Работы по воздухоплаванию и экспериментальной аэродинамике

В одной из своих автобиографических статей Циолковский писал: «В 1885 году, имея 28 лет, я твердо решился отдаться воздухоплаванию и теоретически разработать металлический управляемый аэростат». Константин Эдуардович обратил внимание на существенные недостатки аэростатов с оболочками из прорезиненной ткани. Такие оболочки скоро изнашивались, обладали малой прочностью и вследствие проницаемости ткани наполняющий их газ (в те годы — водород) быстро терялся.

Результатом исследовательской работы Циолковского было объемистое сочинение «Теория и опыт аэростата». В этом сочинении было дано научно-техническое обоснование создания конструкции дирижабля с металлической оболочкой; Циолковским были разработаны чертежи общих видов дирижабля и некоторых важных узлов конструкции.

Дирижабль Циолковского имел следующие характерные особенности. Во-первых, это был дирижабль переменного объема, что позволяло сохранять постоянную подъемную силу при различных температурах окружающего воздуха и различных высотах полета. Возможность изменения объема конструктивно достигалась при помощи особой стягивающей системы и гофрированных боковин.

 Во-вторых, газ, наполняющий дирижабль, можно было подогревать путем пропускания по змеевикам отработанных газов моторов.

Третья особенность конструкции состояла в том, что тонкая металлическая оболочка для увеличения прочности и устойчивости была гофрированной, причем волны гофра располагались перпендикулярно к оси дирижабля. Выбор геометрической формы дирижабля и расчет прочности его тонкой оболочки были решены Циолковским впервые.

Этот проект дирижабля Циолковского не получил признания. Официальная организация царской России по проблемам воздухоплавания— VII воздухоплавательный отдел Русского технического общества — нашла, что проект цельнометаллического дирижабля, способного изменять свой объем, не может иметь большого практического значения и дирижабли «вечно будут игрушкой ветров». Поэтому автору было отказано даже в субсидии на постройку модели. Обращения Циолковского в Генеральный штаб армии также не имели успеха. Печатный труд Циолковского «Аэростат металлический управляемый» (1892) получил некоторое число сочувственных отзывов, и этим дело ограничилось.

Циолковскому принадлежит прогрессивная идея постройки цельнометаллического аэроплана.

В статье 1894 года «Аэроплан или птицеподобная (авиационная) летательная машина», опубликованной в журнале «Наука и жизнь», дано описание, расчеты и чертежи моноплана со свободнонесущим, безрасчалочным крылом. В противоположность ряду изобретателей и конструкторов, разрабатывавших в те годы аппараты с машущими крыльями, Циолковский указывает, что «подражание птице в техническом отношении весьма затруднительно вследствие сложности движения крыльев и хвоста, а также вследствие сложности устройства этих органов».

Аэроплан Циолковского имеет форму «застывшей парящей птицы, но вместо ее головы вообразим два гребных винта, вращающихся в обратные стороны... Мускулы животного мы заменим взрывными нейтральными двигателями. Они не требуют большого запаса топлива (бензина) и не нуждаются в тяжелых паровиках и больших запасах воды... Вместо хвоста устроим двойной руль — из вертикальной и горизонтальной плоскости... Двойной руль, двойной винт и неподвижность крыльев придуманы нами не ради выгоды и экономии работы, а единственно ради исполнимости конструкции».

В цельнометаллическом аэроплане Циолковского крылья уже имеют толстый профиль, а фюзеляж — обтекаемую форму. Весьма интересно, что в этой статье Циолковский впервые в истории развития самолетостроения особенно подчеркивает необходимость улучшения обтекаемости аэроплана для получения больших скоростей. Конструктивные очертания аэроплана Циолковского были несравненно более совершенными, нежели осуществленные позднее конструкции братьев Райт, Сантос-Дюмона, Вуазена и других изобретателей. Для оправдания своих расчетов Циолковский писал: «При получении этих чисел я принял самые благоприятные, идеальные условия сопротивления корпуса и крыльев; в моем аэроплане нет выдающихся частей, кроме крыльев; все закрыто общей плавной оболочкой, даже пассажиры».

Циолковский хорошо предвидит значение бензиновых двигателей внутреннего сгорания. Вот его слова, показывающие полное понимание устремлений технического прогресса: «Однако у меня есть теоретическое основание верить в возможность построения чрезвычайно легких и в то же время чрезвычайно  сильных бензиновых двигателей, вполне удовлетворяющих задаче летания». Константин Эдуардович предсказывал, что со временем маленький аэроплан будет успешно конкурировать с автомобилем.

Разработка цельнометаллического свободнонесущего моноплана с толстым изогнутым крылом есть крупнейшая заслуга Циолковского перед авиацией. Он первый исследовал эту наиболее распространенную в наши дни схему аэроплана. Но идея Циолковского о постройке пассажирского аэроплана также не получила признания среди русских ученых. На дальнейшие изыскания по аэроплану не было ни средств, ни даже моральной поддержки. Об этом периоде своей жизни ученый писал с горечью: «При своих опытах я сделал много-много новых выводов, но новые выводы встречаются учеными недоверчиво. Эти выводы могут подтвердиться повторением моих трудов каким-нибудь экспериментом, но когда же это будет? Тяжело работать в одиночку многие годы при неблагоприятных условиях и не видеть ниоткуда ни просвета, ни поддержки».

Над разработкой своих идей о создании цельнометаллического дирижабля и хорошо обтекаемого моноплана ученый работал почти все время с 1885 по 1898 год. Эти научно-технические изобретения натолкнули Циолковского на ряд важнейших открытий. В области дирижаблестроения он выдвинул ряд совершенно новых мыслей. В сущности говоря, он был зачинателем металлических управляемых аэростатов. Его техническая интуиция значительно опередила уровень промышленного развития 90-х годов прошлого столетия.

Целесообразность своих предложений он обосновывал подробными вычислениями и схемами. Конструирование цельнометаллического воздушного корабля, как всякая большая и новая техническая проблема, затрагивало широкий комплекс совершенно не разработанных в науке и технике задач. Решить их силами одного человека было, конечно, невозможно. Ведь здесь были и вопросы аэродинамики, и вопросы устойчивости гофрированных оболочек, и задачи прочности, газонепроницаемости, и задачи герметической пайки металлических листов и т. д. Сейчас приходится изумляться, как далеко удалось продвинуть Циолковскому, кроме общей идеи, отдельные технические и научные вопросы.

Константин Эдуардович разработал метод так называемых гидростатических испытаний дирижаблей. Для определения прочности тонких оболочек, какими являются оболочки цельнометаллических дирижаблей, он рекомендовал наполнять их опытные модели водой. Этот метод применяется сейчас во всем мире для проверки прочности и устойчивости тонкостенных сосудов и оболочек. Он же дал прибор, позволяющий точно, графически определить форму сечения оболочки дирижабля при заданном сверхдавлении. Однако невероятно тяжелые условия жизни и работы, отсутствие коллектива учеников и последователей заставили ученого во многих случаях ограничиться в сущности только формулировкой проблем.

Работы Константина Эдуардовича по теоретической и экспериментальной аэродинамике, несомненно, обусловлены необходимостью дать аэродинамический расчет летных характеристик дирижабля и аэроплана.

Циолковский был настоящим ученым-естествоиспытателем. Наблюдения, мечты, вычисления и размышления соединялись у него с постановкой опытов и моделированием.

В рождественские каникулы 1890—1891 годов он пишет работу «К вопросу о летании посредством крыльев». Выдержка из этой рукописи, опубликованная при содействии знаменитого физика, профессора Московского университета А. Г. Столетова в трудах Общества любителей естествознания в 1891 году, явилась первой напечатанной работой Циолковского. В ней он первый в международной научной литературе указал на значение продолговатости крыла, дал математический анализ явления и подтвердил его экспериментально с помощью изобретенного им прибора. В дальнейшем, в процессе борьбы за идеи своего дирижабля, желая получить точные коэффициенты сопротивления воздуха для тел различной формы, Циолковский в 1897 году сооружает в Калуге аэродинамическую трубу открытого типа (воздуходувку, по терминологии Циолковского) и в следующем году опубликовывает ее описание и результаты первых опытов с подробным рассмотрением методики экспериментов.

Эта замечательная работа по экспериментальной аэродинамике была напечатана в 1898 году в журнале «Вестник опытной физики и элементарной математики». Циолковский, получив значительный опыт аэродинамического проектирования цельнометаллического дирижабля, с величайшей ясностью и убедительностью доказывает необходимость систематического эксперимента по определению сил воздействия воздушного потока на движущиеся в нем тела. Он пишет: «А как важно возможно точно формулировать законы сопротивления и трения! Какое громадное применение они имеют к теории аэростата и аэроплана! Да и есть ли области техники и науки, в которых законы сопротивления упругой среды не имели бы значения? Так пожелаем же горячо установления этих законов и поспособствуем, насколько от нас зависит, производству необходимых для того опытов».

В работе Циолковского на основании систематических опытов по определению сопротивления тел различной формы выяснена роль сил сопротивления трения для дирижаблей, даны интерполяционные формулы для подсчета сил трения, по своей структуре близкие к современным, показано влияние кормовой части тела на величину сил сопротивления давления. Желая подчеркнуть важность и полную достоверность полученных выводов, Константин Эдуардович пишет: «Каждому желающему я готов охотно повторить любой из опытов, описанных в этой статье. Прибор (аэродинамическая труба), устроенный мною, так дешев, удобен и прост, так быстро решает неразрешимые теоретические вопросы, что должен считаться необходимой принадлежностью каждого университета или физического кабинета».

Замечательное предвидение Циолковского о значении аэродинамических труб и его программа работ по экспериментальной аэродинамике получили полное подтверждение в дальнейшем развитии авиации и воздухоплавания. Важно отметить также, что мысль Циолковского и его эксперименты прямо откликаются на программу работ по изучению сопротивления воздуха, изложенную Д. И. Менделеевым в его труде «О сопротивлении жидкостей и воздухоплавании», изданном в 1881 году. Отмечая несостоятельность теоретических попыток решить вопрос о сопротивлении среды без планомерных и обширных экспериментальных исследований, Менделеев писал:

«Нужен настоятельно и будет решать дело разумный и твердый опыт, а молодое и неопытное умственное построение пойдет на поводу в ту и другую сторону, пока приученное опытом к верной дороге само не станет везти за собой или на себе всю сущность опытного знания, как обученная на поводу лошадь повезет куда следует».

Выдающиеся инженеры и ученые нашей страны: Можайский, Жуковский, Циолковский — в ряде своих статей и выполненных работ активно поддерживали эти глубокие и прогрессивные высказывания Менделеева, которые были по существу боевой программой передовой русской науки.

В 1899 году Циолковский обратился с просьбой в Академию наук о выдаче ему средств для производства опытов по определению сил сопротивления тел, помещенных в искусственно создаваемый поток воздуха. При этом он указал на результаты своих предыдущих опытов, опубликованные в научных журналах. Академия наук поручила рассмотрение работ Циолковского академику М. А. Рыкачеву, который дал благоприятный отзыв. Академик Рыкачев писал: «Опыты эти заслуживают полного внимания Академии как по идее, так и по разнообразию опытов. Несмотря на примитивные домашние средства, какими пользовался автор, он достиг определения скорости при различных грузах, приводивших в движение воздуходувку.

...Автор определил зависимость сопротивления от скорости потока и от продолговатости формы. Весьма интересны опыты, производимые с целью определения влияния кормовой части... По всем этим причинам производство опытов в более широких размерах и более точными приборами было бы крайне желательно, и я позволю себе просить Отделение исполнить просьбу автора и оказать ему материальную поддержку из фонда, предназначенного на ученые потребности:».

После благоприятного отзыва М. А. Рыкачева Физико-математическое отделение Академии наук решило выдать Циолковскому пособие в сумме 470 рублей на производство новых опытов. Подробная программа этих опытов была представлена Циолковским в Академию наук в мае 1900 года.

Пособие в 470 руб. было первым и единственным в дореволюционное время, полученным Константином Эдуардовичем от официального правительственного учреждения.

На полученные деньги Циолковский соорудил новую воздуходувку с квадратным сечением рабочей части размером 71×71 см2. «Сделаны были и измерительные приборы, — и все это чуть не 6 раз переделывалось и перестраивалось, пока не получился воздушный поток достаточно удовлетворительный». К концу 1900 года начались опыты, а в декабре 1901 года Циолковский представил Академии отчет по части выполненной им программы.

В пояснениях, сделанных Циолковским к этой работе, мы можем прочесть: «Опытами по сопротивлению воздуха я занимаюсь уже 15 лет с лишком. ...Для своих последних опытов (1900—1901) я употребил большую лопастную воздуходувную машину, вроде веялки. Такой же вентилятор я употреблял и ранее (1897—1898), только значительно меньших размеров. Площадь поперечного сечения воздушного потока в настоящее время увеличена в 4 раза. ...Мне пришлось произвести несколько десятков тысяч записей при своих опытах».

Циолковский в своих экспериментах детально обследовал силы сопротивления для серии плоских пластинок, круглых и эллиптических цилиндров, моделей дирижаблей с различным удлинением и различной геометрической формой головки и кормовой части. Специальному экспериментальному изучению была подвергнута модель дирижабля Шварца, имевшего цилиндрическую среднюю часть и конические нос и кормовую часть. В этих опытах, проводившихся Циолковским без техников и лаборантов, своими руками, были выявлены важнейшие закономерности аэродинамики дозвуковых скоростей. Было доказано, что сила сопротивления плохо обтекаемых тел растет пропорционально квадрату скорости и некоторой характерной для каждого тела площади (например, площади плоской пластинки, площади поперечного сечения модели дирижабля и т. п.). Несмотря на то что в опытах Циолковского скорость воздушного потока изменялась в очень малом диапазоне, ему удалось показать, что сила сопротивления трения меняется в зависимости от произведения скорости воздушного потока и характерного линейного размера тела в некоторой степени; причем показатели степени у скорости и длины одинаковы. Если учесть, что Циолковский производил свои опыты, как он писал Академии наук, примерно в одинаковых условиях (давление и температура воздуха), то сделанные им выводы впервые установили зависимость аэродинамического сопротивления трения от числа Рейнольдса. В современной аэродинамике представление коэффициента сопротивления трения в функции числа Рейнольдса стало общепринятым. Циолковский в ряде своих аэродинамических работ подчеркивал «аналогию между сопротивлением воды и воздуха». В наши дни для небольших дозвуковых скоростей потока этот факт установлен совершенно строго.

С горечью приходится отметить, что большинство результатов Циолковского по экспериментальной аэродинамике не было опубликовано в дореволюционной России и поэтому многие выводы о законах сопротивления воздуха были найдены повторно в XX столетии другими авторами.

Основные работы по цельнометаллическому дирижаблю были выполнены Циолковским в г. Боровске. В 1892 году Константин Эдуардович переехал в г. Калугу, где он в одной из комнат своей квартиры провел грандиозную (для одного человека) программу аэродинамических исследований и экспериментов.

Странной и малопонятной казалась жизнь К. Э. Циолковского обывателям русских провинциальных дореволюционных городов Боровска и Калуги. Его изобретения, эксперименты, научное творчество, созидание новых духовных ценностей не встречали поддержки и сочувствия среди «благонамеренных и аккуратных» городских обывателей.

В г. Боровске летом 1886 года Константин Эдуардович, увлеченный идеями воздухоплавания, построил большую летающую птицу — ястреба с размахом крыльев около 70 см. Этот ястреб прекрасно летал. Дети и взрослые толпой шли глядеть, как Циолковский запускал на улице своего ястреба. Ночью Циолковский заставлял летать ястреба с фонарем. Обыватели видели движущуюся звезду и спорили: «Что это: звезда или чудак учитель пускает свою птицу с огнем?»

Погруженный в свои размышления, чему, несомненно, способствовала и глухота, ученый часто не замечал на улице коллег по работе в школе, знакомых, начальства. Был рассеян и нередко забывал различные вещи и книги.

«Однажды я поздно возвращался от знакомого. Это было накануне солнечного затмения в 1887 году. На улице, по которой я шел, стоял колодец. Около него что-то блестело. Подхожу и вижу, в первый раз, ярко светящиеся большие гнилушки! Набрал их полный подол и пошел домой. Раздробил гнилушки на кусочки и разбросал их по комнате. В темноте было впечатление звездного неба»... «А утром ищу зонтик, чтобы выйти на улицу, а его нет. Потом уже вспомнил, что зонт оставил у колодца. За него получил гнилушки и звездное небо», — сквозь улыбку замечает Константин Эдуардович в своей автобиографии.

Он был полон идей. Весьма деятелен и энергичен, хотя внешне казался спокойным и уравновешенным. Выше среднего роста с длинными волосами и черными, немного печальными глазами, он был неловок и застенчив в обществе. У него было мало друзей. В г. Боровске он близко сошелся с коллегой по школе Е. С. Еремеевым, позднее в г. Калуге ему много помогали В. И. Ассонов, П. П. Каннинг и С. В. Щербаков. Однако при защите своих идей он был решителен и настойчив, мало считаясь с пересудами коллег и обывателей.

Зима. Изумленные боровские жители видят, как на коньках по замерзшей реке мчится учитель уездного училища Циолковский. Он воспользовался сильным ветром и, распустив зонт, катится со скоростью курьерского поезда, влекомый силой ветра. «Всегда я что-нибудь затевал. Вздумал я сделать сани с колесом так, чтобы все сидели и качали рычаги. Сани должны были мчаться по льду. Потом я заменил это сооружение особым парусным креслом. По реке ездили крестьяне. Лошади пугались мчащегося паруса, проезжие ругались. Но по глухоте я долго об этом не догадывался. Потом уже, завидя лошадь, поспешно убирал парус».

Почти все сослуживцы по школе и представители местной интеллигенции считали Циолковского неисправимым фантазером и утопистом. Более злые называли его дилетантом и кустарем. Идеи Циолковского казались обывателям невероятными. «Он думает, что железный шар поднимется в воздух и полетит. Вот чудак!»

Ученый всегда был занят, всегда трудился. Если не читал и не писал, то работал на токарном станке, паял, строгал, мастерил для своих учеников много действующих моделей. «...Сделал огромный воздушный шар из бумаги. Спирта достать не смог. Поэтому внизу шара приспособил сетку из тонкой проволоки, на которую клал несколько горящих лучинок. Шар, имевший иногда причудливую форму, поднимался вверх, насколько позволяла привязанная к нему нитка. Однажды нитка перегорела и шар мой умчался в город, роняя искры и горящую лучину. Попал на крышу сапожнику. Сапожник заарестовал шар».

Обыватели смотрели на все опыты Циолковского как на курьезы и баловство, многие, не размышляя, считали его чудаком и «немножко тронутым». Нужны были изумительная энергия и настойчивость, величайшая вера в пути прогресса техники, чтобы в таком окружении и в тяжелых, почти нищенских условиях ежедневно работать, изобретать, вычислять, двигаясь все вперед и вперед.