha se concentrado primordialmente em tornar uma embarcação estável o suficiente para voar, mas falhou em oferecer total controlabilidade, enquanto os Wrights sacrificaram a estabilidade a fim de tornar seu Flyer totalmente controlável. Uma aeronave prática requer ambos. Embora a estabilidade tenha sido alcançada por vários projetos, os princípios não foram totalmente compreendidos e o progresso foi errático. O aileron substituiu lentamente a deformação das asas pelo controle lateral, embora os projetistas às vezes, assim como o Blériot XI, retornassem brevemente à deformação das asas. Da mesma forma, todas as superfícies da cauda foram substituídas por estabilizadores fixos com superfícies de controle articuladas conectadas. A configuração do empurrador canard dos primeiros Wright Flyers foi substituída por projetos de aeronaves de hélice de trator.

Na França, o progresso foi relativamente rápido.
Em 1906, o brasileiro Alberto Santos-Dumont realizou vôos públicos na França com seu 14-bis. Um biplano de empurrador canard com pronunciada asa diédrica, tinha uma asa de célula tipo caixa Hargrave com um conjunto “boxkite” montado na frente que era móvel para atuar tanto como elevador quanto como leme. Mais tarde, ele adicionou superfícies auxiliares entre as asas como ailerons primitivos para fornecer controle lateral. Seu vôo foi o primeiro feito por uma máquina mais pesada que o ar a ser verificada pelo Aéro-Club de France, e ganhou o Prêmio Deutsch-Archdeacon pelo primeiro vôo oficialmente observado de mais de 25 metros (82 pés). Mais tarde, estabeleceu o primeiro recorde mundial reconhecido pela Federação Aeronáutica Internacional, voando 220 metros (720 pés) em 21,5 segundos.

No ano seguinte, Louis Blériot voou o Blériot VII, um monoplano de trator com controle completo de três eixos usando as superfícies horizontais da cauda como elevadores e ailerons combinados. Seu descendente imediato, o Blériot VIII, foi a primeira estrutura a reunir os elementos reconhecíveis do moderno sistema de controle de vôo em abril de 1908. Onde Horatio Phillips e Traian Vuia falharam, Blériot foi o primeiro monoplano de trator prático e marcou o início de uma tendência na aviação francesa. Em 1909, ele desenvolveu essa configuração até o ponto em que o Blériot XI foi capaz de atravessar o Canal da Mancha, entre outros refinamentos usando as superfícies da cauda apenas como elevadores e usando a deformação das asas para o controle lateral. Outro projeto que apareceu em 1907 foi o biplano Voisin. Isso faltava qualquer provisão para controle lateral, e só podia fazer curvas rasas usando apenas o controle do leme, mas teve sucesso crescente durante o ano por Henri Farman, e em 13 de janeiro de 1908 ele ganhou os 50.000 francos Deutsch de la Meurthe-Archdeacon Grand Prix de l’Aviation por ser o primeiro aviador a completar um vôo em circuito fechado oficialmente observado de 1 km, incluindo decolagem e pouso sob o próprio poder da aeronave.

Os desenhos do pioneiro francês Léon Levavasseur são mais conhecidos pelo nome da empresa Antoinette que ele fundou. Seu Antoinette IV de 1908 era um monoplano do que é agora a configuração convencional, com o tailplane e o fin cada um suportando superfícies de controle móveis e ailerons nas asas. Os ailerons não foram suficientemente eficazes e em modelos posteriores foram substituídos por deformação das asas.

No final de 1908, os irmãos Voisin venderam uma aeronave encomendada por Henri Farman ao JTC Moore-Brabazon. Irritado, Farman construiu sua própria aeronave, adaptando o design do Voisin adicionando ailerons. Após novas modificações nas superfícies da cauda e ailerons, o Farman III tornou-se o avião mais popular vendido entre 1909 e 1911, e foi amplamente imitado. Na Grã-Bretanha, o expatriado americano Samuel Cody voou uma aeronave semelhante em layout para o folheto da Wright em 1908, incorporando um tailplane, bem como um grande elevador frontal. Em 1910, um modelo melhorado equipado com ailerons entre as asas venceu a competição da Copa da Michelin, enquanto a segunda aeronave do estilo Farman de Geoffrey de Havilland tinha ailerons na asa superior e se tornou a Royal Aircraft Factory FE1. O Bristol Boxkite, uma cópia do Farman III, foi fabricado em quantidade. Nos EUA, Glenn Curtiss havia pilotado primeiro o AEA June Bug e depois seu Golden Flyer, que em 1910 conseguiu o primeiro pouso e decolagem do convés naval. Enquanto isso, os próprios Wrights também tinham lutado contra o problema de alcançar a estabilidade e o controle, experimentando ainda mais o plano antes de primeiro adicionar um segundo pequeno avião na cauda e finalmente remover o anteparo por completo. Eles anunciaram seu Modelo B de dois lugares em 1910 e licenciou-o para produção em 1911 como o Modelo Burgess F.

Muitos outros layouts mais radicais foram julgados, com apenas alguns mostrando qualquer promessa. No Reino Unido, JW Dunne desenvolveu uma série de projetos de empurradores sem cauda tendo varrido as asas com uma superfície superior cônica. Seu biplano D.5 voou em 1910 e se mostrou totalmente estável. Dunne deliberadamente evitou o controle total de três eixos, inventando um sistema que era mais fácil de operar e que ele considerava muito mais seguro na prática. O sistema de Dunne não seria amplamente adotado. Seu desenho sem cauda atingiu seu auge com o D.8 que foi fabricado sob licença na França por Nieuport e nos EUA como o Burgess-Dunne, no entanto, foi rejeitado como um avião de guerra prático pelo exército britânico, no qual Dunne era um oficial, porque era muito estável e, portanto, não manobrável o suficiente em batalha.

Hidroaviões
Em 1901, na Áustria, Wilhelm Kress não decola em seu Drachenflieger, um hidroavião com pontões duplos feitos de alumínio e três asas em conjunto.

1910 na França, Henri Fabre faz o primeiro vôo de hidroavião em seu Hydravion. Era um monoplano com um anteparo biplano e três flutuadores curtos no layout do triciclo.

1912 A primeira transportadora de hidroaviões do mundo, a Foudre, da Marinha Francesa, embarca seu primeiro hidroavião, o Voisin Canard.

Um problema com os primeiros hidroaviões foi a tendência de sucção entre a água e a aeronave à medida que a velocidade aumentava, mantendo a aeronave parada e impedindo a decolagem. O designer britânico John Cyril Porte inventou a técnica de colocar um degrau no fundo da aeronave para romper a sucção, e isso foi incorporado ao Curtigny Model H. 1914.

Uso militar
Em 1909, os aviões continuaram frágeis e de pouca utilidade prática. A potência limitada do motor disponível significava que a carga efetiva era extremamente limitada. A estrutura básica e a tecnologia de materiais das células consistiam principalmente de materiais de madeira dura ou tubos de aço, apoiados com fios de aço e cobertos com tecido de linho dopado com um enrijecedor e selante inflamável. A necessidade de economizar peso significava que a maioria das aeronaves eram estruturalmente frágeis e, não raro, fragmentadas durante o voo, especialmente ao realizar manobras violentas, como a de um mergulho íngreme, que seria necessário em combate.

No entanto, essas máquinas voadoras em evolução foram reconhecidas não apenas como brinquedos, mas como armas em produção. Em 1909, o oficial da equipe italiana Giulio Douhet observou:

O céu está prestes a se tornar outro campo de batalha não menos importante que os campos de batalha na terra e no mar … Para conquistar o ar, é necessário privar o inimigo de todos os meios de voar, atacando-o no ar, em suas bases de operação, ou em seus centros de produção. É melhor nos acostumarmos a essa ideia e nos prepararmos.

– Giulio Douhet (oficial da equipe italiana), 1909
Em 1911, o capitão Bertram Dickson, o primeiro oficial militar britânico a voar e o primeiro oficial militar britânico a realizar uma missão de reconhecimento aéreo em uma aeronave de asa fixa durante as manobras militares em 1910, previu o uso militar de aeronaves e o conseqüente desenvolvimento e escalada de aeronaves. combate aéreo em submissão ao Subcomitê Técnico de Defesa Imperial do Reino Unido.

Mísseis foram jogados de um avião pela primeira vez quando o tenente do Exército dos Estados Unidos, Paul W. Beck, jogou sacos de areia que simulavam bombas em Los Angeles, na Califórnia.

Os aviões foram usados ​​pela primeira vez na guerra durante a guerra ítalo-turca de 1911-1912. O primeiro uso operacional ocorreu em 23 de outubro de 1911, quando o Capitão Carlo Piazza fez um vôo perto de Benghazi em um Blériot XI. O primeiro bombardeio aéreo ocorreu pouco depois, em 1º de novembro, quando o Segundo-Tenente Giulio Gavotti lançou quatro bombas em dois oásis mantidos pelos turcos. O primeiro voo de reconhecimento fotográfico ocorreu em março de 1912, também realizado pelo Capitão Piazza.

Alguns tipos desenvolvidos durante este período veriam o serviço militar em, ou mesmo durante toda a Primeira Guerra Mundial. Estes incluem o Etrich Taube de 1910, Fokker Spin de 1911, Royal Aircraft Factory BE.2, Sopwith Tabloid / Schneider e uma variedade de tipos obsoletos. que seria usado para treinamento de pilotos. O Sikorsky Ilya Muromets foi o primeiro avião de quatro motores a entrar em produção e o maior de todos os tempos, o primeiro protótipo voando em 1914, pouco antes do início da guerra. O tipo continuaria a ver o serviço nas funções de bombardeiro e de transporte.

Helicópteros
O trabalho inicial sobre o elevador de rotor motorizado foi seguido por investigadores posteriores, independentemente do desenvolvimento de aeronaves de asa fixa.

Na França do século 19, uma associação foi criada para colaborar em projetos de helicópteros, dos quais havia muitos. Em 1863, Gustave de Ponton d’Amécourt construiu um modelo usando os rotores contrarrotados estabelecidos. Inicialmente alimentado por vapor, ele falhou, mas uma versão mecânica funcionou. Outros desenhos, abrangendo uma ampla variedade de formas, incluíam Pomés e De la Pauze (1871), Pénaud, Achenbach (1874), Dieuaide (1887), Melikoff (1877), Forlanini (1877), Castel (1878) e Dandrieux ( 1878–79). Destes, o modelo de contra-rotação movido a vapor de Forlanini voou por 20 segundos, atingindo uma altura de 13 metros (43 pés), e o modelo de borracha de Dandrieux também voou.

O pai de Hiram Maxim concebeu um helicóptero movido por dois rotores contra-rotativos, mas não conseguiu encontrar um motor suficientemente potente para construí-lo. O próprio Hiram traçou planos para um helicóptero em 1872 antes de voltar sua atenção para o voo de asa fixa.

Em 1907, o francês Breguet-Richet Gyroplane No. 1 decolou em um voo de teste “amarrado”, tornando-se o primeiro helicóptero tripulado a se levantar do chão. Ele subiu cerca de 60 centímetros e pairou por um minuto. No entanto, o voo provou ser extremamente instável.

Dois meses depois, em Lisenux, na França, Paul Cornu fez o primeiro vôo livre em um helicóptero tripulado com asas giratórias em seu helicóptero Cornu, subindo a 30 centímetros e permanecendo no ar por 20 segundos.