Аэростат металлический управляемый циолковского
Обновлено: 12.05.2024
Доклад сделан на Первых Чтениях, посвященных разработке научного наследия и развитию идей К.Э. Циолковского (Калуга, 17 – 18 сентября 1966 г.).
Опубликован: Я.А. Рапопорт. Как работал К.Э. Циолковский над проблемой создания дирижаблей//Труды Первых Чтений, посвященных разработке научного наследия и развитию идей К.Э. Циолковского. – М.: 1967. – С.136 – 143.
Проблемой дирижабля как средства воздушного транспорта К. Циолковский занимался всю свою сознательную жизнь.
Еще юношей, приехав в Москву для пополнения своего образования, он из учебника физики узнал о подъемной силе нагретого воздуха и первых аэростатах. Тогда же у него возникла мысль о постройке аэростата в форме корабля удлиненной формы, наполненного водородом.
17 сентября 1966 г. исполнилось ровно 80 лет со дня написания Циолковским рукописи «Теория и опыт аэростата, имеющего в горизонтальном направлении удлиненную форму», к составлению которой он приступил летом 1885 г. и закончил которую 5 сентября 1886 г. по старому стилю (17-го по новому). Этот труд положил начало его работам в области дирижаблей.
В этой работе К.Э. Циолковский рассматривает поставленную задачу с разных сторон. В начале труда им изложены основные положения воздухоплавательной аэрологии и аэростатики. В частности, автор обращает особое внимание на важность влияния температуры газа и воздуха на подъемную силу аэростата. Обычно этому вопросу не уделялось достаточного внимания, что было причиной ряда катастроф. Затем рассматриваются различные вопросы, касающиеся корпуса удлиненного аэростата: даются формулы по расчету размеров поверхности, площади поперечного сечения и т. д., излагается экспериментальное и аналитическое исследование форм поперечного сечения и натяжения оболочек аэростата.
Здесь же Циолковским была предложена нитяная модель формы поперечного сечения цилиндрического аэростата, позволяющая одновременно воспроизводить как избыточное давление газа, так и вес оболочки. С ее помощью были исследованы формы поперечного сечения при подвеске грузов к нижнему меридиану, к верхнему меридиану оболочки и при различной длине внутренней подвески. Спустя много лет подобные исследования, независимо от Циолковского, повторили в Англии и Италии. Приехавший в Советский Союз в 1930 г. итальянский конструктор Нобиле привез с собой подобную нитяную модель. Но в ней, как и в английских моделях, вес оболочки еще не воспроизводился.
В этой работе Циолковским была подробно изложена также теория продольной устойчивости аэростата и исследованы способы ее достижения (метод вертикального стягивания оболочки и, в том числе, естественного стягивания оболочек весом ладьи).
Отдавая дань времени, Циолковский в начале упомянутого труда еще не рассматривал оболочку как несущую конструкцию корабля. Большое место в своей работе он уделил разработке и исследованию конструкции и прочности проволочной сетки.
Сравнивая возможности электрических, «калорических», газовых и паровых двигателей, Циолковский отдает предпочтение последним, хотя и указывает на возможность перейти впоследствии к двигателям внутреннего сгорания. Далее он излагает элементы теории гребного винта, после чего рассматривает вертикальное управление кораблем. Рассматривается вопрос компенсации расхода твердого или жидкого горючего охлаждением предварительно нагретого газа, а также компенсации расхода газа его нагреванием.
Предложенная Циолковским идея крепления грузов к верхней части оболочки посредством внутренней подвески (см. «Теория аэростата») пробивала себе путь более пятидесяти лет, и только к началу второй мировой войны все дирижабли стали сооружать с внутренней подвеской.
Весной 1887 г. Циолковский на заседании Общества любителей естествознания в Москве в Политехническом музее доложил свои соображения о металлическом управляемом аэростате. Доклад был встречен благожелательно. Циолковский наивно полагал, что как только станет известна теория металлического управляемого аэростата и выгода, предсказываемая этой теорией, найдутся люди, которые спроектируют, построят и начнут использовать дирижабль.
К его огорчению ничего подобного не последовало. Он понял, необходимо продолжать работу для обоснования последующих проектов,
В 1890 г. Циолковский закончил новый труд «О возможности построения металлического аэростата», и через Д.И. Менделеева послал его в Императорское Русское Техническое Общество. Вместе с рукописью он выслал и модель аэростата, складывающуюся в плоскость. Основное содержание рукописи — изложение теории металлической оболочки удлиненной формы, способной изменять форму поперечного сечения и свой объем. В этой работе Циолковский уже отказался от сетки, накинутой на оболочку. Оболочка рассматривалась как корпус корабля.
Это был один из первых трудов по теории оболочек вообще.
Небезынтересно привести заключение VII отдела Императорского Русского Технического Общества, не оспаривающего правильности теоретических выкладок Циолковского, но заявившего устами его председателя Федорова: «Аэростат обречен навеки силою вещей остаться игрушкой ветров».
Получив такое заключение, Циолковский с новой силой продолжает работу, уделяя много времени и сил теоретическим и экспериментальным аэродинамическим исследованиям. Он строит аэродинамическую трубу (самодельный вентилятор, который приводился во вращение силою падающего груза), собственноручно изготовляет большое количество аэродинамических моделей оболочки аэростата, а также крыльев различного, в том числе и толстого, профиля, и получает ряд важных сведений о лобовом сопротивлении эти тел и подъемной силе крыла, открывает закон, касающийся трения воздуха.
Результаты исследований изложены в новом труде ученого «Аэростат металлический управляемый» (выпуск первый, 1892 г., выпуск второй, 1893 г.). В частности, в этой работе дается более подробный и точный расчет формы поперечного сечения оболочки, а также описывается новый — гидростатический метод исследования формы оболочки с помощью наполненных воздухом гибких моделей, погруженных в аквариум.
В следующий период своей работы над дирижаблем Циолковский, продолжая аэродинамические исследования, стал строить многочисленные модели оболочек, сначала из бумаги, а затем из жести. Одно событие предопределило дальнейшее направление в развитии схемы его дирижабля. Константин Эдуардович должен был заменить заболевшего учителя географии. В училище не оказалось глобуса, и Константин Эдуардович у себя дома изготовил глобус из папье-маше. Разрезав пополам бумажную заготовку глобуса, покрывавшую предварительно выточенную им шарообразную деревянную болванку, он заметил, что половинки свернулись и приняли веретеновидную форму.
Обнаруженный им таким образом закон изгибаемости выпуклых поверхностей и сворачиваемости поверхностей вращения убедил его в том, что стягивание металлической оболочки дирижабля не будет сопровождаться большими деформациями и не предъявит непосильных требований к растяжению ее гофрированных стенок. Это определило окончательный выбор внутренней подвески в силовой схеме, их крепления к оболочке и стягивания оболочки как средства управления избыточным давлением газа без воздушных баллонетов.
Константина Эдуардовича занимал вопрос и о стабилизаторах для дирижаблей. Он обратил внимание на то, что в оперении птиц, рыб и морских зверей стабилизаторов нет и высказывался в том смысле, что «мертвый» стабилизатор менее выгоден для обеспечения устойчивости корабля в полете, чем чуткое реагирование рулей. Лодки, которые он строил, не имели киля, были очень «вертки», но навык управления ими приобретался быстро. Лодки не рыскали и, по словам Константина Эдуардовича, были в свое время самыми быстроходными на Оке (об эпизоде с глобусом и лодками рассказывал мне сам Константин Эдуардович).
В журнале «Воздухоплавание» с 1905 по 1908 год печатался труд Циолковского «Аэростат и аэроплан», явивший продолжением и углублением неопубликованной работы «Теория и опыт аэростата». Расчеты деформации оболочки и расчеты гофра были даны в этой монографии в развернутом и обобщенном виде. С рядом дополнений были приведены сведения и расчеты, изложенные ранее в работе «Аэростат металлический управляемый», касающиеся деформации оболочки и т.д. Публикация труда не была закончена. Последние главы — «Движение аэростата» и «Нагревание легкого газа» были опубликованы только в третьем томе Собрания сочинений ученого, изданном в 1959 г.
Циолковский не был замкнутым ученым, он был также энергичным популяризатором своих идей. В опубликованных статьях он обращался к массовому читателю, стараясь при этом избегать, по возможности, применения сложных математических формул. В таком духе было им написано «Простое учение о воздушном корабле и его построении». Здесь дано популярное изложение основ аэростатики, описание дирижабля из волнистого металла объемом около 75 тысяч кубических метров с внутренней подвеской и естественным стягиванием оболочки (первое издание 1898 г., второе — 1904 г.).
Учитывая трудность сооружения волнистой оболочки дирижабля, Циолковский предполагал осуществить постройку промежуточной конструкции оболочки из гладких листов, плотно соединенных между собой матерчатыми лентами. Единомышленники Циолковского посоветовали ему взять патенты на изобретение дирижабля. Но оказалось, что предварительная публикация работ о дирижабле из волнистого металла лишила изобретателя авторских прав, поэтому в ряде стран были получены патенты только на дирижабль из гладких листов.
Идея плотного соединения непроницаемых стенок мягкими лентами не пропала даром. В начале пятидесятых годов в Америке и Западной Европе были внедрены способы построения водонепроницаемых сооружений (резервуары, плотины) из блоков, подвижно либо неподвижно соединенных мягкими лентами той конфигурации, которая была описана в патентах Циолковского (1911 г.).
Кроме жестяных моделей оболочек, способных изменять свой объем, Циолковский изготовлял и испытывал также модели бумажные. Особый интерес представляли оболочки с боковинами из гофрированной бумаги как оснащенные, так и не оснащенные прямыми поперечными полосками из более плотной бумаги.
Наблюдение за их «раздуванием» дало Циолковскому смелость заменить дугообразные волны в металлической оболочке прямолинейными, что соответствовало математической модели, принятой им ранее при расчете. Это изменение чрезвычайно упростило способ сборки боковин оболочки дирижабля из длинных продольно-гофрированных прямолинейных лент. Первый же опыт построения такой гофрированной оболочки из ламповой жести оказался весьма удачным. Он описан в иллюстрированной брошюре «Первая модель чисто металлического аэроната из волнистого железа», изданной автором в Калуге в 1913 г.
Одновременно с исследовательской работой Циолковский продолжал энергично заниматься пропагандой своего дирижабля и воздухоплавательного транспорта. Брошюра «Простейший проект металлического аэростата», изданная в 1914 г., дала общедоступное описание конструкции дирижабля и его свойств, а также способа вертикальной сборки дирижабля с прямолинейными волнами боковин.
В 1915 г. в брошюре «Дополнительные технические данные к построению металлической оболочки дирижабля без дорогой верфи» были кратко изложены результаты исследования с помощью гидростатических моделей процесса газонаполнения на плоской платформе металлической оболочки собранной на ней в плоском виде. Рисунки эти были повторены также в брошюре «Гондола металлического дирижабля и органы его управления». Здесь дана также схема горизонтальной верфи для постройки оболочки. Для увеличения жестких продольных полос (оснований оболочек) последние оснащены треугольными трубами из волнистого материала.
В дальнейшем Константин Эдуардович всегда придерживался только горизонтальной сборки оболочки дирижабля. Последующие эксперименты, проведенные им на моделях из нагартованной латуни, имели целью создание вполне упругой оболочки, и были успешно завершены в начале 1925 г.
Мое первое знакомство с Константином Эдуардовичем состоялось в декабре 1924 г. в пору окончания им работы по изготовлению латунной оболочки четырехметровой длины. Помню, он 10 с половиной часов, с небольшим перерывом на обед, излагал мне свое учение о дирижабле и сделал меня своим бессменным помощником в течение, как он писал мне позднее, «одиннадцатилетней ничем не омраченной дружбы».
С этого времени Константин Эдуардович ограничивался только кабинетной работой, опыты же согласно его планам и указаниям проводились в Москве.
В 1926 г. по чертежам и разработанной им технологической схеме была впервые изготовлена и собрана упругая латунная оболочка высотой два и длиной десять метров. Фотографии этой оболочки имеются в фондах Дома авиации и космонавтики. В это же время в план опытных работ Циолковского была внесена первоочередная задача изыскания промышленного способа прочноплотного соединения стальных листов. Для ее разрешения была предложена контактная роликовая электрическая сварка. В 1927 г. при содействии Электрозавода удалось получить прочные образцы сварных соединений нагартованной стали толщиной 0,15 мм. Продолжение опытов проводилось в Академии имени проф. Н.Е. Жуковского в 1928 г.
В 1930 г. Циолковским была опубликована работа «Проект металлического дирижабля на 40 человек», в которой описывался упрощенный проект дирижабля с оболочкой высотой 20 м и длиной 120 м. Ее полный объем — 23,6 тыс. куб. м. Конструкция сварная из нержавеющей стали, с боковинами толщиной 0,15 мм и продольными полосами толщиной 0,45 мм, со стягивающей системой и устройством для подогревания газа. В работе дан подробный статический расчет дирижабля.
В этом проекте мы видим ряд новшеств: весьма реальную разработку конструкции стягивающей системы и управления ею; размещение рулей в струе, отбрасываемой движителями, а также конструкцию гибких рулей. Заметим, что в самое последнее время стало известно об американских опытах постройки самолетов, крылья которых изгибаются так, что задние их кромки можно опускать и поднимать. Это весьма эффективное средство управления подъемной силой крыла. Помимо описательной и расчетной частей в проекте имеется глава «Порядок практических работ при построении металлического дирижабля», в которой дается программа постепенных работ, обеспечивающих создание дирижабля. Пятым пунктом этой программы записаны «машины — орудия для быстрого, точного, совершенного и дешевого изготовления деталей в естественную величину».
Тут, между прочим, сварочные, гофрировальные, прессовочные и прокатные машины разных размеров, назначений и устройств.
В 1932 г. Константин Эдуардович прислал мне для сведения экземпляр этого «Проекта» с поправками, смысл которых сводился к следующему: толщина оболочки и все линейные размеры были уменьшены на двадцать процентов, а объем — примерно вдвое. Толщина боковин — 0,12 мм, объем — 12 тыс. куб. м. Он оказался смелее нас, его учеников в КБ Циолковского при Дирижаблестрое, работавших позднее над проектом дирижабля объемом 8000 куб. м из стали толщиной 0,15 мм.
В конце 1930 г. было создано Всесоюзное объединение Гражданского Воздушного Флота — Аэрофлот, в системе которого удалось возобновить работы по созданию дирижаблей Циолковского. Летом 1931 г. небольшой группе работников Аэрофлота, составивших Бюро опытного дирижаблестроения, удалось построить первую сварную оболочку из стали толщиной 0,1 мм, имевшую в плоском подвешенном виде высоту 1 м и длину 7 м, правда, с отступлениями от разработанной Циолковским технологической схемы постройки оболочки.
Там же была создана и опробована новая сварочная машина для сборки металлических полотнищ неограниченного размера, удовлетворяющей техническим требованиям Циолковского. Позднее в Дирижаблестрое по этой схеме были спроектированы, построены и испытаны сварочные движущиеся роликовые машины. Одна из них в 1933 г. была использована для постройки, уже с точным соблюдением технологической схемы Циолковского, цельнометаллической оболочки из нержавеющей стали толщиной 0,15 и 0,45 мм. Там же, в КБ Циолковского при Дирижаблестрое, был создан ряд машин для обработки давлением стальной ленты в соответствии с пунктом пятым «программы». Одновременно с разработкой эскизных проектов дирижаблей объемом 3000 и 8000 куб. м шли работы по опробованию и наладке небольшого парка специальных машин. Они были использованы на изготовлении первой поднявшейся в воздух модели оболочки дирижабля, собранной к 15 сентября 1935 г. на горизонтальной платформе. Размеры этой оболочки в плане при сборке были соответственно 11 м и 44 м при высоте 0,36 м. При наполнении оболочка принимала форму веретена диаметром 7 м. Наполненная водородом, она поднимала 200 кг балласта. Оболочка была собрана из нержавеющей стали, боковины ее имели толщину 0,1 мм. Уже после смерти Циолковского она была подвергнута статическим испытаниям, проведенным по широкой программе.
До самых последних дней Циолковский продолжал пламенную пропаганду дирижаблей и вообще воздухоплавания. Начиная с 1910 г. он написал на эту тему около сорока брошюр и журнальных статей.
В кратком обзоре нет возможности изложить все новые идеи, содержавшиеся в них.
Умер Константин Эдуардович с мыслями о дирижаблях. Последние слова его известной предсмертной телеграммы в ЦК ВКП(б): «Уверен, знаю — советские дирижабли будут лучшими в мире».
И наш общий долг — осуществить этот замысел Циолковского на пользу нашей стране и трудящимся всего мира, подобно тому, как мы воплощаем в жизнь его идеи по освоению космоса.
Доклад Е. С. Фёдорова VII Отделу И. Р. Т. О. о книге К. Э. Циолковского «Аэростат металлический управляемый»
Книжка эта уже была на рассмотрении VII Отдела, так как автор присылал ее еще в рукописи. В настоящее время она несколько дополнена. Сущность идеи автора состоит в том, чтобы оболочку сделать упругою, способною изгибаться без разрыва. При подобном устройстве оболочки изменение барометрического давления нисколько не повлияет на величину подъемной силы, конечно предполагая, что имеем дело с абсолютною упругостью оболочки.
Действительно мы знаем, что при равновесии аэростата:
Это дополнение существенно необходимо для аэростата данной конструкции, потому что спуск на аэростате не мог бы быть достигнут иначе, как путем выпуска если не всего газа, то, во всяком случае, значительной его части; вследствие чего выгода непроницаемой оболочки утратилась бы в значительной степени.
Идея эта не новая: эта та самая идея, которая легла в основу фантастического путешествия Ж. Верна в центральную Африку. Автором разработана геометрическая сторона вопроса; остальные же части проекта только слегка намечены. Само собою разумеется, что автор предполагает устроить свой аэростат управляемым, но о пропеллерах и о приводящих их в движение машинах автор почти ничего не говорит. Он проводит лишь параллель между воздушным и водным кораблем и полагает, что если можно привести в движение последний, то для приведения в движение воздушного корабля — условия еще более благоприятны.
Автор идет еще далее того: он предполагает, что аэростаты, построенные по предлагаемому им типу, окажутся весьма полезными для передвижения не только пассажиров, но и грузов. Он делает примерный расчет организации подобных путешествий по Сибири и высчитывает, что предприниматель может заработать на этом деле более 2,000 % в год. Несмотря на обилие охотников легкой наживы, однако все же вряд ли кто решится на подобное предприятие.
Рассматривая брошюру г. Циалковскаго и видя искренность его увлечения своею идеею, мы далеки от мысли, что автор хотел мистифицировать легко легковерную публику, почему и считаем необходимым отнестись к проекту серьезно.
Первое, на что должно указать г. Циалковскому, — это, что создать оболочку, вовсе не пропускающую газа, дело весьма не легкое вообще, а тем более по отношению к оболочке, имеющей ряд складок, находящихся в движении (здесь однако же будет уместно заметить, что складки составляют слабую сторону конструкции и желательно по возможности уменьшить число их, чего достигнуть вовсе не трудно, — стоит придать аэростату более простую форму; так, напр., комбинация 2-х конусов с цилиндром даст две складки, комбинация 2-х конусов — одну и т. д.).
В заключение считаем нужным напомнить те основные положения воздухоплавательной техники, которые ныне никем уже не оспариваются и которые, по-видимому, неизвестны г. Циалковскому:
1) Аэростат, по существу дела, всегда останется игрушкою ветра. 2) Те поступательные скорости, которые можно достигнуть на аэростатах, во всяком случае не дадут возможности во всякое время двигаться с определенною скоростью в желаемом направлении. 3) Каких бы успехов не достигла техника устройства управляемых аэростатов, все же полеты на них надобно считать самым дорогим способом передвижения, оправдываемым исключительными, специальными целями.
А. М. Кованько. Идея устройства металлической оболочки аэростата очень стара. Эта идея была применена еще Дюжои Делькуром, который делал первые медные аэростаты. Затем другой предприниматель, который предлагал металлические аэростаты, был Джовис в 1869 г. Поэтому об идее проекта я более не буду говорить. Единственно, что подкупает у Циалковскаго, это складчатость оболочки, т. е. развертываемость ее, так что она может быть складываема на одну плоскость.
В проекте видна некоторая отсталость автора и с технической стороны. Напр., он сообщает о металле для оболочки — только о меди, о латуни. Затем, что касается двигателя, то он берет двигатель, далеко уступающий последнему слову науки; он берет известный нефтяной двигатель, построенный не для целей воздухоплавания. Ему неизвестны легкие двигатели последних типов. Все это указывает, что г. Циалковский не основательно знаком с этим вопросом.
М. М. Поморцев. Так как вопрос о металлических аэростатах снова поднят, то не мешает иметь в виду ту опасность, которую они могут представить, вследствие разрядов атмосферического электричества. В самом деле, нынешние аэростаты, будучи сделаны из весьма легкого материала, представляют весьма малый вес сравнительно с их объемом и, несмотря на то, все-таки практика показывает, что было несколько случаев ударов молнии в эти шары. Но если аэростаты будут металлические, то плотность их сравнительно будет довольно значительная, и весьма вероятно они явятся хорошими конденсаторами атмосферического электричества. В виду тех больших колебаний в напряжении атмосферического электричества, которые встречаются в нижних слоях атмосферы, вероятно металлические аэростаты будут представлять гораздо больше опасности от ударов молнии, чем обыкновенные шары.
Печатано по распоряжению Императорского Русского Технического Общества.
Спб. Типография брат. Пантелеевых, Верейская, 16.
Возможен ли металлический аэростат (Циолковский)
Металлический аэростат, по моей мысли, своим внешним видом напоминает аэростаты братьев Тиссандье и Кребса с Ренаром: то же относительное положение ладьи, те же формы рыбы или веретена, те же руль и винт.
Хорошо еще провести аналогию между управляемым воздушным кораблем и рыбой. Только рыба движется в воде, — аэростат — в воздухе; поступательное движение первой совершается через махание плавниками и хвостом, аэростат же получает самостоятельное движение вращением винта, то есть тех же плавников; источник энергии рыбы заключается в ее мускулах, которые и без подкрепления извне долго могут приводить ее в движение, постепенно, однако, истощаясь и уменьшаясь в весе; источник же силы, приводящей в движение металлич. аэростат, заключается в наполняющем его легком газе, который, сгорая в газовых моторах аэростата, приводит его в действие, позволяя без заметного ущерба и подкрепления извне (то есть пополнения газом) пройти тысячи верст. Рыба подымается и опускается в своей среде работою плавников, хвоста или сжатием и расширением ее внутренней воздушной полости (пузырь). Теми же способами и аэростат может регулировать свое положение над уровнем моря и почвы; но лучшим и могучим способом может служить для этого изменение внутренней его температуры, при посредстве продуктов горения газа в моторах, прогоняемых в большем или меньшем количестве внутрь аэростата, через особые трубы.
Итак, один из принципов металлического аэростата состоит в том, чтобы та самая сила, которая поддерживает его в воздухе, давала бы ему и произвольное движение.
Но рыба (или — вернее — управляемое подводное судно), в отношении простоты устройства, имеет громадное преимущество; действительно, плотность среды в которой она живет и плавает, почти постоянна и поэтому ей нет никаких хлопот для управления своим вертикальным положением (степень глубины); плотность же воздуха, его температура и, в особенности, температура внутри аэростата непрерывно изменяются и притом в довольно широких пределах; главная причина последнего — появление и исчезновение солнечного света, нагревающего оболочку газовместилища. Это усложняет устройство аэростата, так как требует от него не только постоянной борьбы с нарушением его с подъемной силы, но и значительного изменения объема без вреда для своей целости, при соблюдении симметрии плавности формы.
Из сравнения аэростата с рыбой вы видите и отличие металлических аэростатов от обыкновенных управляемых аэростатов с мягкой оболочкой; но не видны еще ясно выгоды этих отличий. В самом деле, что заставляет меня избрать металл, как главный материал при построении управляемого аэростата? А вот что:
1) Металл дешев; ценность латуни, алюминия и железа в десятки и сотни раз менее ценности материалов, употребляемых на постройку обыкновенных аэростатов (шелк, лак, пенька и т. д.). 2) Металл крепок: крепость его, превышающая при одинаковых весовых условиях, крепость всех органических материалов, позволяет делать аэростаты громадных размеров, что влечет за собой важные последствия; именно — а) аэростат получат возможность иметь большую поступательную скорость, одолевающую в большинстве случаев скорость противных воздушных течений, что никак нельзя ожидать от маленьких аэростатов, в роде аэростата Тиссандье или Кребса с Ренаром; б) подымая при больших размерах сотни пассажиров и значительные грузы, аэростат становится выгодным для многих практических предприятий, что, впрочем, следует и из других преимуществ металлического материала, каковы: 3) Непроницаемость его для газов и негигроскопичность; и то и другое способствует сохранению подъемной силы аэростата неопределенно долгое время. 4) Несгораемость металлической оболочки — безопасность от пожара; это свойство металлов наводит на мысль употребить для самостоятельного движения воздушного корабля дешевые, экономные и наиболее энергичные газовые двигатели, напр., системы г. Яковлева (около 5 пудов на паровую лошадь), или еще более легкие и специально приспособленные к аэростату алюминиевые. Притом, горячие продукты горения можно пропускать в различных количествах через черную трубку, помещенную внутри аэростата, и тем изменять внутреннюю его температуру по произволу между пределами, вполне достаточными для борьбы с вредными метеорологическими влияниями, заставляющими его то стремительно падать, то подыматься и лопаться.
Без этого важного последствия употребления металла, практическое воздухоплавание, пожалуй, было бы совсем немыслимо. Действительно, появление из облак солнца и скрытие его в облака, нагревая и охлаждая оболочку, так страшно меняют подъемную способность аэростата, что для поддержания его в равновесии (то есть, на определенной высоте) в течении ничтожного промежутка времени (иногда, в полуоблачную погоду, в 1 час), приходится потерять ½ всего наполняющего аэростат газа и выбросить весь груз, или всех пассажиров. Как же быть? Нельзя же, в самом деле, выбрасывать пассажиров и ежедневно выпускать на воздух тысячи рублей! Нельзя же опускаться на землю при каждом легком помрачении солнца полупрозрачным облаком!
Вот тут-то соответствующее изменение в количестве пропускаемых через черную трубку аэростата горячих продуктов горения и сохраняет подъемную силу аэростата без потери дорогого газа и балласта; средство это незаменимо, имея в виду возможность довольно сильного нагревания солнцем аэростата.
Искусственное нагревание аэростата полезно и во многих других отношениях: так, на его теплой поверхности не залеживается снег, тая и стекая с ней; при сгорании газа в моторах, температура аэростата искусственно повышается, благодаря чему подъемная его сила не уменьшается; эта сила может тем же способом возрастать и умаляться по мере надобности, напр., когда сходят с аэростата несколько пассажиров, или прибавляют к нему груз. Если бы не регулирование температуры, то объем аэростата менялся бы гораздо чаще и резче, что не может быть для него полезно.
Укажу еще на одно преимущество металлической оболочки.
Обыкновенная мягкая оболочка аэростата покрыта неправильными складками, в особенности при уклонении его объема и формы от известной нормы, чему наиболее подвержены обыкновенные аэростаты, не имеющие возможности регулировать свою температуру; также газ их обязательно выпирает, из каждого четырехугольника сетки, мягкую оболочку, в виде покрытого морщинами бугра.
Эти недостатки, которых, как увидим, не имеет металлический аэростат, затрудняют управление им, так как складки и выпуклости увеличивают труд рассечения им воздуха.
Довольно и сказанного, чтобы понять всю основательность наших стремлений к построению металлического аэростата. Но, спрашивается — возможно ли оно? Неясные слухи о попытках такого рода мы давно уже слышим, результатов же пока не видим.
Дело это, несомненно, новое, трудное, но теоретически — вполне возможное (см. труды мои: «Аэростат металлический управляемый», выпуски 1 и 2 изд. 1893 г.).
Правда, теория не может принять в свои формулы и умозаключения всех действующих на практике агентов и потому требует непосредственного подтверждения в делах новых и сложных.
Оставляя вопрос открытым, до построения металлического аэростата, предлагаю, вместо головоломных и не всякому доступных вычислений, более реальное подтверждение моих предположений при посредстве металлической модели аэростата. Такой прием крайне прост и, кроме того, он даст нам случай поближе ознакомиться с некоторыми подробностями металлического воздушного корабля.
Вот, сверху, две симметрически расположенные жестяные пластинки (A A) и одна снизу (B B) (см. на обоих чертежах, один из которых представляет грубый перспективный вид модели, а другой — срединное поперечное ее сечение). Они припаяны концами к краям конических поверхностей (CC,) и изображают, вместе с последними, гладкую часть металлической оболочки аэростата. Эти пластинки, кроме того, в средней части, соединены нормально упругой проволокой (DD) представляющей главное поперечное сечение аэростата (фиг. 2). Между верхней и нижней пластинками, от одной конической поверхности к краям другой, на равном расстоянии друг, от друга, скользя свободно через поперечный обруч идут несколько металлических прутьев (ЕЕЕ…); проведя мысленно кривую поверхность через эти прутья и жестяные пластинки, получим полную сомкнутую оболочку аэростата, содержащую, в натуре, легкий газ.
Касательная к прутьям поверхность имеет волны, гребни которых параллельны окружностям поперечных сечений ее (см. на фиг. 1 листик F, или элемент волнистой поверхности аэростата) тем крупнее, чем дальше отстоят от гладких жестяных пластинок. Две из них сверху, не скреплены между со бою на глухо, но могут сближаться, подобно листам книги, почти до совпадения. От линии шалнернаго соединения их, свободно скользя через нижнюю пластинку (BB), идут вертикально волнистые сверху стержни (J J…), к нижним внешним концам которых прикрепляется ладья (H. H.) Мы описали важнейшие части модели, о прочих же пока помолчим.
Возьмем теперь пальцами правой руки (большим и двумя следующими) за верхнюю среднюю часть модели, именно — за края двух смежных пластинок, и будем их сближать (не следует хватать и сближать другие части модели, иначе — она испортится). Тогда мы увидим, как изменяется, уменьшаясь, поперечное сечение аэростата и самый объем его; конусы и вся воображаемая поверхность отчасти свертываются и суживаются; отвесные стержни опускаются, опуская и чуть-чуть изгибая ладью; продольные проволоки (E E E), изображающие волнистую поверхность аэростата, прикреплены наглухо к краям одного конуса, но свободно скользят в пазах поперечного обруча (D D) и у краев другого конуса; так как, при сближении верхних пластинок и уменьшении объема аэростата, стержни (E) немного выходят (не более 1—2 милим.), при длине модели в 300 милим., по краям конуса, из своих пазух, то отсюда видно, что при сжимании аэростата боковые его части должны иметь возможность растягиваться в продольном направлении, для чего они и имеют волны, тем более крупные, чем далее они отстоят от гладких пластинок. А так как растяжение это, даже при уменьшении объема аэростата на ¼—1/3 наибольшей его величины, не превышает 1/100, то и размеры волн не превышают нескольких миллиметров; теория показывает, что наибольшее растяжение боковых частей сжимающейся оболочки обратно пропорционально квадрату ее продолговатости. Если положить продолговатость оригинала в 10, то она будет в 4 раза более продолговатости (то есть отношения длины к ширине) модели (около 2½) и потому относительное растяжение поверхности аэростата не более l/1600. При этом условии волны так мелки, что, при сравнительно огромных размерах аэростата, не может быть ни малейшего сомнения в безопасном изгибании его волнистой поверхности.
Мало того, очень продолговатые аэростаты, представляя многие преимущества, могут, при известной форме, обходиться совсем без волн!
Замечу, что форма модели довольно близко подходит, при описанном способе прикрепления ладьи, к действительной натуральной форме мягкого аэростата.
Проведя мысленно плоскость через вертикальные стержни (g g…), разделим оболочку аэростата на две симметрические половины; место разреза может подвергаться, при метеорологических влияниях и при наклонении и поднятии аэростата, угловым изгибам, почему эти места оболочки прилегают к массивным полосам, ограниченным в поперечном сечении плавными линиями (A и B, фиг. 2) достаточного радиуса кривизны, на которых изгибание гладкой в этих местах металлич. поверхности совершенно безопасно для ее целости. Массивные полосы на модели обозначены толстыми медными проволоками; третьей нижней полосы нет. Такое соединение половин оболочки герметично, но может быть другое шалнерное соединение, наподобие петель шкатулки.
Когда объем аэростата изменяется, то выдвигание стержней (E E…), поддерживающих ладью, должно быть правильно и симметрично с обеих сторон аэростата (фиг. 1), в противном случае горизонтальность продольной оси его может нарушиться. Для этого существует особый механизм («Аэростат»… 2), но можно обойтись и без него, для чего стержни (g g. ) привинчиваются к своим муфтам с не пропускающей газ набивкой. Некоторое сжатие и расширение аэростата происходит и при этом, благодаря способности растягивания и сжимания волнистых стержней. На модели стержни не растягиваются и не привинчиваются к нижним массивным полосам. В виду регулирования внутренней температуры, объем аэростата изменяется только чрезвычайно медленно и плавно, так что этого способа вполне достаточно на несколько сот верст пути аэростата; когда же он излишне напружится или ослабеет, можно, спустившись на землю, отвинтить стержни и, восстановив равновесие, завинтить их опять. Внутри модели мы видим еще черный шнурок, изображающий черную металлическую трубу, куда пропускаются продукты горения из моторов, расположенных вместе с гребневым винтом в кормовой части ладьи; труба тут и начинается, затем, пройдя большую половину длины аэростата, поворачивает назад и оканчивается в вершине заднего конуса, — это для того, чтобы горячие газы, отчасти выпускаемые наружу, не беспокоили пассажиров и не грязнили блестящую металлическую оболочку воздушного корабля.
В ладье, к наружной части трубы приспособлена заслонка, регулирующая количество проходящих через аэростат горячих газов; чем большая их часть выбрасывается непосредственно в атмосферу, тем температура внутри оболочки выше, и наоборот. Кроме этого регулятора, аэростат имеет еще несколько других регуляторов, приборов и приспособлений, назначение которых — держать аэростат на определенной высоте, дать горизонтальность продольной оси, препятствовать качке ладьи, предупреждать о какой либо опасности и т. под.; они могут действовать и автоматически («Аэростат»). 2) благодаря им, управление воздушным кораблем, в обыкновенную погоду и по близости земли, становится делом чрезвычайно точным и легким: он слушается приказаний, как добрый конек, не сбивается с пути, не наклоняется без нужды и двигается на определенной высоте.
Заметим, что кроме описанных продольных массивных частей оболочки, предохраняющих ее от продольного разрыва, ничто не мешает нам применить и другие, в роде обручей, один из которых на модели изображает среднее поперечное сечение аэростата (фиг. 1 и 2, D). Такие обручи предохранят оболочку от поперечного ее разрыва.
Крепость строительных металлов позволяет делать аэростаты от 8 до 80 метров высоты; уподобляясь кораблям, они имеют в длину от 40 до 560 метров. Не поражайтесь этими размерами: длина морских пароходов достигает 200 метров! При таких размерах, аэростаты, кроме двигателей и многих иных принадлежностей, легко несут от 1-го до 2500 человек, а при употреблении чистого водорода — до 6000 пассажиров; полная же подъемная сила их колеблется от 1½ до 2000 тонн; сила газовых моторов — от 1 до 2500 и 5000 метрических лошадей, каждая из которых составляет 4/3 паровой лошади; энергия двигателей обыкновенная и в пример взяты газовые двигатели г. Яковлева, дающие на каждые пять пудов своего веса около одной паровой лошади. Толщина железной оболочки простирается от толщины жести, из которой выбивают крышки для коробок с ваксой, до толщины кровельного железа; легкость алюминия толщину оболочки увеличивает втрое.
Все приводимые данные суть результаты вычислений, настолько простых и очевидных, что оспаривать их было бы странно.
Скорость аэростатов в неподвижном воздухе заключается между пределами 23 килом. и 62 килом. в 1 час. Здесь приводятся наименьшие скорости, вычисленные при самых неблагоприятных условиях. Я проверял свои формулы, дающие эти скорости, применяя их к определению быстроты движения аэростатов Тиссандье и Кребса с Ренаром. И что же! — путем вычисления, у меня получились величины, лишь очень немного превышающие скорости, полученный из опытов знаменитых воздухоплавателей; с этих пор я перестал сомневаться в своих теоретических выводах подобного рода (см. «Аэростат»…, вып. 2, стр. 113).
Мало того, есть возможность раза в два расширить пределы приводимых скоростей, если увеличить продолговатость аэростата, энергию моторов и уменьшить вес их; при употреблении чистого водорода, сила двигателей может быть увеличена в 2½ раза.
Но и увеличение это в большинстве случаев излишне: средний аэростат, по высоте своей укрывающийся с макушкой в лесных просеках, имеет часовую скорость лишь верст в 40, и ея достаточно, имея в виду лесную тишь: еще меньшие аэростаты, с которых и придется начать дело, двигаются еще слабее — верст 30 в 1 час; защищая их аллеями больших дорог, найдем и их свободными в своих движениях.
Внутренняя температура аэростата вообще градусов на десять выше температуры окружающего воздуха. Если аэростат идет, не останавливаясь и сжигая непрерывно газ в моторах, то, ради сохранения равновесия, температура его должна постепенно повышаться; самые громадные аэростаты, при своей блестящей металлической оболочке, могут доводить разность температуры до 100°, что позволяет им сжигать до одной трети всего находящаяся в них легкая газа и проходить, таким образом, без остановки, до 25 тысяч верст (килом.); наименьшие металлические аэростаты, без подполнения их газом, проходят таким же способом несколько сот верст.
Строить аэростат можно и на плоскости, и прямо в выпуклом виде, с помощью верфи, внутренняя пустота которой имеет среднюю форму раздутого металлическая аэростата.
Построенный на плоскости, металлический мешок с особыми предосторожностями наполняется газом, причем волнистая поверхность растягивается и аэростат получает такой же вид, как и выстроенный на верфи. Вдаваться в подробности, однако, здесь не место. (См. « Аэростат») вып. 1 и 2.
Дело металлич. воздушного корабля столь чревато благими последствиями, что было бы крайне неблагоразумно жалеть сил, трудов и издержек для испытания всех средств к его осуществлению; пусть оно не удастся, пусть мы ошибаемся (я никого не соблазняю и ничего заранее, наверняка, не обещаю), но разве имеем мы право не попытаться, если эта попытка, по здравому и научному суждению, должна повлечь за собою результаты столь важные, что всю силу и значение их даже оценить теперь нельзя… Сколько пространств пустынной земли будет заселено, сколько бедняков найдет заработок или пропитание, сколько научных и нравственных завоеваний сделает человечество, когда дело воздухоплавания станет твердой ногой. Достижение полюсов земли будет не смелой мечтой, а приятной прогулкой!
Как легко сделать такую попытку для целого общества образованных и обеспеченных людей!
Я не предлагаю сейчас же строить аэростаты и эксплоатировать дело воздушной навигации, — я предлагаю только подробнее исследовать этот вопрос, так сказать, удобрить и вспахать почву. На какие-нибудь 5—10 тысяч можно произвести многие опыты и подготовиться к действительному сооружению воздушных кораблей, обещающих баснословные материальные выгоды.
Оружие Циолковского
Ежегодно 17 сентября знатоки и любители космонавтики отмечают день рождения Константина Эдуардовича Циолковского — калужского учителя и изобретателя, теоретические выкладки которого оказали большое влияние на развитие отечественного ракетостроения. Обычно его принято представлять как «доброго дедушку» из провинции — чудаковатого, рассеянного и аполитичного. В действительности Циолковский был сыном своего времени и прекрасно понимал, что его проекты могут найти применение в военном деле.
Ракетная мощь
Главным научным достижением Циолковского по праву считается выведение формулы, получившей его имя. Её открывали и другие основоположники теоретической космонавтики, однако Циолковский опубликовал результаты своих расчётов раньше остальных.
10 мая 1897 года, размышляя о возможности достижения космических скоростей, Циолковский вывел формулу, устанавливающую зависимость между четырьмя параметрами: скоростью ракеты в любой момент времени, скоростью истечения продуктов сгорания из сопла, массой ракеты и массой взрывных веществ. Она является частным случаем формулы Ивана Всеволодовича Мещерского для движения точки переменной массы, которая была опубликована в том же году, но о которой Циолковский ничего не знал.
Свои уравнения калужский изобретатель сразу применил к практическим соображениям. Допустим, нам необходимо запустить искусственный спутник на околоземную орбиту — значит, скорость ракеты после исчерпания топлива должна равняться первой космической скорости. Предельная скорость истечения для каждого вещества индивидуальна и через определённую зависимость связана с тягой реактивного двигателя. Располагая этими двумя величинами, можно перебирать соотношения масс топлива и ракеты, добиваясь оптимального.
Константин Эдуардович Циолковский в домашней мастерской. Фото из книги Г. Буланникова «Циолковский Константин Эдуардович» (2017)
Вывод формулы К.Э. Циолковского (автограф 1897 года)
Разумеется, формула Циолковского несовершенна и носит оценочный характер, но и её оказалось достаточно, чтобы провести предварительный анализ. Изобретатель почти сразу пришёл к выводу, что лучшим топливом для космических ракет является водородно-кислородная смесь. Поскольку в конце XIX века не было технологий, позволявших работать с жидким водородом, Циолковский остановил выбор на нефтепродуктах. Главное, он математически сумел доказать: полёты в космос возможны, причём с использованием материалов и топлив, которые хорошо известны.
Свои соображения по вопросу реальных перспектив космонавтики Циолковский изложил в статье «Исследование мировых пространств реактивными приборами», первая часть которой была опубликована в майском номере журнала «Научное обозрение» за 1903 год. К сожалению, профессор Михаил Михайлович Филиппов, выпускавший журнал, в июне того же года погиб при загадочных обстоятельствах, а его имущество, включая значительную часть тиража майского номера, было изъято. В результате работа Циолковского осталась незамеченной.
Обложка альманаха «Научное обозрение», в котором была впервые опубликована основополагающая статья К.Э. Циолковского «Исследование мировых пространств реактивными приборами» (1903)
Схема ракеты К.Э. Циолковского к статье «Исследование мировых пространств реактивными приборами» (автограф 1903 года)
К тому времени калужский изобретатель уже привык, что его инициативы либо яростно критикуют, либо игнорируют, но всегда с большой энергией отстаивал свои приоритеты, если в прессе заходила речь о соответствующем проекте.
Хотя Циолковский по своим убеждениям был гуманистом, он знал, что достучаться до скептиков можно, апеллируя к военной угрозе. Впервые он заявил о своём «ракетном» приоритете, когда в газете «Иллюстрированные биржевые ведомости» появилась заметка о том, что в Америке сделано «страшное изобретение» — боевая ракета. Корреспондент не поскупился на красочные описания: «Вчера в течение ряда опытов тысячи вновь изобретённых мин летали по воздуху, разбрасывая на большое расстояние снаряды, начинённые пулями». Типичная газетная «утка», но Циолковский в неё поверил и написал редактору газеты следующее:
«Эта телеграмма навела меня на горестные размышления. Прошу позволения поделиться ими с читателями ввиду их поучительности.
Ровно два года тому назад — в мае 1903 года — в №5 «Научного обозрения» появилась моя математическая работа (в два печатных листа) — «Исследование мировых пространств реактивными приборами». В ней, в сущности, изложена теория гигантской ракеты, поднимающей людей и даже доносящей их, при известных условиях, до Луны и других небесных тел.
И вот всесветные акулы (как называет Эдисон похитителей чужих мыслей) уже успели отчасти подтвердить мои идеи и, увы, уже применить их к разрушительным целям. Я не работал никогда над тем, чтобы усовершенствовать способы ведения войны. Это противно моему христианскому духу. Работая над реактивными приборами, я имел мирные и высокие цели: завоевать вселенную для блага человечества, завоевать пространство и энергию, испускаемую солнцем. Но что же вы, мудрецы, любители истины и блага, не поддержали меня? Почему не разобраны, не проверены мои работы, почему не обратили, наконец, на них даже внимания? Орудия разрушения вас занимают, а орудия блага — нет.
Когда это кончится, пренебрежение мыслью, пренебрежение великим? Если я не прав в этом великом, докажите мне, а если я прав, то почему не слушаете меня?
Общество от этого теряет бездну. Акулы распоряжаются и преподносят, что и как хотят: вместо исследования неба — боевые снаряды, вместо истины — убийство…»
Схемы ракет К.Э. Циолковского разных лет. Обработанная иллюстрация из книги «К.Э. Циолковский» (1935)
Демарш изобретателя не возымел эффекта: ракеты в то время воспринимались исключительно как вспомогательное средство на поле боя, заметно уступающее артиллерии по эффективности.
Известность к ракетному проекту пришла позже — после того как в 1911 году журнал «Вестник воздухоплавания» опубликовал вторую часть «Исследования мировых пространств…». О Циолковском и его проекте начали писать популяризаторы (в том числе знаменитый Яков Исидорович Перельман), а затем и специалисты.
В первую очередь внимание акцентировалось на возможности достижения ракетами космических высот и скоростей. Тем не менее, как только возникла нужда вновь доказывать исторический приоритет, появилась необходимость подумать о секретности. Калужанин Александр Леонидович Чижевский, основоположник гелиобиологии и близкий друг Циолковского, вспоминал, что тот вполне осознавал опасность применения его концепций в военном деле. Поэтому, когда после публикации отзывов на книгу немецкого учёного Германа Оберта «Ракета в межпланетное пространство» (Die Rakete zu den Planetenräumen, 1923) калужане решили распространить среди европейских ракетчиков немецкоязычную версию «Исследования мировых пространств…», остро встала проблема: не получит ли «потенциальный противник» информацию, которую использует в неблаговидных целях? После того как Чижевский прочитал книгу Оберта, сомнения отпали: немецкий учёный продвинулся дальше Циолковского, поэтому ничего нового «враги» из подготовленной брошюры не узнают, а приоритет будет зафиксирован.
В конце концов советская власть признала достижения Циолковского, присвоила ему пожизненную пенсию и поручила специалистам изучить его проекты. Для отечественных энтузиастов космонавтики он стал высшим авторитетом. Конечно, получить сколько-нибудь передовую информацию от старого и больного изобретателя, доживавшего свой век на отшибе, было затруднительно, но в любом виде научно-технической деятельности важна преемственность, поэтому калужский изобретатель, приоритет которого в ракетостроении постепенно признавал весь мир, оказался очень удобной фигурой, на которую можно ссылаться при любой возможности.
Сотрудники Группы изучения реактивного движения (ГИРД), а затем Реактивного научно-исследовательского института (РНИИ) считали хорошим тоном навестить Циолковского в Калуге, заручиться его поддержкой в каком-нибудь проекте и упомянуть его самиздатовские книги в библиографии. Например, Сергей Павлович Королёв, будущий главный конструктор ракетно-космической техники, писал Циолковскому:
«Не согласитесь ли Вы быть консультантом у нас? Пришлите мне побольше Ваших ценных брошюрок и оставайтесь уверенным, что они окажутся у тех, кто посвящает свои силы продолжению дела, столь гениально Вами начатого 37 лет назад Не осуждайте, что мы форсируем и не следуем Вашему мудрому совету работать последовательно».
Изобретателю пришлось смириться с тем, что инициатива перешла к военным. Впрочем, если внимательно присмотреться к биографии Циолковского, то станет очевидным удивительный факт: он вовсе не считал ракеты и космические полёты центральным делом своей жизни. Куда больше его занимал проект цельнометаллического дирижабля, который сегодня почти забыт.
Проект аэроната
Известно, что в возрасте девяти лет Циолковский переболел скарлатиной и потерял слух. Из-за физического недостатка он не смог закончить гимназию и в 1873 году был вынужден заняться самообразованием, переехав в Москву. Среди прочего, он познакомился там с концепцией воздухоплавания и передовыми проектами управляемых аэростатов (аэронатов) того времени, сразу заметив, что все они имеют общие недостатки. Через много лет в работе «Воздушный транспорт» (1916) Циолковский писал по этому поводу:
«1) Дороговизна прорезиненной ткани и всего аппарата;
2) его чрезвычайная ломкость при спусках;
3) недолговечность ткани, делающейся скоро негодной от порчи резины;
4) громадная потеря водорода через диффузию и в особенности при борьбе с влиянием солнца и других атрибутов погоды;
5) обременяющий балласт;
6) сложность и нежность конструкций;
7) большое сопротивление воздуха от малых размеров, от оперения, тяжей и неправильной формы с неизбежными складками оболочки; от этого недостаточная скорость поступательного движения, или же громадная энергия моторов и несоразмерно большой расход на топливо;
8) ужасающая опасность от огня;
9) опасность от смешения газа с воздухом и возможность от того взрыва;
10) малая грузоподъёмность, которая позволяет брать только необходимый балласт и управляющих кораблём и не оставляет места для грузов и пассажиров, оплачивающих безмерные расходы».
Напрашивалась идея заменить прорезиненную ткань каким-то лёгким металлом, устойчивым к огню и коррозии. Циолковский был не первым, кто пришёл к ней, но именно ему она показалась наиболее перспективной.
Читайте также: