Al mismo tiempo que se desarrollaban los aviones de ala fija, los dirigibles se volvían cada vez más avanzados. Durante las primeras décadas delsiglo XX, los dirigibles eran capaces de transportar mucha más carga y pasajeros que los aviones. Muchos de los avances relacionados con los dirigibles fueron obra del conde alemán Ferdinand von Zeppelin.
La construcción del primer dirigible Zeppelin comenzó en 1899 en Alemania. El prototipo inicial, denominado LZ1 (siglas en alemán de Luftschiff Zeppelin 1), tenía 128 metros de longitud y era propulsado por dos motores Daimler de 14'2 CV cada uno. El primer vuelo del LZ1 ocurrió el 2 de julio de 1900, durando apenas 18 minutos, debido a que se vio obligado a descender debido a que el mecanismo de control había sufrido un fallo mecánico. Después de repararlo, el Zeppelin pudo mostrar todo su potencial en los siguientes vuelos, sobrepasando el récord de 6 m/s del dirigible La France por un margen de 3 m/s, pero aun así, no logró atraer a posibles inversores. Tuvieron que pasar unos años hasta que Ferdinand von Zeppelin reuniera fondos suficientes para seguir sus pruebas.
En 1902, el ingeniero español Leonardo Torres Quevedo desarrolló un nuevo tipo de dirigible que solucionaba el grave problema de suspensión de la barquilla al incluir un armazón interior de cables flexibles que dotaban de rigidez al dirigible por efecto de la presión interior, combinando las propiedades de los dirigibles rígidos y flexibles. Tres años después, junto a Alfredo Kindelán, Torres Quevedo construye el primer dirigible español, denominado España, que se caracterizaba por disponer de un globo separado en tres compartimentos (trilobulado), lo que aumentaba la seguridad. A raíz de este hecho empezó la colaboración entre Torres Quevedo y la empresa francesa Astra, que llegó a comprarle la patente con una cesión de derechos extendida a todos los países, excepto a España, para posibilitar la construcción del dirigible en el país. Así, en 1911, se inicia la fabricación de los dirigibles conocidos como Astra-Torres. Algunos ejemplares fueron adquiridos por los ejércitos francés e inglés a partir de 1913, y utilizados durante la Primera Guerra Mundial en muy diversas tareas, fundamentalmente de protección e inspección naval.
En 1918, Torres Quevedo diseñó, en colaboración con el ingeniero español Emilio Herrera Linares, un dirigible trasatlántico, al que llamaron Hispania, que llegó a alcanzar el estado de patente, con objeto de realizar desde España la primera travesía aérea del océano Atlántico. Por problemas de financiación el proyecto se fue retrasando y fueron los británicos John William Alcock y Arthur Whitten Brown los que lograron esa hazaña por primera vez, en el año 1919.
En 1877 el italiano Enrico Forlanini desarrolló un prototipo no tripulado de helicóptero, de unos 13 metros de altura y alimentado con un motor a vapor. Fue el primero de su tipo. Logró un despegue vertical y permaneció en el aire unos 20 segundos, aunque el primer vuelo realizado con éxito y registrado de un helicóptero ocurrió en 1907, realizado por Paul Cornu en Francia, pero hasta 1936 con el Focke-Wulf Fw 61 de fabricación alemana, no se dispuso de un helicóptero funcional.
El autogiro fue inventado por el ingeniero español Juan de la Cierva, quien desarrolló el rotor articulado que más tarde usaría Igor Sikorsky en sus helicópteros, pagando incluso la patente y los derechos de utilización al inventor español. En su primer vuelo en 1923, el autogiro logró recorrer 200 metros, y más tarde, realizó el primer viaje entre aeródromos desde Getafe a Cuatro Vientos en 1924.
En cuanto a hidroaviones, el primero de la historia fue obra del ingeniero francés Henri Fabre. Lo denominó Le canard (en francés, ‘el pato’), y el 28 de marzo de 1910 despegó del agua y logró recorrer 800 metros. Sus experimentos fueron seguidos de cerca por Charles y Gabriel Voisin, que adquirieron varios de sus prototipos para desarrollar el suyo propio, al que denominaron Canard voisin. En octubre de 1910, el Canard voisin se convirtió en el primer hidroavión que voló sobre el río Sena, en París, y en marzo de 1912 se convirtió también en el primer hidroavión que fue usado militarmente desde el portaaviones francés La Foundre (en francés, ‘el relámpago’).
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