Физика и авиация
В результате моей поездки должно быть два дела: а) выполнение проекта управляемого аэростата с изложением оснований с чертежами. Этот проект должен быть представлен мне для выполнения или опубликован во всей его подробности (если не пожелают почему-либо ни выполнять, ни публиковать, то я это право ударживаю за собой).
Кроме проекта моего аэростата, я предлагаю как результат своей поездки статью, выражающую общее современное состояние вопроса о воздухоплавании. Поездка с этой целью, имеющейся уже у меня материал и, то, что всего важнее, те связи с иностранными учеными, которые дают мне мои прежние труды, позволяют мне надеяться на то, что я могу лучше, чем многие другие, получить хорошие сведения, относящиеся до этого дела. Я предполагаю избежать истории (она изложена в куче книг), приключений и подробностей, касающихся аэростатов и аэродинамов, а хочу ограничиться описанием краткой теории дела (с указанием источников для подробностей), описанием опытов над сопротивлением воздуха, систематическим изложением результатов сделанных полетов, опытами над новыми приборами для воздухоплавания, проектами, как более самостоятельным и критическим сводом, относящимся ко всему изложенному, чтобы перейти затем к своему проекту".
В архиве сохранилась докладная записка Главного инженерного управления военному министерству " О действиях г.Менделеева". В этой записке военный инженер Недзеловский докладывал о просьбе Менделеева выделить ему 12 450 рублей на предварительные опыты, издание книги и на заказ двигателя для большого аэростата и моделей.Хотя управляющий морским министерством согласился с тем,что : "...профессор Менделеев. ..более кого-либо другого способен выполнить принимаемое им на себя дело",повторилась старая история : Менделееву дали только треть необходимых средств.. Этих денег хватило только на издание книги.
В 1887 г. Д.И.Менделлев был избран академиком Петербургской Академии наук. Менделеев продолжает свою научную работу над проблемой воздухоплавания. В 1887 г. великий ученый поднялся один на воздушном шаре до высоты 3350 м для наблюдения солнечного затмения; свой полет и сделанные наблюдения он подробно описал в статье "Воздушный полет из Клина во время затмения", опубликованный в № 11 "Северного вестника" за тот же год.
Этот полет, организованный военными воздухоплавателями, показал вместе с тем и крайне низкий уровень воздухоплавательной техники того времени. Аэростат, рассчитанный на подъем двух человек, мог поднять лишь одного, главным образом потому, что газ смешивался с воздухом при поступлении в оболочку. Крайне сложна была и техника наполнения шара водородом.
На основании опыта своего полета на воздушном шаре в Клину Менделеев предлагает для наполнения аэростатов газом применить особые подушки со сжатым водородом. Из письма видно, что Дмитрий Иванович пришел к мысли о таком способе наполнения аэростата еще в 1879 г. и обсуждал это в Париже с Дюпюи де Ломом. Менделеев заканчивает письмо следующими словами: "Я охотно готов содействовать успеху нашей военной аэронавтики; когда угодно, хотя для испытания чего-либо готов и полететь, с удовольствием поделюсь мнением и советом, только избавьте от комиссий".
На отпущенные ему 2500 руб. Менделеев организовал в своей лаборатории опыты по наполнению аэростатов с помощью специальных баллонов для водорода, изучая также и возможность добывать водород более совершенными способами. Проведенное исследование позволило прийти к выводу о возможности сохранять водород с помощью "цилиндрических вместилищ для сжатого водорода" под давлением 100-120 ат.
В августе 1888 г. в Англии начали применять для хранения газа специальные стальные трубы Норденфельда. Главное инженерное управление по справке по этому вопросу писало:
"На воздухоплавательном полигоне на Волковом Поле имеются доставленные из Англии стальные трубы Норденфельда, служащие для хранения и перевозки водорода, сжатого до 120 ат, а потому было бы полезно с помощью параллельных опытов сравнить эти трубы с вместилищами, предложенными профессором Менделеевым для этой же цели, причем желательно, чтобы означенные опыты производились в присутствии председателя и членов Комиссии по применению воздухоплавания к военным целям".
Надо сказать, что предложенный Менделеевым способ сохранения водорода в баллонах под давлением 120-200 ат широко принят современной техникой. Приоритет же Менделеева в этом открытии, несомненно, доказывают публикуемые документы.
Характерно, что Менделеева поддержал другой русский ученый - профессор Лачинов, который предложил для электролиза водорода батарею своей системы.
В случае осуществления предложений этих ученых Россия имела бы необходимые приборы для добывания и сохранения водорода. К сожалению, военное ведомство и на сей раз обошло молчанием эти предложения.
Дмитрий Иванович не ограничивался изучением аэродинамики. Он верил в конечную победу аэропланов, считая, что они имеют "наибольшую будущность". Менделеев внимательно изучает структуру птичьего крыла и делает наброски его остова. В январе 1877 г. в качестве члена предварительной комиссии он участвует в рассмотрении предложенного А.Ф.Можайским аэроплана и в мае 1877 г. дает заключение военному министерству о летательном аппарате доктора Арендта. (В приложении 4 приведено это заключение) В 1895 г. Дмитрий Иванович заинтересовался опытами с летающими моделями В.В.Котова и даже написал предисловие к его книге. К сожалению, эта книга так и не вышла в свет.
Д.И.Менделеев был глубоко убежден, что изобретение летательного снаряда "составит эпоху, с которой начнется новейшая история образованности".
К сожалению, дальнейшие разработки "летающего снаряда" привели к созданию ракет, используемых на поле боя. Да и дальнейшее развитие авиации свелось в основном к разработке военных самолётов, аэростатов, воздушных шаров, а в последствии и вертолётов.Возможно, это произошло из-за приближении первой мировой войны, а может быть из-за чего-то другого.Однако факт остаётся фактом: все воздухоплавательные средства имели военную основу ( забегая вперёд: ТУ -104 переделан из бомбардировщика - ракетоносца Ту-16).Поначалу воздухоплавательные аппараты использовались для наблюдения,а потом некоторые из лётчиков обнаружили, что предмет, брошенный с большой высоты может причинить сильные повреждения из-за развиваемой скорости.Также интерестны воспоминания командующих о том, что:". ..некоторые пилоты обстреливают пилотов вражеских самолетов из личного оружия, а иные для этой цели даже берут с собой карабины или гранаты. Последние употребляются для сброса на позиции неприятеля...".
Итак, первая мировая война дала мощный толчок развитию авиации и, естественно, это не могло не отразиться на направлении работы учёных воюющих государств.Как писал академик Б. Н. Юрьев: "Война с первых же дней указала на огромное значение авиации, и царское правительство вынуждено было начать организацию авиационной науки. Однако делалось это из рук вон плохо, денег на науку по-прежнему не давали, людей вернуть с фронтов также не удалось". Достойно удивления, что в этих условиях русские учёные сумели добиться серьёзных успехов в развитии авиационной науки. Центром авиационной мысли в России в годы первой мировой войны было Московское высшее техническое училище (МВТУ), где работал один из лучших учёных своего времени - Н.Е.Жуковский.
НИКОЛАЙ ЕГОРОВИЧ ЖУКОВСКИЙ
Отец русской авиации, Николай Егорович Жуковский, родился 5 (17) января 1847 г. в семье инженера путей сообщения Егора Ивановича Жуковского.
В 1876 г. Николай Егорович впервые получил возможность поехать за границу для того, чтобы познакомиться с выдающимися французскими и немецкими учеными. Во Франции Жуковский встречался с Дарбу и Резалем, в Германии - с Гельмгольцем и Кирхгоффом.
В 1879 г. Жуковский получил место профессора на кафедре аналитической механики в Московском высшем техническом училище. В 1882 г. он защитил докторскую диссертацию на тему: “О прочности движения".
Начиная с 1886 г. Жуковский читает в Московском университете курс гидроаэродинамики.
Проблемы летания заинтересовали Николая Егоровича еще в юности. В 1877 г. в Париже Жуковский познакомился с французскими исследователями, работавшими над созданием летательных аппаратов тяжелее воздуха и изучавшими полет птиц.Из этой поездки Николай Егорович привез много летающих моделей, которые демонстрировал на своих лекциях и докладах.
Вспоминая об этом периоде, Жуковский пишет: "При кабинете прикладной механики уже с 1889 г. проводились исследования по различным вопросам воздухоплавания - испытывались различные модели летательных машин и строились небольшие аэродинамические аппараты". Жуковский привез из-за границы и велосипед с громадным передним колесом, изобретенный французом Мишо. Николай Егорович разъезжал на этом велосипеде, укрепив за плечами большие крылья из ткани. Этими экспериментами он старался определить подъемную силу крыльев и изменения как величины этой силы, так и точки ее приложения (центр парусности).
Дальнейшие поездки за границу и знакомство с Отто Лилиенталем, знаменитым немецким планеристом, книга которого "Полет птиц, как основа искусства летания" стала для Жуковского настольной книгой, все больше и больше втягивали Николая Егоровича в изучение проблемы летания.
Жуковский вместе с тем правильно указал на значение восходящих потоков воздуха, так искусно используемых птицами. Он пишет:" Если на некоторой высоте над землей плывут громадные вихри с горизонтальными осями, то птица, забравшись с той стороны вихря, с которой имеется восходящий поток воздуха, и следя за движением вихря, может некоторое время оставаться в восходящем потоке и описывать благодаря ему в движении относительно некоторых подвижных осей горизонтальные круги".
Все это говорило о том, что Жуковский уже ясно представлял себе принципы полета аэроплана. Труд "О парении птиц" явился зрелой работой, в которой было критически оценено все сделанное за границей и в России в области теории летания. Здесь проявляется замечательная особенность Жуковского - не двигаться вперед, пока не изучено все главное, что сделано другими для решения рассматриваемой проблемы. Жуковский внимательно следит за успехами летания в Европе, ему хорошо знакомы работы Адера, Филиппса, Максима, сконструировавших летательные аппараты.
Жуковский, продолжая упорно работать над проблемой летания, опубликовал в 1897 г. статью "О наивыгоднейшем угле наклона аэропланов". В этой статье он пересмотрел выводы Джевецкого, относящиеся к данному вопросу, и определил оптимальный угол атаки крыла аэроплана.
Год спустя Николай Егорович подробно разобрал орнитоптерную теорию полета и на основании проведенных опытов (им была сконструирована специальная модель) отметил, что колеблющаяся пластинка получает сопротивление, в десять раз большее, "...нежели пластинка, движущаяся поступательным равномерным движением с той же средней скоростью". Опыт показал, что если быстро перевести пластинку из покоя в движение, то "... на каждый метр скорости и квадратный метр площади пластинки приходится 80 кг сопротивления воздуха".
Жуковский указывает, с одной стороны, на постепенное уменьшение массы двигателей, с другой, - правильно подчеркивает значение поступательной скорости для летательной машины. Он говорит: "Двигаясь под малым углом к горизонту с большой горизонтальной скоростью, наклонная плоскость сообщает громадному количеству последовательно прилегающего к ней воздуха малую скорость вниз и тем развивает большую подъемную силу вверх при незначительной затрате работы на горизонтальное перемещение".
Анализируя достигнутые успехи, Николай Егорович особое значение придает планеризму, заявляя, что "... проще прибавить двигатель к хорошо изученной скользящей летательной машине, нежели сесть на машину, которая никогда не летала с человеком".
В 1902 году Жуковский построил в Московском университете (МВТУ) аэродинамическую трубу квадратного сечения размером 75х75 см. Длина трубы 7 м, скорость потока 9 м/с. В университетской же лаборатории был установлен сконструированный Николаем Егоровичем прибор для испытания винтов без поступательной скорости. Аэродинамическая трубка Жуковского была одной из первых в Европе.
С помощью этих аппаратов Николай Егорович провел вместе со своими учениками ряд интересных исследований, в частности, о центре парусности, о вращении в потоке воздуха пластинок, ось которых перпендикулярна потоку, а также проверил законы Вельнера и Ренара для геликоптерного винта. Эти исследования позже позволили Жуковскому предложить весьма рациональный профиль (дужку) крыла с высокими аэродинамическими качествами. Этот профиль известен до сих пор во всем мире под названием "профиля Жуковского ". В 1904 году Н.Е. Жуковский "...нашёл источник поддерживающей планы силы...", - как пишет один из его коллег - ". ..безусловно, его открытия ведут к созданию аэродинамики...".
Николай Егорович сделал также немалый вклад и в развитие военной авиации.Под его руководством велись работы по созданию авиабомб большого калибра, в 1916 году он основал новую науку -аэробаллистику, опубликовав свою работу "Бомбометание с самолётов".В этой работе он научно обосновал полёт авиабомбы и его особенности, указал возможные типы бомбардировочных прицелов. Жуковский за свою жизнь написал : по теоретической механике(включая астрономические и математические задачи) - 40 печатных работ,по прикладной механике - 23, гидравлике и гидродинамике - 40, аэродинамике - 22, воздухоплавания - 21. Кроме всего вышеперечисленного, Николай Егорович помогал другим авиаконструкторам в разработке новых аппаратов и усовершенствовании старых. В качестве эксперта давал заключения о пригодности или непригодности к использованию летательных аппаратов, проверял модели строящихся самолётов в аэродинамических трубах и так далее.В общем, Николай Егорович принес наибольшую практическую пользу России и его труды вполне оправдывают звание "отца русской авиации".
Русские учёные не были только теоретиками.Перечисление всех проектов русских конструкторов - это тема для отдельного реферата, но нельзя не рассказать о гордости русской авиации - самолётах "Русский витязь" и "Святогор", которые в то время не имели аналогов.
Самолёт "Русский витязь" был cконструирован И. И. Сикорским, причём проект этого аэроплана Сикорский обдумывал ещё в 1911 году, когда ни один самолёт не поднимал груза больше 635 кг (рекорд грузоподъёмности на 1911 год принадлежал французскому лётчику Дюси, пролетевшему 800 метров с грузом 600 кг). Аэроплану предрекали полный провал, однако 13 мая 1913 года были успешно проведены первые испытания "Русского витязя". Как рассказывали очевидцы: " Самолёт легко оторвался от земли, и, совершив несколько больших кругов, плавно опустился у ангара, при бурном ликовании собравшихся зрителей...". За границей долго не хотели верить сообщениям о полёте "Русского витязя", считая эти сообщении газетной уткой. Это неверие вполне естественно для того времени,
ведь считалось,что самолёт, подобный "Русскому витязю" полететь не мог.
"Русский витязь" представлял собой четырёхмоторный многостоечный биплан, нижнее крыло которого было короче верхнего. Общая площадь несущих поверхностей составляла 120 мі (верхнее крыло 66 м І и нижнее крыло 54 м І). Размах верхнего крыла составлял 27 м, а нижнего - 20 м. Штурвальное управление было дублировано.Общая масса "Русского витязя " без нагрузки равнялась 3500 кг, а полезная нагрузка составляла 1440 кг. Крылья двухлонжеронной конструкции были прямоугольной формы и имели глубину 2,5 м, причём расстояние между крыльями также равнялось 2,5 м.
Опасения за устойчивость такого самолёта заставили сделать его достаточно длинным (20 м ). Фюзеляж представлял собой деревянную ферму прямоугольного сечения, обшитую снаружи фанерными листами. В фюзеляже была расположена капитанская рубка (с двойным рулевым управлением), две пассажирские каюты и помещение для запасных частей и инструмента. Перед капитанской рубкой вперёд выдавалась площадка для прожектора и пулемёта. Поперечная остойчивость обеспечивалась элеронами на верхних крыльях. В движение самолёт приводили четыре двигателя "Аргус", установленные попарно в тандем ( самолёт был спроектирован как двухмоторный ).
Самолёт оказался достаточно устойчивым в полёте. После первых полётов (10 - 27 мая 1913 года ) было установлено, что по кабине можно вполне свободно ходить, причём это не отражалось на устойчивости. "Русский витязь" отделялся от земли после пробега в 700 метров и развивал скорость в 90 км/ч.
Еще одним шедевром самолётостроения того времени был самолёт "Святогор", построенный вскоре после "Ильи Муромца" (которого я не касаюсь, так как он достаточно известен ). Этот двухмоторный биплан был спроектирован Василием Андриановичем Слесарёвым и был самым большим самолетом в мире. Его запроектированные размеры и расчетные данные были следующие: площадь крыльев 180 м І, площадь хвостогого оперения 20 м І, размах верхнего крыла 36 м, угол установки крыльев 4,5°, длина самолёта 21 м, полётная масса 6500 кг, причём нагрузка составляла около 50 % полётной массы, продолжительность полёта 30 ч, высота полёта 2500 м, скорость свыше 100 км/ч, общая мощность моторов 440 л. с.
Форма крыльев, по очертаниям напоминавших крылья стрижа, использование обтекаемых наружных стоек, тщательное сглаживание выступов говорили об огромной исследовательской работе, проделанной изобретателем.
Святогор был гораздо совершеннее "Ильи Муромца" и других самолётов того времени. Чего стоило хотя бы нововведение Слесарёва: двигатели помещались в корпусе, близко к центру тяжести и приводили винты в движение с помощью тросовой передачи.
Предыдущие исследования Слесарёва в области аэродинамики и его сотрудничество при создании тяжёлых самолётов типа "Илья Муромец" создали ему авторитет, достаточный для признания его проекта. Тем не менее выполнимость такого проекта вызывала сомнения и проект Слесарёва был предоставлен на рассмотрение технической комиссии особого комитета Воздухоплавательного отдела. Расчёт и обоснование проекта были признаны убедительными; комитет единогласно признал, что проект осуществим, и рекомендовал приступить к постройке самолёта.
Предварительные переговоры позволили установить срок постройки в 3 месяца, причём стоимость равнялась 100 000 рублей. Кстати, правительство и на этот раз отказалось финансировать проект, и эту обязанность взял на себя богатый польский помещик М. Э. Малынский. Заказ на постройку самолёта был передан заводу Лебедева в Петербурге.
К 22 июня 1915 года "Святогор" был собран, но война 1914 года сильно осложнила положение конструктора.Во-первых, Слесарёв лишился возможности купить двигатели "Мерседес", а установка двигателей "Рено" ( и то полученных только в 1916 ) перетяжелила самолёт. Во-вторых, по требованиям военных, Слесарёв должен был обеспечить десятикратную прочность всех ответственных деталей (зачем это понадобилось? "Святогор" и так обладал достаточной прочностью - он изначально предназначался для военных целей) что ещё больше перетяжелило самолет, а так же вызвало смещение центра тяжести.
К этим проблемам добавилось отсутствие средств и нежелание военной комиссии финансировать эти работы. Мнение профессора Н. Л. Кирпичёва, председателя комиссии: "...при мощности двигателей в 440 л. с. аэроплан мог бы обладать общей грузоподъёмностью в 6500 кг при скорости около 60 км/ч, однако для этого он должен был бы иметь поддерживающие поверхности площадью не менее 440 м І...". Соответственным было и решение комиссии: "...затрата на достройку этого аппарата даже самой ничтожной суммы является недопустимой...". Однако конфликт между комиссиями привел к тому, что на проект Слесарёва обратил внимание Н. Е. Жуковский. Самолет был тщательнейшим образом проверен в лабораториях, также был сделан расчет прочности основных элементов. Кроме того, впервые в России был проведён полный аэродинамический расчёт самолёта. На основании проведенных исследований и расчетов комиссия под председательством Жуковского 11 мая 1916 года "единогласно пришла к выводу, что полет аэроплана Слесарёва при полной нагрузке в 6,5 т и при скорости в 114 км/ч является возможным, а посему окончание постройки аппарата Слесарёва является желательным".
В марте 1916 года состоялись первые испытания аэроплана. "Святогор пробежал по земле около 200 м, как поломались некоторые детали правого двигателя и обнаружились неполадки в передаточном механизме. По мере устранения одних недоделок стали обнаруживаться другие. Они не порочили саму конструкцию самолёта, а являлись следствием доделки самолёта в кустарной мастерской Слесарёва, где не могли изготовить детали с достаточно большим запасом прочности. То разлетался вентилятор, то ломался вал, то разваливалось колесо.
Слесарёв вынужден был переделывать всю трансмиссию из - за непригодности шарниров Гука.Но переделка трансмиссии затянулась и самолет не был испытан до 1917 года.
В 1922 - 1923 годах была сделана попытка достроить и испытать этот самолёт. Слесарёва уговаривали отказаться от централизованных моторных установок и установить на крылья два двигателя "Либерти" мощностью по 400 л. с. Работы по восстановлению "Святогора" были прерваны смертью Слесарёва.
КОНСТАНТИН ЭДУАРДОВИЧ ЦИОЛКОВСКИЙ
Рассказывая о работах русских изобретателей нельзя не рассказать о работах Константина Эдуардовича Циолковского.Его труды охватывали все горизонты авиации: от дирижаблей до космических кораблей, и тем не менее признание он получил только после революции, как и Слесарёв.Как и подавляющее большинство людей, опередивших свое время, Циолковский остался непонятым своими современниками, тем не менее его работы вспоминают и сейчас, так как только в наше время появились возможности для воплощения его проектов в реальные аппараты (такая же история произошла в своё время с Леонардо да Винчи : спроектировав экскаватор, да Винчи оставил свой проект без двигателя - паровой двигатель изобрели гораздо позже).
Константин Эдуардович Циолковский родился 5 (17) сентября 1857 года в селе Ижевское (сейчас - Спасский район Рязанской области). Родившись в семье лесничего и не получив никакого специального образования, он тем не менее успешно защитил диплом на звание учителя. Свою работу учителем он совмещал с научной деятельностью. Также Циолковский писал рассказы, которые являлись дополнением к его исследованиям.
Например его произведения "На луне", "Изменение относительной тяжесть на Земле", "Вне Земли" и "Грёзы о Земле и небе..." представляют собой сплав популярных сведений о физических законах, научно- технического предвидения и утопии. Тем не менее в произведениях такого необычного жанра Константин Эдуардович сумел правильно предсказать некоторые явления(например, невесомость).
Большинство научно-фантастических рассказов Циолковского были опубликованы ещё в 1887-1906 годах, однако действительно ценные научные труды Циолковского получили признание только после революции(приблизительно в 1920 году).
Начало внедрения реактивной
техники
История авиации характеризуется непрекращающейся борьбой за повышение скорости полета самолетов. Первый официально зарегистрированный мировой рекорд скорости, установленный в 1906 году, составлял всего 41,3 километра в час. К 1910 году скорость лучших самолетов возросла до 110 километров в час. Построенный на Русско-Балтийском заводе еще в начальный период первой мировой войны самолет-истребитель РБВЗ-16 обладал максимальной скоростью полета – 153 километра в час. А к началу второй мировой войны уже не отдельные машины – тысячи самолетов летали со скоростями, превышавшими 500 километров в час.
Из механики известно, что мощность, необходимая для обеспечения движения самолета, равна произведению силы тяги на его скорость. Таким образом, мощность растет пропорционально кубу скорости. Следовательно, чтобы увеличить скорость полета винтомоторного самолета в два раза необходимо повысить мощность его двигателей в восемь раз. Это ведет