Опробуя эти аппараты, они убедились, что им сильно не хватает теоретических знаний по аэродинамике. Впрочем, в то время эта наука находилась в самом зачаточном состоянии. Собрав все книги, посвященные описанию полета тел, какие они только смогли достать, Райт убедились, что не далеко смогут улететь на таком багаже. Недостающие таблицы они решили составить самостоятельно. Измерение сил сопротивления движущихся в воздухе тел можно производить двумя способами: или передвигать тело с определенной скоростью по спокойному воздуху, или обдувать неподвижное тело, направляя на него с определенной скоростью воздух. Лэнгли и Максим производили свои опыты исключительно первым способом, вращая предметы или модели рукой по воздуху. При этом способе очень трудно было измерить, под каким углом находилась вращаемая плоскость или модель в тот или иной момент. Кроме того, результаты испытаний искажались влиянием центробежной силы. Неудивительно, что они были противоречивыми и неточными. Райт избрали второй способ. В том же году они соорудили «ветряной туннель» — аэродинамическую трубу, в которую воздух нагнетался с помощью вентилятора. Для своего времени это было замечательное изобретение, которое сразу дало им огромное преимущество перед другими конструкторами и быстро продвинуло их к цели. В своей трубе братья испытали более 200 моделей, различных по форме профилей. Они изготовлялись из листового железа, чтобы их можно было изгибать различным образом. Такое систематическое измерение величин сопротивлений различных поверхностей и профилей крыльев при различных углах атаки в аэродинамической трубе никогда раньше до братьев Райт не производилось. Неудивительно, что и результаты этих упорных систематических опытов были решающими для их дальнейших успехов.
Главным результатом всех этих экспериментов стало определение так называемого центра давления, то есть равнодействующей всех сил давления на крыло при различных углах атаки. Значение положения равнодействующей, или центра давления, совершенно необходимо при конструировании аэропланов и при расчете их устойчивости. Другим важным результатом было определение подъемной силы крыльев и силы лобового сопротивления при разной скорости. Результаты своих исследований братья систематизировали в особых таблицах, которые потом служили для них карманным справочником. После этого, уже с учетом аэродинамических изысканий, они взялись за конструирование нового планера.
Третий планер 1902 года, в отличие от двух первых, имел вертикальный хвост. Пилот ложился здесь в особую колыбель между разрезом нижней плоскости и, приподнявшись на локтях, управлял руками передним рулем высоты, а движением тела вбок скашивал проволочными тросами концы крыльев. Запуская планер, два человека сбегали с ним с высокой горы против ветра.
Хвост был устроен вследствие того, что два предыдущих планера имели склонность к вращению вокруг горизонтальной оси и могли перевернуться во время перекашивания крыльев. Райт поняли, что одним только перекашиванием крыльев невозможно добиться хорошей управляемости планера. Сначала вертикальный руль был неподвижным, но потом, когда обнаружилось, что планер перестает слушаться руля при наклоне вбок, Орвилл Райт предложил сделать вертикальный руль подвижным. Тогда, поворачивая его в сторону противоположного крыла, можно было восстанавливать поперечное равновесие. Тем самым должна была компенсироваться разница в сопротивлении опущенного и поднятого крыльев. Уилбер согласился с братом и дополнил его идею существенным улучшением: раз вертикальный руль необходимо поворачивать в тот момент, когда перекашиваются концы крыльев, то лучше соединить руль и крылья проволочными тросами, чтобы действовать на них одновременно. После этого движением одного рычага стало возможно управлять поперечной устойчивостью. Таким образом, впервые в истории авиации братья Райт применили подвижный вертикальный руль. Это было их второе замечательное открытие на пути овладения воздушной стихией.
Когда Райт было нужно сделать поворот влево, он поворачивал поворотный рычаг; одновременно с этим посредством проволочных тяг задние кромки правого крыла (то есть снаружи виража) опускались. Тем самым правое крыло, загнутое до некоторой степени круче и загребающее больше воздуха, направлялось вверх. Одновременно левое крыло внутри виража опускалось вниз. В результате аэроплан в целом накренялся внутрь кривой. Правый рулевой рычаг a, служивший для поворота, обладал двойным движением. Направляя его вперед (нажимая от себя), пилот действовал на двуплечий рычаг K таким образом, что рулевые тяги тип перекладывали поворотный руль влево. Обратное оттягивание этого рулевого рычага (на себя) вызывало перекладывание руля вправо. С другой стороны, отклонение рычага а влево сообщало то же движение стержню C, перекашивая крылья посредством тяги e: правое — вниз, левое — вверх. Перекашивание несущих поверхностей путем уклонения рычага вправо и влево могло совершаться как независимо от перекашивания руля направления (посредством движения рычага вперед и назад), так и совместно с ним.
Перекашивание несущих поверхностей способствовало также сохранению боковой устойчивости при порывах ветра. Когда порыв ветра наклонял аэроплан в одну сторону, пилот немедленно подбирал круче опустившееся крыло, уменьшая одновременно угол встречи (угол несущей поверхности к направлению движения; чем он больше, тем больше сопротивление, а значит, и подъемная сила) в поднятом крыле. Таким образом, аэроплан выправлял крен, парируя порыв ветра. Для такого противодействия ветру требовалось только движение рычага а вправо или влево.
Подобное превращение крыльев из плоскости в винтообразную поверхность имело, правда, нежелательное последствие — весь планер при этом несколько поворачивался вокруг своей оси, подобно тому, как воздушный винт начинает вращаться при поступательном движении. С целью уравнять это нежелательное вращение применялись передние вертикальные серповидные поверхности v и w, укрепленные между поверхностями руля высоты, которые вращались в направлении обратном движению поворотного руля.
Второй рулевой рычаг управлял высотой полета. При отжимании его вперед рулевые поверхности становились площе, и планер опускал свой нос вниз.
Испытание планера с заново установленным вертикальным рулем сразу дало хорошие результаты. Планер хорошо слушался руля и парил в воздухе иногда по целой минуте. В то время никто в мире не мог похвастаться такими прекрасными результатами. Можно сказать, что уже тогда планер братьев Райт был самым совершенным летательным аппаратом на Земле. Он обладал уже всеми отличительными чертами аэроплана: у него было два аэродинамически правильно рассчитанных крыла, горизонтальный руль высоты спереди и вертикальный руль направления сзади, перекашивание концов крыльев для поперечной устойчивости (элероны). Планер был вполне управляем — поднимался вверх и опускался вниз, поворачивал направо и налево, не теряя устойчивости. Для того чтобы стать аэропланом, планеру не хватало только одного — мотора с пропеллером.
К созданию его Райт приступили в начале 1903 года. Они рассчитали, что для полета им необходим очень легкий и небольшой бензиновый двигатель с мощностью не менее 8 л.с. Несмотря на все усилия им не удалось купить готовый двигатель. Тогда они решили изготовить его сами и засели за расчеты. Вскоре был готов проект четырехцилиндрового двигателя весом около 90 кг с водяным охлаждением и электрическим зажиганием. Алюминиевый корпус был сделан в местной кузнице. Все остальные детали братья изготовили сами в своей мастерской. Несмотря на то что эта работа была для них совершенно в новинку, сразу после сборки двигатель заработал, и братья увидели в этом залог будущего успеха. Другая проблема заключалась в изготовлении пропеллеров. Разумеется, никаких теоретических расчетов для воздушного винта тогда не существовало. После долгих опытов и горячих споров Райт сделали два деревянных винта из кусков канадской сосны. Каждый имел по две лопасти и насаживался на железную ось. Вращались они навстречу друг другу и помещались позади (а не впереди, как это было принято позже) каждого крыла. Передача осуществлялась с помощью цепей. Когда двигатель, пропеллеры и передача были готовы, Райт приступили к строительству самого аэроплана. Конструкция его была точно такой же, как и у планера 1902 года, но он был сделан более прочным. Пилот, как и прежде, находился в лежачем положении.
