ГЛАВА IX ПЕРВАЯ АЭРОДИНАМИЧЕСКАЯ ТРУБА В РОССИИ
ГЛАВА IX
ПЕРВАЯ АЭРОДИНАМИЧЕСКАЯ ТРУБА В РОССИИ
Изучение сопротивления воздуха начало теперь занимать все внимание Циолковского. Он был глубоко убежден, что точное, научное разъяснение этого вопроса докажет окончательно права гражданства дирижаблей как воздушных судов и выбьет почву из-под ног всех противников дирижаблестроения.
Циолковский прямо указывал впоследствии, что он «вынужден был производить опыты по изучению сопротивления воздуха, защищая управляемость аэростата, так как представители VII Отдела Технического общества теоретически давали громадные коэфициенты сопротивления даже тел лучшей, идеальной формы»[59].
Разрешение этой проблемы одновременно должно было дать ключ и к наивыгоднейшему устройству аэропланов. Но точных, бесспорных данных опыта по этому вопросу в литературе не было. Выход поэтому оставался один — и в этой области итти своим собственным путем.
Циолковский не был первым в России, кто практически работал над изучением законов сопротивления воздуха. Еще за пятьдесят с лишним лет до него военный моряк Р. Черносвитов, задавшийся целью создать проект управляемого аэростата, самостоятельно произвел в течение нескольких лет ряд опытов в этом направлении. Он производил их по методу, давно применяемому при испытании моделей морских судов, которые протаскивали с разными скоростями в бассейне с водой. Черносвитов заставлял двигаться в воздухе тела различной формы, измеряя величину сопротивления воздуха.
Из этих опытов Черносвитов сделал, между прочим, тот вывод, что «самое меньшее сопротивление претерпевает цилиндр, имеющий на обоих концах конические продолжения, ограниченные дугами круга, касательными к бокам цилиндра, коего диаметр служит основанием этому кругу, и притом сопротивление это тем меньше, чем больше высота конуса» г. Опыты повторялись им несколько раз.
Для определения силы тяги винтового пропеллера в воздухе он устроил вентилятор из железа диаметром в 1,5 метра; опыты, а также расчеты убедили его, что применение пропеллера для продвижения в воздухе корпуса дирижабля соответствующей формы — вещь вполне возможная. Все это дало ему основание выступить с проектом управляемого аэростата, который он и описал в кратких чертах в статье «О воздушных локомотивах».
В начале 70-х годов русский ученый М. А. Рыкачев, впоследствии академик и директор Главной метеорологической обсерватории, также производил опыты над воздушным пропеллером, определяя его подъемную силу.
Несколько позднее вопросами сопротивления среды вплотную занялся Д. И. Менделеев, выпустивший в свет замечательную работу «О сопротивлении жидкостей и воздухоплавании», о которой уже говорилось. В процессе ее подготовки Менделеев поставил ряд опытов. Излагая их в своей книге, он дал блестящую критику работы своих предшественников — Скотта, Росселя, Фроуда, Колардо, Дюшмена, Ранкина и других. Сопоставляя иногда противоречивые результаты их трудов, он доказал, что точной теории сопротивления не существует, а есть лишь ряд теорий и гипотез.
Кроме того, в конце 80-х годов опытами по изучению сопротивления воздуха занимался также в связи с попыткой сооружения геликоптера один из самых выдающихся русских ученых-металлургов, профессор Д. К. Чернов[60].
Вот за разрешение этой трудной задачи и взялся Константин Эдуардович Циолковский.
Первое время опыты над сопротивлением воздуха производились Циолковским совсем примитивно, но и они уже показали правильность его утверждений, что при полете дирижаблей сопротивление воздуха вовсе не представляет такой громадной величины, как ошибочно предполагали М. М. Поморцев и руководители VII Отдела.
«Мои опыты показали, — пишет Циолковский, — что оно [сопротивление воздуха] далеко не так значительно, и коэфициент сопротивления уменьшается с увеличением скорости движения аэростата...
Опыты производились отчасти в комнате, отчасти на крыше, в сильный ветер. Помню, как я был радостно взволнован, когда коэфициент сопротивления, при сильном ветре, оказался мал: я чуть кубарем не скатился с крыши и земли под собой не чувствовал»[61].
Факсимиле фрагментов письма К. Э. Циолковского в президиум Русского физико-химического общества (1897).
Факсимиле фрагментов письма К. Э Циолковского в президиум Русского физико-химического общества (1897).
Таким образом, для первых опытов Циолковский, подобно Лилиенталю, Ланглею и некоторым другим зарубежным экспериментаторам, использовал струю ветра. Вот как описывает сам Константин Эдуардович некоторые из этих своих экспериментов:
«Для непосредственного определения коэфициента сопротивления продолговатых тел, при больших скоростях движения, я устроил прибор (фиг. 9), состоящий из двух горизонтальных труб, укрепленных на треножнике; они имели в длину около 75 сант. и в отверстии около 25 сант. В одной из них помещалась на стержне (фиг. 8 и 9) испытываемая форма, а в другой пластинка; стержень, конечно, проходил в трубы через особые отверстия, и средняя часть его, как всегда, вращалась свободно на острие. Трубы выносились на крышу и ставились по направлению ветра. Я становился сбоку и смотрел на промежуток между двумя трубами на стержень, чтобы заметить, на какую его половину давление воздуха было больше, т. е. какая его половина перетягивала...Мною испытывалась форма в 62 сант. длины. Скорость ветра в месте наблюдения постоянно и быстро изменялась, переходя от 0 до 5 метров в секунду. Я употреблял последовательно, в роли пластинок равного сопротивления, медные монеты с площадями в 11,6, 8 и в 6,2 кв. сант. Когда скорость ветра мала, перетягивает форма, но лишь скорость ветра достигает 2—3 метров — и перевес на стороне пластинки (площ.— 11,6; соответствующий коэфициент — 1/7). При скорости около 4 метров перетягивает площадь в 8 кв. сант.; соответствующий коэфиц. — 1/10. При скорости, большей 5 метров, перетягивает даже монета с площадью в 6,2 кв. сант.; соответствующий коэфициент будет 1/13.
Я делал еще многие опыты с поверхностями других форм. Так, для шара и цилиндра, при скорости около одного метра, я получил коэфициенты 4,9 и 0,6. Для больших скоростей коэфициент сопротивления шара близок к 0,4».
Разумеется, сделать в таких условиях какие-либо точные выводы не представлялось возможным. Но уже одно то обстоятельство, что даже в первом грубом приближении получались данные, совпадавшие с его предположениями, окрылило Циолковского и заставило его мысль интенсивно работать над тем, как можно было бы с наименьшей затратой средств добиться точных данных, согласующихся с современной ему наукой.
Но скоро он подошел в своих размышлениях к единственно правильному решению вопроса — к созданию искусственного воздушного потока, скорость которого можно было бы регулировать. Вводя в этот поток тела различной формы, точным замером возникающего сопротивления этих тел потоку воздушной струи можно определять необходимые коэфициенты.
Факсимиле собственноручной схемы первой (1897) и второй (1900— 1901) аэродинамической трубы Циолковского.
До Циолковского к такому же решению пришел Хайрам Максим в Англии, построивший за три-четыре года до этого первую аэродинамическую трубу[62].
Однако для крупного капиталиста Максима не представляло особых трудностей найти и соответствующее здание, и необходимое оборудование, и обслуживающий персонал. Циолковскому же, располагавшему самыми скудными средствами и обремененному большой семьей, пришлось проявить огромнейшую изобретательность и неистощимую энергию, чтобы своими средствами проделать такую работу. О том, каким лишениям подвергалась в это время его семья, знали только его домашние. Достаточно сказать, что все они вынуждены были ютиться в одной из двух занимаемых ими комнатушек, ибо аэродинамическая труба, или «воздуходувка» (как ее называл Циолковский), с деталями и моделями занимала целую комнату.
Аэродинамическая труба, которую Циолковский, преодолев все трудности и лишения, все же построил впервые в России, в наши дни считается необходимым прибором при проектировании и строительстве воздушных судов. Она сыграла также огромную роль в развитии аэродинамики.
Сейчас имеются самые различные типы аэродинамических труб в соответствии с многообразием важнейших задач, которые ставятся ныне перед воздушными судами. Есть гигантские трубы, в рабочей части которых помещается уже не крошечная модель, а целый самолет в натуральную величину. Есть вертикальные трубы в виде высоких башен или шахт, в которых изучаются сложнейшие явления «штопора» и других важных моментов полета самолета. Есть и специальные трубы, в которых, например, изучаются явления, возникающие при сверхскоростных полетах, в которых достигаются скорости, превышающие скорость звука (1 330 метров в секунду) и т. д.
Циолковский с его блестящим даром научного предвидения отчетливо понимал, какие важные практические результаты принесет для человечества перевод этого дела на научные рельсы. Поэтому, желая посоветоваться с виднейшими учеными о наилучшей программе опытов и одновременно зафиксировать свое авторство, Циолковский обратился к президиуму Русского физико-химического общества, которое, как мы помним, благожелательно отнеслось к нему с самого начала его научной деятельности в 80-х годах.
Сохранились лишь отдельные места переписки по этому интересному вопросу. Из переписки видно, что общество откликнулось на письма изобретателя и создало специальную комиссию для рассмотрения проекта программы предложенных Циолковским работ по сопротивлению среды.
Имеется подлинное письмо Циолковского профессору А. Л. Гершуну, одному из виднейших деятелей общества в тот период.
Вот начало первой страницы этого письма от 5 октября 1897 года:
«1897 г. 5 октября. Калуга.
В С.-Петербург —
Университет,
Его Высокородию А. Л. Гершуну от К. Э. Циолковского
Из Калуги (Георгиевская, дом Сперанской).
Для передачи в Комиссию, рассматривающую проект моих опытов по сопротивлению.
Прежде всего прошу гг. многоуважаемых членов комиссии, дав свое мнение Обществу, не сообщать ничего и никому о моих работах и планах до окончания их и напечатания. (подчеркнуто автором. — Б. В.).
Все предлагаемые чертежи схематические и сделаны от руки, потому что не предназначены пока для печати».
Далее в тексте письма следует собственноручный эскиз как самой «воздуходувки», так и всего расположения приборов при опытах по сопротивлению воздуха. Факсимиле этого эскиза, ввиду его принципиальной важности, мы приводим.
После рисунка идет описание «воздуходувки»:
«НР — лопастная воздуходувка (род веялки). Подобный построенный мною прибор имеет высоту 150 сант., а ширину 40 сант. Воздушный поток, постепенно расширяясь и ослабляясь, выходит из Р, и в начале у устья имеет в высоту и в ширину около 40 сант. Р — означает ряд горизонтальных пластинок, назначенных для выправления потока, который внизу отверстия Р (без них) не совсем равномерен. В Н мы видим ось (стойки и подшипники ее не изображены) и охватывающий ее нажим (в роде нажима Прони). Нажим этот имеет рукоятку (черный кружок), за которую лопасти (Л) приводятся во вращение. Нажим снабжен двумя винтами с гайками. Завинчивая их более или менее сильно, получим ту или другую величину трения между железною осью и двумя деревянными брусками нажима. Вращая лопасти скорее и скорее, мы, наконец, достигнем момента, когда нажим будет скользить по оси и скорость воздушного потока сделается максимальной и постоянной. При всех опытах давление воздуха на формы будет определяться при этой наибольшей скорости, соответствующей величине нажатия и зависящей от нас. Скорость при каждом отдельном опыте определяется по давлению воздушного потока на пластину, согласно коэфициентам Кальете и Колардо (или Ланглея), зная барометрическое давление и температуру воздуха.
Модели (работы Циолковского), служившие при опытах по сопротивлению воздуха.
Фотография Циолковского (1910).
(Я) — есть прямоугольный жестяной ящик с водою, в которой плавает другой такой же ящик, но меньших размеров. К последнему, на 4-х столбиках (или другими способами), прикрепляется испытываемая форма, давление на которую мы хотим определить. На том же столике, на котором расположен ящик с водою, прикреплена отсечка, а на ней свободно качается маятник из длинной, тонкой железной проволоки. К проволоке привязана ниточка, за которую тянет плавающая форма, стремящаяся удалиться по направлению воздушного потока. От этого проволока уклоняется от вертикального положения более или менее сильно. Величина уклонения определяется, на опытах, тангенсом угла отклонения, при посредстве линейки, разделенной на миллиметры. Сила давления потока будет пропорциональна числу давлений, указываемых проволокой. Путем особого опыта заранее определяется, скольким миллиграммам соответствует уклонение на 1 мм. Таким образом, все уклонения и соответствующие давления воздушного потока можно выразить в миллиграммах...
Внутренний ящик снабжен двумя легкими рычагами, которые делают его движение почти строго параллельным направлению воздушного потока (чертеж 2). Во время опыта наружный ящик закрывается крышкой, в которой проделаны узкие щели для свободного движения столбиков, поддерживающих форму...
Формы я устраивал чрезвычайно легкие, из бумаги. Если нужно устроить форму в виде поверхности вращения, то я сначала тщательно вычерчивал кривую главного продольного сечения формы. По этой кривой (это мы делали в местном железнодорожном училище)... вытачивалась на токарном станке половина формы, до наибольшего поперечного сечения ее (чертеж 3).
Деревянную половинку я облеплял полосками мокрой бумаги и завертывал (забинтовывал) все крепко широкой тесьмой (пеленая, как ребенка). Дав хорошенько просохнуть бумаге, я снимал тесьму и снимал осторожно бумагу, которая принимала выпуклый вид элементов деревянной болванки. Тогда оставалось только склеить кусочки бумаги по самой форме. После снятия бумажной оболочки широкое ее отверстие снабжалось бумажным обручем (чертеж 3). Если форма была очень продолговата, то несколько таких обручей вклеивалось внутрь бумажной поверхности. Также приготовлялась и другая половина формы (иногда неравная первой). Обе половины слегка склеивались, и форма была готова».
Таких моделей Константин Эдуардович изготовил, судя по сохранившимся фотографиям того времени и по данным рукописей, около ста, причем самой различной формы (до нас не дошла ни одна).
Как видим из описания, «воздуходувка» Циолковского являлась настоящей открытой аэродинамической трубой. После Циолковского, в 1902 году, аналогичную трубу применяли в Америке братья Райт, которых не удовлетворила работа в этой области их соотечественника Ланглея [63]. Подобно Циолковскому, братья Райт нашли, что аэродинамическая труба дает единственно доступную им возможность точно и на строго научной основе проанализировать не поддававшееся другим методам явление (необъяснимое увеличение сопротивления наклонной к потоку пластинки при угле, равном 38—41°).
Циолковский явился не только первым русским ученым, получившим ряд существенных экспериментальных данных с помощью аэродинамической трубы, но и первым, кто опубликовал в нашей стране некоторые результаты своих научных трудов по этому вопросу. Он первый в мире предложил вместе с тем и насадку на раструб аэродинамической трубы, спрямляющую и выравнивающую воздушный поток (X. Максим такой насадки не применял).
В марте 1898 года Константин Эдуардович направляет статью о первых результатах своих работ над сопротивлением воздуха в издававшийся в Одессе научный журнал «Вестник опытной физики и элементарной математики». Печатание статьи, однако, задержалось, по всей вероятности, потому, что этот журнал испытывал в то время большие материальные затруднения. Это беспокоило Константина Эдуардовича, желавшего скорее поделиться с ученым миром своим опытом, значение которого он прекрасно понимал. Опасаясь, как бы его труд не пропал совсем, он пишет письмо в Академию наук, сообщая о своих наблюдениях:
«В течение зимы 1897—98 года я производил опыты над сопротивлением воздуха. Результаты своих работ я послал 12 марта 1898 года в Одессу, в редакцию «Вестника опытной физики». Редактор обещал напечатать статью (листов в 20) не позднее, чем через месяц после получения ее.
Проходит 6 месяцев — статья не печатается. Я прошу ее возвратить; редактор (господин Гернет) обещает «на-днях» выслать корректуру и начать печатание в № 258 «Вестника опытной физики» (письмо г. редактора 15 сентября).
В конце концов, у меня нет моей работы ни в рукописи, ни в печати. Поэтому-то я решил сделать сообщения в Ученые общества о моих опытах, сознавая некоторое их значение и прося Общества заставить г. редактора возвратить мне мою статью или напечатать ее немедленно (все письма г. редактора у меня целы)».
Далее следовало известное уже нам описание «воздуходувки» и опытов с ней.
Однако редактор журнала вскоре исполнил свое обещание, и статья Циолковского «Давление воздуха на поверхности, введенные в искусственный воздушный поток» начала печататься. Теперь Циолковский получил возможность послать итог своих исследований и в Академию наук, и в научные общества.
Впервые сообщение Циолковского рассматривалось на заседании физико-математического отделения Академии наук 22 сентября 1899 года.
В сопроводительном письме Циолковский просил Академию наук выдать ему на опыты по намеченной программе 1 000 рублей.
Статья попала в хорошие руки, а именно к академику М. А. Рыкачеву, который сам активно участвовал в разработке проблем летания и занимался вопросами экспериментальной аэродинамики.
«Академия поручила рассмотрение моих работ академику Рыкачеву, — писал позднее Константин Эдуардович в статье «Сопротивление воздуха и воздухоплавание». — Вследствие его благоприятного отзыва и ходатайства перед Академией, последняя решила выдать мне пособие (470 рублей) на производство опытов, программа которых была также представлена мною в Академию. Это было в мае 1900 г. Я принялся за сооружение большой воздуходувной машины, дававшей поток в аршин (0,71 метра. — Б. В.) высоты и ширины. 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 г. я мог начать клейку моделей и производство опытов. К концу следующего года (16 дек. 1901 г.) я уже выполнил часть предполагаемой программы и представил о сделанных опытах отчет в Академию. Этот отчет составлял только извлечение из моей рукописи и состоял из 80 писчих листов текста и 58 таблиц».
Результаты проделанных Циолковским опытов возбудили в Академии наук безусловный интерес, хотя Константин Эдуардович еще не осуществил всю намеченную им самим программу:
«В докладе Академии наук я не только еще не выполнил предполагаемую программу опытов и работ, но далеко не исчерпал и не решил еще окончательно и тех вопросов, о которых я трактовал в докладе. Работы еще очень много, и бог весть, когда я ее окончу и решу те вопросы, которые мною подняты».
Тем не менее академик Рыкачев в своем докладе президиуму Академии нашел возможным дать произведенным Циолковским опытам вполне положительную оценку:
«Опыты многочисленны, разнообразны, интересны и заслуживают внимания, несмотря на недостатки способа наблюдения и на грубость измерительных приборов».
Далее он указывал на то, что доклад прислан автором в довольно сыром виде, препятствующем передаче его к напечатанию в «Известиях» Академии. Действительно, Циолковский слишком уж поторопился поскорее отчитаться перед Академией в порученной работе в ущерб четкости работы.
«Основной недостаток присланного автором доклада, — говорит М. А. Рыкачев, — заключается в том, что сырой материал представлен в таком виде, что им невозможно пользоваться для суждения, насколько надежны результаты, данные в тексте (самые наблюдения в тексте, за редкими исключениями, не приводятся). В этом материале может разобраться лишь сам автор...
Для решения вопроса о помещении труда г-на Циолковского в изданиях Академии необходимо предварительно испросить от автора материал наблюдений в чистом виде, сгруппированный так, чтобы для каждого его вывода, данного текста были приведены все наблюдения, из которых этот вывод был сделан».
В то же время, желая, очевидно, поощрить ученого, чтобы он довел до конца обработку своего интересного материала, Рыкачев в заключительной части своего доклада еще раз подчеркивает значение уже проделанной Циолковским работы:
«Несмотря на упомянутые недостатки, труд г-на Циолковского, по моему мнению, заслуживает внимания».
Рукопись и заключение академика Рыкачева были возвращены Циолковскому вместе с предложением доработать присланный отчет. Но этого предложения ученый не выполнил, и материал по этой причине не был опубликован.
«В трудах Академии он (отчет. — Б. В.) не был напечатан отчасти по моему упрямству, — писал впоследствии Циолковский в своей автобиографии. — Но извлечения из опытов появились во многих журналах».
Циолковский имеет здесь в виду два журнала: одесский «Вестник опытной физики и элементарной математики» и «Научное обозрение» Филиппова. Статья, опубликованная в «Научном обозрении» под названием «Сопротивление воздуха и воздухоплавание», уже цитировалась выше.
Замечательнее всего, что Циолковский с помощью самодельной аэродинамической трубы пришел в сущности к тем же выводам, к каким в своих прекрасно оборудованных лабораториях пришли в дальнейшем Эйфель и другие исследователи в области экспериментальной аэродинамики.
Сопоставление полученных ими и Циолковским данных полностью это подтверждает.
Однако эти научные труды не удостоились никакого внимания со стороны лиц, разрабатывавших в те годы научные вопросы летания в России. О трудах Циолковского вспомнили лишь значительно позднее.
В 1902—1904 годах сооружена была аэродинамическая труба Н. Е. Жуковского (всасывающая) в Московском университете, в 1905 году начала работать Аэродинамическая лаборатория Рябушинского в Кучине, под Москвой. Константин Эдуардович решил принять меры к опубликованию, хотя и с запозданием на семь лет, своего объемистого труда (272 стр.) по вопросу о сопротивлении воздуха и направил его Н. Е. Жуковскому.
Но Циолковскому пришлось перенести еще один тяжелый удар.
Ответа от Жуковского о получении рукописи и об ее дальнейшем продвижении не последовало. Циолковский полагал, что посланная им через третьи руки рукопись долго блуждала, прежде чем попала в руки Жуковского. Через некоторое время он снова написал Николаю Егоровичу — и опять не получил ответа. При свидании на Всероссийском воздухоплавательном съезде в Петербурге в 1914 году Циолковский лично обратился к Жуковскому и с величайшим огорчением услышал, что тот рукописи не получал. Константину Эдуардовичу, несмотря на все его старания и хлопоты, так и не удалось разыскать свой труд[64]. Между тем копии у Циолковского не осталось. Перепечатать ее на машинке было для него не по средствам, а переписать от руки он не имел времени.
Такова основная причина, по которой Циолковский прекратил свои многообещающие и важные аэродинамические изыскания, несмотря на то, что к ним с несомненным интересом отнеслась высшая научная организация.
Как известно, Циолковский всю жизнь стремился к разрешению двух основных проблем: цельнометаллического дирижабля с изменяющимся объемом и реактивного летательного аппарата для межпланетных сообщений. Все остальные научные вопросы, над которыми он попутно работал, занимали лишь подчиненное положение по отношению к этим двум главным задачам.
Сама по себе аэродинамика не захватывала его. Ее выводы в части сопротивления воздуха были необходимы ему для немедленного применения в дальнейшей разработке проекта дирижабля и космической ракеты. Получив нужные выводы в приближенном виде, Циолковский не имел больше времени заниматься их дальнейшим уточнением. Он стремился как можно скорее заняться вопросом о космическом корабле, над которым, к своему большому огорчению, мог пока работать лишь изредка и урывками, отрываясь от экспериментов со своей аэродинамической трубой.