早期的实用飞行器

早期的飞行器包括在现代飞机发展之前研究或建造的所有形式的飞机。 一旦获得动力,已经实现了受控飞行,仍然需要取得进展以创建一般用途的实用飞行器。 第一次世界大战前的这段时期有时被称为航空的先驱时代。

莱特兄弟
莱特兄弟解决了航空先驱面临的控制和动力问题。 他们发明了使用机翼翘曲和组合滚动的滚动控制以及使用可操纵的后舵同时进行偏航控制。 尽管在航空早期历史中仅使用了作为侧倾控制手段的机翼翘曲,但是结合侧倾和偏航控制的创新是飞行控制的一个基本进步。 对于俯仰控制,莱特兄弟使用了前进电梯(鸭式),这是另一个后来变得过时的设计元素。

莱特兄弟对翼型进行了严格的风洞试验,并对全尺寸滑翔机进行了飞行试验。 他们不仅建造了一台工作动力飞机,Wright Flyer,而且还大大推进了航空工程科学的发展。

在尝试驾驶动力设计之前,他们专注于无动力飞机的可控性。 从1900年到1902年,他们建造并飞行了一系列三个滑翔机。 根据他们19世纪前辈的实验和着作,前两者的效率远远低于莱特人的预期。 他们的1900年滑翔机只有他们预期的升力的一半,而1901年的滑翔机表现得更差,直到临时改装使其可以使用。

为了寻找答案,莱特建造了自己的风洞,并配备了精密的测量设备,以计算他们创造的200种不同模型尺寸机翼设计的升力和阻力。 结果,莱特兄弟纠正了升力和阻力计算中的早期错误,并利用这些知识构建了1902年的滑翔机,这是系列中的第三个。 它成为第一个在所有三个轴上都可机械控制的载人,重于空气的飞行机器:俯仰,滚转和偏航。 其先锋设计还包括比以前的滑翔机具有更高纵横比的机翼。 兄弟们成功飞行了1902年的滑翔机数百次,并且表现远远超过了之前的两个版本。

为了获得发动机驱动的Flyer的足够动力,Wrights设计并制造了一台低功率内燃机。 利用他们的风洞数据,他们设计并雕刻出比以往更高效的木质螺旋桨,使他们能够从低发动机功率中获得足够的性能。 Flyer的设计也受到了Wrights教导自己安全飞行而没有不合理的生命和肢体风险以及使碰撞能够生存的愿望的影响。 发动机功率有限导致飞行速度低,需要进入逆风。

根据史密森尼学会和国际航空联合会(FAI)的说法,莱特兄弟在北卡罗来纳州基特霍克以南4英里(6.4公里)的北卡罗来纳州的Kill Devil Hills进行了第一次持续的,受控制的,重于空气的载人飞行。卡罗莱纳州于1903年12月17日。奥维尔赖特的第一次飞行,在12秒内120英尺(37米),被记录在一张着名的照片中。 在同一天的第四次飞行中,威尔伯赖特在59秒内飞行了852英尺(260米)。 Fred EC Culick教授和Henry R. Rex教授(1985)的现代分析表明,1903年的Wright Flyer非常不稳定,除了在1902年滑翔机上训练过自己的莱特之外的任何人都几乎无法管理。

莱特兄弟继续开发他们的飞行器并于1904-05在俄亥俄州代顿附近的霍夫曼草原上飞行。 在1905年崩溃之后,他们重建了Flyer III并进行了重要的设计更改。 它们几乎使电梯和方向舵的尺寸增加了一倍,并将它们移动了两倍于机翼的距离。 他们在电梯之间增加了两个固定的垂直叶片(称为“闪光灯”),并给了翅膀一个非常轻微的二面角。 他们将方向舵与机翼翘曲控制器断开连接,并且与所有未来的飞机一样,将其放置在单独的控制手柄上。 Flyer III成为第一架实用的飞机(虽然没有轮子和使用发射装置),在完全控制下持续飞行,并使飞行员安全地返回起点并着陆而不会受到伤害。 1905年10月5日,威尔伯在39分23秒内飞行了24英里(39公里)。

最终,莱特将完全抛弃前飞机,而1910年的模型B则以尾部飞机的方式变成了传统。

根据1907年4月出版的“科学美国人”杂志,莱特兄弟似乎拥有当时比空气更重的导航最先进的知识。 然而,同一杂志的问题还声称,在1907年4月号之前,美国没有公开飞行。 因此,他们设计了科学美国航空奖杯,以鼓励开发比空气重的飞行器。

第一架实用的飞机
一旦获得动力,已经实现了受控飞行,仍然需要取得进展以创建一般用途的实用飞行器。 第一次世界大战前的这段时期有时被称为航空的先驱时代。

可靠的动力
早期动力飞行的历史非常早期发动机构造的历史。 莱特兄弟设计了自己的发动机。 他们使用单飞行发动机,12马力(8.9千瓦)水冷四缸直列式发动机,带有五个主轴承和燃油喷射。 怀特黑德的工艺由他设计的两个发动机提供动力:10马力(7.5千瓦)的地面发动机驱动前轮以达到起飞速度,20马力(15千瓦)乙炔发动机为螺旋桨提供动力。 怀特黑德是一位经验丰富的机械师,据报道,他通过向其他飞行员制造和销售发动机为他的飞机筹集资金。 大多数早期发动机既不强大也不够可靠,不能用于实际应用,改进发动机的开发与机身本身的改进密切相关。

在欧洲,LéonLevavasseur的Antoinette 8V V-8发动机型的先驱示例,于1902年首次获得专利,在1906年推出后,在飞行中占据了数年的优势,为那个时代的许多着名工艺提供动力。 结合直接燃油喷射,蒸发水冷却和其他先进功能,它产生了大约50马力(37千瓦)。

1908年的英国绿色C.4遵循Wright的四缸直列式水冷设计模式,但产生了52马力(39千瓦)。 它为许多成功的先驱飞机提供动力,包括AV Roe。

还生产了水平对置的设计。 四缸水冷de Havilland Iris实现了45马力(34千瓦)但很少使用,而成功的双缸Nieuport设计在1910年实现了28马力(21千瓦)。

1909年看到径向发动机形式上升到意义。 1909年的Anzani 3缸半径向或风扇发动机(也是真正的120°圆柱角径向形式)仅发动了25马力(19千瓦),但比安托瓦内特轻得多,被路易斯·布莱里奥特选为他的跨航道飞行。 更为激进的是Seguin兄弟的系列Gnôme旋转径向发动机,1906年由Gnome Omega 50马力(37千瓦)风冷七缸旋转发动机主演。在旋转发动机中,曲轴固定在机身上,整个发动机壳体和气缸随螺旋桨一起旋转。 尽管这种类型早在1887年由劳伦斯·哈格雷夫(Lawrence Hargrave)引入,但对Gnome的改进创造了一种强大,相对可靠和轻便的设计,这使得航空业发生了革命性变化,未来十年将持续发展。 燃料直接从曲轴箱引入每个气缸,这意味着只需要一个排气阀。 更大更强劲的九缸,80马力LeRhône9C旋转机于1913年推出,并被广泛用于军事用途。

直列式和V型仍然很受欢迎,德国梅赛德斯公司生产一系列水冷式六缸发动机。 1913年,他们推出了非常成功的75千瓦(101马力)DI系列。

提升和效率
双翼飞机的轻盈和强度被两翼如此靠近所固有的低效率所抵消。 双翼飞机和单翼飞机的设计相互竞争,两者都在1914年爆发战争后仍在生产。

一个显着的发展,虽然失败,是有史以来第一个悬臂式单翼飞机。 1911年的Antoinette Monobloc有一个完全封闭的驾驶舱和底盘系统,但它的V-8发动机的50马力(37千瓦)输出不足以让它最多飞行超过几英尺。 更成功的是Deperdussin支撑的单翼飞机,它赢得了MauricePrévost驾驶的1913年Schneider Trophy比赛的首届比赛,完成了10公里(6.2英里)赛道的28个赛道,平均时速为73.63公里(45.75英里/小时)。

Triplanes也进行了实验,特别是1909年至1910年由英国先驱AV Roe建造的系列。 四翼飞机的四翼越好,外观也越来越罕见。 具有大量非常薄的机翼的Multiplane也经过了Horatio Phillips的成功试验。 他的最终原型证实了这个想法的效率低下和表现不佳。

其他激进的机翼设计方法也在尝试中。 出生于苏格兰的发明家亚历山大·格雷厄姆·贝尔(Alexander Graham Bell)设计了一种细胞八面体翼形,与多平面一样,证明效率低得令人失望。 其他表现欠佳的表演者包括Edwards Rhomboidal,Lee-Richards环形翼以及不同数量的翅膀。

许多这些早期的实验形式原则上非常实用,并且已经重新出现。

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稳定和控制
早期的工作主要集中在使飞行器足够稳定但不能提供完全可控性,而莱特兄弟牺牲了稳定性以使其飞行器完全可控。 实用的飞机需要两者。 虽然通过若干设计实现了稳定性,但原则尚未完全理解,进展不稳定。 副翼慢慢地取代了机翼翘曲以进行侧向控制,尽管设计师有时像Blériot111一样,短暂地返回到机翼翘曲。 同样,全飞行尾翼让位于固定稳定器,并附有铰接控制表面。 早期Wright Flyers的鸭式推进器配置被拖拉机螺旋桨飞机设计所取代。

在法国,进展相对较快。
1906年,巴西人阿尔贝托·桑托斯 – 杜蒙(Alberto Santos-Dumont)以14比2的价格在法国公开飞行。 一个具有显着翼翼二面角的鸭式推进器双翼飞机,它有一个Hargrave式盒式机翼,带有一个前置“boxkite”组件,可以作为电梯和方向舵使用。 后来他在机翼之间增加了辅助表面作为原始副翼以提供横向控制。 他的飞行是由法国Aéro-Club验证的动力重于空气的机器制造的,并且首次正式观测到超过25米(82英尺)的飞行,赢得了Deutsch-Archdeacon奖。 它后来在21.5秒内飞行了220米(720英尺),创造了国际航空联合会认可的第一个世界纪录。

第二年,LouisBlériot驾驶BlériotVII,这是一种全三轴控制的拖拉机单翼飞机,使用水平尾翼作为联合升降机和副翼。 它的直接后裔BlériotVII是第一架将1908年4月现代飞机飞行控制系统的可识别元素汇集在一起​​的机身.Horatio Phillips和Traian Vuia失败后,Blériot是第一台实用的拖拉机单翼飞机并标志着它的开始法国航空的趋势 到1909年,他已经将这种配置发展到了Blériot111能够越过英吉利海峡的地步,以及其他使用尾部表面仅作为电梯并使用机翼翘曲进行横向控制的改进。 1907年出现的另一种设计是Voisin双翼飞机。 这没有横向控制的任何规定,只能使用方向舵控制进行浅转弯,但是亨利·法曼在一年中取得了越来越大的成功,并且在1908年1月13日他赢得了50,000法郎的德意志德梅尔特 – 大法官大奖赛de l’Aviation是第一个完成官方观察的1公里闭路飞行的飞行员,包括在飞机自身动力下起飞和降落。

法国先锋LéonLevavasseur的设计以他所创立的Antoinette公司的名字而闻名。 他的1908年的Antoinette IV是现在常规配置的单翼飞机,尾翼和尾翼各自带有可移动的控制面,机翼上有副翼。 副翼不够有效,后来的模型被翼翘取代。

1908年底,Voisin兄弟将Henri Farman订购的飞机卖给了JTC Moore-Brabazon。 愤怒,法尔曼建造了自己的飞机,通过添加副翼来改编Voisin设计。 在对尾部表面和副翼进行进一步修改之后,Farman III成为1909年至1911年间最受欢迎的飞机,并被广泛模仿。 在英国,美国外籍人员塞缪尔·科迪(Samuel Cody)于1908年驾驶一架类似于Wright飞行器的飞机,包括一架尾翼和一辆大型前电梯。 1910年,装有机翼副翼的改进模型赢得了米其林杯比赛,而Geoffrey de Havilland的第二架Farman式飞机在上翼有副翼,成为皇家飞机制造厂FE1。 Bristol Boxkite是Farman III的副本,大量生产。 在美国,格伦柯蒂斯首先飞行了AEA June Bug,然后是他的黄金飞行器,它在1910年首次登陆和起飞。 与此同时,莱特兄弟本身也在努力解决稳定性和控制问题,在首先在尾部添加第二个小平面然后最终完全移除前平面之前,进一步尝试使用前平面。 他们在1910年宣布了他们的双座B型,并于1911年作为Burgess Model F批量生产。

尝试了许多其他更激进的布局,只有少数显示出任何承诺。 在英国,JW Dunne开发了一系列无尾推进器设计,具有带有锥形上表面的后掠翼。 他的D.5双翼飞机于1910年飞行并证明完全稳定。 邓恩故意避免完全的三轴控制,而是设计一个更容易操作的系统,他认为这在实践中更安全。 邓恩的系统不会被广泛采用。 他的无尾设计达到了顶峰,D.8由Nieuport在法国许可制造,在美国由Burgess-Dunne制造,但是被英国军队拒绝作为实用的战机,邓恩是军官,因为它太稳定了,因此在战斗中不够灵活。

水上飞机
1901年在奥地利,威廉·克雷斯(Wilhelm Kress)未能在他的动力不足的Drachenflieger中起飞,这是一架水上飞机,配有由铝制成的双浮桥和三个机翼。

1910年在法国,亨利法布尔在他的Hydravion进行了第一次水上飞机飞行。 这是一架单翼飞机,带有双翼飞机前置飞机和三轮短轮,三轮车布局。

1912年世界上第一艘水上飞机航母,法国海军的Foudre,登上了她的第一架水上飞机,即Voisin Canard。

早期水上飞机的一个问题是随着速度的增加,水和飞机之间的抽吸趋势,使飞机停下来并阻碍起飞。 英国设计师约翰·西里尔·波特(John Cyril Porte)发明了在飞机底部放置台阶以打破吸力的技术,并将其纳入了1914年柯蒂斯模型H.

军事用途
1909年,飞机仍然脆弱,几乎没有实际用途。 可用的发动机功率有限意味着有效载荷非常有限。 机身的基本结构和材料技术主要由硬木材料或钢管组成,用钢丝支撑,并用亚麻织物覆盖,掺有易燃的加强筋和密封剂。 减轻重量的需要意味着大多数飞机在结构上都很脆弱,并且在飞行中不会偶尔分解,尤其是在进行剧烈动作时,例如在战斗中需要进行陡峭的俯冲。

然而,这些不断发展的飞行器被认为不仅仅是玩具,而是制造中的武器。 1909年,意大利参谋官朱利奥·杜赫(Giulio Douhet)评论说:

天空即将成为另一个战场,其重要性不亚于陆地和海上的战场…….为了征服空气,有必要通过在空中击打他来剥夺敌人的一切飞行手段,在他的经营基地,或在他的生产中心。 我们最好习惯这个想法,并做好准备。

– Giulio Douhet(意大利参谋),1909年
1911年,第一位飞行的英国军官Bertram Dickson船长和第一位在1910年军事演习中执行固定翼飞机空中侦察任务的英国军官预测军用飞机以及随后的飞机升级和升级。提交给英国帝国防御技术分委员会的空中战斗。

当美国陆军中尉保罗·贝克(Paul W. Beck)在加利福尼亚州洛杉矶投下模拟炸弹的沙袋时,导弹第一次从飞机上掉落。

在1911年至1912年的伊塔洛 – 土耳其战争期间,飞机首次被用于战争。 第一次作战使用发生在1911年10月23日,当时Carlo Piazza上尉在BlériotXI进行了班加西附近的飞行。 11月1日,第二次中尉Giulio Gavotti在土耳其人持有的两个绿洲上投下四枚炸弹,随后不久发生了第一次空中轰炸。 第一次摄影侦察飞行发生在1912年3月,也是由广场上尉飞行的。

在此期间开发的一些类型将在第一次世界大战期间进行军事服务,甚至包括整个第一次世界大战。其中包括1910年的Etrich Taube,1911年的Fokker Spin,皇家飞机工厂BE.2,Sopwith Tabloid / Schneider以及各种过时类型那将用于飞行员训练。 Sikorsky Ilya Muromets是第一架进入生产的四引擎飞机,也是当时最大的飞机,原型机于1914年首次在战争爆发前飞行。 该类型将继续在轰炸机和运输角色中查看服务。

直升机
关于动力转子升力的早期工作由后来的调查人员跟进,独立于固定翼飞机的开发。

19世纪,法国成立了一个协会,负责直升机设计,其中有很多。 1863年,Gustave de Ponton d’Amécourt使用已建立的反向旋转转子构建了一个模型。 最初由蒸汽驱动它失败了,但发条版本确实飞了。 其他设计包括各种形式,包括Pomés和De la Pauze(1871),Pénaud,Achenbach(1874),Dieuaide(1887),Melikoff(1877),Forlanini(1877),Castel(1878)和Dandrieux( 1878年至1879年)。 其中,Forlanini的蒸汽动力反转模型飞行了20秒,达到了13米(43英尺)的高度,而Dandrieux的橡胶动力模型也飞了起来。

Hiram Maxim的父亲设想了一架由两个反向旋转的转子驱动的直升机,但却无法找到足够强大的发动机来制造它。 希拉姆自己在1872年制定了直升机的计划,然后将注意力转向固定翼飞行。

1907年,法国宝玑 – Richet旋翼机1号在一次“系留”试飞中升空,成为第一架从地面起飞的载人直升机。 它上升了约60厘米(24英寸)并徘徊了一分钟。 然而,这次飞行证明非常不稳定。

两个月后,在法国Lisenux,Paul Cornu在他的Cornu直升机上进行了第一次有人旋翼飞行的自由飞行,升空至30厘米(12英寸)并在高处停留20秒。

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