Наши соотечественники были вовсе не единственными неудачниками, если можно так выразиться. Многие пробовали свои силы в качестве авиаконструкторов и не могли добиться успеха. Среди них были и знаменитости, и люди совсем безвестные. Но все они были одержимы одной мечтой — поднять человека в небо.
Самолет Максима
Примерно в одно время с Можайским над своей конструкцией работал известный английский изобретатель Хайрем Максим. Ему не пришлось выпрашивать денег на свою разработку. Известный пушечный король, создатель первого в мире пулемета, владелец многочисленных заводов и мастерских мог не ограничивать свои расходы. Быть может, поэтому выстроенный им аэроплан оказался размером с... двухэтажный дом. Его должна была поднять в воздух паровая машина мощностью 360 л. с. — как минимум в 10 раз мощнее, чем на самолете Можайского.
Разгонялось это чудище весом в 3,5 т, словно паровоз, по рельсам длиной полкилометра. А чтобы машина не взлетела преждевременно, сверху ее до поры до времени прижимала к земле другая пара рельсов.
Однако такая хитрость не помогла. Во время одного из пробных прогонов верхние рельсы не выдержали давления, сломались, машина Максима подскочила в воздух и тут же рухнула набок.
Подсчитав, что на проект потрачено уже полмиллиона фунтов, а на починку и доведение машины может потребоваться еще столько же, Максим предпочел отказаться от своей затеи и вернулся к производству пушек, пулеметов и прочего вооружения.
"Авион" Адера
И возможно, с точки зрения экономии Максим был прав, поскольку еще один создатель самолета — известный французский инженер Клеман Адер истратил на создание и доведение своих аппаратов еще больше — полтора миллиона франков. Неустанно разрабатывал он одну конструкцию за другой, испытывал их, убеждался, что машина если и может оторваться от земли, то тут же падает на нее снова, принимался за ее модернизацию, а то и создание нового аппарата.
Пожалуй, наиболее удачной можно признать его модель «Авион-III», созданную по заказу военных. Но тут Адеру не повезло. Точнее, он сам не смог удержаться от соблазна побыстрее продемонстрировать свои успехи, не захотел признать, что его машину лучше не испытывать в ветреную погоду. Он решил рискнуть, но...
Когда его «Авион» начал разгоняться по полю, порыв ветра подхватил машину, а она, пролетев несколько десятков метров, тут же рухнула на землю, превратившись в груду обломков. Комиссия молча удалилась, а Адер в отчаянии приказал доломать «Авион», а заодно сокрушил и еще два аппарата, подготовленные к испытаниям.
Отказавшись от постройки летательных аппаратов, Адер вернулся к конструированию автомобилей и других машин. Он дожил до глубокой старости и успел увидеть, как самолеты, построенные другими изобретателями, стали постепенно завоевывать небо. И наверное, завидовал им...
Опыты Лилиенталя
И Максим, и Адер допустили одну и ту же ошибку. Вместо того чтобы сначала на моделях отработать оптимальные пропорции аппаратов, они пытались решить проблему одним махом.
А вот немецкий изобретатель Отто Лилиенталь работал совершенно иначе. Свои идеи он сначала проверял на моделях, а потом на легких планерах. Он летал на них сам, спрыгивая с высокого обрыва.
Ему принадлежит немало открытий практической авиации. Например, он первым догадался, что крылья должны быть не плоскими, а несколько выгнутыми, выпуклостью вверх. Он научился поддерживать равновесие аппарата в полете, балансируя собственным телом.
Медленно, шаг за шагом, он приближался к образцу, данному природой, — к парящей птице. Со своего холма в Гросслихтерфельде, неподалеку от Берлина, он мог уже совершать полеты в 200—300 м, поднимаясь порой даже выше той точки, откуда стартовал. Лилиенталь держался в воздухе почти по л минуты, и люди приезжали посмотреть «на летающего человека» даже из других стран.
В 1889 году он опубликовал книгу «Полет птиц как основа искусства летать», в которой подвел итоги экспериментов, проведенных вместе с братом Густавом. Число совершенных им полетов перевалило к тому времени уже за две тысячи...
Оставалось, по существу, сделать последний шаг — поставить на планер мотор. Но тут Отто постигло несчастье. В одном из очередных полетов он не смог парировать внезапный порыв ветра, потерял равновесие и, упав с большой высоты, разбился.
Как братья Райт добились своего
Многие люди в разных странах мира скорбели о безвременной гибели этого талантливого человека. Были среди них и братья Райт — Уилбер и Орвилл, сыновья приходского священника, а потом и епископа. Весть о полетах Лилиенталя, его безвременной кончине дошла и к ним, через океан, в небольшой американский городок Дайтон.
Окрестные обыватели рассказывали друг друг, что эти молодые Райты опять что-то затеяли. То они газету выпускали, то велосипеды стали делать, а теперь вот — виданное ли дело?! — начали гонять на этих самых велосипедах, прикрепив в ним крылья.
Братья же, по примеру Лилиенталя, испытывали таким образом планеры собственной конструкции. И, подобрав опытным путем наиболее удачную модель, в 1900 году соорудили собственный полнометражный планер-биплан, на котором стали совершать довольно продолжительные полеты.
Запуск планера осуществлялся так. Несколько рабочих поднимали машину за крылья и, разбежавшись, бросали ее с обрыва. Потом Райты упростили взлет, придумав своеобразную лебедку. Груз, опускающийся с высоты, через блок тянул привязанный к нему планер. Тот разгонялся по коротким рельсам, и, как только оказывался в воздухе, специальное приспособление сбрасывало буксировочный трос с крючка.
За два года братья настолько поднаторели в своем искусстве, что стали летать не только по прямой, но и делали довольно сложные повороты. Пора было ставить на планер мотор, превратив его таким образом в самолет.
На собственной фабрике они изготовили винт и двигатель внутреннего сгорания мощностью 15 л. с. В декабре 1903 года на пустынном пляже в местечке Китти-Хок один из братьев — Орвилл — совершил первый удачный полет, пролетев 36,5 м за 12 секунд.
«Прогрев двигатель несколько минут, я забрался на машину в 10 ч. 35 минут, — отметил в своих записях, датированных 17 декабря 1903 года, Уилбур Райт. — Аппарат тронулся с места, набрал скорость в 7 или 3 миль в час и поднялся в воздух...»
Братья хотели сохранить свои испытания в тайне, постепенно улучшая результаты (в одном из последующих полетов Уилбер пролетел 360 м за 59 секунд). Однако приглашенный ими фотограф не удержался и продал сенсационную фотографию, запечатлевшую первый полет, в газеты.
Братья моментально стали знаменитостями, им не оставалось ничего другого, как сознаться в содеянном. И повторить свои полеты уже публично, сначала в Америке, а потом и в Европе — во Франции и Германии.
Будучи людьми деловыми и практичными, Райты получили патент на свое изобретение и продали его за хорошие деньги военному ведомству. В 1909 году они организовали первую в США фирму «Райт компани» по производству аэропланов. Президентом ее был сначала Уилбер, а когда три года спустя он неожиданно умер от тифа, то его сменил на посту Орвилл.
В 1914 году он продал свои акции, и с 1916 года бывшая семейная фирма вошла в состав корпорации «Райт-Жартин компани», где Орвилл занимал почетный пост консультанта. Он дожил до окончания второй мировой войны, приняв за это время участие в совершенствовании 32 типов летательных аппаратов.
Нет ничего практичней хорошей теории
...Погиб при испытаниях очередной конструкции Лилиенталь. Месяц спустя после успешного начала полетов потерпел аварию самолет братьев Райт; Орвилл отделался синяками, а сидевший рядом пассажир разбился насмерть. Бесчисленное количество раз падал знаменитый бразильский воздухоплаватель, пилот и конструктор Альберто Сантос-Дюмон.
Многочисленные аварии, неудачи с летательными аппаратами заставляли людей задуматься, почему так происходит. Почему птицы летают хорошо, а аэропланы плохо? Пожалуй, лучше других разобрался в причинах неудач профессор прикладной математики Николай Егорович Жуковский.
Впрочем, над созданием новой науки — аэродинамики — потрудился не только он один.
Все течет, все изменяется
Помните, мы с вами говорили о том, что аэростатические летательные аппараты легче воздуха используют закон Архимеда, открытый знаменитым греком в ванне? Так вот, оказывается, первые законы, управляющие полетом аппаратов тяжелее воздуха, тоже были открыты в бассейне, в опытах с жидкостями. И сделал это швейцарец по происхождению, российский академик Даниил Бернулли, занявший эту почетную должность, когда ему было всего-навсего 26 лет от роду.
Из «всех на свете пребывающих тел» наибольший интерес молодого ученого вызывала движущаяся вода. «Месяцев шесть, как приступил к сочинению полного трактата о законах движения воды, — пишет он ученому секретарю академии в 1729 году. — Одна эта работа займет у меня почти день и ночь в продолжение всего времени, которое у меня остается по моему контракту... У меня теперь мысли так заполнены этим предметом, что я весьма бы желал иметь возможность, не отрываясь новыми занятиями, окончить работу так, как она представляется теперь в моем уме».
В своей лаборатории Бернулли проводил бесконечные опыты: заставлял воду течь из отверстий, проделанных в сосудах на разной высоте, по трубам различной толщины и длины. Иногда он устраивал фонтаны, но вовсе не для того, чтобы ими полюбоваться, а чтобы замерить высоту поднимающейся струи, подсчитать скорость движения воды...
Помогали ученому иностранцу русские мастеровые, которые относились к приветливому швейцарцу с должным уважением: редко кто так работает, с утра и до поздней ночи...
По вторникам и пятницам Бернулли ходил на заседания академии, тогда ему приходилось самому докладывать об очередных результатах работы, коллеги узнавали о том заранее — по многочисленным бадьям и трубам, которые притаскивались в зал заседаний.
— Видите, — пояснял Бернулли ход очередного опыта, — вода и в бадье, и в стеклянной трубке, соединенной с нею, стоит на одном уровне. Но стоит открыть сток, как уровень начинает понижаться. Причем в трубке быстрее, чем в самой бадье. Почему?
Ответ на этот вопрос и составил суть закона, который ныне во всем мире зовется по имени открывшего его ученого — закон Бернулли: «С увеличением скорости потока давление его на стенку сосуда или канала уменьшается; и наоборот, давление увеличивается, когда скорость уменьшается».
Подобные рассуждения и составили основу его «Гидродинамики», изданной в 1738 году.
Не знаю, как вам, а мне долгое время не давали покоя два вопроса. Вопрос первый: почему это законы жидкости оказываются зачастую верными и для газа? И вопрос второй: как можно наглядно увидеть закон Бернулли в действии на примере воздушной среды?
На оба эти вопроса нашел ответы мой школьный приятель, заядлый авиамоделист, учившийся двумя классами старше. «Что жидкость, что газ, с точки зрения науки — это тела, своей формы не имеющие, — авторитетно заявил он. — Иное дело — твердое тело; для него и законы иные...»
Закон же Бернулли он пояснил мне, держа в руках лист бумаги.
— Вот я поднимаю листок, держа его за углы, — показал он, — и подую на него. Что произойдет? Наглядно видно, что при увеличении скорости потока листок послушно отклоняется, то есть давление на него вроде бы тоже увеличивается.
— Значит, Бернулли был не прав, утверждая обратное! — обрадовался я.
— Погоди ниспровергать авторитеты,— осадил меня приятель. — Все не так просто. В данном случае поток, наткнувшись на
твердое тело, отдает ему кинетическую энергию своей скорости. Эта энергия и отклоняет лист. Чтобы исключить такую передачу, видоизменим опыт, повернем лист и дунем вдоль него. Теперь энергия скорости практически не передается листку, он стал куда более обтекаем. Так что теперь действуют практически одни давления. И что мы видим? Пока воздух спокоен о обеих сторон листа, он висит отвесно. Но если подуть, скажем, слева от него, то он немедленно отклонится влево же, то есть в сторону струи. Так что Бернулли был прав. Только не надо дуть слишком сильно, — предупредил меня приятель. — А то лист отклонится настолько, что попадает под струю, и тогда снова начнет беспорядочно метаться под действием кинетической энергии скоростного напора.
В заключение рассказа о законе и его авторе добавлю, что действие закона Бернулли одновременно и в жидкости и газе вы можете наглядно увидеть в любой парикмахерской и у себя дома. На его основе работает пульверизатор — прибор для разбрызгивания жидкости воздушной струей. Он состоит из двух трубок — вертикальной (она опущена в жидкость) и горизонтальной (через нее продувается воздух). Когда парикмахер сдавливает резиновую грушу, он приводит в движение воздух в горизонтальной трубке. А чем больше его скорость, тем меньше становится давление в вертикальной трубке, соединенной с горизонтальной под прямым углом. В итоге атмосферное давление выдавливает жидкость в вертикальной трубке вверх, она подхватывается скоростным потоком воздуха и выбрасывается наружу.
Уравнения Эйлера
Заслуга иностранца Бернулли перед российской и мировой наукой заключается еще и в том, что именно по его настоянию Петербургская академия наук пригласила в Россию еще одного швейцарца — Леонарда Эйлера.
Тот прибыл в северную столицу 19 лет от роду. Умер же он в возрасте 77 лет, оставив после себя в качестве наследства 886 научных трудов. При этом надо учесть, что вторую половину жизни ученый работал, будучи практически слепым.
Из-за потери зрения Эйлер не мог, подобно Бернулли, ставить наглядные опыты. Он ставил мысленные эксперименты, прокручивая их в своем мозгу и описывая результаты короткими, емкими строчками математических уравнений.
Эйлер продолжил исследования потока, начатые Бернулли, и создал формулы, по которым можно определить давление и скорость жидкости в любой точке потока, где заданы те или иные граничные условия.
Правда, уравнения Эйлера справедливы для так называемой идеальной жидкости; они не учитывают вязкости, потерь на внутреннее трение и т. д. Но в течение 150 лет и этих формул оказывалось достаточно, чтобы получить представление, как поведет себя поток жидкости или газа в той или иной ситуации.
Так что Н. Е. Жуковскому не пришлось начинать на пустом месте. У него были славные предшественники.
Трудные формулы, без которых еще труднее
Жуковский познакомился с Лилиенталем в 1895 году. Стоя у подножия холма в Гросслихтерфельде, он внимательно следил за всеми движениями парящего, словно птица, спортсмена. Потом Лилиенталь повел российского профессора в специальный ангар, где он держал многочисленные аппараты из ивовых прутьев и парусины — результат долгого наблюдения и инженерного искусства, — и подарил один из них собеседнику. Пусть и в России знают, что человек уже начал покорение воздуха. Скоро он начнет летать свободно и непринужденно, словно птица.
Жуковский принял подарок и по дороге домой долго его рассматривал, время от времени задумчиво покачивая головой. Какие-то не очень веселые мысли одолевали ученого.
— Стоящая громадных денег трехсотсильная машина Максима с ее могучими винтовыми пропеллерами отступает перед скромным ивовым аппаратом немецкого инженера, — сказал он, демонстрируя подарок на одном из заседаний российского Общества любителей естествознания, где было и отделение воздухоплавания. — Потому что первая, несмотря на огромную подъемную силу, не имеет точного управления; вторая же построена на основе опыта и расчетов. Наука позволяет предвидеть будущие неудачи...
У сожалению, ученый несколько преувеличил возможности тогдашних расчетов. Как показала практика, ивовые аппараты все же были еще очень хрупки, чтобы противостоять натиску стихии. Сильный порыв ветра, как мы знаем, сбил Лилиенталя на землю внезапным ударом невидимого воздушного кулака...
Жуковский понимал: стихия потока описана учеными еще недостаточно. Нужно продолжать работу, начатую другими. Нужно объединить законы, ныне еще зачастую порознь описывающие поведение струй воды и потоков воздуха. Надо закладывать фундамент новой, общей науки — гидроаэродинамики.
Н.Е. Жуковский экспериментирует не только с потоками воды, как это делал Бернулли. В 1902 году он сооружает первую в России аэродинамическую трубу. Что ж из того, что эта установка поместилась в лаборатории профессора. Она уже имела все те части, что и нынешние аэродинамические гиганты. (К слову, одна из установок, которую мне довелось видеть в подмосковном городе Жуковском, имеет размеры пятиэтажного дома.)
Итак, первая труба Жуковского представляла собой длинный короб прямоугольного сечения, имевший на одном конце мощный вентилятор, а на другом раструб для всасывания воздуха. Посредине короба сбоку было сделано отверстие, через которое внутрь можно было вводить исследуемый предмет, и оконце для наблюдения. Когда вентилятор начинал работать, воздух по трубе проносился и обтекал твердое тело, как если бы оно неслось в атмосфере с такой же скоростью в неподвижном воздухе.
С помощью этой установки ученый и попытался разобраться в явлениях, которые в свое время интересовали еще гимназиста Жуковского.
Одно из них заключалось в следующем. В юности будущий исследователь, как и многие мальчики, любил запускать воздушных змеев. И еще тогда он обратил внимание, что бумага, даже наклеенная на каркас, под напором ветра непременно выгибается горбом, подобно тому как это делает парус на мачте корабля. Но с парусом все понятно — его заставляет выгибаться кинетическая сила дующего ветра. А вот со змеем деле несколько сложнее.
Чтобы он устойчиво стоял в воздухе, его плоскость должна быть не только выгнута, но еще и расположена под некоторым углом к набегающему потоку. Зачем?
Второй опыт и того проще. Если взять полоску плотной бумаги, поднять ее на уровень собственного роста и выпустить из рук, она очень часто падает вниз, быстро крутясь вокруг продольной оси. Причем падение ее не будет отвесным: какая-то неведомая сила непременно относит вращающуюся полоску в сторону. Какая именно?
Еще вопрос из окружающей жизни. Всем известно, что при порыве ветра зонтик, чтобы его не вывернуло, не поломало, нужно направлять навстречу воздушному потоку, а еще лучше — сразу сложить. Но при какой форме парусность того или иного тела при одинаковой площади будет наибольшей? А при какой наименьшей?
В общем, вопросам несть числа. И вскоре Николай Егорович понимает: чтобы ответить на них, одной трубы в его лаборатории маловато. Нужна более солидная экспериментальная база. Но где взять денег на ее строительство?
И тут ему повезло, если хотите. Один из его студентов, происходивших из известной семьи купцов и предпринимателей Рябушинских, получил большое наследство. И не пожалел выделить из него 100 тыс. рублей — весьма солидную по тем временам сумму — на строительство Аэродинамического института в Кучине. Теперь профессор мог вести исследования уже не в одиночку, а с целым штатом сотрудников. Еще больше появляется добровольных помощников — из числа тех же студентов.
Вот так, всеобщими усилиями, и было выяснено, что шар обладает меньшим сопротивлением, чем куб, а чемпионом обтекаемости является веретено... Что если пластинку поставить под углом к набегаемому потоку, то часть воздушной струи отклонится вниз, подталкивая, согласно закону Ньютона, саму пластинку вверх. Что эта подъемная сила многократно увеличится, если пластинку изогнуть «горбом» кверху, а еще лучше — придать ей особую форму; поперечное сечение такой пластинки становится очень похоже на тело рыбы. И примерно такое же сечение должно иметь лопасти пропеллера, вращающегося в воздушном потоке...
А главное, все эти наблюдения тут же описывались языком формул, учитывающих и удельный вес воздуха, и скорость потока, и площадь пластины... Аэродинамика становилась точной наукой.
Постулаты Чаплыгина
Не надо думать, что на то время, пока ученые размышляют в тиши кабинетов и лабораторий над той или иной проблемой, жизнь в округе замирает. Пока Жуковский разрабатывал основы теории аэродинамики, конструкторы на свой страх и риск, по собственному разумению продолжали строить аэропланы. «Фарманы», «блерио» и другие аппараты, называемые зачастую по фамилии их конструкторов, один за другим продолжают подниматься в небо. И... падать, порою по непонятным для конструктора причинам.
И потому, когда появлялась та или иная научная подсказка, она тут же проверялась на практике. «Статьи прямо-таки рвут из рук», — иногда жаловался Жуковский. Хорошо еще, что появились способные ученики, с которыми можно обсудить те или иные идеи, выявить возможные ошибки исследования раньше, чем его результаты появятся в печати.
Одним из любимых учеников Жуковского был Сергей Алексеевич Чаплыгин, сочетавший в себе острый ум математика с практической сметкой конструктора. И его подход — «рыть туннель быстрее всего с двух концов» — зачастую приносил успех раньше, чем любой другой.
Когда Чаплыгин познакомился с работой Жуковского «О присоединенных вихрях», он тут же обратил внимание на огромные математические трудности, которые ждали каждого, кто хотел бы подсчитать циркуляцию скорости этих самых вихрей вокруг реального крыла. Получался как бы замкнутый круг: чтобы спроектировать хорошее крыло, нужно знать распределение скоростей обтекания вокруг него; узнать же эти скорости проще всего оказывалось, продув в трубе уже готовое крыло...
Чаплыгин предложил поступить так. Во-первых, создать в результате продувок некий типовой набор профилей для крыльев того или иного размера, скорости полета и т. д. и рекомендовать их конструкторам в качестве основы. А с другой стороны, постарался максимально упростить математический аппарат расчетов, приспособив их для конкретных нужд конструктора. Благодаря такому подходу к 1911 году идея создания самолета, способного подняться в воздух, перестала быть неким чудом.
Более того, Чаплыгин сумел рассчитать и те ограничения скорости, угла атаки, нарушать которые было уже опасно: самолет переставал лететь, а начинал просто падать.
А на практике порой случалось так. Очередной «фарман» заходит на посадку. Летчик снижает обороты двигателя, скорость полета уменьшается, летательный аппарат начинает проваливаться вниз. Стремясь удержать машину, летчик «брал ручку на себя», то есть с помощью рычага управления задирал нос самолета, подставляя его крылья под большим углом к потоку (именно этот угол и называется углом атаки). Самолет действительно даже как бы приподнимался, словно взбираясь на крутую горку. А потом вдруг сваливался на хвост, как катится назад неумелый лыжник, взбирающийся на подъем.
Чаплыгин не только разработал точные рекомендации, как избежать подобных случаев на практике, но и предложил оснащать крыло предкрылками и закрылками — дополнительными плоскостями, позволяющими обеспечить достаточную подъемную силу даже при малой скорости полета, позволить совершать взлеты и посадки без особых хлопот.
Такие правила иногда называют постулатами Чаплыгина-Жуковского.