پیدایش هواپیماهاى پیشرفته، حاصل مجموعه طرح‌هاى سر جرج کیلى در ۱۷۹۹ است. در‌واقع، استفاده از یک بال ثابت برآزا، یک مکانیزم مجزاى پیشرانه، و ترکیبى از دم افقى و عمودى در نقش پایدارکننده، نظریه اصلى کیلى بود. او این نظریه را بر روى دیسکى نقرهاى منقوش کرد، و در پشت آن دیسک هم تصویرى از نیروهاى برآ و پساى وارد بر یک صفحه مایل را حک کرد. اکنون این دیسک، که دو طرف آن در شکل زیر دیده مىشود، در موزه علوم لندن قرار دارد.
تصویر دو طرف دیسک نقره‌ای کیلی، نشان‌دهنده نظریه او درباره پرنده بال‌ثابت، ۱۷۹۹
قبل از این نظریه، پرواز مکانیکى با استفاده از بالهاى متحرک اورنیتوپتر (نیرو گرفته از عضلات بدن انسان) و تولید هم‌زمان نیروهاى برآ و پیشران دنبال مىشد؛ پیش‌تر داوینچى بالهاى اورنیتوپتر خودش را چنان طرح کرده بود که هم‌زمان به سمت پایین و عقب حرکت مىکرد تا نیروهاى برآ و پیشران تأمین شود. کیلى این خط فکرى ناموفق را درهم ریخت، و مفاهیم برآ و پیشرانه را از هم تفکیک کرد. با این کار، یک قرن پیشرفت‌هاى هوانوردى منتهى به موفقیت برادران رایت در ۱۹۰۳، آغاز شد.
کیلى در ۲۷ دسامبر ۱۷۷۳ در اسکاربورو در یورکشایر انگلستان دیده به جهان گشود. ابتدا او در یورک و ناتینگهام تحصیل کرد، و سپس زیر نظر چند معلم خصوصى، علوم شیمى و الکتریسیته را آموخت. کیلى در چند رشته متخصص بود، و نبوغى سرشار داشت. او در مدت ۸۴ سال زندگانیش، در زمینههاى متعددى فعالیت کرد.
آخرین و اصلىترین خدمت کیلى به بشریت، در زمینه علم هوانوردى بود. او پس از اجراى آزمایش‌هایى با هلیکوپترهاى مدل در ۱۷۹۶، مفهوم نظریه بال ثابت را در سال ۱۷۹۹ بر روى یک دیسک نقرهاى ترسیم . کرد (شکل ۱-۱۵). این فعالیت‌ها آغازگر یک دوره ده ساله تحقیقات وسیع و دامنهدار در زمینه علم آئرودینامیک بود. کیلى در ۱۸۰۴ براى آزمایش هوابُرها (مقاطع بال) دستگاه بازوى گردان را ابداع کرد (شکل زیر).
دستگاه بازوی چرخان جرج کیلی، برای آزمایش هوابُرها
او در انتهاى یک میله بلند، سطح برآزاى آزمایشى (هوابُر) را قرار مىداد، و آن را با سرعت ثابتى مىچرخاند؛ به این ترتیب، جریان هوا در اطراف آن سطح به وجود مىآمد. در مهندسى هوانوردى امروزى، چنین عملى را تونل باد انجام مىدهد؛ اما در زمان کیلى، دستگاه بازوى گردان هم پیشرفت مهمى تلقى مىشد، و اندازهگیرى نیروهاى آئرودینامیکى و مرکز فشار یک سطح برآزا را ممکن مىکرد. البته این اندازهگیریها چندان دقیق نبود؛ چون پس از چند دور گردش، هواى اطراف هم به همراه دستگاه شروع به چرخیدن مىکرد. با این حال، اولین قدم براى اندازهگیریهاى آئرودینامیکى برداشته شده بود. کیلى در همان سال، موفق به طراحى، ساخت، و آزمایش یک مدل هواسُر کوچک شد (شکل زیر)، که امروزه هرچند بچهگانه به نظر مىرسد، در آن زمان، اولین ترکیببندى پیشرفته هواپیما با یک بال ثابت و یک دم افقى و عمودى تنظیمپذیر بود. کیلى معمولاً این هواسُر را با قرار دادن دم در وضعیت زاویه مثبت، چنانکه در شکل نشان داده شده، پرواز مىداد. یک نمونه شبیه به اصل از این هواسُر، در موزه علوم لندن در معرض بازدید عموم است.
نخستین طرح یک هواپیما با نمای پیشرفته، هواسُر مدل کیلی، ۱۸۰۴
کیلى براى نخستین بار، نتایج تحقیقاتش در زمینه علم هوانوردى را در سالهاى ۱۸۰۹ و ۱۸۱۰ طى مقالات سهگانه مهمى اعلام کرد. این مقالات، که با عنوان «درباره ناوبرى هوایى» در شمارههاى مورخ نوامبر ۱۸۰۹ و مارس ۱۸۱۰ در مجله «فلسفه طبیعى» چاپ شد، از مهمترین کارهاى انجام شده در تاریخ علم هوانوردى محسوب مىشود. کیلى مقالات سهگانهاش را به محض شنیدن گزارش تلاشهاى ژاکوب دگن براى پرواز با یک ماشین مکانیکى در وین، نوشت. در واقع، وسیله پروازى دگن با کمک یک بالون به هوا برمىخاست، و از این نظر، اهمیت چندانى نداشت؛ اما کیلى از جزئیات ماجرا بىخبر بود. او براى آشنا کردن مردم با
فعالیت‌هایش، جنبههاى متعددى از علم آئرودینامیک را در مقالات سهگانه توضیح داد. این مقالات، اولین رساله ثبت شده در تاریخ، در زمینه آئرودینامیک نظرى و کاربردى است، و کیلى در آنها به طور دقیقى نظریه خودش را در مورد تفکیک نیروهاى برآ و پیشران، و همچنین، استفاده از یک بال ثابت براى تولید نیروى برآ تشریح کرد. او توضیح داد که «ساختن سطحى که وزن مشخصى را با استفاده از قدرت مقاومت هوا نگه دارد» مسئله اصلى یک ماشین پرنده است. همچنین، او شرح داد که یک صفحه اریب زاویهدار (نسبت به جهت حرکت)، مىتواند برآ تولید کند؛ بهویژه اگر آن صفحه کمى خمیده هم باشد. بهعلاوه، کیلى براى اولین بار مشخص کرد که تولید نیروى برآ به دلیل ایجاد یک محدوده کمفشار در روى سطح بال است. کیلى در مقالات سهگانهاش به موضوع کنترل پرواز هم پرداخت، و نقش دم افقى و عمودى را در پایدارى هواپیما مطرح کرد؛ اما در توضیح مسئله استفاده از «برگههاى بال‌زن» براى تولید نیروى رانش بازماند. چنانکه بر روى دیسک نقرهاى دیده مىشود، از چند پارو در پشت بال استفاده شده است. کیلى از ۱۷۹۹ تا زمان مرگش در ۱۸۵۷ درباره موضوع تولید نیروى رانش به کمک این برگههاى بال‌زن دچار مشکل بود. او نهتنها توجه چندانى به استفاده از پروانه (ملخ) نداشت، بلکه ظاهراً از هر نوع دستگاه چرخندهاى هم بیزار بوده است. کیلى در همان مقالات سهگانه، اولین هواسُر واقعى ساخت خودش و پرواز بدون سرنشین آن در ۱۸۰۹ در برامپتون را شرح کرد؛ البته از ترکیببندى این هواسُر اطلاعى در دست نیست.
در زندگى کیلى دوره سالهاى ۱۸۱۰ تا ۱۸۴۳، از نظر تحقیقات هوانوردى، یک دوره سکون و آرامش محسوب مىشود. او براى دومین بار نتایج تحقیقاتش درباره هوانوردى را در دوره سالهاى ۱۸۴۸-۱۸۵۴ اعلان کرد. کیلى در ۱۸۴۹ یک هواپیماى واقعى ساخت، و آن را آزمایش کرد. در ضمن این آزمایش‌ها، یک پسرک ده ساله سوار بر هواپیما از روى تپهاى به هوا بلند شد، و چند متر از زمین فاصله گرفت. تصویرى که کیلى از این ماشین معروف به «حامل پسرک» رسم کرده، در شکل زیر دیده مىشود.
هواپیمای سه‌باله کیلی، با سطوح افقی و عمودی دم و مکانیزم پیشرانه بال‌زن
«حامل پسرک» یک هواپیماى سه‌باله بود. کیلى اولین کسى است که چنین طرح چندبالهاى را مطرح کرد. او نگران شکسته شدن احتمالى یک تکبال بزرگ بود. براى پیشگیرى از این خطر، کیلى پیشنهاد کوچک‌تر کردن هواپیما و قرار دادن چند بال بر روى همدیگر را مناسب‌تر تشخیص داد. این نظریه حتى در قرن بیستم و تا اواخر دهه ۱۹۳۰، که هواپیماهاى تک‌باله رایج شدند، همچنان مطرح بود. مجدداً مشاهده مىشود که ماشین ترسیم شده در شکل بالا هم به برگههاى بال‌زن مجهز بود.
یکى از مهمترین مقالات کیلى، در مجله «مکانیک» مورخ ۲۵ سپتامبر ۱۸۵۲ چاپ شد. او در آن زمان، ۷۹ ساله بود. این مقاله، با عنوان «چتر نجات کنترلشونده سِر جرج کیلى»، شرح کاملى از یک هواسُر سرنشین‌دار بود که از تمام جنبهها به هواپیماهاى امروزى شباهت داشت. در شکل زیر، تصویر چاپ شده از این هواپیما در مجله «مکانیک» دیده مىشود.
هواسُر سرنشین‌دار کیلی، به نقل از مجله مکانی، ۱۸۵۲
قسمت‌هاى عمده این طرح چنین بود:
- یک بال اصلى زاویهدار نسبت به بدنه براى تولید برآ، با زاویه هفتى براى تأمین تعادل جانبى،
- یک دم صلیبىشکل تنظیمشونده براى تأمین تعادل طولى و سمتى،
- سکان افقى و عمودى کنترلشونده با فرمان خلبان،
- یک بدنه شبیه اتومبیل، با یک صندلى براى خلبان و چهار چرخ در زیر آن،
- یک سازه میلهاى.
دیگر تا زمان برادران رایت در آغاز قرن بیستم، چنین ترکیبى از موارد برشمرده هرگز مشاهده نشد. اگر چه مجله «مکانیک» تیراژ زیادى داشت، اما مقاله کیلى به طورى باورنکردنى هیچ توجهى را جلب نکرد.
جرج کیلى در روز نامشخصى از سال ۱۸۵۳ اولین هواسُر حامل انسان را ساخت، و به پرواز درآورد. هرچند ترکیببندى آن هواسُر دقیقا مشخص نشده، گیبساسمیت آن را سه‌باله و بسیار شبیه «حامل پسرک»، بانماى بال احتمالاً مشابه با هواسُر شکل بالا دانسته است. بنا به گفته چند شاهد عینى، کالسکهچى کیلى با این هواسُر، پروازى آزاد به مسافت چند صد یارد بر فراز درهاى در برامپتون انجام داد.
جرج کیلى در ۱۵ دسامبر ۱۸۵۷ در برامپتون دیده از جهان فرو بست. هرچند او در طول عمر ۸۴ سالهاش بنیان‌هایى در همه زمینههاى هوانوردى باقى گذاشت، با این حال، در نیمه دوم قرن نوزدهم کارهاى او فراموش شد. ظاهراً بسیارى از مخترعان بعدى، تا قبل از پیش رفتن در طرح‌هایشان، مطبوعات را بررسى نمىکردند. با این وصف، اکنون در اثر تلاش چند تاریخنگار قرن بیستم، غبار فراموشى از آثار کیلى زدوده شده است. شارل دولفوس، تاریخنگار فرانسوى، در ۱۹۲۳ در مورد کیلى چنین نوشت:
هواپیما یک اختراع انگلیسى است. جرج کیلى تمام بنیان‌هاى آن را مجسم کرد؛ مهندس انگلیسى بزرگى که در نیمه اول قرن پیش مىزیست. نام کیلى حتى در کشور خودش هم چندان شناخته شده نیست، و قلیلاند کسانى که کارهاى این مرد افتخارآفرین و بزرگترین نابغه هوانوردى را بشناسند. مطالعه مقالات او باعث برانگیختهشدن تحسین آدمى مىشود؛ هم به دلیل خلاقیت، و هم به دلیل قوه قضاوت صحیح و منطقىاش.
با وجود همه تلاشها، هنوز تا ۱۸۹۱ کسى نتوانسته بود که با کمک بال‌هایى به میان هوا بپرد، و پرواز کنترل شدهاى انجام دهد. اتو لیلینتال کسى بود که این کار را انجام داد. لیلینتال در ۲۳ ماه مه ۱۸۴۸ در آنکلام پروس (آلمان سابق) به دنیا آمد. او در مدارس بازرگانى پتسدام و برلین تحصیل کرد، و در ۱۸۷۰ با درجه مهندسى مکانیک فارغالتحصیل شد. او که از همان اوان کودکى به پرواز علاقهمند بود، در دوران جوانى با اورنیتوپترهاى طرح خودش، آزمایش‌هایى انجام داد. در اواخر دهه ۱۸۸۰ کارها و تمایلات او به شکل تکامل یافتهترى درآمد که نهایتاً به ساخت هواسُرهاى بال‌ثابت انجامید.
لیلینتال در ۱۸۸۹ کتابى را با عنوان «پرواز پرندگان، مبنایى براى هوانوردى» منتشر کرد. این کتاب، اثر کلاسیک نوینى در مهندسى هوانوردى بود؛ چون او نهتنها به بررسى ساختار و انواع بالهاى پرندگان پرداخت، بلکه از اطلاعات آئرودینامیکى براى طراحى پرواز مکانیکى استفاده کرد. کتاب لیلینتال بعضى از عمدهترین دادههاى دقیق آئرودینامیکى قابل‌دسترسى در آن زمان را دربرداشت. بعدها برادران رایت بخش‌هاى ترجمهشدهاى از همین کتاب را مطالعه کردند، و بعضى از اطلاعات آن را در اولین طرح‌هایشان در سالهاى ۱۹۰۰ و ۱۹۰۱ به کار بردند.
تا سال ۱۸۸۹ لیلینتال به یک نتیجه فلسفى رسیده بود: براى یادگیرى عملى علم آئرودینامیک باید در میان هوا نشو و نما یافت و آنرا شخصاً آزمود. این نتیجه بر پیشرفت‌هاى هوانوردى در دو دهه بعد، تأثیر عمدهاى گذاشت. به قول خود او،
فقط با آزمایشهاى واقعى پرواز مىتوان به بصیرتى در مورد تمرین پرواز دست یافت… فقط با ماندن در میان خود هوا مىتوان دریافت که حین سُر خوردن در هوا چگونه باید با بىنظمىهاى باد برخورد کرد… تنها راهى که ما را به پیشرفت سریع در پرواز انسان هدایت مىکند، تمرین مداوم و منظم در آزمایشهاى واقعى پرواز است.
براى اجراى این فلسفه، لیلینتال طراحى هواسُر را آغاز کرد. اولین و دومین طرح او در ۱۸۸۹ و ۱۸۹۰ ناموفق بودند. در ۱۸۹۱ اولین هواسُر موفق لیلینتال از تپهاى طبیعى واقع در دروتیس آلمان به پرواز درآمد. در شکل زیر تصویر هواسُر تک‌باله لیلینتال به خلبانى خود او دیده مىشود.
هواسُر آویختنی تک‌باله لیلینتال، ۱۸۹۴
با دقت در نماى پرندهگونه بال این هواسُر، مشخص مىشود که لیلینتال از سطح مقطع خمیده در بال استفاده کرده، و براى پایدارى هواسُر هم از ترکیب دم افقى و عمودى بهره برده است. این ماشین‌ها، هواسُرهاى آویختنى بودند که نیاى هواسُرهاى ورزشى امروزى محسوب مىشوند. کنترل پرواز در آنها با جابهجا شدن مکان خلبان انجام مىشد. فلسفه پرواز
لیلینتال، با نظریات مشتاقان قبلى هوانوردى فرق داشت. در بیشتر سالهاى قرن نوزدهم، تلقى نادرستى درباره پرواز با توان موتور وجود داشت: «موتورى را آنقدر قوى بساز که بتواند هواپیمایى را براند، آن را بر روى یک سازه قادر به تحمل بارهاى وارده و ضمناً برآزا قرار بده، و احتمالاً مىتوانى به میان هوا بروى. بعد از ورود به میان هوا، هدایت هواپیما به سادگى هدایت یک کالسکه یا اتومبیل در روى زمین خواهد بود.» در آن زمان، چنین تصورى عمومیت داشت. گیبساسمیت کسانى را که به چنین نظریهاى معتقد بودند، «شوفر» می‌نامید. در مقابل «شوفرها»، «مردان هوایى» قرار داشتند که اولین آنها لیلینتال بود. لیلینتال بر پرورش در میان هوا و پرواز با هواسُرها و دریافتن احساس هواپیما پیش از استفاده از موتور، تأکید داشت. «شوفرها» بیشتر به موضوع برآ و پیشرانه توجه داشتند؛ در مقابل، «مردان هوایى» بیش از همه به کنترل پرواز در میان هوا مىاندیشیدند. سرانجام، فلسفه مردان هوایى آنها را به پرواز موفق با توان موتور رهنمون شد؛ در حالى که «شوفرها» ناموفق بودند.
لیلینتال بیش از ۲۵۰۰ پرواز موفق با هواسُرها انجام داد. دستیافتههاى آئرودینامیکى او در سراسر دنیا پخش شد. تصادفاً کارهاى او با رشد تکنیک‌هاى عکسبردارى و صنعت چاپ هم‌زمان بود. در ۱۸۷۱ نگاتیو صفحه خشک اختراع شد که تا ۱۸۹۰ ثبت واضح یک موضوع متحرک را امکانپذیر کرده بود. همچنین، پیشرفت روش چاپ مناسب عکس سیاه و سفید در کتاب‌ها و مجلات، امکان انتشار گسترده عکس‌هاى پروازهاى لیلینتال را فراهم کرد. در واقع، لیلینتال اولین کسى بود که عکسى از او در یک هواپیما گرفته شد. پخش گسترده خبر تلاشهاى او، الهام‌بخش بقیه پیشروان هوانوردى بود. پیش از مطالعه مقالات لیلینتال در ۱۸۹۴، علاقه برادران رایت به پرواز هنوز چندان شکل نگرفته بود.
در روز یکشنبه نهم اوت ۱۸۹۶ لیلینتال بر فراز تپه گولنبرگ، در حوالى استولن آلمان، مشغول پرواز با هواسُر بود که هواسُر تک‌باله او در اثر وزش یک تندباد ناگهانى، متوقف شد، و سقوط کرد. فقط بال هواسُر مچاله شد، و بقیه آن سالم ماند. ستون فقرات لیلینتال آسیب دید، و او روز بعد در کلینیکى در برلین دیده از جهان فرو بست. لیلینتال در درس زندگیش بارها خاطرنشان کرد که «باید فداکارى کرد». این وصیت او بر روى سنگ قبرش در گورستان لیچرفیلد حک شده است.