Введение. Важнейшие этапы развития авиационной техники
Авиация (от латинского слова аvis – птица) – это область деятельности по созданию и применению летательных аппаратов тяжелее воздуха в околоземном пространстве. К числу таких аппаратов относятся планеры, самолеты, вертолеты, ракеты, и др.
Аппараты, которые тяжелее воздуха, передвигаются в атмосфере за счет того, что при их движении создается подъемная сила.
Аэродинамика — раздел аэромеханики, в котором изучаются законы движения газа (например, воздуха) и сил, возникающих на поверхности обтекаемого газом тела. Данная наука сформировалась в начале XX в. в связи с развитием авиации. Основными задачами аэродинамики являются — определение сил, действующих на обтекаемое газом тело, распределение давления на его поверхности и скоростей движения в газе, его обтекающем.
Самолет — летательный аппарат тяжелее воздуха для полетов в атмосфере с помощью силовой установки и крыльев (в ряде случаев с изменяемой геометрией). Различают виды самолетов — гражданские, военные, винтовые, реактивные, поршневые, турбовинтовые, турбореактивные, ракетные, до-, сверх-, гиперзвуковые, сухопутные, корабельные, гидросамолеты; вертикального, короткого, обычного взлета и посадки; экспериментальные, опытные, серийные.
Первые попытки летать
Мечты и первые опыты полетов. Еще на заре человечества люди стремились летать, но поскольку они не умели этого делать, то желание переходило в мечты, превращаясь в сказания и мифы, Способностью и умением летать человек наделял богов, волшебников, умельцев, героев. Он видел, что с помощью крыльев летают птицы, насекомые, и он добавляет крылья персонажам своих легенд. Люди видели, как переносятся ветром плоские предметы, и появляется идея о ковре-самолете.
|
|
Вместе с тем, многие сказки, кроме поэзии идеи, содержат и информацию о творческом труде мастеров далекого прошлого, пытавшихся и тогда осуществить на деле мечту о полетах.
Известно, что в прекрасном мифе о греческом строителе Дедале и его сыне Икаре есть довольно подробные описания конструкции крыльев, с помощью которых они полетели с острова Крит к себе на Родину – в Афины. Оказывается, Дедал знал, какие размеры и какую кривизну должно иметь крыло, как прикрепить воском к каркасу перья птиц, как начать полет с возвышенного места.
Дедал · внук афинского царя Эрехфея и сын Метиона (Plat. Jon. 533 a), по другой версии, сын Эвпалма и внук Метиона (Apollod. III 15. 8). Изобретатель столярных инструментов и мастерства, искуснейший архитектор и скульптор (Дедал - букв. "искусный"). Он жил в Афинах, откуда ему пришлось бежать после того, как он сбросил с акрополя своего ученика и племянника Талоса (у Гигина - имя племянника Пердикс; Hyg. Fab. 39), чьё мастерство вызывало зависть Дедала.
Признанный виновным в ареопаге, Дедал после осуждения бежал на Крит к царю Миносу (Apollod. III 15, 9). На Крите Дедал построил по поручению Миноса лабиринт для чудовищного Минотавра, рождённого женой Миноса Пасифаей от быка. Ариадне он устроил площадку для плясок (Ноm. Il. XVIII 590 след.). Дедал помог Ариадне освободить из лабиринта Тесея: найти выход с помощью клубка ниток (Verg. Aen. VI 37 - 30). Узнав о его пособничестве бегству Тесея и его спутников, Минос заключил Дедала вместе с сыном Икаром в лабиринт, откуда их освободила Пасифая (Hyg. Fab. 40). Сделав крылья (склеив перья воском], Дедал вместе с сыном улетели с острова. Икар, поднявшись слишком высоко, упал в море, так как солнечный жар растопил воск. Оплакав сына, Дедал добрался в сицилийский город Камик к царю Кокалу (Ovid. Met. VIII 152 - 262). Минос, преследуя Дедала, прибыл ко двору Кокала и решил хитростью выманить Дедала. Он показал царю раковину, в которую надо было продеть нитку. Кокал попросил Дедала это сделать, тот привязал нить к муравью, который, забравшись внутрь, протянул за собой нитку в спираль раковины. Минос догадался, что Дедал находится у Кокала, и потребовал выдать мастера. Кокал пообещал это сделать, но предложил Миносу искупаться в ванне; там его погубили дочери Кокала, облив кипящей водой (Apollod. epit. I 13). Дедал же провёл остаток жизни на Сицилии.
|
|
Миф о Дедале характерен для периода поздней классической мифологии, когда выдвигаются герои, утверждающие себя не силой и оружием, а находчивостью и мастерством.
РАЗВИТИЕ ИДЕИ КРЫЛАТОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА В ПЕРИОД ДО КОНЦА XVIII в.
Еще в глубокой древности люди осознали, что для осуществления полета необходимы крылья. Эта мысль, возникшая в результате наблюдения за птицами, прослеживается в легендах и мифах разных народов.
Со временем у человека возникло желание осуществить мечту о полете. Путь достижения этого казался очевидным - необходимо сделать искусственные крылья по образу птичьих, прикрепить их к рукам и, подражая маховым движениям птиц, подняться в воздух. Материалы для изготовления крыльев - прутья, ремни, перья -были доступны древнему человеку и попытки полета "по-птичьему" предпринимались, по-видимому, еще до нашей эры (1). Первое дошедшее до нас письменное свидетельство об испытаниях искусственных крыльев содержится в китайской рукописи "Цяньханьшу" ("История ранней династии Хань"), датируемой I в.н.э.
|
|
Невозможность оторваться от земли с помощью искусственных крыльев породила попытки полета после прыжка с высоты. Такие события имели место в арабских странах (бен Фиранс, около 875 г., ал-Джаухари, 1003 г,, в Англии (Элимер, начало XI в.), в Византии (1162 г.). Есть упоминание о применении искусственных крыльев и у славянских народов. В рукописи Даниила Заточника (XIII в.) отмечается: "Иные, вскочив на коня, скачут по ристалищу, рискую жизнью, а иные слетают с церкви или с высокого дома на шелковых крыльях...".
Первое документальное свидетельство о попытке полета на крыльях в России относится к 1695 г. Неизвестный изобретатель заявил царским сановникам в Москве, что он, сделав крылья, "станет летать, как журавль". Получив из царской казны 18 рублей, он изготовил крылья сначала из слюды, потом из кожи, но, как сильно ни пытался махать ими, не смог оторваться от земли ни на сантиметр.
В 1901 г. в журнале "Россия" (╧ 889) была опубликована рукопись А.И.Сулукадзева "О воздушном летании в России", написанная в 1819 г. Она содержит новые упоминания о попытках полетов в России в конце XVII и XVIII вв. на искусственных крыльях, а также сообщение о подъеме человека на воздушном шаре в Рязани в 1731 г.. Однако первоисточников сообщений, на которые ссылается Сулукадзев, не удалось обнаружить и, учитывая, что автор рукописи печально известен как фальсификатор некоторых исторических документов, нельзя рассматривать рукопись как источник по истории авиации.
В качестве материала для крыльев наряду с традиционными перьями (2) использовались также ткань, кожа, дерево. Как правило, попытки полета оканчивались падением и гибелью или увечьем испытателя.
Следует отметить, что еще в период Средневековья возникла мысль о необходимости хвостового оперения для полета. Так, по словам английского средневекового летописца, Элимер объяснял причину своей неудачи тем, что он "забыл присоединить хвост, как у птицы". Аналогичную мысль приписывают также бен Фирнасу.
(1) По мнению некоторых историков авиации,в основе легенды об Икаре и Дедале и предания о полетах английского короля Бладуда лежат реальные события.
(2) То, что многие энтузиасты полета использовали перья птиц при изготовлении крыльев, а также нередко покрывали все тело перьями, не является лишь наивной попыткой во всем подражать природе. Согласно воззрениям средневековой науки, базирующейся на учении Аристотеля, воздух, содержащийся внутри перьев, "облегчает" птицу, помогает полету.
Первые искусственные крылья являлись лишь придатком естественных органов человека. С развитием науки и техники появились проекты более сложных крылатых летательных аппаратов. В отличие от идеи "человека-птицы" в этих проектах предлагалась, скорее, "летающая повозка", упоминавшаяся еще в древних мифах Греции, Китая, Индии. Человек, располагаясь внутри аппарата, должен был с помощью передаточного механизма приводить в движение крылья. При этом предполагалось, что с помощью системы рычагов человеку удастся повысить эффективность своих мускулов и осуществить, наконец, долгожданный полет. (1)
Впервые идея летательной машины с машущими крыльями была высказана в общей форме английским ученым Р.Бэконом в середине XIII в. в труде "О тайных вещах в искусстве и природе" (опубликован в 1542 г.). Бэкон писал: "Можно построить машины, сидя в которых, человек, вращая приспособление, приводящее в движение искусственные крылья, заставлял бы ударять их по воздуху, подобно птичьим".
Два века спустя идея крылатого летательного аппарата привлекла внимание Леонардо да Винчи. В отличие от Бэкона, Леонардо да Винчи детально проработал проекты нескольких типов орнитоптеров - с лежачим положением летчика (1485-1487 гг.), орнитоптер-лодку (ок. 1487 г.), с вертикальным расположением летчика (1495-1497 гг.) и др.. При разработке этих летательных аппаратов ученый выдвинул ряд замечательных конструктивных идей: фюзеляж в виде лодки (рис. 1.1), поворотное хвостовое оперение, убирающееся шасси. Стремясь повысить мощность взмахов крыльев, Леонардо да Винчи предполагал, наряду с силой рук, использовать и силу ног человека, а также разработал проект орнитоптера, в качестве источника энергии которого должен был использоваться натянутый лук.
Рис. 1.1. Орнитоптер с фюзеляжем в форме лодки. Рисунок Леонардо Да Винчи.
Тщательное изучение механизма полета птиц натолкнуло Леонардо да Винчи на верную мысль о том, что основная тяга создается концевыми частями крыла. По-видимому, в результате этого появился проект орнитоптера с крылом, состоящим из двух шарнирно соединенных частей - более подвижных консолей и ограниченно подвижного центроплана (1497-1500 гг.). Взмахи долж ны были осуществляться законцовками, составляющими около половины общей площади крыла.
(1) В действительности с помощью рычажной передачи можно получить выигрыш в силе, но не в мощности.
Проект машины с частично фиксированным крылом явился первым шагом в зарождении концепции самолета. Однако эта и другие замечательные идеи Леонардо да Винчи в области теории и практики механического полета остались на много веков захороненными в его рукописях и получили широкую известность лишь в конце ХIХв., когда они уже не могли дать ничего нового для развития авиации. (1)
Идея орнитоптера-мускулолета достигла апогея технической изощренности в проекте так называемой "польской машины", разработанном в 1647 г. итальянским изобретателем Т.Бураттини, служившим при дворе польского короля [165]. Предполагалось, что аппарат будет иметь четыре пары подвижных крыльев: две пары, движимые в вертикальной плоскости, предназначались для поддержания машины в воздухе, среднее крыло, наряду с поддержкой, должно было обеспечить и горизонтальное перемещение, а расположенное впереди крылышко служило исключительно для создания горизонтальной тяги. (2) Крылья предполагалось приводить в движение с помощью системы рычагов силою двух человек. При холостом ходе (вверх или вперед) площадь машущих поверхностей должна была уменьшаться для предотвращения непроизводительной потери сил. Для обеспечения безопасности приземления в случае поломки какого-либо крыла предусматривался парашют, раскрываемый с помощью пружин. Интересно отметить, что Бураттини предусматривал даже возможность "слепого" полета: "... (машина) может летать также ночью с помощью компаса".
Работы по созданию "польской машины" ограничились испытанием ее модели, управляемой с помощью шнура. Несмотря на ряд интересных технических идей, проект Бураттини не позволял разрешить проблему полета человека из-за ошибочности самого принципа использования машущего крыла.
Наряду с машущим полетом, требующим больших энергетических затрат, природа подсказывала человеку способ перемещения по воздуху без каких-либо видимых усилий - парение и планирование птиц.
Полет птиц с неподвижно распростертыми крыльями привлек внимание людей еще в глубокой древности. Китайский мыслитель IV в. Го Хун в работе "Бао пу цзы" ("Книга учителя, хранящего единство") писал:"... коршун поднимается выше и выше по спирали, а затем ему надо только вытянуть два крыла, не ударяя больше ими по воздуху, чтобы он двигался вперед сам по себе.
Большое внимание изучению полета птиц с неподвижными крыльями уделял Леонардо да Винчи. Ученый объяснял такой полет взаимодействием с ветром: "...когда птица находится в ветре, она может держаться на нем без взмахов крыльями, ибо ту же роль, которую при неподвижном воздухе крыло выполняет в отношении воздуха, выполняет движущийся воздух в отношении крыльев при неподвижных крыльях".
(1) Несколько рисунков летательных аппаратов, предложенных Л. да Винчи, были включены в малоизвестную работу Gerli "Desegni di Leonardo da Vinci" (1793 г.). Выход книги совпал с бурным развитием воздухоплавания, и работы Леонардо в области летательных аппаратов тяжелее воздуха расценивались в то время как курьез.
(2) В ряде работ по истории авиации отмечалось, что крылья, предназначенные для поддержания аппарата в воздухе, должны были быть выполнены неподвижными и создавать подъемную силу за счет взаимодействия с набегающим потоком, т.е. работать как крыло самолета. Исследования последних лет опровергают это утверждение.
Анализируя механизм образования силы, поддерживающей птицу в воздухе при полете с распростертыми после взмаха крыльями, Леонардо да Винчи отмечал: "...когда... импульс возник, рука (так ученый называл часть крыла между концевыми перьями и корпусом птицы. - Д.С.)...будучи наклонной, делает из воздуха, на котором находится, как бы клин, на котором крылу удается подняться. И если бы движение птицы происходило не так, то в то время, когда крыло движется вперед, птица опустилась бы в направлении истощающегося импульса". Исходя из этого он сформулировал условия горизонтального полета: "...птица располагает крылья под таким наклоном, что ударяющий ее снизу ветер не образует с ними клина такого свойства, который способен был бы ее поднять; но, тем не менее, поднимает ее как раз настолько, насколько тяжесть ее хотела бы опуститься, а так как равные вещи не одолевают одна другую, то эта птица остается на месте, не поднимаясь и не опускаясь". Ученый отмечал также влияние величины площади крыльев и хвоста на полет и пришел к заключению, что чем больше эта величина, тем медленнее спуск птицы. Наблюдения за полетом птиц с неподвижно распростертыми крыльями позволили Леонардо да Винчи сформулировать принцип аэродинамического способа управления (изменение положения центра давления относительно центра тяжести), прийти к выводу о необходимости низкого расположения центра тяжести для лучшей устойчивости в полете.
Размышления Леонардо да Винчи о механике планирующего полета птиц не привели к созданию летательного аппарата с полностью неподвижным крылом -планера или самолета, хотя анализ его творчества показывает, что в последние годы жизни ученый был близок к этому. Он начал понимать, что у человека не хватит сил удержать себя в воздухе взмахами крыльев. Основываясь на разработанном им принципе обратимости движения, Леонардо приходит к выводу: не человек должен крыльями отталкивать воздух, а ветер должен ударять в крылья и нести их в воздухе, как движет он парусный корабль. Пилоту летательной машины необходимо будет только балансировать с помощью небольших перемещений крыльев. "Не нужно много силы, чтобы поддерживать себя и балансировать на своих крыльях и направлять их на путь ветров и управлять своим курсом, для этого достаточно небольших движений крыльями", - писал Леонардо да Винчи в 1505 г.
Опираясь на разработанную им концепцию, ученый задумал создать новый тип летательного аппарата для полетов с помощью ветра. Леонардо не оставил чертежей или технических описаний этой машины. Однако ясно, что она должна была принципиально отличаться от орнитоптеров прежних лет. По мнению итальянского историка авиации и исследователя творческого наследия Леонардо да Винчи Р.Джиакомелли, это мог быть моноплан-парасоль без хвостового оперения с размахом крыльев приблизительно 18 м, предназначенный для полетов в восходящих потоках воздуха. Крылья были подвижные, но по сравнению с предшествующими проектами подвижность их была весьма ограничена и служила только для балансировки в полете.
Пилотируемая "искусственная птица" должна была взлететь с вершины горы в окрестностях Флоренции и, подхваченная вертикальными потоками, подняться в воздух. Загруженный многочисленными работами, Леонардо не смог приступить к осуществлению этой идеи.
Позднее ученый начал думать о движении по воздуху с помощью полностью неподвижного крыла. В рукописи G (л. 74 об.), хранящейся в Институте Франции в Париже, имеется малоизвестный рисунок, датируемый 1510-1515 гг. На рисунке изображен человек, спускающийся по воздуху с помощью плоской поверхности (рис. 1.2.) и имеется указание о способе управления спуском: "Этот (человек) будет двигаться направо, если он согнет правую руку и распрямит левую; и будет затем двигаться справа налево при перемене положения рук". Идея данного летательного аппарата, представляющего собой примитивный управляемый парашют, возникла, по-видимому, в результате наблюдения за падением тел (возможно, листа бумаги) в воздухе.
Рис. 1.2. Управляемый парашют. Рисунок Леонардо Да Винчи
Мысль о возможности полета человека по образу планирующих птиц была опубликована почти полтора столетия спустя после смерти Леонардо да Винчи в работе английского ученого Д.Уилкинза. Он рекомендовал начинать тренировки планирующего полета с бега по земле с прикрепленными к телу крыльями, отмечая, что одному из его соотечественников якобы удавалось таким образом совершать прыжки дальностью в 10 ярдов (9,1 м).
Призыв Уилкинза не был услышан современниками, и мы не располагаем достоверными сведениями о попытках планирования вплоть до XIX в. (1)
Примером летательного аппарата с неподвижным крылом являлся также воздушный змей. Это устройство, представляющее собой поверхность, удерживаемую в воздухе под действием трех сил - ветра, веса и натяжения нити, впервые появилось в Китае. Дата изобретения воздушного змея точно не установлена. Большинство исследователей считают, что он появился еще в IV-II вв. до н.э., связывая изобретения воздушного змея с именами Мо Цзы, Гун Шубаня или Хань Синя.
Китайские воздушные змеи представляли собой плоскую раму из бамбука, обтянутую бумагой (на первых змеях вместо бумаги использовались и другие материалы - дерево или ткань). Нередко им придавался облик птиц или сказочных животных (рис. 1.3). Эти привязные летательные аппараты использовались для военной сигнализации, а также для развлечений во время праздников.
(1) Некоторые историки авиации считают, что первые полеты с использованием неподвижного крыла были выполнены еще в XI-XIII вв. (Элимер в Англии, неизвестные в Византии и на Руси). Действительно, средневековый уровень техники позволял создавать летательные аппараты типа планеров. Однако в описании указанных событий не содержится сведений об использовании неподвижного крыла. Следует отметить, что применение такого крыла противоречило бы господствующей в эти годы идеи подражания машущему полету птиц, как единственно возможному способу полета.
Рис 1.3. Запуски воздушных змеев в Древнем Китае
Из Китая воздушный змей распространился в другие страны Восточной Азии, Индию и на острова Океании. В арабской "Книге животных", написанной в IX в., говорится о запусках воздушных змеев у арабов.
Первые сведения о применении плоского воздушного змея в Европе относятся к XV в.. Благодаря простоте конструкции этот тип воздушного змея быстро вытеснил змей в виде полой оболочки, известный еще во времена Древнеримской империи и используемый как военный "штандарт". Последний, в отличие от плоского змея, не имел поверхностей, создающих подъемную силу, и не оказал какого-либо влияния на развитие идеи крылатого летательного аппарата.
Существуют различные гипотезы о генезисе воздушного змея в Европе. Большинство историков авиации полагает, что сведения об этом летательном аппарате были получены непосредственно из Китая через португальских мореплавателей или заимствованы от арабов. Наряду с этим существует версия о независимом изобретении плоского воздушного змея в Европе.
Рис.1.4. Изображение воздушного змея в английской книге XVII в. "Mysteries of Nature and Art"
В XVII в. плоский воздушный змей получил широкое распространение в европейских странах. Судя по описаниям и иллюстрациям в книгах этого периода (рис. 1.4), он имел ромбовидную форму, был снабжен нитевидным хвостом для улучшения путевой устойчивой и мало отличался от современных воздушных змеев. Наряду с его использованием как средства для пиротехнических забав, воздушный змей все чаще применялся в качестве детской игрушки.
Нередко при запусках воздушного змея к нему присоединяли какой-либо предмет (горящий фонарь, пороховой заряд) или животных. По-видимому, данная практика натолкнула на мысль, что при достаточно больших размерах (или использовании связки воздушных змеев) этот летательный аппарат способен поднять в воздух человека.
Первое известное нам предложение об использовании воздушных змеев для подъема человека относится к IV в. Уже упоминавшийся ранее Го Хун считал, что с помощью связки воздушных змеев можно "...встретить ветер, оседлать его и не останавливаясь, подняться на высоту 40 ли" (около 200 км). По данным китайского источника XI в. "Цзы чжи тун цзянь" ("Всеобъемлющее зеркало истории"), полеты человека на воздушном змее происходили в Китае еще в середине VIB. Из-за большой опасности таких экспериментов в качестве "летчиков" использовались осужденные на смерть преступники или военнопленные.
Подъем человека на воздушном змее наблюдал в Китае итальянский путешественник XIII в. М.Поло. Он писал: "...рама (воздушный змей. - Д.С.) представляет собой решетку из ивовых прутьев, к каждому углу и стороне рамы привязывают нити, всего восемь, все они прикреплены другими концами к длинной веревке. Затем найдут слабоумного или пьяницу и привяжут его к раме, т.к. ни один здравомыслящий человек не стал бы подвергать себя такой опасности. Это делается в сильный ветер, затем змей отпускают во власть ветра и он поднимает раму и поддерживает ее наверху, а люди держат ее за веревку. Если... рама наклоняется в сторону ветра, они подтягивают веревку и, когда рама выпрямится, отпускают ее, и рама поднимается выше... Так можно поднять ее на такую высоту, что она не будет видна, если только веревка будет достаточно длинная".
Существует легенда, что примерно в 1500 г. китайский генерал Ван-Ху установил на воздушном змее пороховые ракеты и попытался совершить полет на своем "реактивном самолете", но ракеты взорвались и экспериментатор погиб.
С технической точки зрения создание описанного аппарата было возможно, так как и воздушный змей, и пороховая ракета были известны в средневековом Китае. Однако в связи с отсутствием документов, подтверждающих данное событие, оно не может рассматриваться как исторический факт. Не случайно крупнейший историк науки и техники Китая Д.Нидам в своем многотомном исследовании вообще не упомянул о нем.
Весьма вероятно, что полеты человека на воздушном змее в рассматриваемый период происходили также в Японии. В Европе до XIX в. подъемы на воздушном змее не практиковались, хотя мысль об использовании этого летательного аппарата для подъема человека в воздух впервые была высказана европейцем в 1646 г.
Таким образом, несмотря на отдельные предложения, идея безмоторного летательного аппарата с неподвижным крылом - единственно возможного в рассматриваемый период средства полета человека - не получила распространения. Отсутствие теории полета с помощью неподвижного крыла привело некоторых исследователей к заблуждению, что планирующий полет вообще невозможен, а парящая или планирующая птица поддерживает себя в воздухе благодаря небольшим и чрезвычайно быстрым, незаметным для глаза взмахам крыльями. Однако основной причиной игнорирования воздушного змея и планера как потенциальных летательных аппаратов было то, что полет с помощью этих средств не соответствовал мечте о свободном, как у птиц, перемещении по воздуху. Человек хотел разрушить проблему полета сразу, целиком, а не довольствоваться отдельными этапами ее достижения. Этот максимализм вновь и вновь заставлял обращаться к попыткам подражания машущему полету.
Научное обоснование бесплодности попыток полета с помощью орнитоптеров-мускулолетов было дано в конце XVII в. представителями экспериментальной науки Д.Борелли и Р.Гуком. Исследования ученых показали, что весовые и энергетические характеристики человека существенно отличаются от аналогичных параметров птицы и мощность человека совершенно недостаточна для подъема в воздух с помощью искусственных крыльев. (1) Вследствие этого Гук высказал мысль о необходимости для полета более мощных "искусственных мускулов".
Энергетика рассматриваемого периода не располагала пригодными для авиации "искусственными мускулами". Принцип аккумулирования механической энергии (лук, пружина) позволял получить импульс, достаточный для подъема аппарата в воздух, но такой полет был очень кратковременным и не представлял практического интереса. В 1648 г. Д.Уилкинз высказал идею использования энергии пара на летательном аппарате, однако первые пароатмосферные машины по своим весовым характеристикам были, конечно, абсолютно непригодными для этих целей. Попытка создать легкий поршневой двигатель, работающий от взрывов пороховых зарядов (Х.Гюйгенс, 1673 г., не увенчалась успехом.
Таким образом, выводы ученых доказывали невозможность полета с помощью искусственных крыльев, приводимых в движение человеком. Это привело к заметному уменьшению числа попыток подражания машущему полету птиц. По данным К.Харта, в 1580-1679гг. таких событий насчитывалось 14, а в последующие сто лет имели место только 7 попыток полета "по-птичьему".
Кризис идеи "чистого" орнитоптера вызвал мысль о применении наряду с подвижной поверхностью неподвижной (типа парашюта или воздушного змея). Благодаря этому предполагалось замедлить снижение аппарата и тем самым облегчить требуемую для полета работу.
Мысль о применении наряду с подвижными частями неподвижной аэродинамической поверхности явилась основополагающим моментом в развитии идеи самолета.
(1) Опыты, проведенные в XIX в. Я.Дегеном и О.Лилиенталем, показали, что при максимальном напряжении сил человек с помощью машущих крыльев способен уравновесить в воздухе около половины своего веса.
Рис. 1.5. Проект летательного аппарата с неподвижным крылом и винтовыми пропеллерами. Рисунок Х.Гюйгенса
Летательный аппарат, снабженный неподвижной несущей поверхностью и пропеллером, впервые был предложен выдающимся голландским ученым-механиком Х.Гюйгенсом. На рисунке, помещенном в собрании его трудов и датированном приблизительно 1689 г., изображена по существу модель самолета с двумя пропеллерами и двигателем в виде закрученных жил животных (рис. 1.5).
Следует особо остановиться на разработанном Гюйгенсом типе пропеллера. Это было первое технически грамотное предложение об использовании воздушного винта на крылатом летательном аппарате (1). Применение двух воздушных винтов, вращающихся в противоположных направлениях, обеспечивало устранение реактивного момента в полете. По форме они резко отличались от пропеллера в виде архимедова винта, предложенного Леонардо да Винчи в проекте вертолета, и напоминали крылья ветряных мельниц, широко распространенных на родине Гюйгенса. Известно, что изобретатель занимался исследованием таких мельниц, и, очевидно, именно они послужили прообразом при разработке движителя его летательного аппарата.
Мы не располагаем сведениями о постройке и испытаниях этого летательного аппарата. Очевидно, они были бы неуспешны из-за низкой энергетической эффективности двигателя, недостаточного размаха крыла, путевой и продольной неустойчивости. Но, несмотря на это, малоизвестный рисунок Гюйгенса являет собой выдающееся техническое предвидение, более чем на век опередившее развитие идеи самолета.
Рис. 1.6. "Воздушный корабль" Б.Гусмау
(1) В китайской "Книге гор и морей" ("Шаньхайцзун"), изданной в 1667 г., имеется изображение фантастической крылатой повозки, движимой по воздуху с помощью пропеллеров, установленных вместо колес. В отличие от Гюйгенса, китайский художник не осознавал принцип действия воздуш-юго винта, так как на рисунке пропеллеры вращаются в плоскости, параллельной направлению движения.
Широкую известность получил проект "воздушного корабля" 1709 г. (рис. 1.6). Автором этого, в общем-то весьма нелепого проекта являлся португальский изобретатель Б.Гусмао. Отличительной чертой предлагаемого летательного аппарата было наличие горизонтально натянутого паруса (А). По аналогии с морскими парусными судами предполагалось использовать силу ветра, который, пройдя через специальные изогнутые поверхности (С), должен был ударять в парус снизу, обеспечивая этим подъем аппарата в воздух.
Рис. 1.7. Проект летательного аппарата Э.Сведенборга. Рисунок из рукописи Сведенборга и реконстукция.
В отличие от рисунка Х.Гюйгенса изображение летательного аппарата Гусмао нельзя рассматривать даже как отдаленный прообраз самолета (1). Однако, по мнению некоторых историков авиации, этот проект оказал влияние на дальнейшие работы по аппаратам с неподвижным крылом, в частности на проект шведского философа и естествоиспытателя Э.Сведенборга.
Летательный аппарат, проект которого Э.Сведенборг опубликовал в 1716 г. (рис. 1.7), в отличие от "воздушного корабля" Гусмао должен был иметь жесткую неподвижную поверхность, предназначенную для образования подъемной силы при взаимодействии с набегающим потоком воздуха, т.е. выполняющую те же функции, что и крыло самолета. В описании своего проекта Сведенборг отмечал: "Уже имеются необходимые доказательства и примеры природы, что такой полет (с помощью неподвижного крыла. -Д.С.) возможен без опасности: так, например, птицы... плавают в воздухе, и, опираясь всем своим весом на неподвижные крылья, движутся несколько минут. В воздушном змее, сделанном из дерева и бумаги, мы видим аналогичные свойства, в силу которых он держится в воздухе без малейшего снижения" [.
Для подъема и перемещения аппарата в воздухе предполагалось применить подвижные поверхности в форме крыльев, приводимые в движение человеком. При этом Сведенборг справедливо указывал, что "... если парус (крыло. - Д.С.) будет достаточно велик, чтобы захватывать большой объем и количество воздуха, и будет обеспечен баланс, чтобы удерживать парус горизонтально, тогда потребуется очень небольшая мощность для перемещения машины". Однако ученый осознавал недостаточную энерговооруженность своего летательного аппарата и отмечал, что при старте было бы желательно, чтобы его короткое время тянули с помощью веревки.
(1) Существует гипотеза, что рисунок гравера неточен и в самом проекте предлагался значительно более совершенный аппарат типа планера. Вместе с тем, имеется предположение,что на рисунке изображен не летательный аппарат тяжелее воздуха, а гондола аэростата (известно, что Гусмао проводил опыты с моделями аппаратов легче воздуха). Однако обе версии не имеют надежных доказательств.
Расчетный вес аппарата Сведенборга составлял 180 кг (вместе с человеком), площадь крыла - 195 м2, удлинение - около 0,75. Основные материалы - дерево и полотно.
Рис. 1.8. Проект летательного аппарата М. Бауэра. Оригинальный рисунок и реконстукция. На чертеже пропеллирующие поверхности (7) условно показаны повернутыми на 90 град.
В проекте Сведенборга были предусмотрены многие конструктивные особенности, применяющиеся на самолетах: несущая поверхность с искривленным профилем (по-видимому, кривизна крыла бессознательно копировалась у птиц), ортогональный силовой набор крыла, колесное шасси, руль направления (на рисунке не показан). Для достижения устойчивости в полете снизу к крылу должен был быть подвешен груз.
В целом проект Сведенборга явился заметным шагом в развитии идеи самолета, хотя из-за отсутствия подходящего двигателя и недостатков аэродинамической компоновки полет такого летательного аппарата был невозможен. Несовершенство своего аппарата понимал и сам изобретатель. Он писал: "Легче говорить о такой машине, чем построить ее и поднять в воздух, т.к. требуется большая мощность и меньший вес, чем у человеческого организма... Возможно, пройдет время, когда кто-либо сможет узнать, как лучше использовать наш рисунок, и будут сделаны некоторые дополнения к нему, тогда можно будет выполнить то, что мы только предлагаем".
Еще один проект мускулолета, снабженного неподвижным крылом, был разработан в Германии в 1763 г. Автор проекта М.Бауэр так описывал свое изобретение: "Материалы, из которых я могу сделать аппарат, - еловое дерево, шелк и медная проволока... Над головой человека будет простираться плоскость, напоминающая два распрямленных крыла птицы, каждое из них имеет 7 локтей [4,8 м ] в длину и 5 [3,4 м ] - в ширину, но вместо перьев на дерево и проволоку прикрепляется шелк или бумага. Таким образом, с помощью плоскости весь аппарат с человеком может парить в воздухе, потому что благодаря другим подвижным крыльям, приводящимся в движение руками человека, он способен подняться в воздух, т.к. если махать прикрепленными к рукам крыльями, то аппарат, стоящий на двух больших, но легких колесах, начнет двигаться вперед... И когда человек, который стоит на аппарате, сильно машет крыльями, аппарат так быстро движется на своих колесах, что поднимается на поддерживающей плоскости в воздух и парит, как птица, с распрямленными крыльями".
Из этого описания, а также из чертежей, сделанных Бауэром (рис. 1.8), следует, что по конструкции данный летательный аппарат заметно отличался от аппарата, предложенного Сведенборгом. В частности, крыло мускулолета Бауэра имело форму прямоугольника с удлинением около 3, поддерживалось системой проволочных расчалок, прикрепленных к корпусу аппарата и к четырем мачтам, и весьма напоминало несущую поверхность некоторых самолетов конца XIX- начала XX вв. Однако главным отличием было существование отдельного механизма для движения вперед. Оно представляло собой систему из 16 подвижных крыльев, вращающихся относительно поперечной оси аппарата (на рисунке они условно показаны в вертикальной плоскости). Таким образом, проект Бауэра был первым проектом пилотируемого летательного аппарата с неподвижным крылом для создания подъемной силы и пропеллером для образования пропульсивной силы, т.е. по существу являлся проектом самолета-мускулолета.
Для управления предполагалось изменять положение центра тяжести аппарата в полете. Устойчивость должна была достигаться низким расположением центра тяжести и поперечным V крыла ("повозка не может опрокинуться в воздухе, так как она легче кверху. Кроме этого, концы плоскости слегка отогнуты вверх и все тяжелое оказывается ниже ее". Был предусмотрен также вертикальный стабилизатор. Вес всей конструкции, по оценке изобретателя, составлял 20-25 кг.