Un secolo di volo: prendere l'ala

Come pilota di test dell'aeronautica militare, il tenente colonnello Dawn Dunlop ha pilotato decine di aeroplani diversi, dall'agile caccia F-15E Strike Eagle all'enorme jet da trasporto C-17 al russo MIG-21. Di stanza alla base aeronautica di Edwards, fa parte dello squadrone d'élite che sta mettendo alla prova l'avanzato F / A-22 Raptor, un caccia jet. Ma l'aereo che Dunlop ha avuto il tempo più difficile da controllare era una replica dell'aliante del 1902 dei fratelli Wright. Più di una volta ha fatto schiantare il velivolo dalla pelle di mussola sulle sabbie spazzate dal vento di Kitty Hawk, nella Carolina del Nord. "È stato un vero colpo d'occhio", Dunlop ricorda l'esperienza (contusiva) dell'anno scorso, parte di un programma commemorativo dell'Aeronautica Militare. "Hanno reso così semplice il volo oggi che abbiamo dimenticato quanto fosse difficile allora."

Questo mese, gran parte del mondo rivisiterà "allora" poiché numerose cerimonie, libri e rievocazioni segnano l'invenzione del volo a motore. Fu solo dopo le 10:30 del mattino del 17 dicembre 1903, quando Orville Wright, un inventore dell'Ohio e proprietario di un negozio di biciclette, decollò in un vento quasi gelido per un viaggio di 12 secondi guidato dall'elica: un 120- viaggio che potrebbe aver lanciato l'età moderna. "L'aviazione è la tecnologia definitiva del 20 ° secolo", afferma Tom Crouch, senior curator of aeronautics presso il National Air and Space Museum (NASM) di Smithsonian e autore di Wings: AHistory of Aviation, dagli aquiloni all'era spaziale . "Il volo simboleggiava le nostre aspirazioni più profonde, come la libertà e il controllo del nostro destino."

Tra tutte le celebrazioni del tanto atteso centenario, potrebbe essere facile perdere di vista quanto fossero straordinari quei primi voli di riferimento. Come Dunlop scoprì, gli aerei Wright erano pericolosi. Insiemi fragili di filo metallico, legno e stoffa alimentati da motori fatti in casa, erano uccelli riluttanti, difficili da guidare e facili da schiantare. In effetti, gli aerei basati sul Flyer che Orville Wright ha attirato da terra ucciderebbero dozzine di piloti nei prossimi anni. Tuttavia, l'imbarcazione incarnava ciò che oggi riconosciamo come le basi del volo, e sebbene l'aviazione sia andata ben oltre ciò che i fratelli avrebbero potuto immaginare per la prima volta - nel 2000, gli aeroplani trasportavano più di tre miliardi di passeggeri - i Wrights prevedevano una serie sorprendente di sviluppi cruciali . "Pilotare quell'aliante è stata una vera sfida", afferma Dunlop, "ma quando torni indietro, ti rendi conto di che design brillante sia stato."

Dagli antichi greci, la cui storia mitologica delle ali di cera di Icaro si sciolse quando si librò troppo vicino al sole, alle incisioni lasciate dalla civiltà inca sudamericana sulle pareti della sua santa cittadella andina di Machu Picchu, l'umanità è stata a lungo affascinata da l'idea di volare. I dipinti e gli affreschi rinascimentali dell'ascensione di Cristo al cielo "avevano un concetto di aria come una cosa da lavorare", afferma Richard Hallion, ex curatore della NASM e storico dell'aeronautica, e autore di Taking Flight: Inventing the Aerial Age from Antichity through the Prima guerra mondiale “Cristo viene mostrato che si solleva come un razzo, e gli Apostoli hanno tutti abiti soffiati dal vento. Gli angeli hanno ali muscolose in proporzione alle loro dimensioni. ”Tra le prime visioni più sorprendenti del volo umano potenziato ci sono gli schizzi del XV secolo di Leonardo da Vinci di ali che sbattono meccanicamente ed elicotteri grezzi. Eppure le idee di Leonardo non sono mai andate fuori dalla pagina.

La prima persona ad applicare i principi scientifici ai problemi del volo fu George Cayley, un baronetto inglese oggi noto come il padre della navigazione aerea. Nato nel 1773, costruì il primo aliante per salire a bordo con una persona a bordo - il suo cocchiere, nel 1853 - e identificò correttamente sollevamento, trascinamento e spinta come le principali forze da dominare per il volo a motore. Cayley, che ha pubblicato le sue ricerche su artisti del calibro di Journal of Natural Philosophy, Chemistry and the Arts di Nicholson, è stato il primo sperimentatore nel settore dell'aviazione a utilizzare metodi di ricerca familiari agli scienziati e agli ingegneri di oggi, Peter Jakab, presidente della divisione aeronautica della NASM, scrive nel suo libro Visions of a Flying Machine .

La prima mongolfiera con passeggeri salì in aria nel 1783, quando i suoi inventori, i fratelli Montgolfier, mandarono una pecora, un gallo e un'anatra che si innalzavano per otto minuti nel cielo sopra Versailles. Per il secolo successivo, le mongolfiere e i dirigibili più leggeri dell'aria, ingombranti o impossibili da controllare, furono considerati l'unico modo realistico per alzarsi. Nel frattempo, gli inventori hanno continuato a lottare con la sfida del volo a motore, più pesante dell'aria. Alcuni alianti costruiti a forma di falene o pipistrelli; altri costruirono enormi aeromobili a vapore che erano impossibili; uno di questi aggeggi crollò sotto il suo stesso peso. Nessuno "ha avuto la minima influenza sull'invenzione dell'aereo", scrive Crouch.

Alcuni pionieri erano sulla buona strada. Il tedesco Otto Lilienthal costruì 16 diversi alianti tra il 1891 e il 1896, effettuando quasi 2.000 voli nelle basse colline fuori Berlino. Nei suoi esperimenti, ha accumulato dati sull'ascensore e avrebbe ispirato i fratelli Wright, ma la sua morte nel 1896 in uno dei suoi alianti ha avuto un effetto smorzante sull'aviazione. Convinti che il volo a motore fosse una follia pericolosa, molti europei che lavoravano sul problema interrompevano i loro sforzi.

A differenza dei loro predecessori, i Wrights si resero conto che il controllo di un aereo era importante almeno quanto il sollevamento e la spinta. La loro ispirazione cruciale è stata la comprensione del fatto che gli aerei volerebbero in tre dimensioni: arrampicata e discesa (inclinazione), sinistra e destra (imbardata) e rollio (il movimento di inclinazione, inclinazione che, congiuntamente al timone, invia un aereo in svolte drammatiche e radicali) . Roll, in particolare, era stato largamente ignorato o non immaginato dai loro predecessori. Hallion scrive che i Wrights, come ciclisti, hanno visualizzato un aeroplano che gira molto mentre un ciclista fa una curva difficile, sporgendosi in esso. John Anderson, curatore dell'aerodinamica presso il National Air and SpaceMuseum e autore di The Airplane — A History of Its Technology, afferma che “il contributo tecnologico più duraturo di Wrights è il semplice e semplice controllo del volo. Wilbur Wright è stata la prima persona a capire come ha girato un aeroplano. "

I semplici timoni, come quelli usati per guidare le barche attraverso l'acqua, e gli elevatori (come i timoni, tranne quelli orizzontali) erano sufficienti per spostare un aereo su e giù o a sinistra ea destra. Ma la terza dimensione, fare una sponda e girare un piano, richiedeva un approccio completamente nuovo. La prima svolta dei Wrights fu rendersi conto che l'aria che scorreva attraverso le ali poteva essere usata per spingere un'ala verso il basso mentre sollevava l'altra - "facendo rotolare" l'aereo attraverso una curva inclinata e inclinata. Il loro prossimo era capire come far muovere entrambe le ali nel modo giusto al momento giusto, un concetto meravigliosamente semplice chiamato "war-wing warping", che prevedeva di torcere l'intera ala per facilitare la rotazione.

La combinazione di creatività e abilità ingegneristica di Wrights continua a stupire gli studiosi di oggi. "Avevano la capacità di visualizzare macchine che non erano state ancora costruite", afferma Crouch. Dal momento in cui colpirono l'ala-deformazione come soluzione per muovere un aereo in tre dimensioni nella primavera del 1899, furono solo quattro anni e mezzo fino a quando il loro epico, seppur breve, volo aereo a Kitty Hawk. Come dice Hallion, "The Wrights, quando hanno messo insieme i loro spettacoli, si sono mossi con una velocità incredibile".

Inizialmente, il potenziale del velivolo ha sorpreso l'immaginazione degli scienziati più progressisti. Troppo costoso per chiunque, ma ricchi temerari e troppo pericoloso per un normale uso commerciale, la macchina dei Wrights fu derisa come frivola; persino i fratelli pensavano che solo i governi nazionali avrebbero avuto le risorse per costruire e pilotare aeroplani. "È dubbio che gli aeroplani attraverseranno mai l'oceano", ha affermato l'illustre astronomo di Harvard William Pickering nel 1908, secondo la storia di Hallion. “Il pubblico ha notevolmente sopravvalutato le possibilità dell'aereo, immaginando che in un'altra generazione saranno in grado di volare a Londra in un giorno. Questo è manifestamente impossibile. "

Tale disprezzo ha raffreddato gli investimenti statunitensi nell'aviazione. Tra il 1908 e il 1913, il governo degli Stati Uniti spese solo $ 435.000 per l'aviazione, meno di Germania, Francia, Cile e persino Bulgaria. Gli inventori e gli imprenditori europei presto costruirono aerei migliori, più veloci e più stabili di quanto non fossero i Wrights. "L'aereo Wright è stato sostituito da progetti europei già nel 1910", afferma Jakab. Aviatori e inventori tedeschi, russi e soprattutto francesi presto hanno dominato i cieli, come attesta il nostro vocabolario; "Aviazione", "alettone", "fusoliera" ed "elicottero" hanno tutti origini francesi.

Nonostante tutti i successi dei Wrights, il loro aereo era ancora incerto. Una mezza dozzina di piloti furono uccisi volando su volantini Wright in un periodo di un anno a partire dal 1909; anche altri primi aerei erano pericolosi. "Gli europei non stavano imparando dall'esperienza Wright come volare, stavano imparando a volare meglio", scrive Hallion. Designer come Louis Blériot hanno spostato le eliche "pusher" dei Wrights nella parte anteriore dell'aereo, semplificando il design (un'elica montata sul retro richiede strutture più elaborate per i timoni e gli elevatori). La configurazione originale del biplano - che era forte, leggera e generava molto ascensore - dominò il design dell'aereo fino agli inizi degli anni '30, quando i monoplani, che sono più veloci, presero il sopravvento.

All'inizio della prima guerra mondiale, l'aereo era diventato il massimo come tecnologia militare e commerciale. Gli opencockpit, in gran parte velivoli di legno e tessuto che si univano nei cieli d'Europa - aerei come il britannico Sopwith Camel e il tedesco Albatros - erano più veloci e molto più agili del Wright Flyer, ma ancora pericolosi. Eroi come Manfred von Richthofen (il "Barone rosso") e l'americano Eddie Rickenbacker hanno creato la mistica dell'asso combattente, ma migliaia di altri sono morti nell'aria. Nel 1917, l'aspettativa di vita di un pilota da combattimento britannico in una zona di combattimento, scrive Hallion, era di tre settimane.

Ma la guerra ha accelerato lo sviluppo del nascente settore dell'aviazione. Il primo volo passeggeri era stato nel 1908, quando Wilbur Wright trasportava un Charles Furnas durante le prove del Wright Flyer. I voli passeggeri programmati non iniziarono seriamente fino al 1 ° gennaio 1914, quando Tony Jannus, un pilota imprenditoriale della Florida, iniziò a volare $ 5 di luppolo attraverso TampaBay. Gli aerei che volano a bassa velocità e a bassa quota sono stati colpiti dai venti, causando una corsa accidentata e spesso disgustosa. Cabine scarsamente ventilate piene di scarico del motore e fumi di gas. E il maltempo ha tenuto gli aerei a terra, rendendo inaffidabile il trasporto aereo. Eppure la domanda pubblica ha accelerato.

Negli anni '20 e '30, gli investimenti dell'industria e del governo alimentarono l'innovazione. Cornici di legno e pelli di stoffa lasciarono il posto a disegni in metallo, che a loro volta rendevano possibili imbarcazioni più grandi, più forti, aerodinamiche, cabine sigillate e volo in alta quota. Importanti erano anche strumenti di volo affidabili come l'orizzonte artificiale, l'altimetro e il giroscopio direzionale, cruciali per volare in caso di maltempo (e mantenere le compagnie aeree nei tempi previsti). Nel 1932, le compagnie aeree statunitensi volavano più di 475.000 passeggeri all'anno.

Nel 1935, l'aviazione raggiunse un nuovo picco - e, stranamente forse, qualcosa di simile a un altopiano - con lo sviluppo del DC-3 della Douglas Aircraft Company. Con 21 posti, struttura interamente in metallo, un design aerodinamico, carrello retrattile, pilota automatico e una velocità di crociera di quasi 200 miglia all'ora, il DC-3 è considerato da molti esperti l'apice dell'aereo azionato da elica e impostato il modello per gli aerei che conosciamo oggi.

Mentre i nuovi progetti del motore spingevano le eliche sempre più velocemente - sulla loro punta, rompevano la barriera del suono - gli ingegneri si sono scontrati con sconcertanti proprietà aerodinamiche. Le onde d'urto e la turbolenza senza precedenti hanno compromesso le prestazioni. Le eliche hanno perso efficienza e spinta quando si sono avvicinate alle velocità supersoniche.

L'uomo che ha superato quel limite non era un ingegnere professionista. Frank Whittle, figlio di un macchinista e pilota della Royal Air Force, ebbe l'idea di un motore a reazione mentre prestava servizio come istruttore di volo nei primi anni '30. "Whittle era una strana anatra che spingeva un'idea che tutti pensavano fosse un po 'fuori di testa", afferma lo storico Roger Bilstein, autore di Flight in America: From the Wrights to the Astronauts . "Nessuno pensava che avrebbe funzionato."

Whittle ha persistito, alla fine ha raccolto le risorse per progettare un motore a reazione funzionante da solo. Il concetto, in ogni caso, è semplice: l'aria che entra nella parte anteriore del motore viene compressa e combinata con il carburante, quindi accesa; la miscela che brucia ruggisce sul retro del getto, generando un'enorme spinta mentre attraversa le turbine che alimentano i compressori nella parte anteriore del motore.

Il motore a reazione di Whittle fu testato per la prima volta in laboratorio nel 1937 e, quattro anni dopo, alimentò un caccia appositamente progettato presso una base aerea vicino a Gloucester, in Inghilterra. I piloti che osservavano il volo di prova top-secret dal lato dell'aeroporto umido erano sconcertati. "Mio Dio, ragazzi, devo fare il giro", ha riferito un ufficiale dopo. "Non aveva un'elica!"

Nel frattempo, un ingegnere tedesco di nome Hans von Ohain aveva sviluppato il proprio motore a reazione. Nel 1944, una manciata di caccia e bombardieri, incluso Messerschmitt Me 262, il primo jet operativo al mondo, vide il servizio nella Luftwaffe . In America, l'ottone militare mise getti su un bruciatore posteriore, convinto che la guerra sarebbe stata vinta con aeroplani convenzionali e molti di loro. Deviare le risorse per lavorare sul jet non provato, hanno insistito le autorità, sarebbe una perdita di tempo. Ma dopo che gli alleati attraversarono la Germania alla fine della guerra, reclutarono dozzine di scienziati tedeschi di jet e razzi, tra cui Wernher von Braun, e poi li portarono negli Stati Uniti in "Operazione graffetta". Il piano gettò le basi. per decenni di innovazione guidata dagli Stati Uniti, dalla tecnologia jet immediatamente utile ai progressi nella rocketry che alla fine avrebbero reso possibile il programma spaziale.

La tecnologia di propulsione a reazione è stata la cosa più importante nel settore dell'aviazione dai Wrights. "Il jet non è stato un perfezionamento di nulla, è stata una svolta completa", afferma Anderson della NASM. "Un'intera seconda era dell'aviazione è stata aperta da Whittle e von Ohain". Tuttavia gli inventori del jet non hanno mai ottenuto il riconoscimento di cui godevano i Wrights. I brevetti di Whittle furono stanziati dal governo britannico durante la guerra e von Ohain iniziò tranquillamente una nuova carriera nel 1947, come scienziato di propulsione dell'aeronautica militare americana.

Tuttavia occorrerebbero anni di scrupolosi lavori per trasformare l'aereo a reazione in un trasporto affidabile. All'inizio, i piloti di aerei da caccia avevano una possibilità su quattro di morire in un incidente aereo. Le velocità supersoniche, almeno a circa 650 miglia all'ora, hanno richiesto il ripensamento delle nozioni convenzionali su aerodinamica, controllo ed efficienza. Il design dell'X-1, che ha rotto la barriera del suono sul MurocDryLake della California nel 1947, si basava sul proiettile calibro .50, un oggetto che gli ingegneri sapevano diventare supersonico. Fu pilotato dal laconico pilota collaudatore della Virginia Occidentale Chuck Yeager, un veterano asso della Seconda Guerra Mondiale che contò tra le sue uccisioni due 262 Messerschmitt.

Il coraggio di quei piloti di prova è ciò che tendiamo a ricordare dei primi giorni di viaggi in aereo. Ma forse più importante fu l'enorme spesa pubblica per l'aviazione e la ricerca spaziale negli anni '50 e '60. Nel 1959, l'industria aeronautica era uno dei maggiori datori di lavoro nel settore manifatturiero americano, con oltre l'80% delle sue vendite nel decennio e mezzo dopo la seconda guerra mondiale ai militari. I successi americani nel settore dell'aviazione e dello spazio divennero potenti simboli nella guerra fredda e l'industria aerospaziale in forte espansione ottenne quello che equivaleva a un assegno in bianco da parte del governo. Dopotutto, come ha osservato un personaggio nella versione cinematografica di The Right Stuff, "No bucks, no Buck Rogers".

"Gli investimenti del governo in cose legate al volo hanno guidato un ampio fronte dello sviluppo tecnologico", afferma Crouch. "Una cosa dopo l'altra si è sviluppata perché era in qualche modo legata al volo, e i governi stavano spendendo soldi per esso." I computer sono diventati strumenti di aviazione onnipresenti, dalla progettazione di velivoli complessi alla formazione di reti globali di biglietteria. Il motore a reazione portò anche l'aviazione civile a nuove altezze e velocità. Boeing introdusse un prototipo del 707 passeggeri nel 1954 che poteva volare a più di 600 mph (tre volte più veloce del DC-3). Quattro anni dopo, Pan American iniziò il regolare servizio 707 da New York a Parigi, inaugurando l'era del jet.

Mentre le lezioni vinte duramente dai piloti dei test militari davano risultati più sicuri e più stabili, la forma del mondo iniziò a cambiare. Dai massicci bombardieri nucleari B-52 in grado di volare senza sosta da Omaha a Mosca in 11 ore, ai jet passeggeri che potevano attraversare l'Atlantico in 7 ore, il jet ha reso i viaggi internazionali accessibili a quasi tutti. I grandi jet passeggeri divennero comuni - il Boeing 747 da 452 passeggeri debuttò nel 1969 - e il numero di persone che volavano saliva costantemente ogni anno.

Gli aerei passeggeri supersonici furono la prossima ovvia frontiera. Ma con l'eccezione del Soviet Tupolev TU-144, che per la prima volta volò nel dicembre 1968, e del Concorde, una joint venture tra Francia e Gran Bretagna decollata due mesi dopo, il viaggio supersonico dei passeggeri rimarrebbe in gran parte una novità. Entrambi gli aerei erano un busto finanziario. In quasi 30 anni volando attraverso l'Atlantico a una velocità doppia rispetto al suono, il Concorde, che guasta il gas, non si è mai rotto nemmeno. Air France ha cessato regolarmente il servizio Concorde programmato lo scorso maggio e British Airways ad ottobre. Nondimeno, imprenditori e politici hanno continuato a fluttuare idee futuristiche (e finora poco pratiche), come l'Orient Express, un enorme trasporto supersonico che trasporterebbe fino a 200 passeggeri da New York a Pechino in due ore, saltando come un sasso sulla terra atmosfera a Mach 5.

Raggiungere velocità sempre più elevate non è stata necessariamente la massima priorità per i militari. Dagli anni '70, i pianificatori militari hanno enfatizzato la manovrabilità e la furtività. Ma i nuovi piani, con ali più piccole e inclinate e superfici di controllo, tendevano a essere instabili. Ciò è cambiato con lo sviluppo negli anni '70 di computer di bordo, o sistemi "fly-by-wire", in gergo aeronautico, in grado di effettuare migliaia di regolazioni al secondo su timoni e altre superfici di controllo. Il bombardiere stealth Northrop B-2 e il caccia stealth Lockheed F-117ANighthawk, bizzarri fasci nero opaco di strani angoli e ali tozze progettati per scomparire dal radar nemico, sembrano sfidare le leggi dell'aerodinamica con l'aiuto di un sofisticato software. L'ultima tecnologia fly-by-wire, veicoli aerei senza pilota o UAV, sono droni telecomandati, che hanno già visto il servizio nei cieli su Afghanistan e Iraq.

Per molti esperti di aviazione, la tecnologia dei velivoli sembra aver colpito un'altra pausa nel ritmo dei progressi. "Questa è la grande domanda: l'aereo nella sua forma ora è una tecnologia matura?", Afferma il curatore della NASM Jeremy Kinney. “Le compagnie aeree stanno andando molto bene con aerei a turbofan a corpo largo che trasportano centinaia di persone, e l'esercito sta essenzialmente innovando i perfezionamenti. C'è anche un prossimo altopiano? ”

Gli ingegneri lo sperano. "Certo, abbiamo raggiunto un certo livello di maturità nell'ultima parte del 20 ° secolo che alcuni vedono come un plateau, lo stesso degli anni '30", afferma Anderson di Smithsonian, ex presidente dell'Aerospace dell'Università del Maryland Dipartimento di Ingegneria. "Credo che questa sia una piattaforma da cui salteremo e vedremo progressi drammatici". Oltre ai miglioramenti nell'efficienza e nelle prestazioni degli aerei esistenti, i perfezionamenti tecnologici potrebbero presto consentire risultati sorprendenti: i sistemi fly-by-wire che mantengono un piano in volo con un'ala sparata, la riduzione o addirittura l'eliminazione di boom sonici e velivoli senza pilota in grado di compiere manovre drammatiche che ucciderebbero un pilota.

Curiosamente, alcune delle ricerche più avanzate attualmente in corso hanno una sorprendente somiglianza con le innovazioni fatte da Wrights più di un secolo fa. Al Dryden Flight Research Center della NASA di Edwards, in California, gli ingegneri del programma di ala aeroelastica attiva hanno equipaggiato un aereo da caccia calabrone F / A-18 con ali più flessibili che testano le possibilità del design dell'ala aeroelastica, essenzialmente una versione dell'ala Wrights -piega, sebbene utilizzi sistemi informatici molto avanzati per indurre le ali a cambiare forma a velocità supersoniche. Le ali aeroelastiche rendono possibili rotazioni, virate bancarie ruotando l'ala stessa, migliorando le prestazioni a velocità supersoniche. "Pochissimi uccelli volano con alettoni o flap all'avanguardia", afferma Dick Ewers, un pilota di test della NASA sul progetto. Invece, dice, gli uccelli cambiano la forma delle loro ali, a seconda della velocità o della lentezza con cui vanno e se girano, si arrampicano, si tuffano o si librano in alto. "Gli aeroplani spendono molto peso e denaro per rendere le ali rigide", continua. L'ala aeroelastica alla fine eliminerà i lembi e muoverà l'aereo cambiando la forma dell'ala stessa, prevede: "Invece di irrigidire l'ala, vogliamo renderlo flessibile e trarne vantaggio. "

Un logo del Centenario del volo sull'aereo prototipo annuncia con orgoglio lo straordinario legame del progetto con la tradizione. I piani del futuro possono condividere un'ispirazione con i Wrights, che hanno guidato con successo il loro Flyer in tre dimensioni spostando la forma delle sue ali. "Cento anni dopo, potremmo scoprire che le risposte dei fratelli Wright erano aerodinamicamente più corrette di quelle con cui viviamo da 80 anni", afferma Dave Voracek, ingegnere capo del progetto. "Siamo davvero tornati al punto di partenza".