Научные проблемы были не единственными, что доставляло хлопоты братьям Райт. Тяжелым испытанием стали комары и песчаные блохи, особенно многочисленные и агрессивные тем летом 1901 года. Как вспоминал Орвилл Райт в более поздние годы, бывали моменты, когда он думал, отгоняя комаров всю ночь напролет, что если ему удастся продержаться хотя бы до утра, он соберет вещи и вернется домой. Те комары вполне могли стать причиной долгой отсрочки покорения воздуха.
Ко времени отъезда из Китти-Хок 20 августа братья убедились, что планер с большими площадями можно контролировать почти так же легко, как и меньший, если управление осуществляется путем манипуляций с самими поверхностями, а не за счет движений тела пилота. Насколько им было известно, судя по ранее опубликованным данным, они побили все рекорды дальности планирования. Шанют, наблюдавший часть экспериментов 1901 года, настаивал, что результаты оказались лучше всего того, что достигалось ранее. Все это вдохновляло. Но с другой стороны, если большая часть предполагаемой научной информации оказалась никуда не годной, то их задача была еще более грозной, чем они ожидали. Не имея надежных предварительных знаний, на которые можно было бы опираться, кто они такие, чтобы определять, как должен летать человек? Уилбур казался сильно разочарованным. Возможно, он питаил надежды реально полететь, хотя всегда открещивался от подобных идей. Он был готов вовсе забросить эксперименты. По дороге домой Уилбур высказал свое убеждение: человек не полетит и через тысячу лет!
Шанют убеждал братьев не забрасывать эксперименты, аргументируя это тем, что в противном случае пройдет немало времени, прежде чем кто-то другой приблизится к пониманию проблемы или к путям ее решения. Сам того не ведая, Шанют внес огромный вклад в историю авиации, поскольку братья Райт прислушались к его неоднократным предостережениям не прекращать усилия. Без подталкиваний со стороны Шанюта они могли бы и не продолжить.
Шанют оказал еще одну важную услугу аэронавтике, когда он, будучи президентом Западно-Инженерного общества, пригласил Уилбура Райта выступить перед этой организацией на собрании в Чикаго 18 сентября 1901 года с докладом на тему: «Некоторые аэронавигационные эксперименты».
Уилбур страшился самой мысли о таком выступлении и вряд ли согласился бы на него, если бы не желание выручить друга. Тем не менее он предупредил Шанюта, чтобы тот не делал речь главным пунктом программы, поскольку, по его словам, он не претендует на роль оратора. Шанют все же планировал использовать анонс выступления как средство для достижения большого успеха собрания. Он хотел узнать, будет ли уместно объявить этот день «Женским вечером». Уилбур решил, что он и так будет напуган сильнее, чем любой человек в принципе может испугаться, и присутствие женщин не сильно ухудшит ситуацию. Но он настоял на одном: от него нельзя требовать появления в официальном вечернем костюме.
В этой речи Уилбур смело заявил, что лучшие из доступных наборов цифр относительно давления воздуха на поверхности аэропланов, судя по всему, содержат множество серьезных ошибок. Орвилл в мастерской в Дейтоне был немного встревожен этой частью выступления. Что, если в их собственной работе что-то было не так, а цифры, собранные различными учеными, в конце концов окажутся верными? Безусловно, это была немалая ответственность для столь малоизвестных людей, как Уилбур или он сам, публично критиковать труды выдающихся ученых, освященные сохранением в книгах, которые долгое время считались авторитетными. Было бы самонадеянно и рискованно клеймить предположительно устоявшиеся факты как неверные, если человек, делающий это, не был бы безупречно уверен в своей правоте.
В таком осторожном состоянии духа Орвилл смастерил небольшую аэродинамическую трубу с целью проведения серии испытаний. Этот туннель представлял собой просто нечто, похожее на старую коробку из-под крахмала длиной не более восемнадцати дюймов, валявшуюся в мастерской. В нее он поместил наскоро состряпанный аппарат, главной частью которого был просто металлический стержень, закрепленный на шарнире наподобие флюгера. Не вдаваясь в технические детали использованного метода, можно сказать, что изогнутая поверхность уравновешивалась с плоской поверхностью в потоке воздуха, проходящем через коробку. Поскольку Орвилл снабдил коробку стеклянной крышкой, он мог измерять углы к ветру, при которых изогнутая поверхность и плоская поверхность равной площади создавали равные давления.
Эксперименты с этим примитивным аппаратом продолжались всего один день. Они были достаточно убедительными в тех пределах, в которых проводились, указывая на ошибки в опубликованных данных относительно давления воздуха на изогнутые поверхности. Но, как Орвилл узнал позже, опубликованные ошибки были наибольшими в отношении поверхностей крыльев, установленных под небольшими углами, такими, которые использовались бы в полете, а до сих пор он испытывал только большие углы. Поскольку испытания оставались незаконченными, Орвилл и Уилбур после возвращения последнего из Чикаго решили, что благоразумнее будет перестраховаться и исключить из опубликованного отчета о речи Уилбура наиболее резкую часть его критики в адрес имеющихся цифр. Они решили подождать, пока дальнейшие эксперименты в аэродинамической трубе не дадут более подробных знаний. В результате, когда речь Уилбура появилась в декабрьском номере журнала «Журнал Западно-Инженерного общества» за 1901 год, она оказалась чуть менее ошеломляющей, чем та, которую он произнес на самом деле, хотя даже после сокращений в ней все же оставались сильные намеки на то, что общепринятые таблицы цифр могут быть неверными. И к тексту этой речи отнеслись как к имеющему огромное значение. Вероятно, она перепечатывалась и цитировалась так же часто, как и любая другая статья, когда-либо написанная на тему полетов.
Братья Райт не были уверены, что когда-нибудь построят еще один планер. Но их любопытство, их страсть докопаться до истины теперь были слишком сильно разбужены, чтобы они могли бросить изучение проблемы давления воздуха. Они решили построить другую аэродинамическую трубу, менее примитивную, чем та, которую Орвилл наспех использовал, и продолжить эксперименты. Новая труба состояла из деревянного ящика с открытыми концами размером примерно шестнадцать квадратных дюймов внутри и длиной шесть футов. В один конец поступал поток воздуха, и создаваемая таким образом тяга «выпрямлялась», а также становилась однородной благодаря прохождению через набор небольших ячеек. Было бы очень удобно использовать электрический вентилятор для нагнетания воздуха в трубу. Но у братьев Райт не было электрического тока в мастерской — она по-прежнему освещалась газом, — и вентилятор приводился в движение одноцилиндровым газовым двигателем, изготовленным ими ранее. Они прикрепили вентилятор к шпинделю, на котором раньше крепился наждачный круг. Новое измерительное устройство, или балансир, было изготовлено из проволоки для велосипедных спиц и кусочков полотен ножовки по металлу. Эти эксперименты теперь проводились с гораздо большей точностью, чем вначале, причем измерения выполнялись как для «подъемной силы», так и для «лобового сопротивления». Но поскольку каждая измеренная изогнутая поверхность уравновешивалась давлением на плоскую квадратную пластину, установленную под девяносто градусов к тому же воздушному потоку, знать точную скорость воздушного потока не требовалось.
Осенью и в начале зимы 1901 года братья испытали в аэродинамической трубе более двухсот типов поверхностей крыльев. Они устанавливали их под разными углами, начиная с угла, при котором поверхность начинает создавать подъемную силу, а затем с интервалами в 2,5 градуса до двадцати; и с интервалами в пять градусов до сорок пяти градусов. Они измеряли модели монопланов, бипланов и трипланов; а также модели, в которых одно крыло располагалось за другим, как в экспериментах Лэнгли. Они измеряли подъемную силу, создаваемую различными «удлинениями крыла» — то есть отношением размаха крыла к его хорде. Они обнаружили, что чем больше размах по отношению к хорде, тем легче поддерживать крыло. Они измеряли толстые и тонкие поверхности. Одна поверхность имела толщину почти в одну шестую своей хорды.
Среди прочего эти эксперименты доказали ошибочность острой кромки в передней части крыла самолета и неэффективность крыльев с глубокой кривизной профиля, которые в то время широко пропагандировались другими. Иногда они получали столь неожиданный результат, что сами едва верили своим измерениям — как, например, когда они обнаружили, что, вопреки всем ранее опубликованным работам исследователей этого вопроса, квадратная пластина давала большее давление при установке под углом тридцать градусов, чем под сорок пять.
Эти эксперименты в аэродинамической трубе в велосипедной мастерской продолжались чуть более двух месяцев и завершились перед Рождеством 1901 года. Братья Райт прекратили их с большим сожалением; но в конце концов они все еще занимались велосипедным бизнесом, все еще были вынуждены думать о средствах к существованию и не имели ни малейшего представления о том, что это научное исследование когда-либо принесет финансовую прибыль. Тем не менее за те несколько недель они совершили нечто поистине неоценимое по своей важности. Они не только создали первую аэродинамическую трубу, в которой миниатюрные крылья испытывались с высокой точностью, но и первыми в мире составили таблицы цифр, на основе которых можно было спроектировать способный летать самолет. Даже сегодня в аэродинамических трубах различных аэронавигационных лабораторий, оснащенных самыми сложными и тонкими приборами, которые может предоставить современная наука, доработки, получаемые по сравнению с цифрами братьев Райт для тех же форм поверхностей, удивительно малы. Но сомнительно, что трудности и полную ценность научных изысканий братьев Райт в их велосипедной мастерской ценят по достоинству до сих пор. Мир знает, что они первыми построили машину, способную совершить продолжительный полет, и первыми реально полетели; но он не до конца осознает всю ту утомительную, изнурительную работу в научной лаборатории, которую им пришлось проделать до того, как полет стал возможен. Сколь ни важна была система управления, с которой связывают имя братьев Райт, она не принесла бы им успеха без работы в аэродинамической трубе, позволившей им спроектировать машину, которая могла бы поднять сама себя.
У братьев Райт была двоякая причина для уверенности в своих цифрах. Имея мало денег на хобби, исправлять ошибки на бумаге было гораздо дешевле, чем после воплощения идеи в материальную форму. Они знали, что если они решат продолжить попытки планирования, они не смогут позволить себе тратить много денег на аппаратуру, построенную по ненадежным данным.
Составив собственную таблицу цифр, братья Райт передали ее копии своему другу Шанюту и другим лицам, интересующимся проблемой аэродинамики. Шанют прекрасно понимал, что теперь братья обладают знаниями в области воздухоплавания, далеко превосходящими знания кого-либо еще в мире, и считал, что продолжение ими экспериментов является практически их долгом. Он отмечал, что в интересах науки очень сожалеет об их остановке, поскольку был уверен, что дальнейшие эксперименты с их стороны сулят «важные результаты».
Шанют вполне мог гордиться результативностью своих настояний на продолжении экспериментов братьями Райт, а также последствиями своего приглашения Уилбуру выступить с той чикагской речью. Если бы не та речь и ее смелые утверждения, в необходимости подтверждения которых был уверен Орвилл, испытаний в аэродинамической трубе, вероятно, не последовало бы вовсе; а без знаний, полученных тогда, ни братья Райт, ни кто-либо другой не смогли бы построить практичный летательный аппарат. Те эксперименты в аэродинамической трубе ознаменовали один из величайших поворотных моментов в долгой истории попыток человека полететь.
Братьям еще предстояло испытать новые знания на практике в ходе полетов на планере, и 25 августа 1902 года они отправились в свою третью поездку в Китти-Хок. Но приступить к сборке нового планера они смогли лишь 8 сентября, поскольку лагерь, потрепанный зимними штормами, нуждался в серьезном ремонте; кроме того, они решили пристроить к нему помещение для жилья. Подготовить машину к первому испытанию удалось лишь к 19 сентября.
Этот новый планер обладал ненамногим большей площадью подъемной силы, чем аппарат предыдущего года, хотя размах крыльев был увеличен с двадцати двух до тридцати двух футов. Но поскольку эксперименты в аэродинамической трубе продемонстрировали важность «удлинения крыла», общий размах теперь составлял примерно шесть хорд вместо трех. Можно отметить и одно незначительное изменение. В предыдущих планерах механизм перекашивания крыльев приводился в движение движениями ног пилота; теперь же в этом планере 1902 года это делалось движениями бедер из стороны в сторону при упоре на «люльку». Самым заметным изменением стало добавление хвоста, состоящего из неподвижных сдвоенных вертикальных поверхностей общей площадью чуть меньше двенадцати квадратных футов. Его назначением было исправление определенных трудностей, возникавших в некоторых полетах на машине 1901 года. Когда поверхности крыльев с правой и левой сторон искривлялись для придания им разных углов по отношению к ветру, крыло с большим углом и, следовательно, с большим сопротивлением стремилось отстать, после чего меньшая скорость нивелировала то, что в противном случае было бы большей подъемной силой этого крыла. Ожидалось, что хвост уравновесит эту разницу сопротивлений на концах крыльев. Если крыло с одной стороны стремилось отклониться вперед по вертикальной оси, то хвост, оказывавшийся сильнее обдуваемым ветром с той же стороны, должен был, как предполагалось, остановить дальнейший поворот машины.
Совершенно независимо от любых преимуществ, получаемых от использования хвоста, первые испытания новой машины были весьма обнадеживающими по другой причине. Вскоре стало очевидно, что, проигнорировав все таблицы давления воздуха, использовавшиеся их предшественниками, и построив аппарат в соответствии с цифрами, полученными в ходе экспериментов в аэродинамической трубе, братья Райт сделали огромный шаг вперед к полету. Благодаря полученным ими теперь знаниям о том, какими должны быть очертания крыльев — знаниям, которыми не обладал ни один предыдущий экспериментатор, — этот планер 1902 года обладал примерно вдвое большей «динамической эффективностью», чем любой другой когда-либо построенный планер; на нем можно было бы лететь, вероятно, с затратой менее половины мощности, требующейся для любого другого планера.
В общей сложности в сентябре и октябре 1902 года братья Райт совершили более тысячи полетов на планере. Несколько полетов превысили шестьсот футов, а целый ряд полетов выполнялся против ветра со скоростью тридцать шесть миль в час. Ни один предшествующий экспериментатор никогда не осмеливался пробовать планирование в столь сильный ветер. Успех братьев Райт в подобных тёх [делах] стал доказательством эффективности их систем управления. Некоторые из их полетов длились более минуты, и временами удавалось парить на одном месте без какого-либо снижения. Эти показы были столь впечатляющими, что брат Билла Тейта Дэн торжественно изрек: «Все, что ей нужно — это слой перьев для легкости, и она останется в воздухе бесконечно».
Однако примерно в одном случае из пятидесяти машина вела себя совершенно загадочно. Она кренилась набок и соскальзывала на землю вопреки всему перекашиванию, какое пилот мог придать концам крыльев. При одной попытке поперечное управление работало безупречно, а в следующий раз — в условиях, казавшихся примерно теми же самыми, — было невозможно предотвратить удар одного конца крыла о песок в результате вращательного движения, которое братья называли «бурением колодцев».
Эта новая проблема, которой не было на их предыдущих планерах, проистекала из того факта, что машина имела хвост. Те аварии с «бурением колодцев» представляли собой штопоры, хотя этот термин вошел в употребление лишь несколько лет спустя. Но даже после того, как стало очевидно, что хвост имеет какое-то отношение к странному поведению машины, ни один из братьев не был готов объяснить почему. Однажды ночью Орвилл выпил кофе больше обычного. Вместо того чтобы заснуть, как обычно, едва добравшись до постели, он пролежал без сна несколько часов. Те лишние чашки кофе, возможно, имели важное значение для будущего практического полета, поскольку, ворочаясь с боку на бок, он нашел объяснение феномену, вызываемому хвостом. Вот как он с энтузиазмом изложил его Уилбуру и их брату Лорину, который гостил у них, за завтраком на следующее утро:
Когда машина получала боковой крен, она начинала скользить боком во время движения вперед, подобно саням, скользящим с горы, или шару, катящемуся по наклонной плоскости, причем скорость возрастала в ускоренном темпе. Если крен оказывался несколько сильнее обычного или если пилот действовал недостаточно быстро для исправления баланса, машина скользила боком так быстро, что это движение заставляло вертикальные поверхности встречать ветер со стороны низкого крыла, а не со стороны высокого крыла, как предполагалось. В таком положении вертикальные поверхности не противодействовали повороту машины вокруг вертикальной оси, вызываемому разницей сопротивлений искривленных крыльев с правой и левой сторон; наоборот, поверхности способствовали повороту, и результат оказывался хуже, чем при отсутствии неподвижного вертикального хвоста.
Если его объяснение было верным, в чем Орвилл был абсолютно уверен, то, по его словам, необходимо сделать вертикальный хвост подвижным, чтобы пилот мог оказывать давление на сторону, обращенную к более высокому крылу. (Таков вид системы управления Райтов, обычно применяемый сегодня — независимое управление элеронами и рулем направления.)
Уилбур сразу понял, что объяснение, вероятнее всего, верно, и одобрительно кивнул. И тут же высказал предложение. Существовала определенная взаимосвязь, сказал он, в желаемых давлениях на хвост, независимо от того, была ли неприятность вызвана разницей сопротивлений концов крыльев или скольжением. Каковы бы ни были причины, желательно избавиться от давления на стороне, обращенной к низкому крылу, которому для восстановления поперечного баланса требуется придать больший угол атаки, и создать давление на стороне хвоста, обращенной к высокому крылу, где угол должен быть уменьшен. Так почему бы не заставить механизм, управляющий перекашиванием крыльев, и механизм, приводящий в движение хвост, работать совместно? Тогда пилоту вместо трех вещей одновременно нужно будет следить лишь за передним рулем высоты и устройством перекашивания крыльев. Братья немедленно соединили тросы управления хвостом с тросами, перекашивающими крылья, а также заменили хвостовое оперение из двух вертикальных килей на единый вертикальный руль направления.