Une histoire de l'aviation
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Introduction – une histoire de l’aviation
Les points de repère et les événements importants sur le chemin de l’invention de l’avion comprennent une compréhension de la réaction dynamique des surfaces de levage (ou ailes), la construction de moteurs absolument fiables produisant une puissance suffisante pour propulser une cellule et la résolution du problème du contrôle de vol en trois. dimensions. Une fois que les frères Wright ont démontré que les problèmes techniques de base avaient été surmontés au début du 20e siècle, l’aviation militaire et civile s’est développée rapidement.
L’invention de l’avion
Dans la soirée du 18 septembre 1901, Wilbur Wright, un homme d’affaires de 33 ans de Dayton, Ohio, s’est adressé à un groupe éminent d’ingénieurs de Chicago au sujet de «Quelques expériences aéronautiques» qu’il avait menées avec son frère Orville Wright au cours des deux années précédentes. «Les difficultés qui entravent la voie du succès dans la construction d’engins volants», a-t-il noté, «sont de trois catégories générales.
Construction des ailes de maintien: le problème de la portance
Le rêve du vol humain a dû commencer par l’observation des 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 – machines dans lesquelles les battements d’ailes généraient à la fois la portance et 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 XVIe, XVIIe et XVIIIe siècles, avec les premières recherches sérieuses en aérodynamique – l’étude des forces agissant 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 de la fuite. Il a rassemblé des données aérodynamiques critiques de valeur dans la conception d’aéronefs ailés, en utilisant des instruments développés au 18ème siècle pour la recherche en balistique. Cayley était également un pionnier de la conception d’aéronefs, expliquant qu’une machine volante réussie aurait des systèmes séparés pour la portance, la propulsion et le contrôle. Bien qu’il ait produit des dessins pour ornithoptères, il a été le premier expérimentateur à se concentrer sur les aéronefs 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 le dessus de la surface courbe (voir le théorème de Bernoulli). Ses observations d’oiseaux en vol l’ont amené à reconnaître la supériorité d’ailes relativement longues et étroites (dans la terminologie moderne, à rapport hauteur / largeur élevé) pour la montée en flèche. En pratique, cependant, il a conçu des ailes biplan et multiplan (les premières du genre) comme un moyen de fournir une surface maximale dans une structure solide et facile à entretenir.
S’adressant à la première réunion de la Société aéronautique de Grande-Bretagne en 1866, Francis H. Wenham a fourni une reformulation concise 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 dispositif qui aurait un effet profond sur l’étude des ailes et le développement de profils aérodynamiques améliorés. Horatio Phillips, un autre 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 cambrée qui a servi de base à la plupart des travaux ultérieurs sur le terrain.
À partir des années 1870, Otto Lilienthal, un ingénieur 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 cambrée à différents angles d’attaque ont fourni des données précises utilisées par les 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 monoplan 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 guère besoin de se concentrer sur la conception des ailes. «Les hommes savent déjà comment construire des ailes…», expliqua Wilbur en 1901, «qui, lorsqu’elles sont conduites dans les airs à une vitesse suffisante, non seulement se maintiendront, mais aussi celles du moteur et de l’ingénieur également.
Cependant, deux années d’expérimentation de 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 une série entière de profils aérodynamiques à différents angles d’attaque et de mesurer les performances d’ailes avec des proportions, formes de pointe et autres caractéristiques de conception. Cette information a abouti au planeur Wright de 1902, une machine révolutionnaire dont la conception de l’aile a permis aux frères Wright de franchir les dernières étapes de l’invention de l’avion.
Générer de la puissance – le problème de la propulsion des avions
Au début du XIXe siècle, le vol soutenu plus lourd que l’air restait une impossibilité en raison du manque de centrales adaptées. Le niveau de technologie qui permettrait un vol motorisé, même limité, se situait à plus d’un siècle dans le futur. Les mécanismes d’horlogerie et autres types de systèmes à ressort ne convenaient clairement pas au vol humain. Alors que l’électricité a propulsé plusieurs dirigeables au cours du dernier quart du siècle, le faible rapport puissance-poids de ces systèmes a rendu difficile l’imagination d’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 à 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 apparus comme 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 triplan 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 sur de courtes distances, bien qu’aucun de ces engins n’ait été 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 aérodrome de Langley n ° 5) sur des voyages aériens allant jusqu’à trois quarts de mille (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 a construit le premier moteur à combustion interne, alimenté au gaz d’éclairage. En Allemagne, Nikolaus A. Otto a franchi l’étape suivante en 1876, en produisant un moteur à quatre temps à carburant liquide. L’ingénieur allemand Gottlieb Daimler a été le pionnier du développement de moteurs à essence légers à grande vitesse, dont il a monté l’un sur un vélo en 1885. L’ingénieur allemand Karl Benz a produit la première véritable automobile l’année suivante, un tricycle robuste avec des sièges pour l’opérateur et un passager . En 1888, Daimler a persuadé Karl Woelfert, un ministre luthérien qui aspirait à voler, d’équiper un dirigeable expérimental d’un moteur à essence monocylindre développant la totalité de huit chevaux. Le test initial a été marginalement réussi, bien que le système d’allumage à flamme nue présente un danger évident pour un dirigeable rempli d’hydrogène. 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 elles nécessitaient une centrale électrique, il ne serait pas difficile d’acheter ou de construire un moteur à essence pour leur avion.
Ils étaient essentiellement corrects. Ayant piloté leur planeur à succès 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 ans d’expérience avec les planeurs et les informations recueillies avec leur soufflerie leur ont permis de calculer la puissance précise requise pour un vol soutenu. Incapables d’intéresser un fabricant expérimenté à produire un moteur répondant à leurs spécifications puissance-poids relativement étroites, les frères ont conçu et construit leur propre centrale électrique.
Charles Taylor, un machiniste que les frères employaient dans leur magasin de vélos, produisit un moteur à quatre cylindres avec un bloc en aluminium moulé qui produisait environ 12,5 chevaux pour un poids total d’environ 200 livres (90 kg), carburant et liquide de refroidissement compris. 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 motorisée à grande échelle, a dépensé des milliers de dollars pour produire un moteur radial à cinq cylindres avec 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, en revanche, ont développé un moteur qui produisait exactement la puissance requise. pour propulser leur avion de 1903 – le premier avion au monde à démontrer un vol soutenu.
La conception des hélices de l’avion 1903 représentait une tâche beaucoup plus difficile et une réalisation technique bien plus grande que le développement du moteur. Les hélices devaient non seulement être efficaces, mais aussi produire une poussée calculée 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.
Le problème de contrôle des avions
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 ont réfléchi au sujet. Cayley a été le premier à utiliser une gouverne de profondeur pour le contrôle en tangage (en dirigeant le nez de haut en bas). Tout au long de la seconde moitié du 19e siècle, les dirigeables avaient utilisé des gouvernails pour contrôler le lacet (diriger le nez vers la droite et la gauche).
Il était beaucoup plus difficile de concevoir un moyen de contrôler un avion en roulis (c’est-à-dire équilibrer les bouts d’ailes ou incliner l’avion). De plus, la plupart des expérimentateurs étaient convaincus que l’opérateur d’une machine volante trouverait difficile ou 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 commande actifs.
Cayley, par exemple, a suggéré des ailes dièdres (extrémités d’ailes inclinées vers le haut à partir du milieu de l’aile) comme moyen d’obtenir 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 comportait une hélice de poussée alimentée par des brins de caoutchouc torsadés. Le modèle lancé à la main présentait des ailes dièdres pour la stabilité en roulis et une surface horizontale placée 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 avec des modèles réduits d’avions, y compris Langley.
Les modélistes ont été obligés d’utiliser la stabilité automatique, mais les expérimentateurs qui ont construit et piloté des planeurs ont dû développer des commandes de vol actives. Pratiquement tous les pilotes de planeurs des frères avant Wright, y compris Lilienthal, utilisaient des techniques de deltaplane, dans lesquelles le pilote déplaçait 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 qui pouvait être générée. De plus, il n’était en aucun cas difficile pour un tel avion d’atteindre un décrochage ou une autre position incontrôlée à partir de laquelle le transfert de poids ne pouvait pas effectuer une récupération – comme le démontrent la mort de Lilienthal (1896) et de l’expérimentateur anglais Percy Pilcher (1899). dans les accidents de planeur.
Déterminés à éviter ces problèmes, les frères Wright ont créé un système de contrôle positif qui a permis (en fait, exigé) 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 avec quelle facilité et rapidité 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 se fier au 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 d’induire une torsion sur les ailes supérieure et inférieure dans les deux sens, augmentant ainsi la portance d’un côté et la diminuant de l’autre. Cette technique, qu’ils ont appelée «gauchissement 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 contrôle de tangage. Lorsque les frères Wright ont introduit un gouvernail dans leur conception en 1902, ce dispositif a été utilisé pour compenser l’augmentation de la traînée sur le côté positivement déformé de l’avion. En 1905, ils ont déconnecté le gouvernail du système de gauchissement 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 avion entièrement contrôlable et pratique.
Les 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 effectue son premier vol l’année suivante à bord du Farman III, une machine construite par Gabriel Voisin. Farman a également effectué 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’Association des expériences aériennes (AEA), organisé par Alexander Graham Bell , a remporté le Scientific American Trophy pour un vol de 1 km dans l’AEA June Bug.
Les machines Santos-Dumont, Voisin et Curtiss étaient toutes des biplans canard (élévateur sur le nez) avec des hélices poussées clairement inspirées de ce que les concepteurs savaient du travail des frères Wright.
En 1909, de nouveaux modèles de monoplans radicaux avaient pris leur envol, 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 contrôle du cockpit «à manche et gouvernail». qui serait bientôt adopté par d’autres constructeurs. Blériot a mis fin à la première ère expérimentale de l’aviation le 25 juillet 1909, lorsqu’il a fait voler son monoplan de Type XI à travers la Manche.
Les cinq années suivantes, du vol de Blériot dans la Manche au début de la Première Guerre mondiale, furent 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 pour établir et soutenir les industries aéronautique et moteur dans leur propre pays. (Pour un compte rendu de la course aux armements aériens, voir les avions militaires.) Outre les développements pratiques dans les domaines de la propulsion et de la conception structurelle des avions, les fondations de la théorie aérodynamique moderne ont été posées par des scientifiques et des universitaires tels que Ludwig Prandtl d’Allemagne. À l’exception peut-être des hydravions (voir l’hydravion Curtiss modèle E), un domaine dans lequel Curtiss continuait de dominer, le leadership dans pratiquement toutes les phases de l’aéronautique était passé en 1910 des États-Unis à l’Europe, où il resterait tout au long de la guerre mondiale.
