L'invention de l'aviation

Découvrez l'invention de l'aviation, une innovation technologique qui aura bouleversé notre monde et nous aura propulsé au delà de nos rêves.

Le soir du 18 septembre 1901, Wilbur Wright, un homme d'affaires de 33 ans de Dayton, Ohio, s'est adressé à un groupe distingué d'ingénieurs de Chicago au sujet de "Quelques expériences aéronautiques" qu'il avait menées avec son frère Orville Wright. au cours des deux dernières années. "Les difficultés qui entravent le chemin vers le succès dans la construction de machines volantes", a-t-il noté, "sont de trois classes générales."

Celles qui concernent la construction des ailes de maintien.
Celles qui concernent la génération et l'application de la puissance nécessaire pour faire voler la machine dans les airs.
Celles relatives à l'équilibrage et au pilotage de l'engin après son vol réel.
Cette analyse claire - l'énoncé le plus clair possible du problème du vol plus lourd que l'air - est devenu la base du travail des frères Wright au cours de la prochaine décennie. Ce qui était connu à l'époque dans chacun de ces trois domaines critiques et quelles recherches supplémentaires étaient nécessaires sont examinés ci-dessous.

Construction des ailes de maintien: le problème de la portance

Le rêve du vol humain doit avoir commencé par l'observation d'oiseaux planant dans le ciel. Pendant des millénaires, cependant, les progrès ont été retardés par des tentatives de conception d’avions qui imitaient le battement des ailes d’un oiseau. Les générations d'expérimentateurs et de rêveurs qui ont concentré leur attention sur les ornithoptères - des machines dans lesquelles des ailes battantes généraient à la fois de la portance et de la propulsion - n'ont rien apporté de substantiel à la solution finale des problèmes bloquant la route du vol mécanique.

Ainsi, l'histoire de l'invention de l'avion commence aux 16e, 17e et 18e siècles, avec les premières recherches sérieuses en aérodynamique - l'étude des forces opérant sur un corps solide (par exemple, une aile lorsqu'elle est immergée dans un courant d'air). Leonardo da Vinci et Galileo Galilei en Italie, Christiaan Huygens aux Pays-Bas et Isaac Newton en Angleterre ont tous contribué à la compréhension de la relation entre la résistance (traînée) et des facteurs tels que la surface d'un objet exposé au courant et la densité d'un fluide. Les mathématiciens suisses Daniel Bernoulli et Leonhard Euler et l'ingénieur britannique John Smeaton ont expliqué la relation entre la pression et la vitesse et ont fourni des informations qui ont permis à une génération ultérieure d'ingénieurs de calculer les forces aérodynamiques.

George Cayley, un baronnet anglais, a comblé le fossé entre la théorie physique, la recherche en ingénierie et le rêve séculaire du vol. Il a recueilli des données aérodynamiques critiques de valeur dans la conception d'aéronefs à ailes, en utilisant des instruments développés au XVIIIe siècle pour la recherche en balistique. Cayley a également été un pionnier de la conception d'avions, expliquant qu'une machine volante performante aurait des systèmes séparés pour la portance, la propulsion et le contrôle. Bien qu'il ait produit des conceptions pour les ornithoptères, il a été le premier expérimentateur à se concentrer sur les avions à voilure fixe.

Cayley a découvert les secrets de la portance sous la forme d'une aile d'oiseau, supposant qu'une aile arquée ou cambrée produirait une plus grande portance qu'une aile plate en raison d'une pression plus faible sur la surface incurvée (voir le théorème de Bernoulli). Ses observations d'oiseaux en vol l'ont amené à reconnaître la supériorité des ailes relativement longues et étroites (dans la terminologie moderne, rapport hauteur / largeur) pour le vol à voile. En pratique, cependant, il a conçu des ailes biplan et multiplane (les premières de leur genre) comme moyen de fournir une surface maximale dans une structure solide et facilement contreventée.

S'adressant à la première réunion de la Société aéronautique de Grande-Bretagne en 1866, Francis H. Wenham a fourni un rappel concis et énergique des idées les plus importantes de Cayley concernant les ailes. Cinq ans plus tard, en coopération avec John Browning, Wenham a construit la première soufflerie, un appareil qui aurait un effet profond sur l'étude des ailes et le développement de profils aérodynamiques améliorés. Horatio Phillips, un membre de la Société aéronautique, a développé une conception de soufflerie encore plus efficace, et il a breveté (1884) une conception à deux surfaces à voilure bombée qui a servi de base à la plupart des travaux ultérieurs dans le domaine.

À partir des années 1870, Otto Lilienthal, ingénieur en mécanique allemand, entreprit les études les plus importantes sur la conception des ailes depuis l'époque de Cayley. Ses mesures détaillées des forces opérant sur une aile bombée à différents angles d'attaque ont fourni des données précises utilisées par des expérimentateurs ultérieurs - y compris, aux États-Unis, l'ingénieur Octave Chanute et les frères Wright - pour calculer les performances de leurs propres ailes. . Après avoir publié les résultats de ses recherches, Lilienthal a conçu, construit et piloté une série de planeurs monoplans et biplan, effectuant jusqu'à 2000 vols entre 1890 et le moment de son accident mortel de planeur en août 1896.

Au début de leurs propres expériences aéronautiques, les frères Wright ont soigneusement étudié le travail de leurs prédécesseurs et ont décidé qu'ils n'avaient pas besoin de se concentrer sur la conception des ailes. «Les hommes savent déjà construire des ailes…», expliqua Wilbur en 1901, «qui, lorsqu'ils sont conduits dans les airs à une vitesse suffisante, ne se maintiendront pas seulement, mais aussi celle du moteur et de l'ingénieur.»

Cependant, deux années d'expérimentation avec des planeurs ont démontré la nécessité d'accorder beaucoup plus d'attention à la conception des ailes. À partir de novembre 1901, les frères Wright ont utilisé une soufflerie de leur propre conception pour recueillir des informations qui leur ont permis de calculer les valeurs de portance et de traînée pour toute une série de profils aérodynamiques à différents angles d'attaque et de mesurer les performances des ailes avec différentes rapports d'aspect, formes de pointes et autres caractéristiques de conception. Cette information a abouti au planeur Wright de 1902, une machine révolutionnaire dont la conception des ailes a permis au Wright frères pour franchir les dernières étapes de l'invention de l'avion.

La génération et l'application de l'énergie: le problème de la propulsion

Au début du XIXe siècle, le vol soutenu plus lourd que l'air est resté impossible en raison du manque de centrales électriques adaptées. Le niveau de technologie qui permettrait un vol propulsé, même limité, s'étendrait sur un siècle à l'avenir. Les mécanismes d'horlogerie et d'autres types de systèmes à ressort étaient clairement inadaptés au vol humain. Alors que l'électricité a propulsé plusieurs dirigeables au cours du dernier quart du siècle, le mauvais rapport puissance / poids de ces systèmes a rendu difficile d'imaginer un avion à propulsion électrique.

Le potentiel aéronautique des systèmes de propulsion allant des moteurs à air chaud à la poudre à canon en passant par l'air comprimé et même les centrales électriques à l'acide carbonique a été discuté au cours du siècle. L'Australien Lawrence Hargrave, en particulier, a expérimenté des systèmes de propulsion à gaz comprimé. Néanmoins, les moteurs à vapeur et à combustion interne sont rapidement devenus le choix des expérimentateurs les plus sérieux. Dès 1829, F.D. Artingstall a construit un ornithoptor à vapeur à grande échelle, dont les ailes ont été brisées en fonctionnement juste avant l'explosion de la chaudière. Un moteur à vapeur léger développé par le pionnier anglais Frederick Stringfellow en 1868 pour propulser un modèle réduit d'avion triplé survit dans la collection de la Smithsonian Institution, Washington, D.C.

Le Russe Alexandr Mozhaysky (1884), l'Anglais Hiram Maxim (1894) et le Français Clément Ader (1890; voir Ader Éole et Ader Avion) ​​ont chacun fait sauter des machines à vapeur à grande échelle du sol sur de courtes distances, bien que aucun de ces engins n'était capable d'un vol soutenu ou contrôlé. Aux États-Unis, Samuel Pierpont Langley a réalisé les premiers vols soutenus en 1896 lorsqu'il a lancé deux de ses modèles réduits d'avions à vapeur relativement gros (voir l'aérodrome de Langley n ° 5) sur des voyages aériens allant jusqu'à trois quarts de mile (1,2 km) sur la rivière Potomac.

À l'approche de la fin du XIXe siècle, le moteur à combustion interne est devenu une centrale aéronautique encore plus prometteuse. Le processus avait commencé en 1860, lorsque Étienne Lenoir, de Belgique, construisit le premier moteur à combustion interne, alimenté en gaz éclairant. En Allemagne, Nikolaus A. Otto franchit une nouvelle étape en 1876, produisant un moteur à quatre temps brûlant du carburant liquide. L'ingénieur allemand Gottlieb Daimler a été le pionnier du développement de moteurs à essence à grande vitesse légers, qu'il a montés sur un vélo en 1885. L'ingénieur allemand Karl Benz a produit la première vraie automobile l'année suivante, un tricycle robuste avec des sièges pour l'opérateur et un passager . En 1888, Daimler persuada Karl Woelfert, un ministre luthérien désireux de voler, d'équiper un dirigeable expérimental d'un moteur à essence monocylindre développant huit chevaux. Le test initial a été légèrement réussi, bien que le système d'allumage à flamme nue présente un danger évident pour un dirigeable. En fait, Woelfert a péri lorsqu'un moteur à combustion interne a finalement mis le feu à un dirigeable beaucoup plus gros en 1897.

Au début de leur carrière dans l'aéronautique, les frères Wright ont reconnu que les passionnés d'automobile produisaient des moteurs à combustion interne toujours plus légers et plus puissants. Les frères ont supposé que si leurs expériences de vol à voile progressaient au point où ils avaient besoin d'une centrale électrique, il ne serait pas difficile d'acheter ou de construire un moteur à essence pour leur avion.

Ils étaient essentiellement corrects. Après avoir piloté avec succès leur planeur de 1902, les frères Wright étaient convaincus que leurs ailes soulèveraient le poids d'une machine volante motorisée et qu'ils pourraient contrôler un tel engin dans les airs. De plus, trois années d'expérience avec les planeurs et les informations recueillies avec leur soufflerie leur ont permis de calculer la quantité précise de puissance requise pour un vol soutenu. Incapable d'intéresser un constructeur expérimenté à produire un moteur répondant aux spécifications relativement strictes du rapport poids / puissance, les frères ont conçu et construit leur propre centrale électrique.

Charles Taylor, un machiniste que les frères employaient dans leur magasin de vélos, a produit un moteur à quatre cylindres avec un bloc en fonte d'aluminium qui produisait environ 12,5 chevaux pour un poids total d'environ 200 livres (90 kg), y compris le carburant et le liquide de refroidissement. Ce n'était en aucun cas la centrale aéronautique la plus avancée ou la plus efficace au monde. Langley, qui construisait également une machine volante à grande échelle, a dépensé des milliers de dollars pour produire un moteur radial à cinq cylindres d'un poids total égal à celui du moteur Wright mais développant 52,4 chevaux. Langley a produit un moteur bien supérieur à celui des frères Wright - et un avion, l'aérodrome n ° 6, qui n'a pas volé lors des essais en 1903. Les frères Wright, d'autre part, ont développé un moteur qui produisait exactement la puissance requise pour propulser leur flyer de 1903, le premier avion au monde à démontrer un vol soutenu.

La conception des hélices de l'avion de 1903 représentait une tâche beaucoup plus difficile et une réalisation technique beaucoup plus grande que le développement du moteur. Les hélices devaient non seulement être efficaces mais aussi produire une quantité calculée de poussée lorsqu'elles étaient actionnées à une vitesse particulière par le moteur. Il est important de reconnaître, cependant, qu'une fois le vol propulsé réalisé, le développement de moteurs plus puissants et plus efficaces est devenu un élément essentiel de la volonté d'améliorer les performances de l'avion.

Équilibrer et diriger la machine: le problème du contrôle

Ayant décidé que la conception des ailes et le développement d'une centrale électrique étaient assez bien en main, les frères Wright se sont concentrés sur l'élément de contrôle. D'autres expérimentateurs avaient réfléchi au sujet. Cayley a été le premier à utiliser un élévateur pour contrôler le tangage (diriger le nez de haut en bas). Tout au long de la seconde moitié du XIXe siècle, les dirigeables avaient utilisé des gouvernails pour contrôler le lacet (diriger le nez à droite et à gauche).

Il était beaucoup plus difficile de concevoir un moyen de contrôler un avion en roulis (c'est-à-dire d'équilibrer les ailes ou d'incliner l'avion). De plus, la plupart des expérimentateurs étaient convaincus que l'opérateur d'une machine volante trouverait difficile, voire impossible, d'exercer un contrôle total sur une machine qui était libre de fonctionner dans les trois axes de mouvement à la fois. En conséquence, on a beaucoup plus réfléchi aux moyens de parvenir à une stabilité automatique ou intrinsèque qu'aux systèmes de contrôle actifs.

Cayley, par exemple, a suggéré des ailes dièdres (extrémités d'ailes inclinées vers le haut depuis le milieu de l'aile) comme moyen d'atteindre une mesure de stabilité en roulis; il a également recommandé l'utilisation d'un pendule pour contrôler la hauteur. Le pionnier français de l'aviation Alphonse Penaud a été le premier à produire un avion intrinsèquement stable, le Planophore (1871), qui comprenait une hélice pousseur propulsée par des torons en caoutchouc torsadés. Le modèle lancé à la main comportait des ailes dièdres pour une stabilité en roulis et une surface horizontale réglée à un léger angle négatif par rapport aux ailes pour assurer la stabilité en tangage. Avec l'ajout d'une surface verticale pour la stabilité en lacet, c'était l'approche adoptée par pratiquement tous les expérimentateurs d'avions modèles, y compris Langley.

Les modélistes ont été contraints d'utiliser la stabilité automatique, mais les expérimentateurs qui ont construit et piloté des planeurs ont dû développer des commandes de vol actives. Presque tous les pilotes de planeurs d'avant les frères Wright, y compris Lilienthal, ont utilisé des techniques de deltaplane, dans lesquelles le pilote a déplacé son poids afin de modifier la position du centre de gravité de la machine par rapport au centre de pression. Le transfert de poids était cependant dangereux et limitant. Si de simples mouvements du corps de l'opérateur devaient avoir un impact significatif sur le mouvement de la machine, la surface de l'aile devait être raisonnablement petite. Cela a limité la quantité de portance pouvant être générée. De plus, il n’était nullement difficile pour un tel avion atteindre un décrochage ou une autre position incontrôlée à partir de laquelle le transfert de poids ne pourrait pas effectuer une récupération, comme l'ont démontré les décès de Lilienthal (1896) et de l'expérimentateur anglais Percy Pilcher (1899) dans des accidents de planeur qui reprirent le principe du parapente..

Déterminés à éviter ces problèmes, les frères Wright ont créé un système de contrôle positif qui a permis (en fait, obligé) au pilote d'exercer un contrôle absolu sur le mouvement de sa machine dans chaque axe et à chaque instant. D'autres avaient rejeté cet objectif car ils craignaient que les pilotes ne soient submergés par la difficulté de contrôler une machine se déplaçant en trois dimensions. Les frères Wright, cependant, avaient reconnu la facilité et la rapidité avec lesquelles un cycliste intériorisait les mouvements nécessaires pour maintenir l'équilibre et le contrôle, et ils étaient certains que ce serait la même chose avec un avion.

Reconnaissant les dangers inhérents à la tentative de s'appuyer sur le contrôle du centre de gravité, les frères Wright ont conçu un système pour contrôler le mouvement du centre de pression sur l'aile. Ils y sont parvenus en permettant au pilote de provoquer une torsion dans les ailes supérieure et inférieure dans les deux sens, augmentant ainsi la portance d'un côté et la diminuant de l'autre. Cette technique, appelée «déformation des ailes», a résolu le problème crucial du roulis. Pendant ce temps, un ascenseur (une surface horizontale placée à l'avant de l'avion) ​​a fourni les moyens de contrôler le tangage. Lorsque les frères Wright ont introduit un gouvernail dans leur conception en 1902, cet appareil a été utilisé pour compenser l'augmentation de la traînée sur le côté déformé positivement de l'avion. En 1905, ils ont déconnecté le gouvernail du système de déformation des ailes, permettant au pilote d'exercer un contrôle indépendant en lacet pour la première fois. Le flyer Wright de 1905 est donc considéré comme le premier entièrement contrôlable, avion pratique.

Autres pionniers de l'aviation

Le travail des frères Wright a inspiré toute une génération d'expérimentateurs de machines volantes en Europe et dans les Amériques. L'expérimentateur brésilien Alberto Santos-Dumont, par exemple, a effectué le premier vol public en Europe en 1906 dans son 14-bis. Le Français Henri Farman a effectué son premier vol l'année suivante dans le Farman III, une machine construite par Gabriel Voisin. Farman a également accompli le premier vol circulaire européen d'au moins 1 km (0,62 mile) au début de 1908. Le 4 juillet 1908, l'Américain Glenn Hammond Curtiss, un membre éminent de l'Aerial Experiment Association (AEA), organisé par Alexander Graham Bell , a remporté le Scientific American Trophy pour un vol de 1 km dans le bug AEA June.

Les machines Santos-Dumont, Voisin et Curtiss étaient toutes biplans canard (élévateur sur le nez) avec des hélices pousseuses qui ont été clairement inspirées par ce que les concepteurs savaient du travail des frères Wright.

En 1909, de nouveaux modèles de monoplans radicaux avaient été lancés, construits et pilotés par des hommes tels que les pionniers français Robert Esnault-Pelterie et Louis Blériot, tous deux impliqués dans le développement du système de commande de cockpit «stick-and-gouvernail» qui serait bientôt adopté par d'autres constructeurs. Blériot a mis fin au début de l'ère expérimentale de l'aviation le 25 juillet 1909, lorsqu'il a survolé la Manche avec son monoplan de type XI.

Les cinq années suivantes, du vol de la Manche de Blériot au début de la Première Guerre mondiale, ont été une période de croissance et de développement spectaculaires dans l'aviation. Préoccupés par le potentiel de l'aviation militaire, les dirigeants européens ont investi massivement dans la nouvelle technologie, dépensant des sommes importantes en recherche et développement et travaillant à établir et à soutenir les industries aéronautiques et moteurs dans leur propre pays. (Pour un compte rendu de la course aux armements aériens, voir avions militaires.) En plus des développements pratiques dans les domaines de la propulsion et de la conception structurelle des avions, les fondements de la théorie aérodynamique moderne ont été jetés par des scientifiques et des universitaires tels que Ludwig Prandtl d'Allemagne. À l'exception peut-être des hydravions (voir Hydravion Curtiss modèle E), un domaine dans lequel Curtiss a continué de dominer, le leadership dans pratiquement toutes les phases de l'aéronautique était passé en 1910 des États-Unis à l'Europe, où il demeurerait pendant toute la Première Guerre mondiale. Des années suivantes, les innovations des moteurs permirent l'émergence de l'aviation à réaction, et notamment du vol en avion de chasse.