Раздел 7. Техника индустриальной цивилизации
Всё выше, дальше и быстрее. (Воздухоплавание, авиация и космическая техника)
Управляемые аэростаты (дирижабли)
В конце XIX в. был решен вопрос о создании управляемых аэростатов (аппаратов легче воздуха), т. е. дирижаблей. В 1872 г. Ц. Хейнлейн (Австрия) построил дирижабль с газовым двигателем внутреннего сгорания. В 1883 г. французские конструкторы Г. и А. Тиссандье создали опытный дирижабль с электродвигателем, питаемым от гальванической батареи. Однако все эти попытки показали, что применявшиеся двигатели не обладали достаточной мощностью.
К концу 90-х годов XIX столетия мировое дирижаблестроение превратилось в особую отрасль техники. Дирижабли были снабжены стабилизаторами, в зависимости от наличия или отсутствия каркаса и от его типа они стали подразделяться на мягкие, полужесткие и жесткие. Металлическая оболочка не получила распространения. Дирижабли наполнялись водородом (в баллонетах), что создавало опасность воспламенения, и имели двигатели внутреннего сгорания.
Назначение дирижаблей вначале было научно-экспериментальным или спортивным, а также развлекательным. Они возбуждали огромный интерес публики. Демонстрационный характер носили полеты бразильского аэронавта А. Сантос-Дюмона. На дирижабле мягкой конструкции в 1899 и 1901 гг. он облетел Эйфелеву башню в Париже и вернулся в точку старта, развив среднюю скорость 25 км/ч.
Однако вскоре дирижабли стали приспосабливать для военных целей. Новая эпоха выдвинула таких деятелей, как граф Ф. Цеппелин, именем которого впоследствии был назван один из самых известных типов дирижаблей. Он представлял собой летательный аппарат сигарообразной формы с алюминиевым каркасом и мягкой оболочкой. Первый дирижабль Цеппелина (1900 г.) имел длину 128 м, объем 11,3 тыс. м3 и два двигателя внутреннего сгорания мощностью 16 л. с. каждый.
В 1936-1938 гг. были построены самые большие в истории немецкие дирижабли «Гинденбург» и «Граф Цеппелин», снабженные четырьмя дизельными двигателями мощностью по 1050 л. с. Такие дирижабли были в состоянии перевезти 50 пассажиров с багажом и 12 т груза.
Однако к началу Второй мировой войны после ряда крупных катастроф от гигантских дирижаблей отказались. В годы войны продолжали строиться заградительные дирижабли, но в послевоенный период дирижаблестроение было свернуто. Интерес к ним возобновился только после 1965 г.
Летательные аппараты тяжелее воздуха
В 1894 г. К.Э. Циолковский опубликовал статью «Аэроплан, или Птицеподобная (авиационная) летательная машина». Опережая свою эпоху, ученый выдвинул идею цельнометаллического моноплана, т. е. самолета с одной поддерживающей поверхностью, приводимого в движение двигателями внутреннего сгорания.1
1 Слово «аэроплан» (от греч. «аэр» — воздух и франц. «плянэ» — парить) стало употребляться в русской литературе с 90-х годов XIX в.
Крупнейший вклад в развитие аэродинамики внес Н.Е. Жуковский. В 1906 г. он вывел формулу подъемной силы, являющуюся основой всех аэродинамических расчетов в авиации.
Первые летательные аппараты создавались конструкторами преимущественно опытным путем. Одной из многочисленных жертв рискованных экспериментов стал немецкий инженер Отто Лилиенталь, осуществивший с 1891 по 1896 г. более 2500 полетов на планерах различного типа сначала с одной (моноплан), потом с двумя (биплан) поддерживающими поверхностями.
Параллельно опытам с планерами предпринимались попытки создания летательных аппаратов тяжелее воздуха, снабженных двигателями. Так, в 1882-1885 гг. русский конструктор А.Ф. Можайский работал над моделями аэропланов с паровым двигателем. Он построил моноплан массой около 1 т, который приводился в движение двумя паровыми машинами мощностью 20 и 10 л. с., имел хвостовое оперение и фюзеляж лодочного типа с колесным шасси. Сохранились свидетельства, что во время одного из испытаний самолет оторвался от земли и совершил короткий полет.
Во Франции летательными аппаратами совершенно иной конструкции, но также с паровыми двигателями занимался с 1890 по 1897 г. инженер К. Адер. Его машина, имевшая форму летучей мыши, приводилась в движение паровым двигателем мощностью 20 л. с. В 1890 г. аппарат под названием «Эола» оторвался от земли и пролетел около 50 м. Адер, истративший на опыты всё свое довольно значительное состояние, так и не получил поддержки военного ведомства. Опыт со второй летательной машиной «Авион» 2 той же конфигурации, но с двумя пропеллерами и паровыми двигателями по 20 л. с. также был неудачен.
2 Bo французском языке слово avion стало нарицательным и обозначает «аэроплан».
В 1894 г. к сооружению самолета приступил американский предприниматель и изобретатель в сфере военной техники Х.С. Мэксим. Его машина по размерам и мощности во много раз превосходила все предшествовавшие модели: 38 м в ширину и 31 м в длину при взлетной массе 3,6 т. Кроме основной несущей поверхности аэроплан имел несколько ярусов дополнительных крыльев, вместе с которыми его общая несущая поверхность составляла 490 м2. Для управления использовались рулевые паруса. Двигательная установка состояла из парового котла, отапливаемого газолином или нефтью, и двух паровых машин общей мощностью 360 л. с. Из-за тяжести аэроплана для него была устроена специальная взлетная рельсовая дорожка. Однако при первой же попытке оторваться от рельсов машина потерпела аварию.
Первые годы XX в. во Франции, США и некоторых других странах были отмечены многочисленными и упорными попытками создать практически применимые самолеты. Братья У. и О. Райт из Дейтона (США) в 1889 г. начали полеты на планере-биплане О. Шанюта, на котором установили бензиновый двигатель мощностью 12 л. с. Первый моторный полет на аппарате «Флайер» был совершен О. Райтом 17 декабря 1903 г. на расстояние 260 м. В 1904 г. по той же схеме Райты построили второй самолет с 16-сильным мотором. В 1905 г. «Флайер-3» развил скорость более 60 км/ч, увеличив длительность полета до 38 мин. В 1908 г. братья продолжали свою деятельность в США и во Франции, ставшей к тому времени главным центром авиационных опытов.
Первым в самолете собственной конструкции с мотором в 50 л. с. выполнил полет уже упоминавшийся в связи с дирижаблями аэронавт А. Сантос-Дюмон. В октябре 1906 г. он покрыл расстояние 60 м при скорости 41 км/ч. В 1907 г. А. Фарман почти за минуту при скорости 53 км/ч покрыл расстояние в 800 м. Он же в 1909 г. пробыл в воздухе уже 4 ч 18 мин, пролетев 234 км, что свидетельствовало об ускорении технического прогресса в авиации и высоком искусстве пилотажа.
Основным материалом при постройке самолетов служило дерево. С 1909 г. для каркасов фюзеляжа стали использовать металл. Крылья обшивались полотном. Скорость обычно составляла 60 км/ч, но Д. Блерио в 1909 г. удалось достичь 77 км/ч.
С 1909-1910 гг. началось применение гидросамолетов. Для взлета и посадки на воду аэроплана обычного типа колесное шасси заменялось поплавками, либо менялась вся конструкция самолета, и он превращался в «летающую лодку».
В 1911 г. конструктор Б.Н. Юрьев теоретически разработал и построил одновинтовой геликоптер с особым механизмом (автоматом перекоса), позволяющим изменять направление тяги винта. На Международной выставке воздухоплавания в Монако в 1912 г. эта работа была отмечена золотой медалью.
В 1922 г. испанский изобретатель Хуан де ла Сиерва успешно испытал гибрид вертолета и самолета. Машина имела крылья и пропеллер, а сверху был закреплен свободно вращающийся ротор. При ее взлете встречный поток воздуха раскручивал лопасти ротора подобно ветряной мельнице. Это обеспечивало дополнительную подъемную силу и позволило машине летать с меньшей скоростью и взлетать после укороченного пробега. Первоначально автор назвал свое изобретение автожиром, так как лопасти винта автоматически начинают вращаться в полете (от греч. autos — «сам» и gyros — «круг», «вращение»). Автожир был надежнее первых вертолетов, т. к. был способен приземляться невредимым в случае отказа мотора. Ho по горькой иронии судьбы, после гибели Сиервы в авиационной катастрофе автожир был полностью вытеснен вертолетом и сохранился до наших дней только в качестве летательного аппарата для развлечений любителей воздухоплавания.
В России авиационные полеты начались с 1909 г. Вначале русские авиаторы использовали самолеты зарубежного производства. Так, М.Н. Ефимов, в дальнейшем установивший ряд мировых рекордов, начал свои полеты в 1909 г. на самолете Фармана.
Затем появились русские типы самолетов. Я.М. Гаккель предложил в 1909 г. оригинальную конструкцию самолета-биплана «ЯМГ». В 1910 г. он построил другой самолет-биплан — с закрытым фюзеляжем. Этой конструкции подражали за рубежом. Гаккель создал и ряд других самолетов, получивших в то время высшие оценки, дипломы и медали. В 1910 г. С.В. Гризодубов построил свой первый самолет с оригинальным мотором.
В 1908 г. началась конструкторская деятельность И.И. Сикорского 3, работавшего сначала в Киеве, а потом, в 1912-1917 гг., в Петербурге, на Русско - Балтийском заводе. В 1913 г. им был создан первый в мире многомоторный самолет «Русский витязь». Самолет имел полетную массу 4,2 т, длину 30 м, размах крыла 27 м и четыре двигателя по 100 л. с. Машина была снабжена большой закрытой кабиной. В августе 1913 г. «Русский витязь», имея восемь человек на борту, установил мировой рекорд продолжительности полета для самолетов данного типа — 1 ч 54 мин.
3 И.И. Сикорский в 1919 г. эмигрировал в США, где продолжил свои разработки.
В том же году Сикорский построил другой многомоторный самолет, названный им «Илья Муромец», также с четырьмя моторами по 100 л. с., каждый с двумя винтами — тянущим и толкающим, и взлетной массой 5 т. Создание подобных самолетов продолжалось и во время Первой мировой войны. Всего было построено 35 «Муромцев» различных модификаций?
Военные ведомства великих держав сразу заинтересовались перспективами использования авиации в боевых действиях. Практически в военных целях авиация начала использоваться с 1911 г.
К началу 20-х годов появились первые самолеты не только с цельнометаллическим силовым набором, но и с металлической обшивкой. Материалом для самолетостроения стал дюралюмин (дюраль). Увеличению скорости самолета способствовали переход от биплана к моноплану, улучшение аэродинамики крыльев, усовершенствование шасси и, конечно же, повышение мощности двигателей.
В 1919 г. немецкий инженер Г. Юнкере выпустил первый цельнометаллический моноплан «F-13» коммерческого назначения с крылом, расположенным под фюзеляжем. Этот самолет стал прототипом всей транспортной авиации. В 1932 г. Юнкерсом был построен флагман воздушного флота Европы 30-х годов трехмоторный самолет «Ю-52». С цельнометаллическими транспортными монопланами Юнкерса конкурировали модели голландской фирмы «Фоккер». Однако голландские самолеты имели деревянные крылья, которые располагались над фюзеляжем с матерчатой обшивкой. В Советском Союзе первый металлический самолет «АНТ-2» был построен А.Н. Туполевым в 1924 г.
В 1933 г. в США был создан один из первых самолетов современного типа — «Боинг-247». В том же году фирма «Дуглас» начала выпуск самолетов семейства «DC». Они имели гладкую несущую обшивку, убирающиеся шасси, закрылки и обтекаемую форму. Самым востребованным, надежным и дешевым самолетом в истории авиации был «DC-З». Построенный в 1935 г., этот самолет стал наиболее распространенным транспортным средством времен Второй мировой войны. Немало самолетов «DC-З» летает и в наши дни.
В 30-х годах XX в. в СССР был создан ряд новых типов самолетов. Среди них заслуживает особого внимания самолет «АНТ-35» с двумя двигателями по 800 л. с. Благодаря оригинальной конструкции этот самолет существенно превосходил по всем основным параметрам выпущенные ранее английский «DN-95» («Фламинго») и американский «Дуглас».
В послевоенный период значение и темпы развития авиации неизмеримо возросли. В 1947 г. был создан универсальный самолет «Ан-2», модернизированный «Ли-2», затем был выпущен новый, более совершенный «Ил-12». Все эти самолеты имели поршневые двигатели, причем последний обладал достаточно высокой скоростью, хорошей вместимостью и дальностью полета, позволявшими широко использовать его не только на внутренних, но и на международных линиях.
Поршневая техника оставалась доминирующей до 60-х годов, но уже в начале 50-х годов начался выпуск самолетов с принципиально новыми, турбинными двигателями (четырехмоторный «Ил-18»). На протяжении 60-х годов флагманом воздушной флотилии СССР был «Ту-114». Этот гигантский винтовой самолет со стреловидным крылом имел четыре мощных турбинных двигателя, позволявшие развить скорость до 750-850 км/ч, что было недоступно ни одному винтовому самолету в мире.
После Второй мировой войны произошел очень важный скачок в развитии авиации — переход к турбореактивным двигателям, увеличившим скорость самолетов на 40 %.
В 1947 г. экспериментальный реактивный самолет «Белл Х-1» (США) впервые достиг скорости звука — 1200 км/ч. В 1952 г. был введен в эксплуатацию английский реактивный самолет «Комета-1». В Советском Союзе в 1955 г. был создан реактивный самолет «Ту-104», рассчитанный на 50-70 пассажиров. Его потолок достигал 10-11 км, крейсерская скорость полета — более 900 км/ч, дальность беспосадочного полета составляла 3000-3200 км. В сентябре 1956 г. впервые в мире было открыто регулярное пассажирское сообщение на реактивных самолетах.
В 50-х годах прошедшего века реактивная авиация добилась весьма значительных скоростей. В 1956 г. в Англии на самолете «Фейри, Дельта-2» была достигнута скорость 1822 км/ч. В декабре 1957 г. в СССР на самолете с обычным турбореактивным двигателем была установлена скорость свыше 2000 км/ч. В мае 1958 г. в США реактивный самолет типа («Старфайер») развил скорость 2260 км/ч. В 1966 г. в США был выпущен сверхзвуковой самолет «SR-71», получивший название «Блэкберд», скорость которого составляла 3530 км/ч.
Первым из больших реактивных пассажирских самолетов был «Боинг-707», который эксплуатируется с 1958 г. В 1969 г. появился «Боинг-747» — первый в мире аэробус с диаметром фюзеляжа свыше 6 м. По тем временам это был самый большой гражданский воздушный лайнер.
Развитие ракетно-космической техники
В 80-х годах XIX в. появляется много разнообразных проектов применения реактивного двигателя в летательных аппаратах как легче, так и тяжелее воздуха. Особенно интересны были проекты, предусматривающие создание подъемной силы за счет реакции отбрасываемых частиц вещества, при которой аппараты не нуждались в атмосфере как опорной среде. Таковы, например, были проекты ракетных летательных аппаратов Н.И. Кибальчича (1881 г.), С.С. Неждановского (1880-1889 гг.) и др.
В первой половине 80-х годов немецкий изобретатель Г. Гансвиндт в своих публичных лекциях и статьях поставил проблему использования ракетной техники не только для атмосферных, но и для космических полетов. Это был совершенно новый подход, ни в технической литературе, ни в научной фантастике тех лет таких идей еще не было.
В 1883 г. К.Э. Циолковский сделал вывод о возможности использования принципа реактивного движения в свободном пространстве (т. е. в пространстве без действия силы тяжести и сопротивления окружающей среды). В США с 1906 г. исследованиями в этой области занимался Р.Х. Годдард, во Франции с 1912 г. — Р. Эсно-Пельтри, в Германии в 1923 г. появились первые публикации Г. Оберта.
В России в 1907-1908 гг. к самостоятельным исследованиям в области ракетно-космической техники приступил Ф.Л. Цандер, а в 1917 г. — Ю.В. Кондратюк.
В 50-х годах XX в. человечество вплотную приблизилось к осуществлению проектов космических полетов. В СССР под руководством С.П. Королева в 1957 г. был запущен первый в истории искусственный спутник Земли, а 12 апреля 1961 г. на космическом корабле «Восток» первым совершил полет в космос Ю.А. Гагарин. Вторым человеком, побывавшим в космосе, стал американский космонавт А. Шепард, вышедший на орбиту в мае 1961 г.
Автоматические космические аппараты выполняют огромную работу по исследованию космического пространства. В 1959 г. советская автоматическая станция «Луна-3» совершила облет Луны. Последующие полеты автоматических станций позволили составить карту всей поверхности Луны. Советские роботы-луноходы, управляемые с Земли, осуществили сбор проб пыли, грунта и передали на Землю ценнейшую информацию.
За лунными автоматическими станциями последовали первые попытки исследования других планет. В 1962 г. американская автоматическая межпланетная станция «Маринер-2» пролетела около Венеры. В конце 1971 г. станция «Маринер-9» вышла на орбиту вокруг Марса и в течение 1972 г. посылала на Землю фотографии марсианской поверхности.
В 1967 г. советский спускаемый аппарат автоматической межпланетной станции «Венера-4» произвел прямые измерения температуры, давления и химического состава атмосферы Венеры, которые оказались существенно отличными от предполагавшихся ранее. В 1975 г. начались комплексные исследования Венеры с использованием усовершенствованных автоматических станций серии «Венера». Советская станция совершила мягкую посадку на Венеру. На Землю были переданы панорамы поверхности, выполнено бурение грунта и проведен анализ вещества, получена принципиально новая информация о составе и строении облачного покрова и электрических процессах в атмосфере.
Эстафету станций «Венера» приняли автоматические станции «Вега», которые должны были встретиться с кометой Галлея, где провести комплексные исследования. Станции «Вега», пролетев путь в 1200 млн км, вошли в оболочку кометы Галлея и прошли на расстоянии 8-9 тыс. км от ее ядра. Впервые были получены крупномасштабные изображения ядра кометы, проведены измерения температуры и других физико-химических характеристик.
В 1976 г. американские автоматические станции «Викинг» совершили мягкую посадку на Марс. Позднее были посланы автоматические станции к Меркурию и Юпитеру.
С помощью отечественных лунных и межпланетных станций, а также спутников «Электрон», «Протон», «Прогноз» были выполнены принципиально важные исследования солнечного ветра, магнитосферы Земли, космических лучей и высокоэнергетических частиц в ближайших окрестностях нашей планеты.
Вопросы и задания:
1. Составьте каталог «Самолеты XX в.».
2. Чем важны для развития авиационной техники работы Н.Е. Жуковского?
3. Объясните, в чем суть идеи К.Э. Циолковского.
4. Проследите историю космонавтики от зарождения идеи до успехов XX в. Какие тенденции проявляются в этом процессе?
5*. Подготовьте сообщение на тему «С.П. Королев и создание космической техники».
