האב הנשכח של התעופה

בסוף העשור הראשון של המאה העשרים, שבע שנים בלבד אחרי טיסתם הראשונה של האחים רייט (Wright), כבר היו בשוק כמה דגמי מטוסים עם שליטה מלאה של הטייס בגובה ובכיוון, בעלי טווח של עשרות קילומטרים. עוד לפני סוף העשור כבר צלח הטייס הצרפתי לואי בלריו (Blériot) את תעלת למנש באחד המטוסים האלה, והמחיש כי מדובר בכלי תחבורה שימושי, ולא רק בקוריוז או שעשוע.

"לכל המטוסים האלה היו משטחים מקומרים ליצירת עילוי בעלי זווית התקפה קטנה, גוף מרכזי שבו היו הטייס והמנוע, הגה גובה אופקי לשליטה בנסיקה או בצלילה, הגה אנכי לשליטה בפניות הצידה, ומערכת לשליטה בזווית ההתקפה של הכנף, מאזנות או מנגנון לעיוות הכנפיים, לשמירה על איזון באוויר ולסיוע בפניות. לכל המטוסים האלה היה מדחף אחד או שניים, קדמי או אחורי, שסיפק דחף, והתקן תחתי לתמיכה על הקרקע. כל הפיתוחים והעקרונות האלה, חוץ מאחד – השליטה בגלגול – הוצעו פותחו ופורסמו, וכולם חוץ משניים גם נוסו בפועל על ידי ברונט מיורקשייר, סר ג'ורג' קיילי (Cayley). [...] הוא נחשב כעת לממציא האמיתי של המטוס ולאבא של ההנדסה האווירודינמית", אמר היסטוריון התעופה הבריטי צ'רלס גיבס-סמית (Gibbs-Smith) בהרצאה שנשא ב-1973, לקראת יום השנה המאתיים להולדתו של קיילי.

ג'ורג' קיילי, דיוקן שצייר הנרי בריגס (Briggs) ב-1839 | מקור: ויקיפדיה, נחלת הכלל

ממציא בעל אדמות

ג'ורג' קיילי נולד ב-27 בדצמבר 1773 בסקרבורו שבחבל יורקשייר, בצפון-מזרח אנגליה. מעט מאוד ידוע על משפחתו ועל חייו בצעירותו. מה שכן ידוע הוא שאימו, איזבלה, שהייתה כנראה משכילה למדי ביחס לנשים בתקופתה, דאגה להשכלתו של בנה. בגלל עניינו הרב בדברים מכניים, היא שלחה אותו להתחנך בגיל 18 אצל המתמטיקאי ג'ורג' ווקר (Walker) מנוטינגהם. לאחר זמן מה, בעיקר עקב חששה כי בתו של ווקר, המבוגרת בשנתיים מבנה, תסיח את דעתו מהלימודים, העבירה אותו האם למורה אחר, קדוגן מורגן (Morgan), שלימד מכניקה במכללה בלונדון. שני המורים השפיעו רבות על קיילי, לא רק מבחינת הידע, אלא בעיקר מבחינת פיתוח חשיבה עצמאית ולא קונפורמיסטית.

ב-1792 ירש קיילי את תואר האצולה הצנוע של אביו, ברונט, ועימם את נכסי המשפחה שכללו אדמות רבות בצפון אנגליה. לאחר שהשלים את ארגון ענייניו כבעל קרקעות עשיר, נשא לאישה ב-1795 את שרה ווקר, בתו מסיחת הדעת של המורה הפרטי שלו. הם היו נשואים 59 שנים, והביאו לעולם לא פחות מתשעה ילדים. הנישואים אומנם ידעו עליות ומורדות, אבל במידה רבה סיפקו לו מסגרת ביתית יציבה שאפשרה לו להתעמק במחקרים ובהמצאות.

הכנף הקבועה

קיילי החל כנראה לחשוב על נושא התעופה כבר ב-1792, אבל רק ב-1796 התעמק בנושא באופן מדעי. עיסוקו המעשי בכך החל עם שחזור של צעצוע צרפתי דמוי מסוק – מוט שבקצותיו שני מדחפים המסתובבים בשחרור של קפיץ מתוח – דומה מאוד לצעצוע שיצית את דמיונם של וילבור ואורוויל רייט כמאה שנים לאחר מכן.

קיילי קרא מחקרים רבים בנושא, עשה ניסויים, וככל הנראה גם התבונן לא מעט במעוף ציפורים. ב-1799 הגיע לפריצת הדרך הראשונה. עד אז המאמצים לעוף התבססו על חיקוי של תנועת העופות, כלומר שימוש בכנפיים לשתי מטרות: גם יצירת עילוי, וגם יצירת דחף באמצעות הנעת הכנף. כל הניסיונות לבנות מכונות מעופפות המבוססות על נפנוף בכנפיים ענקיות בכוח שרירי האדם נכשלו. זה לא היה מפתיע במיוחד.

כבר במאה ה-17 הראה החוקר האיטלקי ג'ובאני בורלי (Borelli), הנחשב לאבי הביומכניקה, כי האנטומיה של ציפורים מתאימה לתעופה הרבה יותר משלנו: בין השאר יש להן שלד קל מאוד ושרירי חזה ענקיים להנעת הכנפיים. לכן הן יכולות לייצר הרבה יותר כוח ביחס למשקלן מאשר בני אדם, והשאיפה של האדם לטוס בכוח שריריו היא חלום בלבד.

התובנה פורצת הדרך של קיילי הייתה להפריד בין שני השימושים האלה של הכנף: להשתמש בה בכלי טיס לעילוי בלבד, ואת הדחף להשיג באמצעים אחרים. זה הוליד את רעיון המטוס בעל הכנף הקבועה, שעל פיו נבנו – ועדיין נבנים – כל המטוסים.

ב-1799 פרסם קיילי הצעה ראשונית לכלי טיס, הנחשב כיום למטוס הראשון בעידן המודרני, אף שלא היה ממונע, כמובן. הוא כולל כנפיים קבועות וזנב המכיל הגה אופקי לשליטה בכיוון החרטום מעלה/מטה (עִלְרוּד), והגה אנכי להפניית החרטום ימינה/שמאלה (סִבְסוּב).

ראוי לציין כי באותה תקופה פעלו חלוצי התעופה באמצעים אחרים – כלי טיס קלים מהאוויר. ב-1783 עשו בצרפת האחים מונגולפייה את הטיסות המאוישות הראשונות בכדור פורח. קיילי לא התלהב מהרעיון של בלון, וכיוון את מאמציו לטיסה ממונעת. ב-1804 התייחס בכתביו לרעיון של כלי טיס קל מהאוויר, וכתב על בלון בעל צורה מוארכת מאוד, מותאמת להתנגדות האוויר, עם סירה קטנה תלויה מתחתיו. החזון הזה התממש לקראת סוף המאה, עם ספינות האוויר של הרוזן הגרמני פרדיננד פון צפלין (von Zeppelin).

רעיון פורץ דרך. תרשים של אבטיפוס לכלי טיס בעל כנף קבועה וזנב שפיתח קיילי ב-1799 וחקק על דיסק מתכת. מצידו השני תרשים של סכמת הכוחות הפועלים על כלי טיס | נחלת הכלל

חסר הנעה

בשלב הבא ביקש קיילי לבחון את הזווית הטובה ביותר לאותה כנף קבועה. הוא פיתח מתקן מסתובב שמאפשר למדוד את הכוחות הפועלים על כנף, ואת העילוי שהיא מייצרת. הוא הגיע למסקנה כי זווית של שש מעלות תהיה הטובה ביותר, ועל סמך זה בנה ב-1804 דאון קטן, שהיה למעשה עפיפון שהוצמד בזווית זו למוט אופקי, ובקצהו זנב עם כנפונים, מוטה מעט כלפי מטה. הוא הצמיד למוט משקולת שאפשר להזיזה לנקודות שונות לאורכו, כדי לראות כיצד המיקום של מרכז הכובד משפיע על ביצועי כלי הטיס. "היה יפה מאוד לראות אותו משייט במורד גבעה תלולה", כתב קיילי ביומנו. "זה מעלה את הרעיון שמכשיר גדול יותר יוכל לספק אמצעי טוב יותר ובטיחותי יותר במורד הרי האלְפִּים, אפילו יותר מהצעד הבוטח של הפֶּרֶד".

בשנים הבאות הוא בחן את השימוש בכנפיים לא סימטריות, כך שהמשטח העליון שלהן מעוצב אחרת מהתחתון. הוא גם פיתח את הרעיון של מטוס על גלגלים, ועיצב מערכת מתאימה, וכן הגה את הרעיון של כלי טיס דמוי צינור, והציע לבנותו מקני במבוק חזקים וקלים. בשנת 1809 בנה דאון בגודל מלא המבוסס על חלק מהעקרונות האלה, עם כנפיים בשטח של כ-28 מטרים רבועים. למרבה הצער, סיפר גיבס-סמית, לא נותר תיעוד של כלי הטיס הזה, ואיננו יודעים איך הוא נראה. הוא מצטט מרשימותיו של קיילי עצמו, "זה היה מראה מרהיב לראות את הדאון גולש בהוד מהגבעה לכל נקודה במישור שלרגליה, תלוי כיצד כוון ההגה שלו". ההגה, בשלב זה היה ניתן לכוונון על הקרקע, אך לא במהלך הטיסה עצמה, שכמובן לא הייתה מאוישת.

הנעת כלי הטיס הייתה אחת הבעיות שהעסיקו את קיילי יותר מכל. הוא נאלץ לוותר על הרעיון של שימוש במנוע קיטור, עקב היחס הנמוך בין התפוקה שלו למשקלו. במילים אחרות, הוא היה הרבה יותר מדי כבד וחלש מכדי להיות מעשי בתעופה. הוא עשה ניסויים במנוע שהוא פיתח, המופעל באבק שריפה, ובאותה תקופה הגה, תכנן ובנה מנוע המייצר דחף באמצעות פליטת אוויר חם, המתורגמת לתנועה מכנית. אף על פי שהכיר את עקרון המדחף, קיילי האמין שיצליח לייצר דחף כמו אצל ציפורים, באמצעות כנפונים עולים ויורדים שיותקנו בקצה הכנף הקבועה. עם זאת, הוא לא הצליח במשך כל חייו לפתור את בעיית ההנעה, משום שהמנועים בתקופתו פשוט לא היו מסוגלים לספק את הכוח הדרוש בלי להיות בעלי משקל עצום.

עשור הזהב

בסוף 1809 ובתחילת 1810 פרסם קיילי את עיקרי עבודתו עד כה בשלושה מאמרים עוקבים ב"כתב העת לפילוסופיה של הטבע, כימיה ואמנות". שלישיית המאמרים, שפורסמה בהמשכים תחת כותרת אחת "על שיוט אווירי", היא "גם העבודה הראשונה וגם הקלאסיקה הגדולה ביותר בהיסטוריה של התעופה", כתב גיבס-סמית. "בפרסומים האלה הניח קיילי את היסודות למדע האווירודינמיקה". באופן אירוני, מה שדרבן אותו לפרסם את ממצאיו ופיתוחיו היה הדיווח כי ממציא וינאי בשם יקוב דגן (Degen), הצליח להתעופף בעזרת התקן המבוסס על נפנוף בכנפיים בכוח זרועותיו. מה שלא הובלט בדיווחים על ההישג היתה העובדה שדגן התרומם בעזרת בלון והצליח לנופף בכנפיו רק דקה או שתיים באוויר, ולא לנסוק בעזרתן.

במאמרים מפרט קיילי את ממצאיו בנוגע למבנה הכנף האידיאלי, ומסביר כיצד כנף אסימטרית תתרום לעילוי באמצעות יצירת לחץ אוויר גבוה יותר מתחת לכנף מאשר מעליה. כמו כן הוא מתייחס לזווית הכנף, להתנגדות האוויר ולמבנה גוף המטוס שיתאים להתמודדות עימה. בהמשך הוא מתייחס לנושא היציבות והשליטה במטוס באוויר. הוא מנתח את הכוחות הפועלים על המטוס, משקלל אותם, מסביר איך מבנה הכנפיים והזנב מסייע לייצב את המטוס באוויר, ואת עקרונות ההיגוי והפנייה מעלה/מטה או לצדדים. הוא מפרט בהרחבה גם את ממצאיו ומחקריו בנושא הטיסה הממונעת.

קיילי כולל בעבודותיו גם תצפיות מדויקות על התנועה של בעלי חיים, ציין היסטוריון אחר של התעופה, ג'ון אקרויד (Ackroyd). הוא לא רק צפה רבות בציפורים אלא דימה את מבנה הכנף שהציע לחתך הגוף של דג פורל שמנמן.

שלושת המאמרים הללו סיכמו את מה שגיבס-סמית מכנה "עשור הזהב" של קיילי, בין 1799 ל-1809, כלומר בין גיל 26 ל-36. אף שמאמציו נתקלו בזמנו באדישות או בבורות "זה היה ספר ההוראות המעשי שלפיו היה אפשר לבנות ולהטיס דאון בעל כנף קבועה שמונים שנה לפני אוטו ליליינטל (Lilienthal), ועם מערכת שליטה מתקדמת הרבה יותר מאלה שיהיו בשימוש עד האחים רייט".

"המצנח הנשלט", הדאון האחרון שתכנן קיילי ב-1853. תרשים מתוך כתב העת Mechanics' Magazine | מקור: ויקיפדיה, נחלת הכלל

עידן הטרקטורים

לאחר פרסום המאמרים זנח קיילי במידה רבה את תחום התעופה למשך כשלושה עשורים, אם כי לא לגמרי. פה ושם, בעיקר בעשור הראשון פרסם מדי בפעם בפעם עוד תוצאות של ניסויים בתעופה, תרשימים לבניית ספינות אוויר, עם תחזית – מדויקת – שספינת האוויר תקדים את המטוס הממונע ושרטוטים של דגם משופר של הדאון שפיתח קודם לכן.

למרות אכזבתו מכך שבעיית ההנעה לא באה על פתרונה וחצצה בינו לבין טיסה אמיתית, כפי שחלם עליה, הוא היה משוכנע שהאנושות תתגבר על הבעיה בבוא הזמן. "אני בטוח לחלוטין שהאמנות האצילית הזאת תהפוך בקרוב לחלק מהנוחות הכללית של חיי האדם", הוא כתב. "ושאנו נוכל לשנע את עצמנו ואת משפחותינו, את חפצינו ואת מטלטלינו בבטחה רבה יותר באוויר מאשר בדרך הים, במהירות שבין 20 למאה מייל בשעה. כל מה שצריך כדי להגיע לכך הוא מנוע שייצר יותר כוח בזמן נתון, ביחס למשקלו, מאשר מערכת השרירים של בעלי חיים".

במשך אותה "תקופת ביניים", לא קפא קיילי על שמריו, ועסק בנושאים רבים אחרים. כבעל אדמות ששני נהרות הציפו אותן תדיר, הוא פיתח שיטות חדשניות לניקוז קרקעות. הוא המציא את הטרקטור הנוסע על זחלים, ורשם פטנט ב-1825 על ההמצאה העומדת גם כיום בבסיס מנגנון הנסיעה של דחפורים, טנקים וכלי רכב נוספים. הוא פיתח אמצעי בטיחות לרכבות, ופרסם מאמר על מחקריו בתחום האופטיקה. בנוסף הוא הקים את המכון הפוליטכני בלונדון, היה ממייסדי האגודה הבריטית לקידום המדע, היה שותף בהקמת האגודה הפילוסופית של יורקשייר ואפילו נבחר לחבר בפרלמנט.

"יציב מאוד באוויר". שחזור של "המצנח הנשלט", הדאון של קיילי מ-1852, המוצג במוזיאון התעופה ביורקשייר | צילום: Nigelcoates, Wikipedia

בחזרה לתעופה

בשנת 1843 הכריז חלוץ התעופה הבריטי ויליאם הנסון (Henson) כי הצליח לפתח את "מרכבת הקיטור האווירית" – מטוס בעל מוטת כנפיים של 46 מטרים שהיה אמור לשאת נוסעים אל-על בעזרת מנוע קיטור. בפועל, הנסון לא התגבר על אותן בעיות שהכשילו את קיילי, וה"מטוס" שלו לא היה מסוגל להתרומם מהקרקע. זה לא הפריע לו לרשום פטנט על ההמצאה, לטעון שהמטוס מסוגל לשאת 12-10 נוסעים למרחק של אלף מייל, ולהפיץ פרסומות שבהן נראה מטוסו מרחף מעל הקהל המשתאה.

הפרסום עורר את קיילי לפרסם תגובה משלו, ובה הזהיר כי הכנפיים של ה"מרכבה" גדולות מדי ומועדות להישבר, והמליץ להנסון להחליפן בשלושה זוגות כנפיים זו מעל זו. ב-1849 הוא פרסם בעצמו תוכניות לדאון כזה, בעל שלושה זוגות כנפיים, ושני זנבות – אחד מאחורי הכנפיים והאחר מאחורי ה"תא", מתקן דמוי סירה עם גלגלים שנתלה מתחת לשדרת הכנפיים. בכמה ממאמריו הוא מכנה אותו Old Flyer, "המעופף הזקן". בשנים הבאות הוא פרסם תרשימים של כמה דאונים נוספים, רובם בעלי זוג כנפיים אחד. הוא מתאר בכתביו כמה ניסויים בדאונים האלה, ובאחד מהם, התלת-כנפי, טס ילד כבן עשר, והתרומם לגובה כמה מטרים בירידה מגבעה, כשהדאון קשור לחבל, ליתר ביטחון. הילד, שזהותו נותרה עלומה, הפך לאדם הראשון שטס בכלי טיס כבד מן האוויר. 

ב-1852 שרטט את דגם הדאון האחרון שלו שנבנה, בעל זוג אחד של כנפיים גדולות, בשטח של כ-48 מטרים רבועים, וזנב בעל שטח של כ-4.5 מטרים רבועים, ששימש לייצוב הדאון. זנב נוסף, קטן יותר, בלט מגוף ה"סירה" ושימש להיגוי. בצעירותו קיילי טס בעצמו בכמה מהדאונים שתכנן ובנה, אך כעת היה בעשור השמיני לחייו, ואת מלאכת הטיסה השאיר לאחרים, או ליתר דיוק: הטיל על אחרים. ב-1853 השלים נהג הכרכרה של קיילי טיסה למרחק של כ-275 מטרים בדאון, וחצה עמק קטן באחוזתו, והפך למבוגר הראשון שטס בדאון. הטיסה הסתיימה בנחיתה קשה למדי, אך הנהג נחלץ בלי פגע. את אחת העדויות על הניסוי הזה סיפקה לימים נכדתו של קיילי, דורה תומפסון (Thompson), שהייתה אז בת תשע. היא סיפרה כי לאחר שנחת זינק הנהג מכלי הטיס בסערת נפש וקרא "אנא, סר ג'ורג', אני מבקש לציין שנשכרתי כדי לנהוג, לא כדי לטוס".

מומחה הדאונים הבריטי סטנלי ספראול (Sproule), בנה באמצע המאה העשרים שחזורים של כמה מהדגמים של קיילי, ואף הטיס חלק מהם. על ה"מעופף הזקן" כתב ספראול כי הוא "טס בצורה יפהפיה", ועל הדאון האחרון, שכונה "המצנח הנשלט" (Governable parachute), דיווח ספראול כי למרות רגישותו לרוח-צד הוא היה יציב מאוד באוויר, ולמרות שלטייס אין שליטה על הגלגול, הדאון שומר על איזון ואינו מתגלגל לצדדים.

למרות תרומותיו האדירות לתחום התעופה, שמו נותר עלום במשך שנים רבות. סר ג'ורג' קיילי בגיל מבוגר | מקור: Sheila Terry / Science Photo Library

שִׁכְחָה וזיכרון

"קיילי הפך את עצמו למהנדס האווירודנימיקה הראשון והיחיד בעולם, וכך נאלץ להמציא לבדו, מאפס, תחום חדש במדע", כתב עליו אלכסנדר רוז (Rose) בספרו אימפריות השמיים (Empires of the Sky). "התובנה הגדולה הראשונה שלו הייתה פירוק היכולת לעוף למרכיבים נפרדים, שכאל אחד מהם ייצג בעיה שיש לפתור. הוא פירט את ארבעת מרכיבי הטיסה, שהרמוניה ביניהם תניב הצלחה: אווירודינמיקה [...], הנעה [...], מבנה וחומרים [...],  שליטה במטוס ויציבות. [...] הוא המציא לבדו את הצורה שתהיה הבסיס לכל מטוס מאז: במקום לקחת חלק אחד של ציפור – את הכנפיים – ולחבר אותן לאדם באופן המזכיר חיות מהמיתולוגיה היוונית, כמו שניסו רבים לעשות מאז סיפורי דדלוס ואיקרוס, קיילי העתיק את הציפור כולה והוציא את האדם מהתמונה".

סר ג'ורג' קיילי הלך לעולמו באחוזתו ביורקשייר בדצמבר 1857, 12 יום לפני יום הולדתו ה-84. למרות הישגיו הכבירים, ואולי מפני שהקדימו את זמנם, עבודתו נותרה עלומה או נשכחה למשך תקופה ארוכה. שלושת מאמריו פורצי הדרך מ-1809/10 הודפסו שוב רק כעבור כשבעים שנה, כשהעולם היה קרוב הרבה יותר לטיסה ממונעת מעשית. רק במהלך המאה העשרים, כמאה שנים לאחר מותו, החלו להתפרסם מחקרים מסודרים על עבודתו, בין השאר בזכות היסטוריונים כמו גיבס-סמית, שהצליח לאתר חלק מכתביו המקוריים. בעקבות פרסומים אלה נחשב כיום קיילי – בצדק – לאבי התעופה המודרנית, אם כי גם כיום שמו אינו מוכר לציבור הרחב.

גם בעידן של ראשית ימי התעופה אחרי קיילי רבים לא הכירו את תרומתו החשובה לתחום, אבל בתוך הקהילה המצומצמת של חלוצי התעופה, היו מי שהכירו והוקירו את עבודתו, ושאבו ממנה השראה רבה. ביניהם היה גם וילבור רייט, שבטרם החל לבנות מטוסים עם אחיו, עשה מחקר מעמיק של החומר התיאורטי בנושא, וקרא ודאי את שלושת מאמריו של קיילי. ב-1909 בהרצאה בלונדון, אמר רייט כי "לפני כמאה שנה איש אנגלי, סר ג'ורג' קיילי, נשא את מדע התעופה לנקודה שהוא לא הגיע אליה קודם, ושאליה הוא אך בקושי הצליח לחזור במהלך המאה האחרונה".

הרצאה על חייו ופועלו של ג'ורג' קיילי (באנגלית):