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초기 비행 기계 공기보다 가벼움
유럽에서 기록된 최초의 풍선 비행은 브라질 태생의 포르투갈 신부 바르톨로메우 데 구스망이 만든 모형이었다. 1709년 8월 8일 리스본에서 그는 종이로 작은 열기구를 만들고 그 아래에 불을 피워 주앙 5세와 포르투갈 궁정 앞에서 약 4 미터 (13 ft) 높이로 들어 올렸다.
18세기 중반, 몽골피에 형제는 프랑스에서 낙하산과 풍선 실험을 시작했다. 그들의 풍선은 종이로 만들어졌으며, 증기를 양력 가스로 사용하는 초기 실험은 응축될 때 종이에 미치는 영향 때문에 오래가지 못했다. 연기를 일종의 증기로 착각하여, 그들은 풍선을 "전기 연기"라고 부르는 뜨거운 연기 나는 공기로 채우기 시작했다. 작동 원리를 완전히 이해하지 못했음에도 불구하고, 그들은 몇 번의 성공적인 발사를 했고 1782년 12월에는 20 m3 (710 cu ft) 풍선을 300 m (980 ft) 높이로 날렸다. 프랑스 과학 아카데미는 곧 그들을 파리로 초청하여 시연을 요청했다.
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한편, 수소의 발견은 조지프 블랙이 1780년경에 수소를 양력 가스로 사용할 것을 제안하게 했지만, 실용적인 시연은 기밀 풍선 재료를 기다려야 했다. 몽골피에 형제의 초청 소식을 들은 프랑스 학원 회원 자크 샤를은 수소 풍선의 유사한 시연을 제안했고 이것이 받아들여졌다. 샤를과 두 명의 장인인 로베르 형제는 고무 처리된 실크로 기밀 재료를 개발하고 작업에 착수했다.
1783년은 기구 비행에 있어 전환점이었다. 6월 4일부터 12월 1일 사이에 프랑스의 다섯 개 풍선이 각각 중요한 비행 최초 기록을 달성했다:
11월 21일: 몽골피에 형제가 인간 승객을 태운 첫 자유 비행 풍선을 띄웠다. 루이 16세는 원래 사형수들을 첫 조종사로 지정했으나, 로지에와 프랑수아 로랑 다르랑드 후작이 명예를 위해 성공적으로 청원했다. 그들은 장작불로 동력을 얻는 풍선으로 8 km (5.0 mi)를 표류했다. 25분 만에 9 킬로미터 (5.6 mi)를 이동했다.
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12월 1일: 자크 샤를과 니콜라 루이 로베르는 파리 튈르리 정원에서 유인 수소 풍선을 발사했다. 그들은 약 1,800 피트 (550 m) 높이까지 올라갔고, 2시간 5분 동안 22 마일 (35 km)를 비행한 후 네슬레 라 발레에 해질녘 착륙했다. 로베르가 내린 후 샤를은 혼자 상승하기로 결정했다. 이번에는 그는 약 3,000 미터 (9,800 ft) 고도까지 빠르게 상승하여 다시 태양을 보았지만 귀에 극심한 통증을 겪었다.
몽골피에의 설계에는 몇 가지 단점이 있었다. 가장 큰 단점은 건조한 날씨가 필요하다는 점과 불꽃이 종이 풍선에 불을 붙이는 경향이 있다는 점이었다. 유인 설계는 첫 무인 설계의 매달린 바구니 대신 풍선 바닥 주위에 갤러리가 있었는데, 이로 인해 종이가 불에 더 가까워졌다. 자유 비행에서 드 로지에와 다르랑드는 양동이의 물과 스펀지를 가져가 불이 나면 진압했다. 반면에 샤를의 유인 설계는 본질적으로 현대적이었다. 이러한 업적으로 인해 열기구는 몽골피에 유형으로, 가스 풍선은 샤를리에르로 알려지게 되었다.
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샤를과 로베르 형제의 다음 풍선은 장 바티스트 뫼니에가 제안한 길쭉한 유선형 풍선을 따른 샤를리에르로, 가스가 두 번째 내부 볼로넷에 담긴 외부 기낭을 가지고 있다는 점에서 주목할 만했다. 1784년 9월 19일, 이 풍선은 파리와 뵈브리 사이를 100 킬로미터 (62 mi) 이상 비행하는 첫 비행을 완료했으며, 인력 추진 장치는 쓸모없는 것으로 판명되었다.
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다음 해 1월, 장 피에르 블랑샤르와 존 제프리스는 도버에서 펠모어즈 숲까지 샤를리에르를 타고 영국 해협을 건넜다. 그러나 반대 방향으로의 유사한 시도는 비극으로 끝났다. 내구성과 제어력을 모두 제공하기 위해 드 로지에는 열기구와 수소 가스 주머니를 모두 갖춘 풍선을 개발했으며, 이 디자인은 곧 그의 이름을 따서 로지에르라고 명명되었다. 그의 아이디어는 수소 부분을 지속적인 양력에 사용하고, 열기구 부분을 가열하고 냉각시켜 수직으로 항해함으로써 어떤 고도에서든 가장 유리한 바람을 잡는 것이었다. 풍선 외피는 골드비터 스킨으로 만들어졌다. 비행이 시작된 직후, 드 로지에가 수소를 배출하는 것이 목격되었고, 수소가 불꽃에 의해 발화되어 풍선이 화염에 휩싸여 탑승자들을 죽게 했다. 불꽃의 원인은 알려져 있지 않지만, 정전기 또는 열기구 부분의 화로 등이 제안되었다.
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18세기 후반 유럽에서 기구 비행은 빠르게 큰 인기를 끌었으며, 고도와 대기 사이의 관계에 대한 첫 번째 자세한 이해를 제공했다. 1900년대 초에는 기구 비행이 영국에서 인기 있는 스포츠였다. 이러한 개인 소유 풍선은 주로 석탄 가스를 양력 가스로 사용했다. 이것은 수소의 절반 정도의 양력을 가지고 있었으므로 풍선은 더 커야 했지만, 석탄 가스는 훨씬 더 쉽게 구할 수 있었고, 지역 가스 공장에서는 때때로 기구 비행 행사를 위해 특별한 경량 혼합물을 제공했다.
계류 풍선은 남북 전쟁 중 북군 기구대에 의해 사용되었다. 1863년에 젊은 페르디난트 폰 체펠린은 북군 포토맥 군의 군사 관찰자로 활동하며 북군에서 사용되던 풍선을 타고 처음으로 풍선 승객으로 비행했다. 그 세기 후반에 영국군은 보어 전쟁 동안 관측 풍선을 사용했다.
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오늘날 비행선이라고 불리는 유선형(조종 가능한) 풍선 개발 작업은 19세기 내내 산발적으로 계속되었다. 역사상 최초의 지속적인 동력 제어 비행은 1852년 9월 24일 앙리 지파르가 지파르 비행선을 타고 파리에서 트라프까지 프랑스에서 약 17 마일 (27 km)를 비행했을 때 이루어졌다고 알려져 있다. 이 비행선은 수소로 채워진 비강성 비행선이었고, 3 마력 (2.2 kW) 증기기관으로 3날 프로펠러를 구동했다.
1863년, 솔로몬 앤드루스는 뉴저지주 퍼스앰보이에서 그의 에레온(aereon) 디자인, 즉 무동력 조종 가능 비행선을 날렸다. 그는 1866년에 뉴욕시 주변과 뉴욕주 오이스터베이까지 후기 디자인을 날렸다. 그의 중력 활공 기술은 비행선이 번갈아 상승하고 하강함에 따라 양력을 변화시켜 추진력을 제공하므로 동력 장치가 필요하지 않았다.
1884년 8월 9일, 프랑스 육군의 전동 비행선 라 프랑스를 타고 샤를 르나르와 아르튀르 콩스탕 크레브스가 최초의 완전 제어 가능한 자유 비행을 달성했다. 170-피트 (52 m) 길이의 66,000-세제곱피트 (1,900 m3) 비행선은 8.5 마력 (6.3 kW) 전동기의 도움으로 23분 만에 8 km (5 mi)를 비행하여 출발점으로 돌아왔다. 이는 폐쇄 회로를 비행한 최초의 비행이었다.
이 항공기들은 실용적이지 않았다. 일반적으로 약하고 수명이 짧았을 뿐만 아니라 비강성 또는 기껏해야 반강성 방식이었다. 따라서 상업적 하중을 운반할 만큼 충분히 크게 만들기가 어려웠다.
페르디난트 폰 체펠린 백작은 강성 외부 프레임이 훨씬 더 큰 비행선을 가능하게 할 것이라는 것을 깨달았다. 그는 체펠린 회사를 설립했으며, 그 회사의 강성 LZ 1이 1900년 7월 2일 스위스 국경의 보덴호에서 처음 비행했다. 비행은 18분 동안 지속되었다. 1900년 10월과 1900년 10월 24일에 각각 이루어진 두 번째와 세 번째 비행은 프랑스 비행선 라 프랑스의 6 m/s (13 mph) 속도 기록을 3 m/s (7 mph) 앞질렀다.
브라질의 알베르토 산토스뒤몽은 비행선을 설계, 제작, 비행하여 유명해졌다. 그는 일상적인 제어 비행이 가능한 최초의 완전 실용적인 비행선을 제작하고 비행했다. 그의 비행선 No.6으로 그는 1901년 10월 19일 생클루에서 이륙하여 에펠탑을 돌아 출발점으로 돌아오는 비행으로 도이치 드 라 뫼르트 상을 수상했다. 이 시점에서 비행선은 최초의 실용적인 항공 여행 형태로 자리 잡았다.
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레오나르도 다 빈치의 피라미드형 낙하산 디자인은 수세기 동안 미공개로 남아 있었다. 최초로 공개된 디자인은 크로아티아의 파우스토 베란치오의 호모 볼란스(Homo volans, 나는 인간)로, 1595년 그의 책 Machinae novae(새로운 기계)에 등장했다. 배의 돛을 기반으로 한 이 디자인은 사각형 프레임에 걸쳐 펴진 사각형 재료로 구성되어 있었고 밧줄로 고정되었다. 낙하산 비행가는 네 모서리의 밧줄에 매달렸다.
루이 세바스티앙 르노르망은 낙하산으로 목격된 하강을 한 최초의 인간으로 여겨진다. 1783년 12월 26일, 그는 몽펠리에 천문대 탑에서 조셉 몽골피에를 포함한 군중 앞에서 단단한 나무 프레임이 있는 14 피트 (4.3 m) 낙하산을 사용하여 뛰어내렸다.
1853년과 1854년 사이에 루이 샤를 르튀르는 우산 모양의 낙하산에 더 작은 삼각형 날개와 수직 꼬리를 달아 낙하산 글라이더를 개발했다. 르튀르는 1854년 추락 후 사망했다.
연은 근대 항공 역사에서 주로 사람을 태우거나 들어올리는 능력으로 가장 두드러지지만, 기상학과 같은 다른 분야에서도 중요했다.
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프랑스인 가스통 비오는 1868년에 사람을 들어올리는 연을 개발했다. 이후 1880년에 비오는 프랑스 항공 학회에 바람자루와 유사하지만 평평한 표면에 부착된 개방형 원뿔 기반의 연을 시연했다. 사람을 태우는 연은 1894년에 로버트 베이든 파월 경의 동생인 베이든 베이든 파월 대위가 단일 줄에 육각형 연을 연결하여 한 단계 더 발전시켰다. 1893년 호주인 로렌스 하그레이브가 박스 연을 발명하고 호주와 미국에서 일부 사람을 태우는 실험이 진행되면서 중요한 발전이 이루어졌다. 1905년 12월 27일, 캐나다 노바스코샤 배덱에서 닐 맥데어미드는 알렉산더 그레이엄 벨이 설계한 프로스트 킹이라는 이름의 대형 박스 연에 의해 공중으로 들어 올려졌다.
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그때까지 풍선은 기상학과 군사 관측 모두에 사용되고 있었다. 풍선은 약한 바람에서만 사용할 수 있었고, 연은 강한 바람에서만 사용할 수 있었다. 영국에서 활동하던 미국인 새뮤얼 프랭클린 코디는 이 두 가지 유형의 비행체가 다양한 기상 조건에서 작동할 수 있다는 것을 깨달았다. 그는 하그레이브의 기본 디자인을 발전시켜 추가적인 양력 표면을 추가하여 단일 줄에 여러 개의 연을 사용하는 강력한 사람을 들어올리는 시스템을 만들었다. 코디는 그의 시스템을 여러 번 시연했으며 나중에 그의 "전쟁 연" 시스템 중 네 개를 영국 해군에 판매했다. 그의 연은 기상 관측 장비를 공중으로 운반하는 데도 사용되었으며 그는 왕립 기상 학회 회원으로 임명되었다. 1905년, 영국 육군 풍선 부대의 공병 모르톤(Sapper Moreton)은 코디의 감독 하에 올더숏에서 연에 의해 2,600 피트 (790 m) 들어 올려졌다. 1906년, 코디는 올더숏의 육군 풍선 학교에서 연 날리기 수석 강사로 임명되었다. 그는 곧 팜보로에 새로 설립된 육군 풍선 공장에도 합류하여 영국 육군을 위한 전쟁 연 개발을 계속했다. 그는 개인적으로 연처럼 계류선으로 발사되었다가 자유롭게 활공하는 유인 "글라이더 연"을 개발했다. 1907년, 코디는 다음으로 개조된 무인 "동력 연"에 항공기 엔진을 장착했는데, 이는 그의 후기 항공기의 전신으로, 웨일스 공과 공주 앞에서 풍선 창고 안에서 기둥에 매달린 와이어를 따라 날았다. 영국 육군은 1908년에 그의 전쟁 연을 풍선 부대에 공식적으로 채택했다.
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레오나르도의 인력만으로는 지속적인 비행이 불가능하다는 깨달음은 17세기에 죠반니 알폰소 보렐리와 로버트 훅에 의해 독립적으로 재발견되었다. 훅은 어떤 형태의 엔진이 필요하다는 것을 깨닫고 1655년에 스프링 동력 오르니콥터 모델을 만들었는데, 이는 겉으로는 날 수 있었다.
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진정한 비행 기계를 설계하거나 제작하려는 시도가 시작되었는데, 일반적으로 지지하는 캐노피와 스프링 또는 인력으로 추진되는 플래퍼가 있는 곤돌라로 구성되었다. 최초의 시도 중에는 하우츠(Hautsch)와 부라티니(Burattini) (1648)가 있었다. 다른 시도에는 데 구스망의 "파사롤라" (1709년 이후), 에마누엘 스베덴보리 (1716), 데포르주(Desforges) (1772), 바우어(Bauer) (1764), 메어바인(Meerwein) (1781), 그리고 나중에 풍선으로 더 큰 성공을 거둔 장 피에르 블랑샤르 (1781)가 있었다. 회전 날개 헬리콥터도 마찬가지로 등장했는데, 특히 미하일 로모노소프 (1754)와 포크통(Paucton)의 것이 주목할 만했다. 몇몇 모형 글라이더는 성공적으로 비행했지만 일부 주장은 논란의 여지가 있으며, 어떠한 경우에도 실제 크기의 비행기는 성공하지 못했다.
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이탈리아 발명가 티토 리비오 부라티니는 폴란드-리투아니아의 브와디스와프 4세 바사 왕의 초청으로 바르샤바 궁정에 머물며 1647년에 네 개의 고정 글라이더 날개가 달린 모형 항공기를 제작했다. "정교한 '용'에 부착된 네 쌍의 날개"로 묘사된 이 항공기는 1648년에 고양이를 성공적으로 들어올렸지만 부라티니 자신은 들어올리지 못했다고 전해진다. 그는 비행기를 착륙시키는 것이 "아주 사소한 부상"만을 초래할 것이라고 약속했다. 그의 "드래곤 볼란트"는 "19세기 이전에 제작된 가장 정교하고 세련된 항공기"로 간주된다.
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바르톨로메우 데 구스망의 "파사롤라"는 속이 비어 있고 막연히 새 모양을 닮은 글라이더였지만 두 개의 날개를 가지고 있었다. 1709년에 그는 주앙 5세 왕에게 "비행선" 발명에 대한 지원을 간청하는 청원을 제출했는데, 그는 이에 대해 큰 자신감을 표명했다. 1709년 6월 24일로 예정되었던 기계의 공개 시험은 이루어지지 않았다. 그러나 당시 보고에 따르면 구스망은 이 기계로 몇 번 덜 야심찬 실험을 했고, 높은 곳에서 내려왔던 것으로 보인다. 1709년 8월 8일 리스본의 카사 다 인디아 홀에서 궁정 앞에서 공개 시연을 했을 때, 그는 연소를 통해 공을 지붕으로 날려 보냄으로써 이 원리를 실제로 보여주었다. 그는 또한 포르투갈 궁정 앞에서 작은 비행선 모형을 시연했지만, 실제 크기 모형으로는 성공하지 못했다.
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이해와 동력원은 여전히 부족했다. 이는 에마누엘 스베덴보리가 그의 "공중 비행 기계 스케치" (1716)에서 인식한 사실이다. 그의 비행 기계는 강한 캔버스 천으로 덮인 가벼운 프레임과 수평 축에서 움직이는 두 개의 큰 노 또는 날개로 구성되어 있었는데, 이는 상향 스트로크에서는 저항을 받지 않고 하향 스트로크에서 양력을 제공하도록 배열되었다. 스베덴보리는 이 기계가 날지 못할 것이라는 것을 알았지만, 시작으로 제안하며 문제가 해결될 것이라고 확신했다. 그는 다음과 같이 썼다: "이런 기계를 말하는 것이 실제 구현하는 것보다 쉬워 보인다. 왜냐하면 이는 인체에 존재하는 것보다 더 큰 힘과 더 작은 무게를 요구하기 때문이다. 역학 과학은 아마도 강력한 나선형 스프링과 같은 수단을 제시할 수 있을 것이다. 이러한 장점과 필요 조건이 충족된다면, 아마도 미래에 누군가가 우리의 스케치를 더 잘 활용하고 우리가 제안할 수밖에 없는 것을 달성하기 위한 추가적인 작업을 할 수 있을 것이다." 왕립 항공 학회 저널의 편집자는 1910년에 스베덴보리의 디자인이 "...항공기 [공기보다 무거운 비행기] 유형의 비행 기계에 대한 최초의 합리적인 제안..."이었다고 썼다.
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한편, 로터크래프트는 완전히 잊혀지지 않았다. 1754년 7월, 미하일 로모노소프는 러시아 과학 아카데미에 스프링으로 구동되는 작은 동축 이중 로터 시스템을 시연했다. 로터는 위아래로 배열되어 반대 방향으로 회전했는데, 이는 오늘날의 현대 이중 로터 설계에서도 여전히 사용되는 원리이다. 1768년 그의 『Théorie de la vis d'Archimède』에서 알렉시스 장 피에르 파크통은 양력을 위한 에어스크루 하나와 추진을 위한 에어스크루 하나를 사용할 것을 제안했는데, 이는 오늘날 자이로다인이라고 불린다. 1784년 라우노아와 비엔베뉴는 활톱과 유사한 간단한 스프링으로 구동되는 동축, 역회전 로터를 가진 비행 모델을 시연했는데, 이는 현재 최초의 동력 헬리콥터로 받아들여지고 있다.
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인력 비행에 대한 시도는 여전히 지속되었다. 파크통의 로터크래프트는 인력으로 구동되었고, 또 다른 접근 방식인 레오나르도에 의해 처음 연구되었던 것은 플랩 밸브의 사용이었다. 플랩 밸브는 날개의 구멍 위에 단순한 경첩이 달린 플랩이다. 한 방향에서는 공기가 통과하도록 열리고, 다른 방향에서는 닫혀 증가된 압력 차이를 허용한다. 초기 예는 1764년 바우어가 설계했다. 나중에 1808년, 야코프 데겐은 플랩 밸브가 있는 오르니콥터를 만들었는데, 조종사는 견고한 프레임에 서서 움직이는 수평 막대로 날개를 조작했다. 1809년의 비행 시도는 실패했고, 그는 작은 수소 풍선을 추가하여 짧은 도약에 성공했다. 당시 인기 있던 삽화에는 그의 기계가 풍선 없이 묘사되어 실제로 무엇이 날았는지에 대한 혼란을 야기했다. 1811년 알브레히트 베르블링거는 데겐의 디자인을 기반으로 오르니콥터를 만들었지만 풍선을 생략하고 대신 다뉴브강으로 뛰어들었다. 이 실패는 한 가지 긍정적인 결과를 가져왔다. 삽화에 속았던 조지 케일리는 "대중의 평가에서 우스꽝스러움에 가까운 주제에 약간의 위엄을 더하기 위해" 지금까지의 연구 결과를 발표하도록 자극받았고, 현대 항공 시대가 시작되었다.
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19세기 내내 탑에서 뛰어내리는 것은 인력과 날개짓 비행의 지속적인 무용함을 보여주는 방법으로, 치명적이지만 인기 있는 풍선에서 뛰어내리는 것으로 대체되었다. 한편, 공기보다 무거운 비행에 대한 과학적 연구가 본격적으로 시작되었다.
조지 케일리 경은 1846년에 처음으로 "항공기의 아버지"라고 불렸다. 지난 세기 말에 그는 비행의 물리에 대한 최초의 엄격한 연구를 시작했으며 나중에 최초의 현대적인 공기보다 무거운 비행체를 설계했다. 그의 많은 업적 중 항공학에 대한 가장 중요한 기여는 다음과 같다.
10세부터 케일리는 조류 비행의 물리를 연구하기 시작했으며, 그의 학교 공책에는 비행 이론에 대한 아이디어를 발전시키는 스케치가 담겨 있었다. 이러한 스케치들이 케일리가 이미 1792년 또는 1793년에 양력을 생성하는 경사면의 원리를 모델링했음을 보여준다고 주장된다.
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1796년에 케일리는 라우노아와 비엔베뉴의 유사한 디자인 모형을 모른 채 일반적으로 중국식 비행 팽이로 알려진 형태의 모형 헬리콥터를 만들었다. 그는 헬리콥터를 간단한 수직 비행을 위한 최고의 디자인으로 여겼고, 나중에 1854년에 개선된 모델을 만들었다. 그는 쿠퍼(Cooper) 씨가 "장난감의 서투른 구조"를 개선한 최초의 사람이라고 인정하며, 쿠퍼의 모형이 20~30피트 상승했다고 보고한다. 케일리는 하나를 만들고 콜슨(Coulson) 씨는 사본을 만들었는데, 케일리는 이를 "공중 나사 프로펠러의 매우 아름다운 표본"이며 90피트 이상 높이 날 수 있다고 묘사했다.
케일리의 다음 혁신은 두 가지였다: 이전 세기에 벤자민 로빈스가 공기역학적 항력을 조사하기 위해 발명하고 존 스미턴이 회전하는 풍차 날개에 작용하는 힘을 측정하기 위해 곧 사용했던 회전 팔 시험 장치를 항공기 연구에 사용하는 것과, 완전한 디자인의 모델을 비행시키려 시도하는 대신 팔에 공기역학적 모델을 사용하는 것이었다. 그는 처음에 팔에 고정되고 공기 흐름에 대해 각도를 이루는 단순한 평평한 판을 사용했다.
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1799년, 그는 양력, 추진력, 제어를 위한 별도의 시스템을 갖춘 고정익 비행 기계로서 현대 항공기의 개념을 정립했다. 그 해에 제작된 작은 은색 원반에는 한쪽에는 항공기에 작용하는 힘이, 다른쪽에는 캠버 날개, 수평 꼬리날개와 수직 핀으로 구성된 분리된 꼬리, 안정성을 제공하기 위해 무게 중심 아래에 조종사를 매단 동체와 같은 현대적인 특징을 통합한 항공기 디자인 스케치가 새겨져 있었다. 이 디자인은 조종사가 조작하는 두 개의 패들이나 노가 플랩 밸브처럼 작동하는 것으로 보여 여전히 완전히 현대적이지는 않다.
그는 연구를 계속하여 1804년에 최초의 현대적인 공기보다 무거운 비행 기계인 모형 글라이더를 제작했는데, 이는 전방에 경사진 날개가 있고 후방에 조정 가능한 꼬리(꼬리 날개와 핀 모두 포함)가 있는 기존의 현대 항공기 레이아웃을 가지고 있었다. 날개는 단순한 장난감 종이 연이었으며 평평하고 캠버가 없었다. 움직이는 무게추는 모형의 무게 중심을 조절할 수 있게 했다. 언덕을 내려갈 때 "매우 아름다운" 모습이었고 꼬리의 작은 조절에도 민감했다.
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1809년 말까지 그는 세계 최초의 실제 크기 글라이더를 제작하여 무인 계류 연으로 날렸다. 같은 해, 동시대 사람들의 터무니없는 행동(위 참조)에 자극받아, 그는 "항공 항법에 관하여"(1809–1810)라는 획기적인 세 부분으로 된 논문을 발표하기 시작했다. 이 논문에서 그는 문제에 대한 첫 번째 과학적 진술을 썼다. "전체 문제는 이 한계 안에 국한된다. 즉, 공기 저항에 동력을 적용하여 주어진 무게를 지탱하는 표면을 만드는 것이다." 그는 항공기에 영향을 미치는 네 가지 벡터 힘인 추력, 양력, 항력, 무게를 식별하고 그의 설계에서 안정성과 제어를 구별했다. 그는 인력만으로는 불충분하다고 주장했으며, 적절한 동력원이 아직 없었지만 가스와 공기 혼합물을 사용하는 내연기관의 작동 원리까지 설명했다. 그러나 그는 작동하는 엔진을 만들 수 없었고 그의 비행 실험을 활공 비행에 국한시켰다. 그는 또한 캠버진 익형, 상반각, 대각선 버팀대 및 항력 감소의 중요성을 식별하고 설명했으며 오르니콥터와 낙하산의 이해 및 설계에 기여했다.
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1848년에 그는 아이를 태울 수 있을 만큼 크고 안전한 삼엽기 형태의 글라이더를 제작할 정도로 발전했다. 한 지역 소년이 선택되었지만 그의 이름은 알려져 있지 않다.
그는 1852년에 풍선에서 발사될 실제 크기의 유인 글라이더 또는 "조종 가능한 낙하산" 디자인을 발표하고, 1853년에 언덕 꼭대기에서 발사할 수 있는 버전을 제작하여 최초의 성인 비행가가 브롬튼 계곡을 가로지르는 비행을 했다. 비행가의 신원은 알려져 있지 않다. 케일리의 마부, 하인 또는 집사, 마부였을 수도 있는 존 애플비 또는 다른 직원, 심지어 케일리의 손자 조지 존 케일리 등 다양하게 제안되었다. 알려진 것은 그가 명확한 날개, 동체, 꼬리를 가진 글라이더에서 처음으로 비행했으며, 내재된 안정성과 조종사가 조작하는 조종 장치를 갖추었다는 것이다: 최초의 완전 현대적이고 기능적인 공기보다 무거운 비행체였다.
사소한 발명품으로는 연구 모형에 안정적인 동력원을 제공한 고무 동력 모터가 있다. 1808년까지 그는 바퀴를 재발명하여 모든 압축 하중이 림에 의해 지지되는 장력 스포크 바퀴를 고안하여 경량 착륙 장치를 가능하게 했다.
초기 비행 기계 공기보다 무거움
케일리의 작업에서 직접 영감을 받은 윌리엄 새뮤얼 헨슨의 1842년 에어리얼 스팀 캐리지(Aerial Steam Carriage) 디자인은 새로운 지평을 열었다. 헨슨은 150 피트 (46 m) 길이의 고익 단엽기를 제안했으며, 증기기관이 두 개의 푸셔 프로펠러를 구동했다. 비록 디자인에 불과했지만(축소 모델은 1843년 또는 1848년에 제작되어 3 or 40 미터 (10 or 130 ft)를 비행했다), 이는 프로펠러 구동 고정익 항공기 역사상 최초의 디자인이었다. 헨슨과 그의 협력자 존 스트링펠로우는 최초의 에어리얼 트랜짓 컴퍼니를 꿈꾸기까지 했다.
1856년, 프랑스인 장 마리 르 브리는 해변에서 말이 끄는 글라이더 "알바트로스 아르티피시엘(L'Albatros artificiel)"을 이용하여 출발점보다 높은 곳으로 최초의 비행을 했다. 그는 200미터 거리에서 100미터 높이에 도달했다고 전해진다.
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영국의 발전은 프랑스 연구자들을 자극했다. 1857년부터 펠릭스 뒤 탕플과 그의 형 루이스는 시계 장치를 동력원으로 사용하고 나중에는 작은 증기기관을 사용하여 여러 모델을 제작했다. 1857년 또는 1858년에 680-그램 (1.5 lb) 모델이 잠시 비행하고 착륙할 수 있었다.
프랜시스 허버트 웬햄은 새로 설립된 항공 학회(나중에 왕립 항공 학회)에 최초의 논문 "공중 이동(On Aerial Locomotion)"을 발표했다. 그는 캠버 날개에 대한 케일리의 작업을 더 발전시켜 날개 익형 단면과 양력 분포 모두에 대한 중요한 발견을 했다. 그의 아이디어를 시험하기 위해 1858년부터 그는 유인 및 무인, 그리고 최대 5개의 날개를 쌓아 올린 여러 글라이더를 제작했다. 그는 많은 사람들이 제안한 박쥐 같은 날개보다 길고 얇은 날개가 더 좋다는 올바른 결론을 내렸는데, 이는 면적에 비해 더 많은 앞전이 있기 때문이었다. 오늘날 이 관계는 날개의 종횡비로 알려져 있다.
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19세기 후반은 "신사 과학자"들로 대표되는 집중적인 연구의 시기가 되었으며, 이들은 20세기까지 대부분의 연구 노력을 주도했다. 그중에는 영국의 과학자-철학자이자 발명가인 매튜 피어스 와트 볼튼이 있었는데, 그는 1864년에 횡방향 비행 제어를 설명하는 중요한 논문 "공중 이동(On Aërial Locomotion)"을 썼다. 그는 1868년에 에일러론 제어 시스템을 최초로 특허를 냈다.
1864년, 르 콩트 페르디난트 샤를 오노레 필리프 데스테르노(Le Comte Ferdinand Charles Honore Phillipe d'Esterno)는 새의 비행에 관한 연구(Du Vol des Oiseaux)를 발표했고, 다음 해에는 루이 피에르 무이야르가 영향력 있는 책 『공기의 제국(l'Empire de l'Air)』을 출간했다.
1866년에는 대영 항공 학회가 설립되었고, 2년 후 런던 수정궁에서 세계 최초의 항공 전시회가 개최되었는데, 스트링펠로우는 최고의 출력 대 중량비를 가진 증기기관으로 100파운드 상을 수상했다.
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1871년, 웬햄과 브라우닝은 최초의 풍동을 만들었다. 학회 회원들은 풍동을 사용하여 캠버진 날개가 케일리의 뉴턴 역학적 추론보다 훨씬 더 많은 양력을 생성하며, 15 도에서 양항비가 약 5:1에 달한다는 것을 알게 되었다. 이는 실용적인 공기보다 무거운 비행 기계를 만들 가능성을 명확히 보여주었다. 남은 문제는 비행체의 제어 및 동력 공급이었다.
1850년부터 1880년까지 살았던 프랑스인 알퐁스 페노는 항공학에 중요한 기여를 했다. 그는 날개 윤곽과 공기역학 이론을 발전시키고 항공기, 헬리콥터, 오르니콥터의 성공적인 모델을 제작했다. 1871년, 그는 최초의 공기역학적으로 안정적인 고정익 항공기인 "플라노포르"라는 이름의 모노플레인을 40 미터 (130 ft) 거리로 날렸다. 페노의 모델은 꼬리 사용, 내재된 안정성을 위한 날개 이중각, 고무 동력 등 케일리의 여러 발견을 통합했다. 플라노포르는 또한 세로 안정성을 가졌는데, 꼬리날개가 날개보다 작은 받음각으로 설정되어 있었으며, 이는 항공학 이론에 대한 독창적이고 중요한 기여였다.
1870년대까지 경량 증기기관이 항공기에 시험적으로 사용될 만큼 충분히 개발되었다.
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펠릭스 뒤 탕플은 결국 1874년 실제 크기의 유인 항공기로 짧은 도약에 성공했다. 그의 "단엽기"는 알루미늄으로 제작된 대형 항공기로, 날개 길이는 42 ft 8 in (13 m)였으며 조종사 없이 겨우 176 파운드 (80 kg)에 불과했다. 이 항공기로 여러 차례 시험 비행이 이루어졌고, 경사로에서 발사된 후 자체 동력으로 이륙하여 짧은 시간 동안 활공한 후 안전하게 착륙했다. 이는 역사상 최초의 성공적인 동력 도약이었으며, 모이의 비행보다 1년 앞섰다.
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토마스 모이가 만든 에어리얼 스티머(Aerial Steamer), 때로는 모이-실 에어리얼 스티머(Moy-Shill Aerial Steamer)라고도 불리는 이 비행기는 3 마력 (2.2 kW) 증기기관으로 움직이는 무인 탠덤 날개 항공기였고 연료로는 변성 알코올을 사용했다. 길이는 14 피트 (4.3 m)였고 무게는 약 216 파운드 (98 kg)이었는데, 이 중 엔진이 80 파운드 (36 kg)을 차지했으며 세 개의 바퀴로 움직였다. 1875년 6월에 직경 약 300 피트 (91 m)의 원형 자갈 트랙에서 시험되었다. 시속 12 마일 매 시 (19 km/h) 이상 속도에 도달하지 못했지만, 이륙하려면 시속 35 마일 매 시 (56 km/h) 정도의 속도가 필요했을 것이다. 그러나 역사학자 찰스 깁스-스미스는 이 비행기가 자체 동력으로 지상을 떠난 최초의 증기 동력 항공기로 인정했다.
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페노의 후기 수륙 양용 비행기 프로젝트는 실제로 제작되지는 않았지만, 다른 현대적 특징들을 통합했다. 단일 수직 핀과 두 개의 트랙터 에어스크류를 가진 꼬리 없는 단엽기였으며, 경첩식 후방 승강타 및 방향타 표면, 접이식 착륙 장치, 그리고 완전히 밀폐된 계기 조종석도 특징이었다.
페노만큼 이론가로서 권위 있는 사람은 그의 동포 빅토르 타탱이었다. 1879년에 그는 페노의 프로젝트와 마찬가지로 두 개의 트랙터 프로펠러를 가진 단엽기였지만, 별도의 수평 꼬리도 가지고 있었다. 공기탱크가 동체를 이루는 압축 공기로 구동되었다.
러시아에서는 알렉산드르 모자이스키가 하나의 큰 트랙터 프로펠러와 두 개의 작은 푸셔 프로펠러로 구동되는 증기 동력 단엽기를 제작했다. 1884년에 이 비행기는 경사로에서 발사되어 98 피트 (30 m) 동안 공중에 떠 있었다.
같은 해 프랑스에서 알렉상드르 구필(Alexandre Goupil)은 자신의 저서 『La Locomotion Aérienne』(공중 이동)을 발표했지만, 그가 나중에 제작한 비행 기계는 비행에 실패했다.
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하이럼 스티븐스 맥심 경은 미국인으로 영국으로 이주하여 영국 국적을 취득했다. 그는 동시대인들을 크게 무시하고 자신만의 회전 암 리그와 풍동을 만들었다. 1889년에 그는 켄트 벡슬리의 발드윈 매너(Baldwyn's Manor) 부지에 격납고와 작업장을 짓고 많은 실험을 했다. 그는 1891년에 특허를 받은 복엽기 디자인을 개발했고, 3년 후에 시험 장치로 완성했다. 이 장치는 105 피트 (32 m)의 날개 길이, 145 피트 (44 m)의 길이, 전후방 수평면, 그리고 세 명의 승무원을 가진 거대한 기계였다. 두 개의 프로펠러는 각각 180 마력 (130 kW)를 전달하는 두 개의 경량 복합 증기기관으로 구동되었다. 총 무게는 7,000 파운드 (3,200 kg)이었다. 나중에 수정된 사항은 그림에 표시된 대로 더 많은 날개 표면을 추가할 것이다. 그 목적은 연구용이었고, 공기역학적으로 안정적이거나 제어할 수 없었기 때문에, 롤러코스터 방식과 유사하게 이륙을 방지하기 위한 두 번째 제약 레일과 함께 1,800 피트 (550 m) 트랙에서 운행되었다. 1894년에 이 기계는 이륙할 만큼 충분한 양력을 발생시켜 제약 레일 중 하나를 부러뜨리고 손상을 입었다. 맥심은 그 후 작업을 포기했지만 20세기에는 내연기관으로 구동되는 여러 작은 디자인을 시험하기 위해 항공학으로 돌아올 것이다.
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마지막 증기 동력 선구자 중 한 명은 클레망 아데르였는데, 그는 맥심처럼 (다음 섹션 참조) 동시대인들을 무시하고 전진했다. 그의 1890년 에올은 박쥐 날개 모양의 트랙터 단엽기로, 짧고 제어되지 않은 도약에 성공하여 자체 동력으로 이륙한 최초의 공기보다 무거운 비행체가 되었다. 그러나 1897년의 유사하지만 더 큰 아비옹 III는 두 개의 증기기관을 가졌다는 점만 주목할 만하며, 비행에 실패했다. 짧은 운행 후 이 기계는 돌풍에 휘말려 트랙에서 벗어나 멈췄다. 이후 프랑스 육군은 자금 지원을 철회했지만, 결과는 비밀로 유지했다. 위원회는 1910년 11월에 아데르의 비행 시도에 대한 공식 보고서를 발표했는데, 실패했다고 명시했다.
마시아의 도움으로 제작되어 비오(Biot)가 1879년에 잠시 비행한 글라이더는 무이야르(Mouillard)의 작업을 기반으로 했으며 여전히 새와 같은 형태를 하고 있었다. 이 글라이더는 프랑스 항공우주박물관에 보존되어 있으며, 현존하는 가장 오래된 유인 비행 기계로 주장된다.
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19세기 마지막 10여 년 동안, 여러 주요 인물들이 현대 항공기를 정교하게 만들고 정의했다. 영국인 호레이쇼 필립스는 공기역학에 핵심적인 기여를 했다. 독일인 오토 릴리엔탈과 미국인 옥타브 샤누트는 독립적으로 활공 비행을 연구했다. 릴리엔탈은 조류 비행에 관한 책을 출판했으며, 1891년부터 1896년까지 자신의 이론을 시험하기 위해 다양한 단엽기, 복엽기, 삼엽기 형태의 글라이더를 제작했다. 그는 수천 번의 비행을 했으며, 사망 당시에는 동력 글라이더를 연구하고 있었다.
필립스는 증기를 작동 유체로 사용하여 익형 단면에 대한 광범위한 풍동 연구를 수행했다. 그는 케일리와 웬햄이 예견한 공기역학적 양력 원리를 증명했으며, 1884년부터 여러 익형 특허를 취득했다. 그의 연구 결과는 모든 현대 익형 설계의 기초를 이룬다. 필립스는 나중에 다엽기 설계에 대한 이론을 개발했지만, 이는 근거 없는 것으로 판명되었다.
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1880년대부터 건설 분야의 발전은 최초의 진정으로 실용적인 글라이더로 이어졌다. 특히 네 명의 인물이 활발하게 활동했다: 존 J. 몽고메리, 오토 릴리엔탈, 퍼시 필처 그리고 옥타브 샤누트. 최초의 현대 글라이더 중 하나는 존 J. 몽고메리가 1883년에 제작했으며, 몽고메리는 나중에 1884년 샌디에고 근처에서 단 한 번의 성공적인 비행을 했다고 주장했다. 몽고메리의 활동은 샤누트의 책 『나는 기계의 진보(Progress in Flying Machines)』에 기록되어 있다. 몽고메리는 1893년 시카고에서 열린 항공 회의에서 그의 비행에 대해 논의했으며, 샤누트는 1893년 12월 《아메리칸 엔지니어 & 레일로드 저널》에 몽고메리의 발언을 게재했다. 몽고메리는 1885년과 1886년에 그의 두 번째와 세 번째 글라이더로 짧은 도약 비행도 설명했다. 1886년과 1896년 사이에 몽고메리는 비행 기계 실험보다는 공기역학의 물리 이해에 집중했다. 또 다른 행글라이더는 이미 1877년에 빈 근처에서 빌헬름 크레스가 제작했다.
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오토 릴리엔탈은 독일의 "글라이더 왕" 또는 "나는 사람"으로 알려졌다. 그는 웬햄의 작업을 복제하고 1884년에 이를 크게 확장하여 1889년 『새의 비행을 항공의 기초로(Der Vogelflug als Grundlage der Fliegekunst)』로 그의 연구를 출판했다. 그는 또한 행글라이더 유형의 글라이더 시리즈를 제작했는데, 여기에는 박쥐 날개, 단엽기 및 복엽기 형태가 포함되었다. 1891년부터 그는 통제된 무계류 활공을 일상적으로 수행한 최초의 인물이자 공기보다 무거운 기계를 타고 비행하는 사진을 찍힌 최초의 인물이 되어 전 세계의 관심을 자극했다. 그는 사진을 포함하여 자신의 작업을 엄격하게 기록했으며, 이러한 이유로 초기 선구자들 중 가장 잘 알려진 인물 중 한 명이다. 그는 또한 "날기 전에 뛰어라"는 아이디어를 홍보하며, 연구자들이 단순히 종이에 동력 기계를 설계하고 작동하기를 바라는 대신 글라이더로 시작하여 점진적으로 나아가야 한다고 제안했다. 릴리엔탈은 1896년 글라이더 추락 사고로 인한 부상으로 사망할 때까지 2,000회 이상의 활공을 했다. 릴리엔탈은 사망 당시 그의 디자인에 동력을 공급할 수 있는 작은 엔진도 연구하고 있었다.
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릴리엔탈이 중단한 곳에서 옥타브 샤누트는 조기 은퇴 후 항공기 설계를 시작하고 여러 글라이더 개발에 자금을 지원했다. 1896년 여름, 그의 팀은 인디애나주 밀러 해변에서 여러 디자인을 여러 번 날렸고, 결국 복엽기 디자인이 최고라는 결론을 내렸다. 릴리엔탈처럼 그는 자신의 작업을 문서화하고 사진도 찍었으며, 전 세계의 같은 생각을 가진 연구자들과 활발하게 서신을 주고받았다. 샤누트는 특히 비행 중 항공기의 공기역학적 불안정성 문제를 해결하는 데 관심이 많았다. 새들은 즉각적인 수정으로 이를 보완하지만, 인간은 안정화 및 제어 표면을 사용하거나 릴리엔탈처럼 항공기의 무게 중심을 이동시켜야 했다. 가장 당혹스러운 문제는 세로 불안정성(발산)이었다. 왜냐하면 날개의 받음각이 증가하면 압력 중심이 앞으로 이동하여 받음각이 더욱 증가하기 때문이다. 즉각적인 수정 없이는 항공기가 기수 들림(pitch up) 현상을 일으키고 실속에 빠질 것이다. 횡방향 및 방향 제어 간의 관계는 이해하기 훨씬 더 어려웠다.
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영국에서는 막심 밑에서 일했으며 1890년대 중후반에 여러 글라이더를 제작하고 성공적으로 비행했던 퍼시 필처가 1899년에 시제 동력 항공기를 제작했는데, 최근 연구에 따르면 이 항공기는 비행이 가능했을 것으로 보인다. 그러나 릴리엔탈처럼 그 역시 이를 시험해보기 전에 글라이더 사고로 사망했다.
출판물, 특히 옥타브 샤누트의 1894년 저서 『나는 기계의 진보(Progress in Flying Machines)』와 제임스 민스의 『인간 비행의 문제(The Problem of Manflight)』(1894) 및 『항공 연보(Aeronautical Annuals)』(1895–1897)는 현재의 연구와 사건을 더 많은 대중에게 알리는 데 도움이 되었다.
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이 시기 호주인 로렌스 하그레이브의 박스 연 발명은 실용적인 복엽기의 개발로 이어졌다. 1894년 하그레이브는 자신의 연 네 개를 연결하고 슬링 좌석을 추가하여 16 피트 (4.9 m)를 비행했다. 회의적인 대중에게 안전하고 안정적인 비행 기계를 만들 수 있다는 것을 시연함으로써 하그레이브는 다른 발명가와 선구자들에게 문을 열었다. 하그레이브는 평생을 날 수 있는 기계를 만드는 데 바쳤다. 그는 과학계 내에서 개방적인 소통을 열정적으로 믿었으며 자신의 발명품에 특허를 내지 않았다. 대신 그는 같은 분야에서 일하는 다른 발명가들과 아이디어를 상호 교환하여 공동의 진보를 가속화하기 위해 자신의 실험 결과를 꼼꼼하게 발표했다. 1889년까지 그는 압축 공기로 구동되는 로터리 엔진을 제작했다.
옥타브 샤누트는 여러 날개 평면이 단엽기보다 더 효과적이라고 확신하여 "스트럿-와이어" 버팀대 날개 구조를 도입했는데, 이는 강성과 경량의 조합으로 복엽기 형태로 향후 수십 년 동안 항공기 설계를 지배하게 될 것이다.
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풍선 낙하도 성공하기 시작했다. 1905년, 대니얼 J. 말로니는 존 몽고메리가 설계한 탠덤 날개 글라이더를 타고 풍선에 의해 샌타클래라 (캘리포니아주)에서 열린 대규모 공개 비행 시연의 일환으로 4,000 피트 (1,200 m) 고도까지 올라갔다가 풀려나 활공하여 예정된 위치에 착륙했다. 그러나 여러 차례의 성공적인 비행 후, 1905년 7월 상승 중 풍선에서 나온 밧줄이 글라이더를 강타했고, 풀려난 후 글라이더가 구조적 결함으로 인해 말로니는 사망했다.
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구스타프 바이스코프는 미국으로 이주한 독일인으로, 곧 이름을 화이트헤드로 바꾸었다. 1897년부터 1915년까지 바이스코프는 비행 기계와 엔진을 설계하고 제작했다. 1901년 8월 14일, 화이트헤드는 코네티컷주 페어필드에서 자신의 21호 단엽기로 제어 가능한 동력 비행을 성공적으로 수행했다고 주장했다. 주장된 비행에 대한 기사는 브리지포트 선데이 헤럴드에 실렸고, 많은 미국 신문과 일부 해외 신문에 반복적으로 보도되었다. 화이트헤드는 1902년 1월 17일에 자신의 22호 단엽기를 사용하여 두 번 더 비행했다고 주장했다. 그는 이를 40 마력 (30 kW) 엔진과 두 개의 트랙터 프로펠러를 갖추고 차동 프로펠러 속도와 방향타로 제어되는 비행기로 묘사했다. 그는 10 킬로미터 (6.2 mi) 원을 비행했다고 주장했다.
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화이트헤드의 주장은 항공 역사가들에 의해 일반적으로 거부된다. 스미스소니언 협회와 국제 항공 연맹은 화이트헤드가 보고된 대로 비행하지 않았다고 인정하는 기관 중 하나이다. 2013년 3월, 제인스 올 더 월드 에어크래프트는 폴 잭슨의 사설을 게재하여 화이트헤드의 비행을 공기보다 무거운 비행체의 최초의 유인, 동력, 제어 비행으로 인정했다. 제인스의 기업 소유주는 이후 해당 사설이 "잭슨 씨의 견해를 반영한 것이지 IHS 제인스의 견해는 아니다"라고 밝히며 사설과 거리를 두었다.
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천문학에서 저명한 경력을 쌓고 스미스소니언 협회 사무총장이 되기 직전, 새뮤얼 피어폰트 랭리는 오늘날의 피츠버그 대학교에서 공기역학에 대한 진지한 연구를 시작했다. 1891년, 랭리는 《공기역학 실험》(Experiments in Aerodynamics)을 출판하여 자신의 연구를 상세히 설명하고, 이어서 자신의 디자인을 제작하는 데 주력했다. 그는 자동 공기역학적 안정성을 달성하고자 했기 때문에 비행 중 제어에는 거의 고려하지 않았다. 1896년 5월 6일, 랭리의 에어로돔 5호는 상당한 크기의 무인 엔진 구동 공기보다 무거운 비행체로서는 최초로 성공적인 지속 비행을 했다. 이 비행기는 버지니아주 콴티코 근처 포토맥강의 주거용 보트 위에 설치된 스프링 작동식 캐터펄트에서 발사되었다. 그날 오후에 두 번의 비행이 이루어졌는데, 하나는 1,005 미터 (3,297 ft)였고 두 번째는 700 미터 (2,300 ft)였으며, 속도는 약 25 마일 매 시 (40 km/h)였다. 두 경우 모두 에어로돔 5호는 계획대로 물에 착륙했는데, 무게를 줄이기 위해 착륙 장치가 장착되지 않았기 때문이었다. 1896년 11월 28일, 에어로돔 6호로 또 다른 성공적인 비행이 이루어졌다. 1,460 미터 (4,790 ft)의 이 비행은 알렉산더 그레이엄 벨이 목격하고 촬영했다. 에어로돔 6호는 실제로 에어로돔 4호가 크게 개조된 것이었다. 원본 항공기에서 남은 것이 거의 없었기 때문에 새로운 명칭이 부여되었다.
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에어로돔 5호와 6호의 성공에 힘입어 랭리는 자신의 디자인의 실제 크기 유인 버전을 제작하기 위한 자금 조달을 모색하기 시작했다. 미국-스페인 전쟁에 자극받아 미국 정부는 그에게 항공 정찰용 유인 비행 기계 개발을 위해 5만 달러를 지원했다. 랭리는 'Aerodrome A'로 알려진 확대 버전을 제작할 계획이었고, 더 작은 쿼터 스케일 에어로돔부터 시작했는데, 이 비행기는 1901년 6월 18일에 두 번 비행했고, 1903년에는 더 새롭고 강력한 엔진으로 다시 비행했다.
기본 설계가 성공적으로 테스트된 것으로 보이자, 그는 적절한 엔진 문제로 넘어갔다. 그는 스티븐 발저(Stephen Balzer)에게 엔진 제작을 의뢰했지만, 예상했던 12 마력 (8.9 kW) 대신 8 마력 (6.0 kW)만 제공되어 실망했다. 랭리의 조수 찰스 M. 맨리는 그 디자인을 5기통 수냉식 성형 엔진으로 재작업하여 950rpm에서 52 마력 (39 kW)를 전달하게 했는데, 이는 수년이 걸리는 업적이었다. 이제 동력과 디자인을 모두 갖춘 랭리는 큰 희망을 가지고 둘을 결합했다.
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그는 낙심스럽게도 그 결과 만들어진 항공기가 너무 연약하다는 것을 알게 되었다. 단순히 원래의 작은 모형을 확대하는 것은 스스로를 지탱하기에는 너무 약한 디자인을 초래했다. 1903년 말 두 번의 발사는 모두 에어로돔이 즉시 물에 추락하는 것으로 끝났다. 조종사 맨리는 매번 구출되었다. 또한, 항공기의 제어 시스템은 조종사의 빠른 반응을 허용하기에 부적절했으며, 횡방향 제어 수단이 없었고, 에어로돔의 공중 안정성은 미미했다.
랭리의 추가 자금 확보 시도는 실패했고, 그의 노력은 끝났다. 그의 두 번째 실패한 발사 9일 후인 12월 8일, 라이트 형제는 그들의 플라이어를 성공적으로 비행했다. 글렌 커티스는 1914년에 에어로돔에 93가지 수정을 가하여 이 매우 다른 항공기를 비행했다. 수정을 인정하지 않고, 스미스소니언 협회는 랭리의 에어로돔이 "비행 가능한" 최초의 기계라고 주장했다. 스미스소니언은 결국 1928년에 이 주장을 철회했다.
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리처드 윌리엄 피어스(1877년 12월 3일~1953년 7월 29일)는 뉴질랜드의 농부이자 발명가로, 선구적인 항공 실험을 수행했다. 수년 후 인터뷰한 증인들은 1903년 3월 31일 피어스가 동력 공기보다 무거운 기계를 비행하고 착륙시키는 것을 목격했다고 설명한다.
라이트 형제는 항공 선구자들이 직면했던 제어 및 동력 문제를 모두 해결했다. 그들은 롤 제어를 위한 뒤틀림 날개를 발명했으며, 롤과 동시에 조종 가능한 후방 방향타를 사용하여 요 제어를 결합했다. 날개 뒤틀림이 초기 항공 역사에서 롤 제어 수단으로 잠시 사용되었지만, 롤과 요 제어를 결합한 혁신은 비행 제어의 근본적인 발전이었다. 피치 제어의 경우, 라이트 형제는 전방 승강타(카나드)를 사용했는데, 이 또한 나중에 구식 디자인 요소가 되었다.
라이트 형제는 익형에 대한 엄격한 풍동 시험과 실제 크기 글라이더의 비행 시험을 수행했다. 그들은 작동하는 동력 항공기인 라이트 플라이어를 제작했을 뿐만 아니라 항공 공학 과학을 크게 발전시켰다.
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그들은 동력 디자인을 비행시키려 시도하기 전에 무동력 항공기의 조종성에 집중했다. 1900년부터 1902년까지 그들은 세 시리즈의 글라이더를 제작하고 비행했다. 처음 두 글라이더는 라이트 형제가 19세기 선구자들의 실험과 저술을 바탕으로 예상했던 것보다 훨씬 효율성이 떨어졌다. 1900년 글라이더는 예상 양력의 절반 정도밖에 안 되었고, 1901년 글라이더는 훨씬 더 성능이 나빴지만, 임시방편적인 개조로 쓸모 있게 만들었다.
답을 찾기 위해 라이트 형제는 자신들의 풍동을 건설하고, 자신들이 만든 200가지 다른 모델 크기 날개 디자인의 양력과 항력을 계산하기 위한 정교한 측정 장치를 장착했다. 그 결과, 라이트 형제는 양력과 항력 계산에서 이전의 실수를 수정하고 이 지식을 사용하여 시리즈의 세 번째인 1902년 글라이더를 제작했다. 이 글라이더는 세 축 모두에서 기계적으로 제어 가능한 최초의 유인 공기보다 무거운 비행 기계가 되었다: 피치, 롤, 요. 이 선구적인 디자인은 이전 글라이더보다 더 높은 종횡비를 가진 날개도 포함했다. 형제는 1902년 글라이더를 수백 번 성공적으로 비행했으며, 이전 두 버전보다 훨씬 더 뛰어난 성능을 보였다.
초기 비행 기계 공기보다 무거움
엔진 구동 플라이어에 충분한 동력을 얻기 위해 라이트 형제는 저출력 내연기관을 설계하고 제작했다. 풍동 데이터를 사용하여 그들은 이전 어떤 것보다 효율적인 목재 프로펠러를 설계하고 조각하여 낮은 엔진 출력으로도 충분한 성능을 얻을 수 있도록 했다. 플라이어의 디자인은 또한 라이트 형제가 생명과 사지에 불합리한 위험 없이 안전하게 비행하는 방법을 스스로 배우고 추락에서 살아남을 수 있도록 하고자 하는 열망의 영향을 받았다. 제한된 엔진 동력은 낮은 비행 속도를 초래했으며 역풍에 맞서 이륙해야 할 필요성을 야기했다.
초기 비행 기계 공기보다 무거움
스미스소니언 협회와 국제 항공 연맹 (FAI)에 따르면, 라이트 형제는 1903년 12월 17일 노스캐롤라이나주 키티호크에서 남쪽으로 4 마일 (6.4 km) 떨어진 킬데블힐스에서 최초로 지속적이고 제어된 동력 공기보다 무거운 유인 비행을 성공시켰다. 오빌 라이트가 12초 동안 120 피트 (37 m)를 비행한 첫 비행은 유명한 사진으로 기록되었다. 같은 날 네 번째 비행에서 윌버 라이트는 59초 동안 852 피트 (260 m)를 비행했다. 프레드 E. C. 컬릭(Fred E. C. Culick) 교수와 헨리 R. 렉스(Henry R. Rex)의 현대 분석(1985년)은 1903년 라이트 플라이어가 라이트 형제 자신 외에는 거의 다루기 힘들 정도로 불안정했다는 것을 입증했다. 라이트 형제는 1902년 글라이더에서 훈련을 받았었다.
초기 비행 기계 공기보다 무거움
라이트 형제는 1904~05년에 오하이오주 데이턴 근처 허프먼 프레리에서 비행 기계를 계속 개발하고 비행했다. 1905년 추락 후, 그들은 플라이어 III를 재건하고 중요한 디자인 변경을 가했다. 그들은 승강타와 방향타의 크기를 거의 두 배로 늘리고 날개에서 약 두 배의 거리로 이동시켰다. 그들은 승강타 사이에 두 개의 고정 수직 날개(일명 "블링커")를 추가하고 날개에 아주 약간의 이중각을 주었다. 그들은 방향타를 날개 뒤틀림 제어에서 분리하고, 모든 미래 항공기와 마찬가지로 별도의 제어 손잡이에 배치했다. 플라이어 III는 최초의 실용적인 항공기가 되었으며(바퀴가 없고 발사 장치를 사용했지만), 완전한 제어 하에 꾸준히 비행하고 조종사를 손상 없이 출발점으로 안전하게 되돌려 놓았다. 1905년 10월 5일, 윌버는 39분 23초 동안 24 마일 (39 km)를 비행했다.
결국 라이트 형제는 앞날개를 완전히 포기하고, 1910년의 라이트 모델 B는 그 당시에는 전통적인 방식으로 꼬리 날개를 갖게 되었다.