Аэроплан

В 1894 году в журнале «Наука и жизнь» была опубликована статья К.Э. Циолковского «Аэроплан или птицеподобная (авиационная) летательная машина», которая в следующем году была переиздана в виде брошюры [88].

Обратился он к проблемам самолетостроения исключительно потому, что вопрос о летании посредством крыльев был вопросом модным и в нем следовало бы разобраться.

Биографы К.Э. Циолковского придерживаются в оценке предложенного в этой статье проекта аэроплана единодушной положительной позиции. Так, например, А.А. Космодемьянский подчеркнул:

«Разработка цельнометаллического свободнонесущего моноплана с толстым изогнутым крылом есть крупнейшая заслуга Циолковского перед авиацией» [29] [с. 35].

Н.Д. Моисеев называет этот самолет гениальным изобретением [40] [с. 27], по-видимому не имея возможности проанализировать объекты Циолковского по авиации, воздухоплаванию и космонавтике и желая «подсластить» в целом отрицательную оценку его вклада в естествознание и наземные области техники. Он писал, что «общий тип конструкции угадан им блестяще» [40] [с. 22]. Нетрудно, правда, понять, что в этом отзыве хвалебной оказалась лишь форма, поскольку в его основании твердо стоит слово «угадан», т.е. опять речь идет не об инженерно-технической разработке, а о догадке.

Все восторженные суждения о проекте аэроплана К.Э. Циолковского представляются нам, по крайней мере, необъективными. Возникает такое ощущение будто никто из исследователей его так называемого творчества всерьез с этим проектом не только не разобрался, но и не проводил источниковедческий поиск информации об отношении к нему его современников. В противном случае оценки их были бы иными и, видимо, кардинально противоположными.

Прежде всего отметим, что в то время никто не понимал как возникает подъемная сила крыла самолета.

На рис. 4 изображено сечение крыла перпендикулярной плоскостью – его профиль. Нетрудно понять, что поток воздуха, встречаясь с крылом, начинает обтекать его сверху со скоростью V2 и снизу со скоростью V1 Поскольку сверху воздух за то же время проходит более длинный путь (за счет криволинейной формы этого пути), чем снизу, то и V2 будет больше, чем V1. При этом оказывается, что давление потока воздуха на крыло будет тем больше, чем скорость обтекания меньше. Поэтому результирующая давления будет направлена вверх и составит подъемную силу Р, а силы лобового сопротивления Q, препятствующие движению крыла, будут направлены в противоположную движению сторону.

Большинство изобретателей того времени этот процесс представляли себе проще: как давление набегающего потока воздуха на поверхность, расположенной под углом к нему полоской пластинки. К.Э. Циолковский, пытаясь продемонстрировать проявление подъемной силы, обращал внимание на то обстоятельство, что на вязкой почве след ног оказывается менее глубоким при быстром беге, чем при ходьбе или стоянии [88] [с. 4]. Другими словами, он считал, что подъемная сила возникает всякий раз, когда есть поступательное движение, что, конечно же, ошибочно.

Приступая к разработке своего проекта аэроплана, он считал, что лучше всего тут следует подражать, по возможности, птице, как механизму наиболее совершенному [88] [с. 5]. Однако, поскольку в техническом отношении это весьма затруднительно вследствие сложности устройства ее органов (крыльев и хвоста), он решил подражать только парящей птице.

Конструкция его аэроплана (см. рис. 5) по форме напоминала такую птицу, но вместо головы у нее должны были размещаться два пропеллера (гребных винта), вращающиеся в разные стороны. Это техническое решение он, по-видимому, увидел на выставке в Политехническом музее. По крайней мере он знал, что именно так предложено Лэнгли на его модели аэроплана [88] [с. 6].

В примечаниях к работе [88], отмечалось, что «Циолковским была впервые в мировой литературе выдвинута идея применения на самолете соосных воздушных винтов, вращающихся в противоположные стороны» [157] [с. 263]. Однако о соосности он не сказал ни слова. Его предложение о двух винтах было ориентировано на компенсацию кинетического момента, разворачивающего аппарат. Историки тут явно додумали за исторического героя, увидев в его схеме (рис. 5) то, на что он сам не обратил никакого внимания и что из нее (из-за фронтальной плоскости) вовсе и не следовало.

На аэроплане предполагалось разместить бензиновые двигатели внутреннего сгорания, охлаждаемые воздухом. Он знал, что этот способ охлаждения уже применялся на практике. В примечаниях к работе [157] отмечалось, что предложение о применении на самолетах таких двигателей надолго опережает начало фактического их применения [157] [с. 263-264].

Естественно, нашлись и такие «исследователи», которые «осветили» этот намек, прямо указав на приоритет К.Э. Циолковского в предложении об использовании таких двигателей на самолетах. Впрочем, в работе [109] [с. 4] он и сам стал претендовать на этот приоритет (почему бы и нет, если уговаривают «знатоки»). Однако А.Ф. Можайский еще в 1878 году предлагал ставить на самолете одноцилиндровый двигатель внутреннего сгорания системы Брайтона и внимательно следил за их развитием [8] [с. 206]. Вообще эта идея относилась к разряду само собой разумеющихся и искать здесь чей-то приоритет – это значит вульгаризировать историю техники, как науку. Такими двигателями традиционно интересовалось Главное инженерное управление, в ведение которого находились работы по летательным аппаратам [8] [с. 206]. Хвостовое оперение должно было иметь рули высоты и направления, причем он полагал целесообразным, чтобы они для поддержания полета работали в автоматическом режиме, подобно тому, как это «…теперь собираются устраивать на пароходах» [88] [с. 7]. Об этой идее, принадлежавшей Х. Максиму, позже было сделано сообщение в работе [60] [с. 62]. Форму крыла и его расположение на корпусе он предлагал копировать с птиц [88] [с. 17], как это считалось вполне приемлемым в то время. Эта идея, тоже не была научно обоснована.

Корпус должен был быть полностью закрытым. Его форма выбиралась, видимо, в соответствии с представлениями К.Э. Циолковского о форме дирижабля, которые были им получены в ходе изучения сопротивления воздуха.

К.Э. Циолковский написал: «Мы видим еще колеса выдвигающиеся внизу корпуса» [88] [с. 43]. На основе этой фразы некоторые авторы сделали вывод о том, что он предложил идею убирающегося шасси. Однако это не так, поскольку в работе [109] было дано разъяснение: «…6) чуть выдающиеся из корпуса колеса (еще не осуществлено, но шасси делается все ниже и ниже)» [109] [с. 4].

Весь аэроплан должен был изготавливаться из металла (стали, алюминия), но при этом с «уменьшенной плотностью крыльев, которая должна уменьшаться пропорционально увеличению веса снаряда» [88] [с. 28].

Это предложение его не совсем понятно, но представляется достаточно устойчивым, активно обсуждавшимся в этой работе. Он писал: «Не входя в технические подробности, …берем их (т.е. сплавы – Г.С.) для наших крыльев и оставляем за собою способность уменьшать среднюю плотность произвольно, причем допустить, что прочностное сопротивление разрыву вещества уменьшается пропорционально уменьшению плотности» [88] [с. 20].

И далее: «Уменьшение плотности на практике достигают только чрезвычайно искусным построением «рыхлой массы»… Незначительное изменение плотности, конечно, не хитрость, но нелегко разрядить вещество в 100-1000 раз» [88] [с. 20].

Поскольку с увеличением размеров его аэроплана из соображений механического подобия относительная масса крыльев, как он считал, будет все больше возрастать, то средняя плотность крыльев должна уменьшаться пропорционально весу снаряда и в пределе они могут превратиться «в комообразные плохо действующие и невозможные на практике массы» [82] [с. 22-23, пп. N 46, 48].

Он считал, что размеры аэропланов ограничены из-за этих двух противоречивых процессов: с одной стороны, увеличения массы крыльев, а значит, и требований по прочности, и, с другой – падения прочности из-за уменьшения плотности крыльев.

К.Э. Циолковский попытался провести и расчет этого аэроплана. Он исходил из предположения о том, что работа двигателя должна давать два слагаемых силы тяги: f₁ – равная его весу, и f₂ – равная аэродинамическому сопротивлению.

Автор работы [29], с присущей ему добротой, приписал К.Э. Циолковскому авторство в утверждении о том, что «давление на крылья встречного воздуха пропорционально синусу угла отклонения их от направления воздушного потока» [29] [с. 35]. Однако это – недоразумение, поскольку сам К.Э. Циолковский писал о том, что этот закон был открыт до него и многократно подтвержден эмпирически Дачмином (1842 г.), Отто Лилиенталем (1889 г.), Марэем (1890 г) и выведен теоретически лордом Райлеем (1876 г).

Любопытно, что в своих рассуждениях он получил формулу, которую более, чем полвека спустя, вывел В.Ф. Болховитинов, назвав ее уравнением существования самолетов.

К.Э. Циолковский обратил внимание на то, что масса самолета Р равна массе отдельных его систем, т.е. двигателя (Рдв), корпуса (Рк), полезной нагрузки (Рн) и т.д. Тогда можно написать, что Р = Рдв + Рк + Рн …

Если обе части разделить на Р, то получим это уравнение существования:

Мы не понимаем, почему эта формула после публикации книги В.Ф. Болховитинова привлекла к себе большое внимание. Во-первых, она тривиальна, а, во-вторых, ею автоматически пользовался и пользуется каждый конструктор в своей работе, хотя, быть может, и на стихийной основе. Вообще, одна из задач конструктора как раз и состоит в учете различного рода балансов. Например, для космических аппаратов можно составить энергетическое уравнение существования: U = ? Ui

где: U – располагаемая мощность солнечных батарей или аккумуляторов, а в правой части стоит сумма величин энергии, потребляемой различными системами.

Аналогичные уравнения можно составить и для надежности, и для габаритов, и для стоимости.

Вернемся, однако, к расчету самолета К.Э. Циолковского и отметим, что приведенная им формула, касающаяся подъемной силы («нормальная к крылу сила давления встречного воздуха»), была в принципе неверной, поскольку была взята из уже рассмотренной нами работы [101]. Дальнейшее рассмотрение методики этого расчета теряет смысл и мы этим заниматься не будем. Отметим только, что эта формула по нашим оценкам давала значительное превышение величины подъемной силы. В самом деле, расчетная нагрузка на мощность двигателя оказалась у него равной 4,5 кг/л.с. в то время, как у других исследователей эта цифра достигала 28 кг/л.с.

Это было время, заключенное, с одной стороны, созданием самолета А.Ф. Можайским и, с другой стороны, первым полетом братьев Райт в 1903 году. Этот период был наполнен творческим поиском изобретателей различных стран. С 1890 по 1897 год французский инженер К. Адер создал три самолета «Авион», пытаясь осуществить на них пилотируемый полет; в 1894 году самолет английского инженера Х. Максима при испытаниях потерпел аварию. В Германии вел серьезные подготовительные работы по проектированию самолетов инженер О. Лилиенталь, который с 1891 года совершал регулярные полеты на планерах собственной конструкции. В 1896 году начал аналогичные эксперименты с планерами американский профессор О. Шанют.

Перед изобретателями стояли в то время труднейшие задачи, связанные в частности, с выбором правильного профиля и формы крыла, компоновкой аппарата, его центровкой, в проектировании рулей высоты и направления. Ситуация усугублялась еще и отсутствием мощного и легкого двигателя. Каждый килограмм массы был на вес золота. Нечего было и думать, чтобы убирать шасси в полете или делать закрытую кабину.

Вместо того, чтобы попытаться решить хотя бы одно из существовавших в самолетостроении противоречий, он на основе грубой ошибки в вычислении подъемной силы, а также и других, отмечаемых здесь ниже ошибок, предложил совершенно умозрительный проект самолета с десятком пассажиров на борту. При этом он позаимствовал (иногда со ссылками, а иногда и без) отдельные технические решения у зарубежных авторов, объединив их в своем проекте.

После выхода в свет «Аэроплана…» все тот же VII Отдел ИРТО попросил инженера В.М. Катышева написать на этот труд рецензию. 8 мая 1895 года она уже поступила в Отдел.

Отзыв был разгромным и не только по существу, но и, к сожалению, по форме, поскольку рецензент нарушил неписаные правила критики трудов, принятые в науке: обсуждать проблему, а не осуждать автора.

Рецензент прежде всего отметил, что К.Э. Циолковский получил столь благоприятные результаты расчетов, что сам этому удивился. И он далее процитировал К.Э. Циолковского: «Я долго не верил… и все искал в своих формулах ошибок; но, к сожалению, не отыскал их».

«Попробуем помочь в этих поисках г-ну Циолковскому», – продолжил он и тут же отметил еще две грубейшие ошибки.

Из рис. 6, взятого из работы К.Э. Циолковского, следует, что: f₁ = 2 Fcos(i), a y К.Э. Циолковского: f₁ = 2 Fsin(i) (коэффициент равный 2 учитывает два крыла – Г.С.).

Кроме того, он вычислил работу в виде:

f₁V =T₁C_h

где:

V – горизонтальная скорость самолета; C_h – к.п.д. винта; T₁– работа, затрачиваемая на преодоление силы притяжения Земли (рис. 6).

Это уравнение, как писал В. Катышев, «…представляет просто нелепость (выделено им), так как в нем работа представлена из «вертикальной слагающей f₁«, уравновешивающей … «вес» P_v и «горизонтальной скорости снаряда по направлению его длины». В окончательном своем выводе В.М. Катышев отметил:

«Принимая все здесь изложенное во внимание, я пришел к заключению, что весь труд Циолковского требует коренного исправления и в настоящем виде непригоден к делу (здесь и далее подчеркнуто в тексте оригинала – Г.С.). Написана книга его таким языком, который позволяет думать о большом знакомстве автора с предметом, и при многочисленности формул она может легко способствовать распространению ложных взглядов. Вообще это одно из тех произведений, которые с апломбом затемняют вопросы… При том умении владеть математическими вычислениями, которым обладает г-н Циолковский, нельзя не пожелать, чтобы он применил свои познания к более серьезной работе и изучил законы природы и познал, что не все то верно, что выводится прямо и только при помощи одной математики» [8] [с. 595].

С этим выводом в полной мере можно согласиться. Поскольку К.Э. Циолковский математике доверял безмерно, он, уличенный в непрофессионализме, в математических ошибках, больше к работам в области авиации не возвращался. Кроме того, к самолетам он по-прежнему относился без уважения, полагая что они во всем уступают дирижаблям. Он писал: «Итак про отношение наибольшего аэростата к аэроплану … можем сказать так: во сто раз больше пассажиров и во сто раз меньшая энергия двигателей; во сто раз большая возможность исполнения и во 100 раз меньшие расходы на путешествие» [88] [с. 39].

Эту свою точку зрения он упрямо не будет менять вплоть до 30-х годов, когда она окажется опровергнутой самими процессами развития воздухоплавания и авиации.

И эта область его творческой активности оказалась безрезультатной. И здесь отсутствие знаний, профессионализма не позволили ему изобрести даже «десятичное счисление».

В 1929 году, оценивая значение этого своего «теоретического исследования», К.Э. Циолковский писал:

«До этого еще никто не разработал так подробно теорию аэроплана и с такими конкретными выводами, только теперь оправдавшимися» [157] [с. 10].

И здесь обнажился его не строго научный подход. На основе ошибки в расчете только одной подъемной силы, оказавшейся, в результате, завышенной в несколько раз, он разработал научно-фантастический проект, никак не соотносившийся с научно-техническими реалиями.

* * *

Калуга начала XX века. Глушь и тишь. Не было автомобилей, радио, электричества, телефона, газа… Можно продолжать…

Как и в Боровске, К.Э. Циолковский много времени проводил на реке. Сделал двойную лодку с кабиной и гребным колесом по середине. Пассажиры располагались на лавочках в кабине и могли его вращать. Иногда на ней даже танцевали. Прогулки на ней были частыми и интересными.

К.Э. Циолковский заключил с П.П. Каннингом товарищеское трудовое соглашение на постройку таких лодок. Средства от их эксплуатации должны были пойти на решение вопросов, связанных с воздухоплаванием [69] [с. 28]. Но бизнес не получился.

У знакомого жила молодая и хорошенькая двоюродная сестра. «По обыкновению, втюрился. Опять – как бы невинный роман. Но так ли все эти романы невинны, как кажется с первого раза. Мне, например, с ней не пришлось даже поцеловаться. А объясняться с ней я, конечно, не смел, да и не желал.

Не знаю, были ли эти увлечения и привязанности взаимны. Но, допустим, что они скрыто взаимны. Разве и из этого не выходит зло? Ну, от жены вы скроете. Она не знает, не ревнует и не страдает. Но неудовлетворенная девушка мучается, родственники озлобляются против вас и ссорятся между собой…

Вот почему, положа руку на сердце, я не могу утверждать, что этими своими, как бы наивными и платоническими привязанностями, я не наделал людям горя. Меня немного извиняет моя неудовлетворенность и могучая потребность в особой рыцарской идеальной любви. Я делал что мог: не мучил жену, не оставлял детей и не доводил дело до явного адюльтера или распутства» [171], – писал он в автобиографии.

В городском саду иногда играл духовой оркестр и он не пропускал ни одного концерта. Потом пытался воспроизводить мелодии «своим бессловесным птичьим пением».

«Я помню, – писал он, – что после чтения «Борьбы миров» Уэльса, у меня возник никогда не слышанный мною мотив, соответствующий гибели человечества и полной безнадежности» [172] [с. 120].