飛行の世紀-翼を取るイノベーション| スミソニアン - 記事、イノベーション、テクノロジー

空軍のテストパイロットとして、ドーン・ダンロップ中佐は、機敏なF-15Eストライクイーグル戦闘機からロシアのMIG-21への巨大なC-17輸送機まで、数十種類の飛行機を飛行させました。エドワーズ空軍基地に駐留している彼女は、ジェット戦闘機である最先端のF / A-22ラプターをそのペースに乗せているエリート中隊の一員です。しかし、ダンロップが制御するのに最も苦労した航空機は、ライト兄弟の1902グライダーのレプリカでした。彼女はモスリンの皮で覆われた船をノースカロライナ州キティホークの風にさらされた砂地にcrash落させました。「これは本当に目を見張るものでした」とダンロップは、昨年の空軍記念プログラムの一環である昨年の（あざけり）体験を思い出します。「今日は飛ぶのがとても簡単になったので、当時の難しさを忘れていました。」

今月、多くの式典、書籍、再現が動力飛行の発明を記念して、世界の多くが「当時」を再訪します。 1903年12月17日の午前10時30分、オハイオ州の発明家で自転車店のオーナーであるオービルライトが、12秒間のプロペラ駆動旅行のために氷点近くの向かい風に飛び立ちました。足の航海は、おそらく現代を開始した可能性があります。「航空は20世紀の決定的な技術です」と、スミソニアン国立航空宇宙博物館（NASM）の航空学の上級キュレーターであり、 Wから宇宙時代までのWings：AHistory of Aviationの著者であるTom Crouch氏は言います。「フライトは、私たちの運命の自由と制御のような、私たちの最も深い願望を象徴していました。」

待望の百周年のお祝いの中で、これらの画期的な初期のフライトがどれほど素晴らしいかを見失いがちです。ダンロップが発見したように、ライト機は危険でした。自家製のエンジンを動力とするワイヤー、木材、布の脆弱なアセンブリは、消極的な鳥であり、操縦が難しく、衝突しやすいものでした。実際、Orville Wrightが地面から引き離したフライヤーに基づいた飛行機は、今後数十人のパイロットを殺すでしょう。それでも、航空機は今日の飛行の基本として認識しているものを具現化し、兄弟たちが最初に想像したものをはるかに超えて進歩しましたが、2000年に飛行機は30億人以上の乗客を運びました-ライトは驚くべき重要な発展の範囲を予想しました。「そのグライダーを飛ばすことは本当の挑戦でした」とダンロップは言います、「しかし、自分を取り戻すとき、それが本当に素晴らしいデザインであることに気づきます。」

古代ギリシア人は、イカロスの蝋の翼が太陽に近づきすぎて溶けたという神話の物語から、南米インカ文明によってマチュピチュの聖アンデス要塞の壁に残された彫刻まで、人類は長い間魅了されてきました飛行のアイデア。キリストの天国への昇天のルネッサンス絵画とフレスコ画は、「働くべきものとして空気の概念を持っていた」とリチャード・ハリオン、元NASMのキュレーターで空軍の歴史家であり、 Take Flight：Inventing the Aerial Age in the Antiquity第一次世界大戦 。「キリストはロケットのように持ち上がるように示されており、使徒全員が風に吹かれた衣服を持っています。動力を与えられた人間の飛行の最も驚くべき初期ビジョンの中には、レオナルドダヴィンチの15世紀の機械的な羽ばたき翼と原油ヘリコプターのスケッチがあります。しかし、レオナルドのアイデアは決してページから外れませんでした。

科学的原理を飛行の問題に最初に適用したのは、今日、航空航法の父として知られる英国の男爵領ジョージ・ケイリーでした。 1773年生まれの彼は、1853年に彼のコーチマンである搭乗者と一緒に上空を飛行する最初のグライダーを構築し、揚力、抗力、推力を動力飛行の主な対象として正しく特定しました。 Nicholson's Journal of Natural Philosophy、Chemistry、and the Artsなどで研究を発表したケイリーは、今日の科学者やエンジニアに馴染みのある研究方法を使用した最初の航空実験者であり、NASMの航空部門の会長であるPeter Jakabは、彼の本に飛行機械のビジョンを書いています。

乗客を乗せた最初の熱気球は、1783年に発明者のモンゴルフィエ兄弟が羊、雄鶏、鴨をヴェルサイユ上空で8分間空中に飛ばしたときに空に舞い上がりました。次の世紀に向けて、空に浮かぶ気球と飛行船は、扱いにくいか、制御することが不可能であるため、空に浮かぶ唯一の現実的な方法と考えられていました。一方、発明者たちは、空中よりも重い動力で飛行するという課題に取り組み続けました。 Someやコウモリのような形をしたいくつかのグライダーを作りました。他の人は飛行不可能な巨大な蒸気動力の航空機を構築しました。そのような仕掛けの一つは、自重で崩壊しました。「飛行機の発明にわずかな影響しか及ぼさなかった」とCrouchは書いている。

一部の先駆者は正しい軌道に乗っていた。ドイツのオットーリリエンタールは、1891年から1896年の間に16種類のグライダーを作り、ベルリンの外の低い丘でほぼ2, 000回の飛行を行いました。彼の実験では、彼は揚力に関するデータを蓄積し、ライト兄弟を奮い立たせましたが、1896年の彼のグライダーの1人での死は、航空に減衰効果をもたらしました。パワードフライトは危険な愚行であると確信していたため、この問題に取り組んでいた多くのヨーロッパ人は努力を中断しました。

前任者とは異なり、ライトは、航空機の操縦が少なくとも揚力と推力と同じくらい重要であることを認識していました。彼らの重要なインスピレーションは、航空機が3次元で飛行することを理解することでした：上昇および下降（ピッチ）、左右（ヨー）、およびロール（バンディング、ラダーと連携して飛行機を劇的なスイープターンに送る傾斜運動）。特に、ロールは前任者によってほとんど無視されたか想像もしていませんでした。ハリオンは、自転車に乗っているライトは、自転車に乗る人が急に曲がるのと同じように、飛行機に傾くのを視覚化したと書いています。 National Air and SpaceMuseumの空力学のキュレーターであり、 The Airplane—A History of Technologyの著者であるJohn Anderson氏は、Wrightsの「最も長く続く技術的貢献は、純粋かつ単純な飛行制御です。ウィルバー・ライトは、飛行機がどのように方向転換したかを理解した最初の人物です。」

水を介してボートを操縦するために使用されるような単純な舵、およびエレベーター（水平を除く舵のような）は、飛行機を上下または左右に移動するのに十分でした。しかし、飛行機のバンクとターンを作る3番目の次元では、まったく新しいアプローチが必要でした。ライトの最初のブレークスルーは、翼を横切って流れる空気を使用して一方の翼を押し下げ、他方の翼を持ち上げることができることを認識したことでした。彼らの次は、両方の翼を適切なタイミングで正しい方向に動かす方法を考え出すことでした。これは、ウィングワーピングと呼ばれる美しくシンプルなコンセプトで、旋回を容易にするために翼全体をひねります。

ライトの創造性とエンジニアリングスキルの組み合わせは、今日でも学者を驚かせ続けています。「彼らには、まだ構築されていないマシンを視覚化する機能がありました」とCrouch氏は言います。 1899年の春に飛行機を3次元で移動させるための解決策としてウイングワーピングに当たってから、キティホークでの壮大な（短いと言っても）強力な飛行までわずか4年半でした。ハリオンが言うように、「ライトは、彼らが彼らの行為をまとめたとき、信じられないほどのスピードで動いた。」

最初に、飛行機の可能性は最も進歩的な科学者の想像力をbeいました。金持ちの向こう見ずな人には高価すぎて、通常の商業利用には危険すぎるので、ライトの機械は軽薄で笑い飛ばされました。兄弟でさえ、飛行機を製造し、飛行させるための資源は中央政府だけにあると考えていました。ハリオンの歴史によると、著名なハーバードの天文学者ウィリアム・ピカリングは1908年に「飛行機が海を渡るのかどうかは疑わしい」とsc笑した。「一般の人々は飛行機の可能性を大いに過大評価しており、別の世代では1日でロンドンに飛ぶことができると想像しています。これは明らかに不可能です。」

このような軽daは、米国の航空投資を冷やしました。 1908年から1913年の間に、米国政府は航空に435, 000ドルしか費やしませんでした。ドイツ、フランス、チリ、さらにはブルガリアよりも少ない額です。ヨーロッパの発明家と起業家はすぐに、ライトよりも優れた、より速く、より安定した飛行機を建設していました。「ライト機は、早くも1910年にヨーロッパのデザインに取って代わられました」とJakabは言います。ドイツ語、ロシア語、特にフランス人の飛行士と発明者が、すぐに私たちの語彙が証明するように空を支配しました。「航空」、「エルロン」、「機体」、「ヘリコプター」はすべてフランス起源です。

ライトのすべての成果について、彼らの航空機はまだ不確かでした。 1909年に始まった1年間で、半数のパイロットがライトフライヤーの飛行で死亡しました。他の初期の飛行機も危険でした。「ヨーロッパ人はライトの経験から飛ぶ方法を学んでいなかった、彼らはより良く飛ぶ方法を学んでいた」とハリオンは書いている。 LouisBlériotのようなデザイナーは、ライトの「プッシャー」プロペラを飛行機の前面に移動し、設計を簡素化しました（後部に取り付けられたプロペラでは、舵とエレベータのより複雑な構造が必要です）。元々の複葉機の構成は、強くて軽く、多くの揚力を生み出しましたが、1930年代初頭までは飛行機の設計を支配していました。

第一次世界大戦の開始時に、飛行機は軍事および商業技術として独自になりました。イギリスのソッピースキャメルやドイツのアルバトロスのようなヨーロッパの空で滑走する、主に木と布の飛行機のオープンコックピットは、ライトフライヤーよりも高速で機敏でしたが、それでも危険です。マンフレッド・フォン・リヒトホーフェン（「レッド・バロン」）やアメリカのエディ・リッケンバッカーのようなヒーローは、戦闘機エースの神秘性を生み出しましたが、他の何千人もが空中で死にました。 1917年、ハリオンによると、戦闘地帯でのイギリスの戦闘機パイロットの平均寿命は3週間でした。

しかし、戦争は未熟な航空産業の発展を加速させました。最初の旅客便は、1908年にウィルバーライトがライトフライヤーのテスト中にチャールズファーナスを1機運んだときでした。 1914年1月1日、フロリダ州の起業家パイロットであるタンニーベイがタンパベイを5ホップ飛ぶようになるまで、定期旅客便は本格的に開始されませんでした。低速および低高度で飛行する飛行機は風にさらされ、でこぼこした、そしてしばしば気分を害するような乗り心地を引き起こしました。エンジン排気とガスの煙で満たされた換気の悪いキャビン。また、悪天候により飛行機が地面にとどまり、空の旅は信頼できなくなりました。しかし、公共の需要は加速しました。

1920年代および30年代には、産業および政府による投資がイノベーションを促進しました。木枠と布の外皮はすべて金属製のデザインに取って代わり、より大きく、より強力なクラフト、合理化、密閉されたキャビン、高高度飛行を可能にしました。また、悪天候での飛行に欠かせない（および航空会社のスケジュールを守る）ために不可欠な、人工水平線、高度計、指向性ジャイロスコープなどの信頼できる飛行機器も重要でした。 1932年までに、米国の航空会社は年間475, 000人以上の乗客を乗せていました。

（スミソニアン協会。写真：エリック・ロング/ OIPP）

1935年に、ダグラスエアクラフトカンパニーのDC-3の開発により、航空は新しいピークに達しました。 21席、オールメタル構造、合理化されたデザイン、格納式着陸装置、自動操縦装置、時速約200マイルの巡航速度を備えたDC-3は、多くの専門家によってプロペラ駆動飛行機の頂点であり、今日知っている飛行機のパターン。

新しいエンジンの設計により、プロペラはより速く、より速く、その先端で防音壁を破り、エンジニアは不可解な空力特性に直面しました。衝撃波と予想外の乱れにより、パフォーマンスが低下しました。プロペラは、超音速に近づくと効率と推力を失いました。

その限界を克服した男はプロのエンジニアではなかった。機械工の息子で英国空軍のパイロットであるフランク・ホイットルは、1930年代初頭にフライトインストラクターを務めながらジェットエンジンのアイデアを思いつきました。「ホイットルは、誰もが一種のナッツだと思ったアイデアを推し進める奇妙なアヒルでした」と、 Flight in Americaの著者である歴史家ロジャー・ビルスタイン：ライトから宇宙飛行士まで 。「だれもそれが機能するとは思わなかった。」

ホイットルは固執し、最終的にはリソースを集めて、自分で実行可能なジェットエンジンを設計しました。いずれにしても、コンセプトはシンプルです。エンジンの前から入ってくる空気は圧縮され、燃料と混合されてから点火されます。燃えている混合物はジェットの後部からro音を発し、エンジンの前にあるコンプレッサーに動力を供給するタービンを通過する際に、大きな推力を発生させます。

ウィットルのジェットエンジンは、1937年に研究室で最初にテストされ、4年後、イギリスのグロスター近くの空軍基地で特別に設計された戦闘機に動力を与えました。湿った飛行場の側面から極秘テスト飛行を見ているパイロットは当惑しました。「私の神、チャップス、曲がりくねらなければならない」とある将校は後で言った。「プロペラを持っていませんでした！」

一方、ハンス・フォン・オハインというドイツのエンジニアは、彼自身のジェットエンジンを開発していました。 1944年、メッサーシュミットMe 262（世界初の運用ジェット）を含む少数のジェット戦闘機と爆撃機が空軍でサービスを見ました。アメリカでは、軍のブラスがジェット機をバックバーナーに置き、従来の飛行機で戦争に勝つと確信していた。証明されていないジェット機で作業するためにリソースをそらすことは、時間の無駄になるだろうと当局は主張した。しかし、戦争の終わりに連合国がドイツを席巻した後、彼らはヴェルナー・フォン・ブラウンを含む数十人のドイツのジェットおよびロケット科学者を募集し、「オペレーション・ペーパークリップ」で彼らを米国に連れて行きました。すぐに役立つジェット技術から、最終的に宇宙プログラムを可能にするロケットの進歩まで、数十年にわたる米国主導のイノベーション。

ジェット推進技術は、ライト以来の航空分野で最も重要なものでした。「ジェットは何の改良でもありませんでした、それは完全なブレークスルーでした」とNASMのアンダーソンは言います。「航空の第2の時代は、ホイットルとフォンオハインによって開かれました。」それでも、ジェットの発明者たちは、ライトが楽しんでいたという認識を得ることはありませんでした。ホイットルの特許は戦争中に英国政府によって割り当てられ、フォンオハインは1947年に静かに新しいキャリアを開始しました-アメリカ空軍の推進科学者として。

しかし、ジェット機を信頼性の高い輸送手段に変えるには、長年の骨の折れる作業が必要です。初期の頃、戦闘機のパイロットは飛行機事故で死亡する確率が4分の1でした。少なくとも約650 mphの超音速では、空力、制御、効率に関する従来の概念を再考する必要がありました。 1947年にカリフォルニアのMurocDryLakeの防音壁を破ったX-1の設計は、エンジニアが超音速になることを知っていた0.50口径の弾丸に基づいていました。ウェストバージニア州のテストパイロット、チャック・イェーガーによって飛行されました。チャック・イェーガーは、第二次世界大戦の古参のエースで、メッサーシュミット262を2人殺害しました。

これらのテストパイロットの勇気は、ジェット旅行の初期の頃を思い出す傾向があります。しかし、おそらくより重要なのは、1950年代および60年代の航空および宇宙研究に対する政府の大規模な支出でした。 1959年までに、航空産業はアメリカの製造業で最大の雇用主の1つとなり、第二次世界大戦後の10年間の軍隊への売り上げの80％以上を占めました。アメリカの航空と宇宙の成功は冷戦の有力な象徴となり、活況を呈している航空宇宙産業は政府からの空白のチェックに値するものを得ました。結局のところ、 The Right Stuffの映画版のキャラクターが「バック、ノーバックロジャース」と述べたように。

「飛行に関連するものへの政府の投資は、技術開発の幅広い前線を駆り立てました」とCrouchは言います。「それはどういうわけか飛行に関連し、政府はそれにお金を使っていたため、次々に開発されました。」コンピューターは、複雑な航空機の設計を支援し、グローバルな発券ネットワークを形成するまで、遍在する航空ツールになりました。ジェットエンジンはまた、民間航空を新たな高さと速度へと引き上げました。ボーイングは、1954年に600マイル（DC-3の3倍）以上の速度で飛行できる707ジェット旅客機のプロトタイプを発表しました。 4年後、パンアメリカンはニューヨークからパリへの定期的な707便を開始し、ジェット機時代の到来を告げました。

軍事試験パイロットの苦労して得た教訓がより安全でより安定したジェット設計を生み出したため、世界の形が変わり始めました。 11時間でオマハからモスクワまでノンストップで飛行できる大規模なB-52核爆撃機から、7時間で大西洋を横断できる旅客機まで、ほとんどすべての人が国際旅行にアクセスできるようになりました。 1969年に452人乗りのボーイング747がデビューした大型旅客機が一般的になり、飛ぶ人の数は毎年着実に増加しました。

超音速旅客機は、次の明らかなフロンティアでした。しかし、1968年12月に最初に飛行したソビエトツポレフTU-144と、2か月後に離陸したフランスとイギリスのジョイントベンチャーであるコンコルドを除き、超音速旅客旅行はおおむね目新しいものです。両方の飛行機は財政的に破綻しました。ほぼ30年間、音速の2倍の速度で大西洋を横切って飛行しましたが、ガスに満ちたコンコルドは壊れることもありませんでした。エールフランスは、この5月に定期的に予定されていたコンコルドサービスを停止し、10月にブリティッシュエアウェイズを停止しました。それにもかかわらず、起業家と政治家は、オリエントエクスプレスのように未来の（そして今のところ非実用的な）アイデアを浮かび続けています。オリエントエクスプレスは、2時間でニューヨークから北京まで最大200人の乗客を運んで、地球上の石のようにスキップする巨大な超音速輸送機ですマッハ5の雰囲気。

かつてないほどの速度を達成することは、軍隊にとって必ずしも最優先事項ではありませんでした。 1970年代以来、軍事計画者は機動性とステルス性を強調してきました。しかし、小さな角度のついた翼と操縦翼面を備えた新しい飛行機は不安定になる傾向がありました。 1970年代の航空機用語のオンボードコンピューターまたは「フライバイワイヤ」システムの開発で変化し、1秒間に数千回の舵やその他の操縦面の調整が可能になりました。ノースロップB-2ステルス爆撃機とロッキードF-117Aナイトホークステルス戦闘機、奇妙な角度の奇妙なマットブラックバンドル、敵レーダーから消えるように設計されたずんぐりした翼は、洗練されたソフトウェアの助けを借りて空力の法則を無視しているようです。究極のフライバイワイヤー技術、無人航空機、またはUAVは、リモート制御の無人機であり、アフガニスタンとイラクの空ですでに使用されています。

多くの航空専門家にとって、飛行機の技術は進歩の速さで別の小康状態に陥ったようです。「それが大きな問題です。飛行機は今では成熟した技術ですか？」とNASMのキュレーターであるジェレミー・キニーは言います。「航空会社は数百人を乗せたワイドボディのターボファン機で非常によくやっており、軍は本質的に改良を革新しています。次の高原もありますか？」

エンジニアはそう望んでいます。「確かに、私たちは20世紀の終わりに一定レベルの成熟に達しました。30年代と同じように、一部は台地と見なされます」と、メリーランド大学航空宇宙大学の元会長であるスミソニアンのアンダーソンは言います。エンジニアリング部門。「これは、私たちが飛び降りて劇的な進歩をもたらすプラットフォームだと思います。」既存の航空機の効率と性能の改善に加えて、技術の改良により、すぐに驚くべき成果が得られる可能性があります。片方の翼を撃ち落とす飛行機、ソニックブームの削減または排除、そしてパイロットを殺す劇的な操縦が可能な無人航空機。

不思議なことに、現在進行中の最も高度な研究のいくつかは、ライトが1世紀以上前に行った革新に驚くほど似ています。カリフォルニア州エドワーズにあるNASAのドライデンフライトリサーチセンターでは、アクティブ空力弾性翼プログラムのエンジニアが、空力弾性翼設計の可能性をテストする、より柔軟な翼を備えたF / A-18ホーネット戦闘機を装備しました。 -ワーピング。ただし、非常に高度なコンピューターシステムを使用して、超音速で翼の形状を変化させます。空力弾性のある翼は、翼自体をねじることでローリング、バンキングターンを可能にし、超音速での性能を向上させます。「エルロンや先端のフラップを使って飛ぶ鳥はほとんどいません」と、プロジェクトのNASAテストパイロットであるDick Ewers氏は言います。代わりに、彼は、鳥が進む速さや遅さ、回転、登山、潜水、または高騰に応じて、羽の形を変えると言います。「飛行機は翼を硬くするために多くの重量とお金を費やします」と彼は続けます。私たちはそれを柔軟にし、それを活用したいと考えています。」

プロトタイプ機のCentennial of Flightのロゴは、このプロジェクトと伝統との驚くべきつながりを誇らしげに告げています。未来の飛行機は、翼の形状を変えることでフライヤーを3次元でうまく誘導したライトとインスピレーションを共有するかもしれません。「100年後、ライト兄弟の答えは、私たちが80年間住んでいたものよりも空気力学的に正しいことを発見する可能性があります」と、プロジェクトのチーフエンジニアであるデイブヴォラセックは言います。「本当に一周しました。」