Текст книги "Я познаю мир. Авиация и воздухоплавание"

Автор книги: Станислав Зигуненко

сообщить о нарушении

Текущая страница: 5 (всего у книги 20 страниц)

Уравнения Эйлера

Заслуга иностранца Бернулли перед российской и мировой наукой заключается еще и в том, что именно по его настоянию Петербургская академия наук пригласила в Россию еще одного швейцарца – Леонарда Эйлера.

Тот прибыл в северную столицу 19 лет от роду. Умер же он в возрасте 77 лет, оставив после себя в качестве наследства 886 научных трудов. При этом надо учесть, что вторую половину жизни ученый работал, будучи практически слепым.

Из-за потери зрения Эйлер не мог, подобно Бернулли, ставить наглядные опыты. Он ставил мысленные эксперименты, прокручивая их в своем мозгу и описывая результаты короткими, емкими строчками математических уравнений.

Эйлер продолжил исследования потока, начатые Бернулли, и создал формулы, по которым можно определить давление и скорость жидкости в любой точке потока, где заданы те или иные граничные условия.

Правда, уравнения Эйлера справедливы для так называемой идеальной жидкости; они не учитывают вязкости, потерь на внутреннее трение и т. д. Но в течение 150 лет и этих формул оказывалось достаточно, чтобы получить представление, как поведет себя поток жидкости или газа в той или иной ситуации.

Так что Н. Е. Жуковскому не пришлось начинать на пустом месте. У него были славные предшественники.

Трудные формулы, без которых еще труднее

Жуковский познакомился с Лилиенталем в 1895 году. Стоя у подножия холма в Гросслихтерфельде, он внимательно следил за всеми движениями парящего, словно птица, спортсмена. Потом Лилиенталь повел российского профессора в специальный ангар, где он держал многочисленные аппараты из ивовых прутьев и парусины – результат долгого наблюдения и инженерного искусства, – и подарил один из них собеседнику. Пусть и в России знают, что человек уже начал покорение воздуха. Скоро он начнет летать свободно и непринужденно, словно птица.

Жуковский принял подарок и по дороге домой долго его рассматривал, время от времени задумчиво покачивая головой. Какие-то не очень веселые мысли одолевали ученого.

– Стоящая громадных денег трехсотсильная машина Максима с ее могучими винтовыми пропеллерами отступает перед скромным ивовым аппаратом немецкого инженера, – сказал он, демонстрируя подарок на одном из заседаний российского Общества любителей естествознания, где было и отделение воздухоплавания. – Потому что первая, несмотря на огромную подъемную силу, не имеет точного управления; вторая же построена на основе опыта и расчетов. Наука позволяет предвидеть будущие неудачи...

У сожалению, ученый несколько преувеличил возможности тогдашних расчетов. Как показала практика, ивовые аппараты все же были еще очень хрупки, чтобы противостоять натиску стихии. Сильный порыв ветра, как мы знаем, сбил Лилиенталя на землю внезапным ударом невидимого воздушного кулака...

Жуковский понимал: стихия потока описана учеными еще недостаточно. Нужно продолжать работу, начатую другими. Нужно объединить законы, ныне еще зачастую порознь описывающие поведение струй воды и потоков воздуха. Надо закладывать фундамент новой, общей науки – гидроаэродинамики.

Н.Е. Жуковский экспериментирует не только с потоками воды, как это делал Бернулли. В 1902 году он сооружает первую в России аэродинамическую трубу. Что ж из того, что эта установка поместилась в лаборатории профессора. Она уже имела все те части, что и нынешние аэродинамические гиганты. (К слову, одна из установок, которую мне довелось видеть в подмосковном городе Жуковском, имеет размеры пятиэтажного дома.)

Вид современной аэродинамической трубы

Итак, первая труба Жуковского представляла собой длинный короб прямоугольного сечения, имевший на одном конце мощный вентилятор, а на другом раструб для всасывания воздуха. Посредине короба сбоку было сделано отверстие, через которое внутрь можно было вводить исследуемый предмет, и оконце для наблюдения. Когда вентилятор начинал работать, воздух по трубе проносился и обтекал твердое тело, как если бы оно неслось в атмосфере с такой же скоростью в неподвижном воздухе.

Схема аэродинамической трубы Жуковского

С помощью этой установки ученый и попытался разобраться в явлениях, которые в свое время интересовали еще гимназиста Жуковского.

Одно из них заключалось в следующем. В юности будущий исследователь, как и многие мальчики, любил запускать воздушных змеев. И еще тогда он обратил внимание, что бумага, даже наклеенная на каркас, под напором ветра непременно выгибается горбом, подобно тому как это делает парус на мачте корабля. Но с парусом все понятно – его заставляет выгибаться кинетическая сила дующего ветра. А вот со змеем деле несколько сложнее.

Чтобы он устойчиво стоял в воздухе, его плоскость должна быть не только выгнута, но еще и расположена под некоторым углом к набегающему потоку. Зачем?

Второй опыт и того проще. Если взять полоску плотной бумаги, поднять ее на уровень собственного роста и выпустить из рук, она очень часто падает вниз, быстро крутясь вокруг продольной оси. Причем падение ее не будет отвесным: какая-то неведомая сила непременно относит вращающуюся полоску в сторону. Какая именно?

Еще вопрос из окружающей жизни. Всем известно, что при порыве ветра зонтик, чтобы его не вывернуло, не поломало, нужно направлять навстречу воздушному потоку, а еще лучше – сразу сложить. Но при какой форме парусность того или иного тела при одинаковой площади будет наибольшей? А при какой наименьшей?

В общем, вопросам несть числа. И вскоре Николай Егорович понимает: чтобы ответить на них, одной трубы в его лаборатории маловато. Нужна более солидная экспериментальная база. Но где взять денег на ее строительство?

И тут ему повезло, если хотите. Один из его студентов, происходивших из известной семьи купцов и предпринимателей Рябушинских, получил большое наследство. И не пожалел выделить из него 100 тыс. рублей – весьма солидную по тем временам сумму – на строительство Аэродинамического института в Кучине. Теперь профессор мог вести исследования уже не в одиночку, а с целым штатом сотрудников. Еще больше появляется добровольных помощников – из числа тех же студентов.

Вот так, всеобщими усилиями, и было выяснено, что шар обладает меньшим сопротивлением, чем куб, а чемпионом обтекаемости является веретено... Что если пластинку поставить под углом к набегаемому потоку, то часть воздушной струи отклонится вниз, подталкивая, согласно закону Ньютона, саму пластинку вверх. Что эта подъемная сила многократно увеличится, если пластинку изогнуть «горбом» кверху, а еще лучше – придать ей особую форму; поперечное сечение такой пластинки становится очень похоже на тело рыбы. И примерно такое же сечение должно иметь лопасти пропеллера, вращающегося в воздушном потоке...

А главное, все эти наблюдения тут же описывались языком формул, учитывающих и удельный вес воздуха, и скорость потока, и площадь пластины... Аэродинамика становилась точной наукой.

Постулаты Чаплыгина

Не надо думать, что на то время, пока ученые размышляют в тиши кабинетов и лабораторий над той или иной проблемой, жизнь в округе замирает. Пока Жуковский разрабатывал основы теории аэродинамики, конструкторы на свой страх и риск, по собственному разумению продолжали строить аэропланы. «Фарманы», «блерио» и другие аппараты, называемые зачастую по фамилии их конструкторов, один за другим продолжают подниматься в небо. И... падать, порою по непонятным для конструктора причинам.

И потому, когда появлялась та или иная научная подсказка, она тут же проверялась на практике. «Статьи прямо-таки рвут из рук», – иногда жаловался Жуковский. Хорошо еще, что появились способные ученики, с которыми можно обсудить те или иные идеи, выявить возможные ошибки исследования раньше, чем его результаты появятся в печати.

Одним из любимых учеников Жуковского был Сергей Алексеевич Чаплыгин, сочетавший в себе острый ум математика с практической сметкой конструктора. И его подход – «рыть туннель быстрее всего с двух концов» – зачастую приносил успех раньше, чем любой другой.

Когда Чаплыгин познакомился с работой Жуковского «О присоединенных вихрях», он тут же обратил внимание на огромные математические трудности, которые ждали каждого, кто хотел бы подсчитать циркуляцию скорости этих самых вихрей вокруг реального крыла. Получался как бы замкнутый круг: чтобы спроектировать хорошее крыло, нужно знать распределение скоростей обтекания вокруг него; узнать же эти скорости проще всего оказывалось, продув в трубе уже готовое крыло...

Чаплыгин предложил поступить так. Во-первых, создать в результате продувок некий типовой набор профилей для крыльев того или иного размера, скорости полета и т. д. и рекомендовать их конструкторам в качестве основы. А с другой стороны, постарался максимально упростить математический аппарат расчетов, приспособив их для конкретных нужд конструктора. Благодаря такому подходу к 1911 году идея создания самолета, способного подняться в воздух, перестала быть неким чудом.

Более того, Чаплыгин сумел рассчитать и те ограничения скорости, угла атаки, нарушать которые было уже опасно: самолет переставал лететь, а начинал просто падать.

Профиль крыла и картина его обтекания воздушным потоком при резных условиях

А на практике порой случалось так. Очередной «фарман» заходит на посадку. Летчик снижает обороты двигателя, скорость полета уменьшается, летательный аппарат начинает проваливаться вниз. Стремясь удержать машину, летчик «брал ручку на себя», то есть с помощью рычага управления задирал нос самолета, подставляя его крылья под большим углом к потоку (именно этот угол и называется углом атаки). Самолет действительно даже как бы приподнимался, словно взбираясь на крутую горку. А потом вдруг сваливался на хвост, как катится назад неумелый лыжник, взбирающийся на подъем.

Чаплыгин не только разработал точные рекомендации, как избежать подобных случаев на практике, но и предложил оснащать крыло предкрылками и закрылками – дополнительными плоскостями, позволяющими обеспечить достаточную подъемную силу даже при малой скорости полета, позволить совершать взлеты и посадки без особых хлопот.

Такие правила иногда называют постулатами Чаплыгина-Жуковского.

Война в воздухе

Странные мы все-таки, люди. Стоит кому-то сделать изобретение, так его тут же стараются применить в военных целях, для нанесения ущерба себе подобным. Так произошло и с летательными аппаратами.

«Мне сверху видно все...»

При осаде Парижа

После того как первое любопытство от полетов улеглось, люди стали думать, как лучше использовать их в практических целях. Например, стали пересылать военные донесения. Когда в 1870 году Париж был осажден прусскими войсками, почта из осажденного города доставлялась с помощью воздушных шаров. Заодно аэронавты вели наблюдения за перемещениями войск противника и даже корректировали артиллерийский огонь.

Некоторые горячие головы тотчас же посоветовали аэронавтам брать с собой бомбы и сбрасывать их на головы врагов. Однако этот проект не получил широкого распространения. Воздушный шар, как известно, летит по воле ветра, и как будет пролегать трасса полета, одному Богу ведомо. Вот если бы приспособить для такой цели дирижабль!..

Сравнительно недавно стало известно, что подобная попытка была предпринята еще раньше, чем французы додумались пересылать с воздушными шарами почту из Парижа. Удивительно, как это они забыли опыт, полученный в России еще в 1812 году?..

Дирижабль против Бонапарта?!

Одним из наиболее любопытных проектов прошлого является летучий корабль Франца Леппиха. Как-никак с его помощью российская армия надеялась разбомбить... Наполеона.

Предыстория этого изобретения такова. Как свидетельствует бывший летчик, а ныне историк JI. М. Вяткин, раскопавший сведения об этом проекте в отечественных архивах, все началось с доклада суворовского генерала от инфантерии С. JI. Львова молодому государю Александру I. Совершив 18 июля 1803 года первый в России успешный полет на воздушном шаре вместе с французским воздухоплавателем Андре Гарнереном, генерал загорелся идеей постройки воздушной флотилии, которая бы могла обрушивать на головы армии противника внезапный удар с воздуха.

Замыслу способствовали и реляции русского посла во Франции князя Барятинского, доносившего о полетах монгольфьеров: «Возможно будет дойти до того, что оными машинами смогут управлять, как судами на воде...»

«Летучая рыба» Франца Леппиха

В общем, предложение 37-летнего немецкого механика Франца Леппиха о возможности постройки управляемого воздушного шара пришлось как нельзя кстати.

Александр, ознакомившись с чертежами «летучего корабля», тут же предложил Леппиху срочно выехать в Москву и приступить к сооружению первого аэростата. При этом император делал особый упор на то, чтобы все приготовления велись в строжайшей тайне.

Московский губернатор Н. В. Обресков получил высочайшее указание подготовить все необходимое для строительства аэростата и размещения рабочих. В целях сохранения секретности местом для проведения работ была избрана дача Репнина – место достаточно уединенное.

Леппих начал постройку с 40-местной золоченой лодки-гондолы, в которой должны были размещаться гребцы. (Видимо, Леппих не знал о предложении Менье и решил использовать традиционный способ приведения аэростата в движение – весла.) После окончания строительства лодка была подвешена на кронштейне, рассчитана ее масса, после чего были определены необходимые размеры оболочки и начат ее раскрой.

Одновременно с шитьем оболочки шилось и обмундирование для команды из сукна серого цвета. Так что, как видим, весь проект был проработан до мелочей. Например, в архивах сохранились свидетельства, что до постройки основного корабля Леппих построил и испытал два или три малых аэростата, рассчитанных на подъем экипажа в 3—5 человек. Воздушные корабли испробовали в деле, сбросив бомбы на стадо овец...

Согласно сохранившемуся изображению видно, что аппарат имел форму рыбы. Длина оболочки составляла примерно 57 м, максимальный диаметр 16 м и объем около 8 тыс. куб. м. К ней с помощью сетки крепилась лод-ка-гондола размерами 30x60 футов (9,9 х 19,8 м). Посреди гондолы располагались пороховые фугасы и люк для сбрасывания их на цель. Кроме того, согласно сохранившимся документам, «летучий корабль» предполагалось вооружить... ракетами!

Не вызывала особых сомнений и двигательная «установка». Как подсчитал Леппих, 40 сильных гребцов с помощью рессор и прочей кинематики должны были развивать мощность порядка 12 кВт, что давало возможность в штилевую погоду достигать весьма приличной скорости – до 40 км/ч!

В общем, к делу готовились тщательно. И уверенность в успехе мероприятия ни у кого особых сомнений не вызывала. Так, скажем, сам Александр I в одном из наставлений Ф. В. Ростопчину, главнокомандующему Московским гарнизоном, указывал:

«...Как только Леппих окончит свои приготовления, составьте ему экипаж для лодки из людей надежных и смышленых и отправьте нарочного с известием к генералу Кутузову, чтобы предупредить его. Я уже сообщил ему об этом мероприятии. Но прошу вас рекомендовать Леппиху быть очень внимательным, когда он будет опускаться в первый раз, чтобы не ошибиться и не попасть в руки неприятелю...»

Кутузов тоже проявил большую заинтересованность в проекте. За четыре дня до Бородинского сражения он посылает в Москву письмо, в котором интересуется ходом дел и спрашивает, когда можно будет воспользоваться данным изобретением.

Однако проекту не суждено было осуществиться до конца. Вторгшаяся на территорию России наполеоновская армия продвигалась слишком быстрыми темпами. И хотя «летучий корабль» был построен полностью и, по утверждению его создателя, докладывавшего в письме к императору, дважды поднимался в воздух, из-за низкого качества водорода он не смог нести команду гребцов в полном составе, вследствие чего доставить его в ставку к фельдмаршалу М. И. Кутузову не представилось возможным.

Так ли это было на самом деле, или Леппих несколько лукавил, просчитавшись в своих расчетах (согласно некоторым данным, перегруженный аэростат не мог поднять более 5 человек), но факт остается фактом: оболочка была спущена, и все имущество команды Леппиха частично было погружено на подводы для эвакуации, а частично сожжено на месте. О последнем было доложено Наполеону генералом Лауером. В донесении от 12 сентября 1812 года он указывает, что на даче Репнина обнаружена «лодка, которая подвешивалась к шару, но которая была сожжена накануне вступления французских войск в Москву...».

В общем, с нашествием, как известно, наши соотечественники справились и без помощи иноземных летательных аппаратов.

Кстати, и у самих российских изобретателей хватало идей, как использовать воздушные корабли в ходе военных действий. Вот вам хотя бы некоторые из их проектов.

Реактивная авиация в XIX веке?!

В 1843 году военный инженер Эмиль Жир (судя по некоторым данным, возможно, под этим псевдонимом скрывался штабс-капитан И.И. Третеский) опубликовал в газетах сообщение о том, что ему удалось решить проблему управления воздушным шаром с помощью... реактивных двигателей!

Да, дело, судя по всему, обстояло именно так. Автор проекта предлагал установить на аэростате выхлопные сопла и, направляя через них струю газа, воздуха или пара, сжатую под давлением, двигать аппарат в нужном направлении.

К сожалению, проект должной поддержки не получил, так и остался на бумаге. Немного больше повезло адмиралу русского флота Н.М. Соковнину. Его сочинение – проект дирижабля с реактивным движителем – не только вышло в свет в 1866 году, но и выдержало несколько переизданий. И хотя Соковнин пришел к правильному выводу, что «воздушный корабль должен летать способом, подобным тому, как летит ракета», превратить свою идею в жизнь адмиралу так и не удалось.

Практически одновременно с Соковниным начал работу над своим проектом и артиллерийский офицер Н.А. Телешов. Только он пошел значительно дальше, предлагая устанавливать ракетные двигатели не на дирижабль, а на самый настоящий самолет! Свои расчеты и чертежи изобретатель в 1867 году передал в Военное министерство. Однако денег на строительство экспериментального аппарата здесь он не получил.

Проект Телешова

Тогда обескураженный Телешов обращается к французам. Нет, он не просил у них денег на постройку ракетной системы – здесь тоже достаточно настороженно отнеслись к его изобретению. Однако формальных причин отказать россиянину в выдаче патента у французов не нашлось, и официальное подтверждение новизны своей идеи он таки получил.

Еще один российский изобретатель, С.С. Неждановский, додумался в 1882 году до идеи жидкостного, не только реактивного, но и. ракетного двигателя.

«...Можно получать взрывчатую смесь из двух жидкостей, смешиваемых непосредственно перед взрывом, – пишет он. – Этим способом можно воспользоваться для устройства летательной ракеты с большим запасом взрывчатого вещества, делаемого постепенно по мере сгорания. По одной трубке нагнетается насосом одна жидкость, по другой другая, обе смешиваются между собой, взрываются и дают струю...»

Проект цельнометаллического самолета Циолковского

Отсюда уж, 1сак видим, совсем недалеко до идей Циолковского, который, как известно, занимался не только конструированием дирижаблей, но и проектированием ракет и космических кораблей. Эра ракет, как выясняется, началась на Ру(;и еще до идей «калужского мечтателя». Однако подробный разговор об этом виде транспорта выходит за рамки нынешнего повествования.

Аэропланы или аэростаты?

Пророчества Лаланделя

7 августа 1363 года уже известный нам Надар опубликовал в парижской газете «Ля пресс» сочиненный им «Манифест воздушного самодвижения».

«Аэростат родился поплавком и навсегда останется поплавком, – рассуждал он. – Чтобы завоевать воздух, надо быть тяжелее воздуха. Человек должен стремиться к тому, чтобы найти для себя в воздухе опору, подобно птице, удельный вес которой больше удельного веса поз душной среды. Нужно покорить воздух, а по быть его игрушкой. Нужно отказаться от аэростатов и перейти к использованию законов динамического полета. Винт – святой винт! – вознесет нас на небеса...»

И это писал человек, создавший «Гиганта» – воздушный шар, о котором говорил весь Париж.

Как человек деятельный, Надар тут же перешел от слов к делу, а именно – организовал «Общество воздушного передвижения без аэростатов». Среди учредителей его значился и Жюль Верн.

Первое заседание новоявленного общества состоялось в присутствии представителей прессы и многочисленных зрителей. Слово взял бывший морской офицер Габриэль де Лаландель, только что выпустивший книгу «Авиация, или Воздушная навигация». Он начал с объяснения терминов.

– Авиация, – сказал он, – действие, подражающее полету птиц. Это слово необходимо для ясного и краткого обозначения таких понятий, как воздушная навигация, воздушное самодвижение, передвижение судна и управление им в воздухе. Глагол avier– производное от латинского avis– «птица». Отсюда же происходит и слово «авиация». Мы придумали его с месье Понтоном д’Амекуром и надеемся, что оно приживется...

Слово действительно прижилось, чего нельзя сказать о другом термине – «аэронеф», – которым Лаландель предложил называть саму движущуюся в воздухе машину. «Аэроплан» оказался удачнее.

Однако основные направления развития авиации докладчик предугадал правильно.

– В недалеком будущем, – заявил он, – появятся аэронефы различных назначений: военные, транспортные, почтовые, пассажирские, спасательные, сельскохозяйственные... Воздушный океан покроется сетью незримых дорог. Во всех направлениях его будут бороздить быстроходные корабли с винтами на мачтах вместо парусов. Все правительства создадут министерства авиации, подобно тому как ныне существуют министерства морские...

И в заключение своей пламенной речи Лаландель позволил себе нарисовать многообещающую картину применения аэронефов даже в такой области, как переделка погоды:

– Воздушные корабли будут брать на буксир тучи и приводить их полям, страдающим от засухи...

В зале раздался дружный смех – большинство зрителей решило, что это шутка. Лаландель, сделав «крутой вираж», поспешил приземлиться:

– Увы, сегодня мы от этого еще весьма далеки. Ведь ныне большинство людей считает, что подниматься в небо на машинах тяжелое воздуха – чистое безумие: они могут упасть даже от чиха пилота...

После этого началось самое интересное: демонстрация последних достижений авиационной техники. Публика, сгорая от любопытства, окружила большой стол, на который Понтон д’Амекур раскладывал аппараты тяжелее воздуха, вытащенные им из большого чемодана. Конечно, все это были модели – настоящие машины еще только предстояло создать.

Зато на одном столе разместились представители всех возможных родов авиации.

– Модель с машущими крыльями – орнитоптер, – демонстрировал новоявленный авиатор. – Вес – один килограмм. Приводится в действие часовой пружиной.

Он закрутил завод, и модель захлопала крыльями, словно большой майский жук, а потом и взвилась в воздух. Предельная высота подъема достигла... 1 м.

Геликоптеры – аппараты, у которых часовая пружина приводила в действие несущие винты, насаженные на вертикальные оси и вращавшиеся в разные стороны, – оказались лучшими летунами. Они поднимались в воздух на 3—4 м.

Такую модель вертолета вы можете сделать и сами

– К сожалению, – подвел итог демонстрации Понтон д’Амекур, – отсутствие надежного двигателя пока исключает возможность создания длительно летающего геликоптера. Мы с месье Лаланделем весьма надеемся на паровую машину, заказанную нами на заводе. С ее помощью геликоптер сможет летать уж никак не меньше десяти минут!

Итог всему собранию подвел своим гремящим басом Надар. Под гром аплодисментов он объявил войну аэростатам и лично запустил модель геликоптера в направлении воздушного шарика, подвешенного к люстре. Винт со свистом рассек оболочку шара, и тот лопнул.