4. РАЗВИТИЕ ВОЗДУХОПЛАВАНИЯ

Идея полета зародилась в древнейшие времена на основе, по-видимому, наблюдений за полетом птиц. Мечты человека о полете запечатлены в скифских преданиях, древнеиндийском эпосе, античной мифологии. Известный древнегреческий миф о Дедале и Икаре, очевидно, повлиял на творческую мысль изобретателей эпохи Возрождения. В этом мифе отразилась мечта человека научиться летать и в то же время отмечена трудность ее осуществления.

Одна из ранних попыток полета описана в письменных источниках времен Древнеримской империи. В жизнеописании Нерона (I в.) упоминается о смельчаке, который пытался, по-видимому, спланировать с холма на самодельных крыльях, но лишь «обрызгал императора своей кровью». Описания аналогичных попыток полета встречаются в литературных источниках раннего средневековья (IX-X вв.) [13].

С развитием науки к проблеме полета стали обращаться ученые и даже философы. Первый опыт теоретического осмысления возможности полета некоторые историки связывают с именем английского исследователя Роджера Бэкона. В его труде «О тайных вещах в искусстве и природе» (1256 г., опубликован в 1542 г.) говорится о возможности полета на аппаратах легче воздуха (пустотелый шар из тонкой меди, наполненный «эфирным воздухом») и на аппаратах тяжелее воздуха (машина с машущими крыльями, приводимыми в движение человеком с помощью специального механизма) [13, с. 32].

Расцвет средневековья оставил немало документов, связанных с проектами и попытками практического осуществления беспилотных летательных аппаратов различного, типа - ракетных (Китай, XIII в.), змейчатых (начало XIV в.) и геликоптерных.

Наиболее глубокие исследования в этот период были проведены Леонардо да Винчи. В трактате «О летании птиц» (1505 г.) он привел результаты своих многолетних наблюдений и размышлений, связанных с природой птичьего полета, в частности о сопротивлении движению воздушной среды. Это было первое научное исследование в истории авиации, намного опередившее научные и технические возможности своего времени. Еще раньше Леонардо да Винчи занимался конструированием различных типов летательных аппаратов для полета человека. Широко известен его проект орнитоптера (машущие крылья приводились в движение мускульной силой человека с помощью различных механизмов), а также проекты парашюта и геликоптера. К сожалению, история не располагает данными об испытании этого орнитоптера, да и нет никаких сомнений, что они были бы неудачными, но смелость и прозорливость конструкторской мысли ученого поражает и наших современников.

Летательные аппараты Леонардо да Винчи а - проект вертолета; б - схема машущего крыла для летательного аппарата

Понадобилось около полутора веков, на протяжении которых отмечено еще немало попыток осуществить полет человека подобно птицам - с помощью машущих крыльев, чтобы стала отчетливо понятной неплодотворность этого пути. Первым это понял итальянский ученый Джиованни Борелли, который выявил значительную разницу в относительном весе мышц у птиц и человека и сделал вывод, что полет человека силой мускулов осуществлен быть не может. К такому же выводу, независимо от Борелли, пришел и английский механик Роберт Гукг считавший, что человек полетит только с помощью механического двигателя [14, с. 33]. Однако попытки летать с помощью машущих крыльев продолжались по крайней мере до середины XVIII в (В наше время техническая мысль вновь вернулась к идее полета с помощью мускульной силы человека (посредством привода воздушного винта). Уже достигнуты немалые практические результаты).

К 1670 г. относится первая из известных попыток дать проект летательного аппарата легче воздуха. Итальянский священник и ученый Франческо Лана пришел к мысли, что легкие тонкостенные шары обладают подъемной силой, а следовательно должны всплывать в атмосфере. Пользуясь научными трактатами Галилея и Торричелли, он сделал весовой расчет «летучей барки» (1670 г.) - судна, поднимающегося с помощью четырех медных шаров диаметром 8 м, из которых выкачан воздух [14, с. 42]. Представления о существовании атмосферного дав-яения не получили еще тогда достаточного распространения, и Лана (да и многие его современники, в частности Лейбниц) не знал, что его тонкостенные шары должны быть сплющены внешним давлением.

Бурное развитие мануфактурного производства в XVIII в. послужило мощным импульсом для развития точных и эмпирических наук и изобретательства. В истории авиации этот этап характеризуется интенсивным накоплением научных знаний и опыта. Вместе с известными достижениями промышленного производства это в конечном счете привело к созданию первых практических летательных аппаратов - воздухоплавательных средств.

5 июня 1783 г. братья Жозеф и Этьен Монгольфье осуществили первый беспилотный пуск аэростата диаметром 11,5 м, выполненного из оклеенного бумагой холста с веревочной сеткой и наполненного горячим воздухом. Таким образом, создание легкой, герметичной и устойчивой по форме оболочки позволило реализовать принцип, по которому в сплошной среде тело, обладающее весом меньше вытесненной им массы этой среды, всплывает вверх. 19 сентября в Версале братья Монгольфье запустили первый баллон с животными, а 21 ноября 1783 г. в Париже был осуществлен первый полет людей (Пилатр де Розье и Д'Арланд). Баллон имел диаметр 15 м, вес 675 кг и пробыл в воздухе с двумя пассажирами 20 мин, покрыв расстояние около 9 км [13, с. 70].

Полет аэростата братьев Монголъфъе с пилотами Пилатром де Розъе и Д'Арландом (21 ноября 1783 г.)

Одновременно французский ученый Жак Шарль создал и запустил баллон, наполненный водородом. В отличие от шара братьев Монгольфье, возникшего чисто эмпирически, этот более совершенный летательный аппарат (его подъемная сила на единицу веса конструкции была в несколько раз выше) был создан в результате целенаправленного освоения достижений науки (открытие в 1766 г. водорода Кавендишем, исследования Лавуазье о подъемной силе газовых оболочек и др.) и промышленности (получение каучука, примененного Шарлем в конструкции оболочки баллона). Первый полет людей на баллоне Шарля диаметром 9 м (сам изобретатель и Робер) состоялся 1 декабря 1783 г. Было покрыто расстояние около 40 км. Совершенство конструкции баллона Шарля выразилось также в различных технических деталях, облегчающих его эксплуатацию (сетка для подвески гондолы, клапан стравливания газа для спуска, балласт, якорь и др.) [13, с. 75]. Так был открыт путь к практическому воздухоплаванию.

Уже в XVIII в. многие ученые, предвидя недостаточную эффективность воздухоплавательных летательных аппаратов, искали пути к созданию аппаратов тяжелее воздуха. Так, в 1716 г. Эммануэль Сведенборг описал проект самолета, приводимого в движение качающимся жестким крылом. В 1754 г. русский ученый М. В. Ломоносов построил первую действующую модель геликоптера с пружинным моторчиком. Известен также проект самолета М. Бауэра, относящийся к 1764 г. (обнаружен в 1921 г.). На весьма тщательном чертеже этого летательного аппарата видно жесткое несущее крыло и качающееся (типа байдарочного весла) крыло для создания движущей силы. В 1768 г. возник проект конверто-плана - летательного аппарата с винтами для подъема и горизонтального перемещения, приводимыми во вращение пилотом («птерофор» Пауктона). В 1784 г. баденский архитектор К. Меервейн пытался построить и испытать рассчитанное им крыло, способное поднять и перемещать в воздухе человека благодаря машущим движениям.

В конце XVIII и в начале XIX в. было предпринято немало других попыток спроектировать и построить летательные аппараты тяжелее воздуха. Однако большая часть их по вполне понятным причинам шла по бесперспективному пути - реализации в машине принципа полета птиц. В то же время воздухоплавание уже в конце XVIII в., сразу же после первых полетов аэростатов братьев Монгольфье и Шарля, развивалось весьма бурно и во многих странах. Однако огромный энтузиазм, вызванный, как казалось, долгожданным разрешением проблемы полета, быстро сменился скепсисом в связи с новой проблемой. Оказалось, что аэростаты совершенно непригодны для решения транспортных задач - неуправляемые и не имеющие собственного двигателя, они оказались лишь «послушной игрушкой ветров». Назрела необходимость создания средств управления воздухоплавательными летательными аппаратами.

Первые проекты управляемых аэростатов появились уже в 1784 г. Сначала Ж. Бланшар в 1784 г. установил на аэростат крыльчатые весла и паруса (он же впервые благополучно сбросил с баллона с парашютом собак, человек на парашюте впервые спустился в 1797 г.).

Затем инженер Менье в 1785 г. предложил использовать для движения аэростата воздушные: винты, приводимые во вращение экипажем, а для управления - руль. Он же предложил для уменьшения аэродинамического сопротивления сделать форму аэростата вытянутой, каплевидной. По сути дела, это был первый проект дирижабля.

В начале 1785 г. Бланшар впервые пересек на баллоне пролив Ла-Манш, а через несколько лет началось практическое применение аэростатов (сначала привязных) для военных целей - разведки и корректировки артиллерийского огня. В июне 1804 г. русский ученый Я. Д. Захаров впервые провел из корзины аэростата научные наблюдения и замеры. Через два месяца с научными целями поднялся в воздух Ж. Гей-Люссак. Таким образом, воздухоплавание с первых своих практических шагов решало не только транспортные, но и научные (а также военные) задачи, что определило его назначение на многие годы вперед.

Последующее развитие воздухоплавания на протяжении нескольких десятилетий сводилось к поиску средств управления аэростатами, т. е. их возможности летать в нужном направлении с заранее намеченными точками посадки. Известны многие попытки применить на аэростатах машущие крылья, гребные колеса, воздушные винты и т. д. Однако отсутствие мощных источников энергии не позволяло решить эти задачи даже с минимальной эффективностью.

Первые десятилетия XIX в. ознаменовались, как известно, широким распространением паровых машин. Усовершенствование их посредством применения жаротрубных и водотрубных котлов высокого давления (до 5-7 ат), использование перегрева пара, а также теоретические исследования в области термодинамики (Карно, Джоуль, Клаузиус и др.) привели к повышению их компактности и уменьшению веса. Это натолкнуло ученых и инженеров, занимавшихся воздухоплаванием, на возможность применения паровой машины для движения аэростатов.

Первым предложил это сделать английский ученый и изобретатель Джон Кейли в 1816 г. (задача поиска механического двигателя для «воздушного судоходства» была поставлена им еще в 1809 г.) [15, с. 28]. В своем проекте Кейли дал расчет конструкции и энергетики аэростата (дирижабля) длиной 90 м с экипажем 7 чел. Паровая машина мощностью 1 л. с. и весом около 100 кг должна была сообщить аэростату скорость около 25 км/ч. Конечно, расчеты эти были ошибочными, что вскоре понял и сам Кейли. Кроме того, Кейли в своем проекте предложил ряд конструктивных идей, также опередивших свое время: разделение баллона на отсеки, жесткая конструкция - с деревянным каркасом или листовой обшивкой и др.

Идеи Кейли распространились, и в течение нескольких лет возник ряд интересных проектов дирижаблей с паровыми двигателями. Первым осуществил проект такого летательного аппарата француз Анри Жиффар. В 1851 г. он получил привилегию на «применение пара к воздухоплаванию». 24 сентября 1852 г. состоялся первый полет дирижабля Жиффара (длина баллона 44 м, диаметр 12 м) с подвешенной в гондоле паровой машиной его конструкции (мощность 3 л. с., вес с котлом 150 кг) [16, с. 32, 34]. На дирижабле имелся также парус. Однако полностью справиться с ветром не удалось, поскольку мощность мотора оказалась слишком мала. И все же Жиффар убедился, что дирижабль в полете вполне управляем. Достижения Жиффара, несмотря на многочисленные попытки его последователей, не были превзойдены вплоть до 1880-х годов.

Дирижабль с паровым двигателем конструкции А. Жиффара (1852 г.)

Наряду с поисками механического двигателя для аэростатов в середине прошлого века возникло немало проектов реактивных двигательных установок. В 1849 г. русский инженер И. И. Третеский предложил несколько проектов аэростатов с реактивной тягой, получаемой вследствие истечения различных рабочих тел: паров воды (или спирта), сжатого воздуха и пороховых газов. Проекты дирижаблей, приводимых в движение реактивными двигателями, были созданы испанцем Макларетом в 1852 г., Н. М. Соковниным в 1866 г. и др. [17].

В 60-70-х годах XIX в. развитие аэростатов переживало некоторый кризис, но были достигнуты некоторые успехи в их практическом применении в научных (для высотных исследований - Тиссандье, 1872 г.) и в военных целях (в том числе - для бомбардировки с воздуха, впервые- в Австрии, 1849 г.). В этот период велись интенсивные работы по созданию летательных аппаратов тяжелее воздуха и интерес к аэростату заметно остыл.

К концу 1870-х годов ученым и специалистам стало ясно, что воздушная среда как сфера перемещения человека может быть достаточно эффективно использована лишь с помощью моторных аппаратов тяжелее воздуха, однако уровень развития науки и техники до самого конца XIX в. был недостаточным для создания работоспособных средств такого рода.