Развитие идей полета в России в 19 веке

    Наряду  с предложениями о вертолетах в России не прекращались попытки решить проблему полета на основе подражания машущему полету птиц. В XIX веке над созданием орнитоптеров работали  Я.И.Краевский, В.Д. Спицын и др. В отличие от первых примитивных попыток полета на искусственных крыльях, которые крепились непосредственно к рукам человека, в работах указанных изобретателей говорилось уже о проектировании летательных аппаратов. Для увеличения силы удара крыла о воздух предлагалось за счет сложной системы рычагов использовать наряду с силой рук также силу ног человека; конструкция крыльев позволяла устранять сопротивление воздуха при поднятии их вверх, в положение, годное для выполнения силового махового движения.

    Несмотря  на все эти приспособления, силы мускулов человека было, конечно, недостаточно для выполнения машущего полета. Это  понимали и сами изобретатели: для  уменьшения физической нагрузки на человека при машущем полете предлагалось использовать механические тепловые двигатели и даже небольшой аэростат.

    Попытки создания орнитоптеров сопровождались тщательным изучением механизма  полета птиц, которое натолкнуло на плодотворную идею решения задачи полета на основе подражания планирующему полету птиц, т. е. на идею планера и самолета. Впервые  теоретические  основы   полета   самолета   были   разработаны Д. Кейли в начале XIX века. Он построил и испытал модель планера и полноразмерный планер. Таким образом, научно обоснованная идея создания самолета и ее экспериментальная проверка  на   планере  были  осуществлены  уже  в   первые  годы XIX   века. Однако значение работ Кейли не было понято современниками,   его   публикации   не   получили   широкой   огласки   и вскоре были забыты. Практические работы по созданию самолета начались лишь спустя несколько десятилетий, когда бесперспективность работ над орнитоптерами и трудность создания управляемых аэростатов стали очевидны. Эти работы велись, в различных направлениях —  создание проектов  самолетов с  паровыми  или реактивными  двигателями   (В.   Хенсон,   1842—43-е гг.,  М.  Лу, 1853 г., Ф. дю Тампль,  1857 г., Ш), постройка и испытания моделей самолетов (Д.Стрингфеллоу,   1848—1868 г.,  Ф.  дю Тампль, середина 1850-х годов), попытки полета на планере.

    Предложение использовать принцип планирования для решения проблемы полета впервые в России было высказано изобретателем из Курска А.Снегиревым в 1841. Однако автор этого предложения   ошибочно   полагал,   что   «птицы   при   небольшом удельном весе своего  тела   имеют волю вдруг вытянуть воздух из своих костей, перьев и, расширив несколько грудь, сделаться, легче окружающего воздуха и таким образом подниматься вверх», т.   е.   представляют  собой   своеобразные  летательные аппараты легче воздуха.

    Планирующий полет птиц с 1840-х годов привлек  к себе внимание другого русского изобретателя — Н. М. Соковнина, впоследствии автора проекта аэростата с реактивным двигателем. Впервые в России принципы проектирования летательного аппарата тяжелее воздуха с неподвижным крылом были разработаны А.В. Эвальдом, который в 1863 г. писал: «... приняв все сделанные нами наблюдения за основные данные, при наших исследованиях и сопоставив их одно с другим, мы придем к возможности начертать следующий идеальный проект самолета:

    1) для легчайшего разрезания воздуха  при движении вперед самолет  должен представлять в вертикальном  разрезе фигуру, как можно более  подходящую к математической  линии;

    2) для лучшего противодействия  притяжению земли самолет должен  представлять в плане как можно большую плоскость, то есть состоять из парашюта;

    3) для поступательного движения  самолет должен быть снабжен орудием, которое бы способно было сообщать ему постоянные толчки;

    4) чтобы эти толчки своей силой  не разрушали механизмы самолета, они должны быть как можно слабее и вследствие того (для сообщения достаточной силы) повторяться как можно чаще;

    5) из всех орудий, известных в  наше время, способнее других  исполнить сказанные условия  архимедов винт;

    6) архимедов винт может сообщить самолету только одну силу, а движение самолета требует двух сил: одну для противодействия притяжению земли, -а другую для поступательного движения. Для постоянного сопротивления притяжению земли самолет должен лежать в воздухе не горизонтально, а наклонно, передним концом вверх, чего достигнуть очень нетрудно, простым перемещением центра тяжести. Таким образом, при равномерном движении архимедова винта и известном наклонении самолета он будет двигаться или горизонтально, или по наклонной вверх и вниз, смотря по тому, как мы будем передвигать центр тяжести;

    7) для поворотов в горизонтальной  плоскости мы уже имеем средство, именно руль;

    8) для удерживания самолета в  равновесии центр тяжести его  должен лежать, разумеется, внизу,  для чего плоскости парашюта следует дать повышение к краям, наподобие того, как держат свои крылья животные».

    Из  приведенного текста видно, что Эвальд предусмотрел почти все необходимое  для полета самолета — крыло, пропеллер, форму, обеспечивающую малое лобовое  сопротивление, установочный угол атаки крыла, органы управления, поперечное V крыла. В качестве двигателя изобретатель предусматривал применение паровой машины, отмечая, однако, ряд недостатков такой силовой установки.

    Отсутствие  средств заставили Эвальда ограничиться опытами с моделью разработанного им аппарата. Значительный удельный вес пружинного двигателя и, по-видимому, низкое аэродинамическое качество модели не позволили получить хорошие результаты испытания (модель совершила планирование под углом около 30°), однако была доказана принципиальная осуществимость полета аппарата тяжелее воздуха с неподвижным крылом! Изучение планирующего и парящего полетов птиц показало также возможность полета на безмоторном аппарате тяжелее воздуха — планере. Планеризм сыграл большую роль в создании самолета, поскольку до начала XX века из-за отсутствия достаточно совершенных двигателей единственно возможным типом летательного аппарата тяжелее воздуха являлся планер.

      Первое в России обоснование  возможности полета на планере было   выполнено   исследователем   полета   птиц   Н.   А.   Арендтом  в 10—80-х годах XIX века. В результате натурных наблюдений и опытов с замороженными препарированными птицами с распростертыми крыльями, которых Арендт запускал с помощью самострела,   исследователь   пришел   к   следующим   выводам:

    1. Снаряд, предназначенный для летания,  должен быть тяжелее воздуха.

    2. Летание, как движение вверх  от земли и в направлении,  не зависимом от ветра, возможно  без применения к летательному  снаряду движущей силы, присущей самому снаряду.

    3. Силой инерционного движения, развивающейся  при падении, соединенной с силой ветра, можно и должно пользоваться для передвижения тел вверх от земли и в направлении, не зависимом от ветра.

    Арендт  говорил также о желательности  применения искривленного профиля крыла летательного аппарата.

    Ученый  не ограничился чисто теоретическими исследованиями в области планирующего полета. Он сделал ряд предложений, направленных на практическое осуществление планеризма в России, в частности разработал конструкцию специального тренажера для предварительного обучения полетам на планере.

    К сожалению, значение идей, выдвинутых Н. А. Арендтом, в те годы не было оценено  должным образом и его предложения  не получили поддержки.

    Разработка  идеи летательного аппарата тяжелее  воздуха с неподвижным крылом и быстрое развитие техники в условиях зарождения капитализма в России способствовали появлению во второй половине XIX века проектов самолетов. Первые технические проекты самолетов были разработаны в середине 1860-х годов артиллерийским офицером  Н.А.Телешовым.

    Проект, запатентованный Телешовым за рубежом  в 1864 г., предусматривал создание многоместного  самолета с паровым двигателем. Внутри обтекаемого сигарообразного фюзеляжа на двух палубах — верхней и нижней — размещались пассажиры и багаж. В центре предполагалось расположить двухцилиндровую паровую машину (В), причем для уменьшения веса штоки поворотных цилиндров должны были действовать непосредственно на вал толкающего пропеллера (Р). К верхней части фюзеляжа крепилось крыло (С) шестиугольной формы. Оно должно было иметь ферменную конструкцию с двухсторонней обшивкой. Для управления предусматривались рули высоты (О) и направления (Е), а для балансировки в полете — переставной весовой регулятор; (Р).

    Как следует из описания и чертежа, многие конструктивные решения этого необычного проекта были заимствованы из опыта  судостроения.

    В Несмотря на очевидную практическую невыполнимость предложения Н. А. Телешова, проект представляет интерес как прообраз современных многоместных пассажирских самолетов .

    Три года спустя Телешов запатентовал еще  один необычный проект — проект самолета с реактивным двигателем и  треугольным крылом малого удлинения. Угол стреловидности крыла по передней кромке составлял 45°.

    Для уменьшения лобового сопротивления  в полете изобретатель предлагал придать носовой части фюзеляжа и передней части крыла заостренную  форму.

    Н. А. Телешов первым в Росссии и  одним из первых в мире предложил  применить реактивный двигатель на самолете. Согласно проекту на самолете должен был быть установлен пульсирующий реактивный двигатель, работающий на жидком топливе. Он, по мнению изобретателя, должен был обладать малым весом и большой экономичностью. Предложенный Телешовым двигатель явился прообразом созданных значительно позже пульсирующих воздушно-реактивных двигателей.

    Для взлета самолет должен был разбегаться  на колесах по рельсам или стартовать со специальной отделяемой тележки. В проекте Телешова сочетались весьма совершенная для того времени схема самолета и оригинальная схема реактивного двигателя. По своему уровню этот проект превосходил большинство современных ему и многие более поздние проекты.

    Идея  применения реактивного двигателя  для полета летательных аппаратов тяжелее воздуха была значительно более перспективной, чем попытки создания реактивных воздухоплавательных аппаратов, так как особенности конструкции последних не позволяли достичь таких скоростей, на которых использование реактивного двигателя было бы оправдано. Однако отрицательное отношение со стороны руководства официальных научно-технических учреждений России к идее реактивного самолета, а также уровень развития техники в XIX веке не позволили осуществить эти проекты на практике. Первые самолеты с реактивными двигателями появились лишь в 20—40-е годы XX века. Наряду с разработкой проектов самолетов-монопланов, прообразом которых являлись птица или воздушный змей, в середине XIX века зародилась идея самолета с несколькими несущими поверхностями. Применение полипланного крыла позволяло при равной площади уменьшить размах, а следовательно, и вес поддерживающей поверхности.

    В 70-е годы прошлого столетия начал  свою деятельность в области авиации  А. Ф. Можайский. Отсутствие  методов  для   расчета   подъемной  силы  крыла  и аэродинамического сопротивления приводило к тому, что основные параметры летательных аппаратов выбирались либо произвольно, либо  по аналогии  с птицами (например,  нагрузка на  крыло), либо на базе собственных, обычно неверных теорий. Это приводило к грубым ошибкам при проектировании летательных аппаратов. Необходимость проведения  аэродинамических экспериментов для успешного решения задачи полета понимали многие ученые и изобретатели. Первые аэродинамические исследования в России были выполнены во второй половине XIX  века. Эти исследования  велись в двух направлениях:

    определялось   сопротивление   тел   вращения;

    определялись  силы, действующие на пластину.

    Вклад в разработку теории сопротивления  внес своими исследованиями Д. И. Менделеев. В 1880 г. он издал монографию «О сопротивлении жидкостей и о воздухоплавании». В этой работе ученый критически проанализировал весь опыт исследований сопротивления среды и пришел к важному выводу о том, что трение составляет существенный элемент силы сопротивления.

    Многочисленные  опыты по определению сопротивления  тел при их падении, которые Менделеев проводил совместно с М.Л.Гросман, а затем — с П. Д. Кузьминским, позволили подтвердить зависимость силы трения от плотности среды и квадрата скорости движения!

    Попытки решения проблемы полета с помощью  летательных аппаратов тяжелее  воздуха сделали актуальной второе из указанных направлений аэродинамических исследований — определение сил, действующих на пластину, находящуюся в потоке. Исследование этого вопроса позволило бы получить данные для расчета воздушных винтов, определения подъемной силы и наивыгоднейшего угла наклона крыла.

    В 1871 г. В. А. Пашкевич построил первую в  России аэродинамическую трубу — инструмент, позволяющий значительно повысить точность исследований. Она имела все основные элементы современных аэродинамических труб — коллектор, рабочую часть, диффузор и весы. Однако эта труба была создана для решения задач баллистики и не использовалась для экспериментов в области авиации и воздухоплавания.

    Эпизодический характер аэродинамических исследований, несовершенство техники эксперимента и отсутствие поддержки со стороны научно-технических учреждений не позволили создать в рассматриваемый период надежные методы выбора параметров летательных аппаратов.