Авиация России. Проекты, конструкторы, победы

Константин Эдуардович Циолковский родился 5 сентября 1857 года в селе Ижевском, Рязанской губернии, под тем самым небом, где когда‐то Островков и Крякутной совершали свое воздушное путешествие.

Циолковский вспоминает, что воображение его впервые было потрясено, когда он, восьмилетний, здоровый, веселый мальчик, взял за ниточку из рук матери воздушный шар; такие шары, выдутые из коллодиума и наполненные водородом, часто потом делала для него мать. Шар плавал в воздухе, вырываясь из рук, шар тянулся в небо, шар пробуждал мысль о полете над землей. В воображении мальчика родилась необыкновенная мечта.

В девять лет мальчик перенес жестокую скарлатину и стал глухим на всю жизнь, которая сложилась так, что мыслей ребенка никто не укладывал в привычные рамки, общепринятому взгляду на вещи его никто не учил.

Хотя все братья и сестры Циолковского учились, его, маленького инвалида, посылать в школу считали бесполезным. До тринадцати лет он учился дома, с матерью, но она скоро умерла, и глухой мальчик был предоставлен самому себе. Отцу заниматься с ним не хватало времени, и вот юноше предстояло пройти тяжелый, трудный, оставляющий на всю жизнь след, скорбный путь самоучки.

После смерти матери никто уже не руководил его чтением. Он начал с арифметики и кончил высшей математикой, придумав для себя собственный метод самообучения. В основе его лежала немедленная проверка на опыте полученных из книг сведений.

Познакомившись с геометрией, мальчик сам построил себе астролябию и с ее помощью измерил расстояние до пожарной каланчи. После этого он прошел с саженью в руке до каланчи и убедился, что теоретический расчет соответствует действительному расстоянию.

Проверяя законы физики, Циолковский строил повозки, движимые струей пара, как это предлагал Ньютон. Он сделал модель паровой машины из дерева. Повозка с ветряным двигателем ходила у него и против ветра. Токарный станок собственного изготовления помогал ему во всех этих предприятиях. Отец Циолковского наконец убедился, что сын его вовсе уж не такой инвалид и калека, каким его считали. Он предложил ему ехать учиться в Москву, хотя ни сам юноша, ни отец его не имели никакого понятия о том, как, где и чему, собственно, глухой человек будет учиться.

В Москве Циолковский жил, по его признанию, на девяносто копеек в месяц: остальные деньги из пятнадцати рублей, присылавшихся ему из дому, он тратил на покупку приборов и материалов для разных опытов.

Так прожил он здесь три года, никуда не поступив и продолжая свой курс самообучения по собственной системе. Он действительно был очень далек от практической жизни и расходился с окружающими не только во взгляде на возможность летать по воздуху в металлическом воздушном корабле, но и в тысяче других вещей. Он учился дома и в библиотеках, где читал книги.

За годы пребывания в Москве Циолковский приобрел очень серьезные познания в математике. Эти занятия высшей математикой чрезвычайно расширили его творческий кругозор, и, по своему обыкновению, юноша и их начал тотчас же применять для решения различных вопросов.

«Вот, например, вопросы, которые меня занимали, – говорит Циолковский в своей автобиографии. – Нельзя ли практически воспользоваться энергией движения Земли? Тогда же я нашел ответ: нельзя.

Нельзя ли устроить поезд вокруг экватора, в котором не было бы тяжести от центробежной силы? Ответил сам себе: нельзя. Этому помешает сопротивление воздуха и многое другое.

Нельзя ли строить металлические аэростаты, не пропускающие газы и вечно носящиеся в воздухе? Ответил: можно.

Нельзя ли эксплуатировать в паровых машинах высокого давления мятый пар? Ответил так же, что можно.

Но особенно меня мучил такой вопрос: нельзя ли применить центробежную силу, для того чтобы подняться за атмосферу, в небесные пространства? И я придумал такую машину. Она состояла из закрытой камеры или ящика, в котором вибрировали вверх ногами два твердых эластических маятника с шарами на верхних вибрирующих концах. Они должны были описывать дуги, и центробежная сила шаров должна была поднимать кабину и нести ее в небесное пространство. Придумав такую машину, я был в восторге от своего изобретения, не мог усидеть на месте и пошел развеять душившую меня радость на улицу. Бродил ночью часа два по Москве, размышляя и проверяя свое открытие. Увы, уже дорóгой я понял, что заблуждаюсь: от работы маятников будет сотрясение и только. Ни на один грамм вес ее не уменьшится. Однако недолгий восторг был так силен, что я всю жизнь видел во сне этот прибор, я поднимался на нем с великим очарованием…»

Это бесстрашие самобытной мысли, рвущейся в небесное пространство, составляет характернейшую черту Циолковского в творческом деле, в конце концов и приведшую его к полному практическому разрешению задачи, казавшейся фантастической всем окружающим.

Полагая, что образование сына закончено, отец вызвал его домой. Юноша возвратился в семью действительно образованным человеком, но что он мог делать, не имея диплома, при своем, как у всякого самоучки, одностороннем образовании?

Циолковский знал высшую математику, дифференциальное исчисление, умел интегрировать, но в то же время не знал гораздо более простых вещей, о которых ему не случилось прочитать, и заново открывал то, что до него было уже открыто и решено. У молодого ученого установилось навсегда собственное, отличное от других, миропонимание, собственный, хотя и предвзятый, взгляд на вещи.

Циолковский стал давать уроки. Неожиданно у него обнаружились чрезвычайные педагогические способности. Он выучивал самых отсталых детей, может быть, потому, что сам прошел тяжелую школу выучки, без помощи других, и очень хорошо разбирался во всех затруднениях детского ума. Тогда отец посоветовал ему стать учителем, сдав экстерном экзамен на это звание. Сам он, неуживчивый лесовод, перебрался в это время с семьей в Рязань, и здесь, при местной гимназии, Циолковский держал экзамен. Это было в 1879 году, и в этом же году он получает место учителя физики и математики в реальном училище в Боровске – маленьком городке Калужской губернии.

В Боровске он не вызывает к себе приязни. Наоборот, нового учителя, как белую ворону, без всякого повода с его стороны, за один только не похожий на общий образ жизни, начинают презирать и ненавидеть товарищи и их жены. Он нарушал своими поступками привычный уклад жизни, и этого было достаточно, чтобы стать в тягость окружающему миру.

Но ученики его обожали. В физическом кабинете Циолковского «сверкали электрические молнии, гремели громы, звонили колокольчики, плясали бумажные куколки, пробивались молнией дыры, загорались огни, блистали иллюминации и светились вензеля».

Свернув со своего тяжелого и трудного пути самообучения сразу на путь самостоятельных научных исследований, Циолковский обнаруживает огромное дарование, но труды его оказываются совершенно бесполезными. Не зная ничего о кинетической теории газов, Циолковский самостоятельно разрабатывает ее и тут же узнает, что теория эта гораздо полнее разработана другими. Не зная ничего о теориях, объясняющих происхождение солнечной энергии сжатием солнца, Циолковский приходит самостоятельно к той же «контракционной теории» и узнает, что теория эта не только давно разработана, но уже и взята под сомнение новейшими исследователями.

Тем не менее «Русское физико-химическое общество», которому Циолковский представил свои работы, избрало его своим членом, отметив, что автор их обладает блестящими способностями и от него можно ожидать в будущем весьма ценных исследований и открытий.

Горечь разочарования действовала сильнее, чем радость первого признания. Циолковский даже не ответил ничего на избрание его членом научного и в те времена очень значительного и влиятельного общества. О практических возможностях, открывавшихся ему в качестве деятельного члена общества, Циолковский не думал.

В 1885 году Циолковский обращается к разработке своей первой идеи воздушного корабля с металлической оболочкой, идеи, наверно, еще никем не разработанной.

В чем, прежде всего, новизна идеи русского конструктора, казавшейся такой неосуществимой, почти фантастической его современникам?

Мысль, которую он неутомимо развивал, состоит в том, что дирижабли вообще являются самым дешевым видом транспорта и что настанет время, когда воздушные корабли заменят все иные средства сообщения. В этом отношении он заходил так далеко, что считал выгодным строить их хотя бы даже из золота, не говоря уже о серебре.

Что касается самого дирижабля, то основная идея Циолковского в том, что дирижабль должен иметь обязательно металлическую оболочку. Циолковский доказывает, что это и выгодно, и возможно, и неизбежно – перейти в дирижаблестроении от матерчатой оболочки к металлической.

Затем он настаивает на введении температурного управления воздушным судном. Дело в том, что все дирижабли, которые строились и строятся, должны брать с собой балласт. Сбрасывая его, они поднимаются в воздух. При спуске же они должны выпускать тот дорогой газ, на котором они летают. Циолковский решительно восстает против этих грубых и примитивных способов подъема и спуска корабля. Он предлагает другое: подниматься в воздух посредством нагревания газа и соответствующего увеличения объема газовместилища, а спускаться на землю посредством понижения температуры газа и происходящего отсюда уменьшения плавательной способности дирижабля.

Проектировал Циолковский воздушные суда колоссальных размеров. Одно из таких судов рассчитано им для перевозки ста тридцати тысяч пассажиров; длина его почти два километра, а высота около трехсот метров.

На первый взгляд конструкция дирижабля Циолковского как будто и не представляет ничего особенного: это, как обычно для управляемого воздушного судна, продолговатое, сигарообразное тело, к которому подвешена, в данном случае очень длинная, гондола. Затем видны некоторые соединительные части и подвеска, на которой гондола прикреплена. Поперечное сечение судна не круглое, оно имеет желобок наверху. Так как дирижабль Циолковского является судном переменного объема и не имеет постоянного очертания, то по мере изменения объема газа в корпусе судна происходит увеличение или уменьшение этого жолоба наверху. Если газ сжимается, жолоб получает большую глубину; если газ расширяется, жолоб выпрямляется. При этом, разумеется, и вся металлическая оболочка испытывает различного рода изменения, деформации, изгибы не только в поперечном, но и в продольном направлении. Корабль Циолковского, так сказать, дышит, и если построить его оболочку из обыкновенного листового металла, то на удлинения и сокращения она, конечно, не будет способна.

Циолковский выходит из затруднения таким образом: оболочка у него делается гофрированной, так что получается металлический мешок, способный испытывать значительные изменения объема.

В металлической оболочке, так своеобразно устроенной, заключается основа проекта Циолковского. Конечно, существует и еще целый ряд сравнительно второстепенных вещей, отличающих его дирижабль от существующих и тем более от существовавших в то время, как он разрабатывал свой проект. Например, гондола прикреплена не к нижней части судна, как это обычно бывает, а посредством специальной подвески связана с его верхней частью.

Подвеска служит одновременно и для того, чтобы управлять увеличением или уменьшением объема оболочки.

В особое достоинство своему «аэронату» Циолковский ставил его несгораемость, непроницаемость и негигроскопичность металлической оболочки, долговечность, дешевизну и прочность.

Водород, наполняющий металлический мешок, в случае прободения оболочки и случайного огня будет спокойно гореть, как горит, скажем, светильный газ у отверстия трубки, так как сам по себе водород не дает взрывов, а только горюч. Оболочка не загорится, и дирижабль, теряя газ, будет лишь плавно спускаться в случае подобного несчастья.

Металлическая оболочка дешевле, прочнее, долговечнее и непроницаемее, чем матерчатая. Блестящая же поверхность ее меньше нагревается от солнца и меньше охлаждается ночью, а это для дирижабля имеет большое значение.

Таков в общих чертах был спроектированный Циолковским воздушный корабль.

Проект воздушного корабля отнял два года. Весной 1887 года Циолковский отправляется в Москву. Здесь, в «Обществе любителей естествознания», он делает свое первое публичное сообщение о металлическом управляемом воздушном корабле для перевозки грузов и пассажиров. Известный русский физик профессор Столетов передает рукопись доклада на отзыв Н. Е. Жуковскому. Жуковский свидетельствует, что «оригинальный метод исследования, рассуждения и остроумные опыты автора характеризуют его как талантливого экспериментатора».

Общество, опираясь на отзывы виднейших авторитетов того времени, выдает изобретателю небольшую сумму денег для изготовления модели. Боровский учитель возвращается домой с торжеством. Он развивает огромную энергию и уже в 1890 году посылает в «Русское техническое общество» новый доклад и складную модель. Посылка адресуется Д. И. Менделееву, который, как это было известно, особенно интересовался воздухоплаванием.

И на этот раз расчеты Циолковского признаются правильными. Однако председатель воздухоплавательного отдела общества Е. В. Федоров, докладывая членам отдела работу Циолковского, сделал в заключение такой вывод:

«Аэростат должен навсегда силой вещей остаться игрушкой ветров!»

Теперь мы знаем, насколько такое утверждение неверно, но в свое время в возможность управлять полетом аэростата почти никто не верил. С этим предвзятым убеждением надо было бороться, надо было доказать правоту своих расчетов и предположений, доказать полную управляемость воздушного корабля при любом ветре.

Так Циолковский был приведен к необходимости поставить опыты, чтобы исследовать вопрос о том, как сопротивляются газы и жидкости движению в них тел той или иной формы. И вот без всякого знакомства с аэродинамикой – впрочем, как науки в те времена почти не существовавшей – Циолковский начинает производить свои опыты.

Сначала опыты производились самым примитивным путем и при помощи очень грубых приборов, построенных изобретателем. Аэродинамические весы Циолковского для определения законов сопротивления воздуха движущимся телам представляли собой рычаг, вращающийся на вертикальной оси. На одном конце рычага он укреплял испытываемую модель – скажем, шар или куб, а на другом – пластинку, которая служила мерилом сопротивления воздуха, или, как говорят, эталоном. Подбирая пластинки такого размера, чтобы рычаг не вращался при ветре, исследователь уравновешивал давление воздуха на испытываемую модель и на эталон, а затем делал свои заключения.

«Опыты производились отчасти в комнате, отчасти на крыше, – вспоминает Циолковский. – Помню, как я был радостно взволнован, когда коэффициент сопротивления при сильном ветре оказался мал: я чуть кубарем не скатился с крыши и земли под собой не чувствовал».

При всем несовершенстве своих приборов Циолковский все‐таки установил ряд интересных положений. Так, он нашел, что с увеличением продолговатости тела его сопротивление сначала уменьшается, а затем возрастает под влиянием трения воздуха о поверхность тела. Затем он дал формулу для определения коэффициента трения воздуха в зависимости от скорости движения, определил коэффициенты сопротивления ряда моделей аэростатов.

Опубликованные в специальной работе результаты опытов сводили на нет голословные утверждения Федорова о невозможности управлять воздушным кораблем. Не довольствуясь этим, Циолковский продолжает страстно пропагандировать свои идеи. Он выпускает книгу об управляемом аэростате и одновременно печатает фантастическую повесть «На Луне». В этой повести автор не говорит ничего о том, как герои его попали на Луну – вопрос этот, видимо, еще не был решен автором даже и в плане фантастики. В другом сборнике, «Грезы о Земле и небе», Циолковский также не поднимает еще вопроса о способе совершения межпланетных путешествий, но возможность их ему представляется несомненной.

Однако Циолковский ищет и реального способа передвижения по воздуху. Твердо веруя в свой дирижабль, он на некоторое время увлекается и идеей аэроплана, публикуя в 1895 году свое замечательное сочинение: «Аэроплан, или птицеподобная летательная машина», где дает чертежи и расчет самолета, удивительно приближающегося к современному типу. А через три года, в 1898 году, Циолковский выводит формулы теории ракетного движения и таким образом располагает, хотя бы и в плане теоретическом, возможностью решить вопрос о наиболее реальном средстве для межпланетных сообщений.

Собственноручный чертеж Циолковского из его книги «Аэроплан, или птицеподобная летательная машина».

Публикуя через пять лет свою знаменитую статью «Исследование мировых пространств», Циолковский решает вопрос в пользу ракеты.

Вопросами ракетоплавания Циолковский занимался неустанно все последнее десятилетие XIX века, и это были годы необычайного расцвета его творческой жизни В середине этого десятилетия ему удалось перевестись учителем в Калугу. Здесь и остается до конца своей долгой жизни необыкновенный ученый, изобретатель и исследователь.

В маленьком домике на краю города он совершенствует методику своих аэродинамических опытов и убеждается, что для повышения точности исследования необходимо иметь регулярное течение воздушных струй, искусственный ветер. Так совершенно самостоятельно он приходит к идее «аэродинамической трубы». Такие трубы, или, как он сам их называл, «воздуходувки», Циолковский начал строить у себя в Калуге с 1897 года. Искусственный ветер в них производился при помощи вентилятора. Вентилятор приводился в движение падающим грузом – у изобретателя не было мотора. Испытываемая модель помещалась перед устьем трубы на поплавке, погруженном в воду. Давление ветра на модель измерялось при помощи простой нитки, привязанной к модели и перекинутой через блок. К другому концу нитки подвешивались грузы.

При помощи своих «воздуходувок» Циолковский исследовал поверхности разных форм и при разных углах наклона их к скорости воздушного потока. В результате он дал ряд ценнейших выводов, относящихся к определению влияния диаметра, длины, формы, скорости на сопротивление тел.

Одновременно Циолковский предложил гидростатический метод испытания моделей дирижаблей, основанный на том, что вода, налитая в модель оболочки, распирает ее так же, как давил бы легкий газ изнутри. Этот остроумный метод, придуманный Циолковским, теперь несколько усовершенствован и применяется в соответствующих случаях при испытании. Модель вешают «вверх ногами» и наливают водой. Вода изображает при этом подъемную силу газа, с тем, конечно, отличием, что в то время как подъемная сила газа в дирижабле тянет его кверху, вода тянет модель книзу. Но дело в том, что так называемое сверхдавление в дирижаблях возрастает по линейному закону снизу вверх, а гидростатическое давление по такому же закону растет сверху вниз, и, стало быть, можно создавать подобие между гидростатическим давлением и аэростатическим сверхдавлением. Это основное свойство обоих давлений дает возможность на моделях осуществлять чрезвычайно простым способом такое распределение нагрузок на них, которое позволяет исследовать на модели то, что произойдет потом с воздушным кораблем: определить его прочность в наиболее опасных местах, измерить напряжения, определить деформации, предсказать, где нужно внести изменение в ту или иную конструкцию, – одним словом, предвидеть весьма большое количество деформаций и напряжений, которые при расчетах совершенно даже не поддаются никакому учету.

Если проекты дирижабля и самолета рождали только недоверие, то исследование мировых пространств ракетными приборами были отнесены уже к области чистейшей фантастики. Но движимый глубокой верой в свою правоту, жаждущий быть полезным и нужным своей стране, своему народу, Циолковский продолжал рассылать свои брошюры, печатаемые в Калуге за собственный счет, хотя у рядовых читателей они вызывали усмешки, людей науки они раздражали. В калужской типографии не нашлось латинского шрифта и математических знаков, поэтому Циолковский заменял принятые обозначения новыми, им изобретенными, а это производило впечатление оригинальничания, манерности. Вынужденная манерность, кажущееся оригинальничание, вместе с желтыми, дешевыми обложками дурно напечатанных брошюр, внушали к книгам Циолковского недоверие. Находилось очень мало людей, которые могли бы оценить при таких условиях идеи гениального человека.

А между тем самолет, или «птицеподобная летательная машина», уже плавал в воздухе, и наступил день, когда эта машина пролетела над улицами Калуги.

В Германии появились дирижабли с жесткой оболочкой. Появились во Франции, в Германии, в Америке, через двадцать лет после работ Циолковского, после его теории космической ракеты… Константин Эдуардович как‐то просмотрел присланную ему Я. И. Перельманом одну из этих работ и написал в ответ:

«У Оберта много сходства с моим „Вне Земли“: скафандры, сложная ракета, привязка на цепочку людей и предметов, черное небо, немерцающие звезды, зеркала в мировом пространстве, световая сигнализация, база вне Земли, путешествие с нее дальше, огибание Луны; даже масса ракеты, поднимающей людей, 300 тонн, как у меня, изучение Луны и Земли и много другого».

Открытое и искреннее признание Циолковского, почет и поклонение после переворота, внесенного в сознание окружающих первыми успехами авиации и воздухоплавания, были неизбежными, неотвратимыми, как неизбежна и неотвратима была трагедия одиночества до этого переворота.

Великая Октябрьская революция принесла ему признание. Новые люди, пришедшие к власти, чтобы установить новый общественный строй, нашли и оценили этого странного на вид человека. Они верили в науку и технику, верили во всемогущество человеческой мысли. В идеях Циолковского они увидели не заблуждение, а смелость, которая приносит победу. Они извлекли из забвения старые проекты калужского учителя и учредили специальный отдел цельнометаллических дирижаблей Циолковского. Десятки инженеров взялись за осуществление его идей. Ученики и последователи Циолковского учредили в Центральном аэрогидродинамическом институте имени Жуковского особую группу реактивных двигателей. Эта группа и начала разрабатывать проекты аппаратов, построенных на принципе ракеты. Но самого Циолковского более всего занимали все‐таки межпланетные сообщения.