Возможен ли металлический аэростат (Циолковский)
| Возможен ли металлический аэростат |
| Опубл.: 1893. Источник: Наука и жизнь, 1893, № 51 - 52, стр. 806-809 |
Возможен ли металлический аэростат[1][править]
Общий принцип управляемого аэростата вообще и металлического — в особенности[править]
Металлический аэростат, по моей мысли, своим внешним видом напоминает аэростаты братьев Тиссандье и Кребса с Ренаром: то же относительное положение ладьи, те же формы рыбы или веретена, те же руль и винт.
Хорошо еще провести аналогию между управляемым воздушным кораблем и рыбой. Только рыба движется в воде, — аэростат — в воздухе; поступательное движение первой совершается через махание плавниками и хвостом, аэростат же получает самостоятельное движение вращением винта, то есть тех же плавников; источник энергии рыбы заключается в ее мускулах, которые и без подкрепления извне долго могут приводить ее в движение, постепенно, однако, истощаясь и уменьшаясь в весе; источник же силы, приводящей в движение металлич. аэростат, заключается в наполняющем его легком газе, который, сгорая в газовых моторах аэростата, приводит его в действие, позволяя без заметного ущерба и подкрепления извне (то есть пополнения газом) пройти тысячи верст. Рыба подымается и опускается в своей среде работою плавников, хвоста или сжатием и расширением ее внутренней воздушной полости (пузырь). Теми же способами и аэростат может регулировать свое положение над уровнем моря и почвы; но лучшим и могучим способом может служить для этого изменение внутренней его температуры, при посредстве продуктов горения газа в моторах, прогоняемых в большем или меньшем количестве внутрь аэростата, через особые трубы.
Итак, один из принципов металлического аэростата состоит в том, чтобы та самая сила, которая поддерживает его в воздухе, давала бы ему и произвольное движение.
Но рыба (или — вернее — управляемое подводное судно), в отношении простоты устройства, имеет громадное преимущество; действительно, плотность среды в которой она живет и плавает, почти постоянна и поэтому ей нет никаких хлопот для управления своим вертикальным положением (степень глубины); плотность же воздуха, его температура и, в особенности, температура внутри аэростата непрерывно изменяются и притом в довольно широких пределах; главная причина последнего — появление и исчезновение солнечного света, нагревающего оболочку газовместилища. Это усложняет устройство аэростата, так как требует от него не только постоянной борьбы с нарушением его с подъемной силы, но и значительного изменения объема без вреда для своей целости, при соблюдении симметрии плавности формы.
Выгоды металла[править]
Из сравнения аэростата с рыбой вы видите и отличие металлических аэростатов от обыкновенных управляемых аэростатов с мягкой оболочкой; но не видны еще ясно выгоды этих отличий. В самом деле, что заставляет меня избрать металл, как главный материал при построении управляемого аэростата? А вот что:
- 1) Металл дешев; ценность латуни, алюминия и железа в десятки и сотни раз менее ценности материалов, употребляемых на постройку обыкновенных аэростатов (шелк, лак, пенька и т. д.).
- 2) Металл крепок: крепость его, превышающая при одинаковых весовых условиях, крепость всех органических материалов, позволяет делать аэростаты громадных размеров, что влечет за собой важные последствия; именно — а) аэростат получат возможность иметь большую поступательную скорость, одолевающую в большинстве случаев скорость противных воздушных течений, что никак нельзя ожидать от маленьких аэростатов, в роде аэростата Тиссандье или Кребса с Ренаром; б) подымая при больших размерах сотни пассажиров и значительные грузы, аэростат становится выгодным для многих практических предприятий, что, впрочем, следует и из других преимуществ металлического материала, каковы:
- 3) Непроницаемость его для газов и негигроскопичность; и то и другое способствует сохранению подъемной силы аэростата неопределенно долгое время.
- 4) Несгораемость металлической оболочки — безопасность от пожара; это свойство металлов наводит на мысль употребить для самостоятельного движения воздушного корабля дешевые, экономные и наиболее энергичные газовые двигатели, напр., системы г. Яковлева (около 5 пудов на паровую лошадь), или еще более легкие и специально приспособленные к аэростату алюминиевые. Притом, горячие продукты горения можно пропускать в различных количествах через черную трубку, помещенную внутри аэростата, и тем изменять внутреннюю его температуру по произволу между пределами, вполне достаточными для борьбы с вредными метеорологическими влияниями, заставляющими его то стремительно падать, то подыматься и лопаться.
Без этого важного последствия употребления металла, практическое воздухоплавание, пожалуй, было бы совсем немыслимо. Действительно, появление из облак солнца и скрытие его в облака, нагревая и охлаждая оболочку, так страшно меняют подъемную способность аэростата, что для поддержания его в равновесии (то есть, на определенной высоте) в течении ничтожного промежутка времени (иногда, в полуоблачную погоду, в 1 час), приходится потерять ½ всего наполняющего аэростат газа и выбросить весь груз, или всех пассажиров. Как же быть? Нельзя же, в самом деле, выбрасывать пассажиров и ежедневно выпускать на воздух тысячи рублей! Нельзя же опускаться на землю при каждом легком помрачении солнца полупрозрачным облаком!
Вот тут-то соответствующее изменение в количестве пропускаемых через черную трубку аэростата горячих продуктов горения и сохраняет подъемную силу аэростата без потери дорогого газа и балласта; средство это незаменимо, имея в виду возможность довольно сильного нагревания солнцем аэростата.
Искусственное нагревание аэростата полезно и во многих других отношениях: так, на его теплой поверхности не залеживается снег, тая и стекая с ней; при сгорании газа в моторах, температура аэростата искусственно повышается, благодаря чему подъемная его сила не уменьшается; эта сила может тем же способом возрастать и умаляться по мере надобности, напр., когда сходят с аэростата несколько пассажиров, или прибавляют к нему груз. Если бы не регулирование температуры, то объем аэростата менялся бы гораздо чаще и резче, что не может быть для него полезно.
Укажу еще на одно преимущество металлической оболочки.
Обыкновенная мягкая оболочка аэростата покрыта неправильными складками, в особенности при уклонении его объема и формы от известной нормы, чему наиболее подвержены обыкновенные аэростаты, не имеющие возможности регулировать свою температуру; также газ их обязательно выпирает, из каждого четырехугольника сетки, мягкую оболочку, в виде покрытого морщинами бугра.
Эти недостатки, которых, как увидим, не имеет металлический аэростат, затрудняют управление им, так как складки и выпуклости увеличивают труд рассечения им воздуха.
Довольно и сказанного, чтобы понять всю основательность наших стремлений к построению металлического аэростата. Но, спрашивается — возможно ли оно? Неясные слухи о попытках такого рода мы давно уже слышим, результатов же пока не видим.
Дело это, несомненно, новое, трудное, но теоретически — вполне возможное (см. труды мои: «Аэростат металлический управляемый», выпуски 1 и 2 изд. 1893 г.).
Правда, теория не может принять в свои формулы и умозаключения всех действующих на практике агентов и потому требует непосредственного подтверждения в делах новых и сложных.
Оставляя вопрос открытым, до построения металлического аэростата, предлагаю, вместо головоломных и не всякому доступных вычислений, более реальное подтверждение моих предположений при посредстве металлической модели аэростата. Такой прием крайне прост и, кроме того, он даст нам случай поближе ознакомиться с некоторыми подробностями металлического воздушного корабля.
Металлическая модель-схема[2] аэростата, служащая к подтверждению возможности построения его из металла[править]
Вот, сверху, две симметрически расположенные жестяные пластинки (A A) и одна снизу (B B) (см. на обоих чертежах, один из которых представляет грубый перспективный вид модели, а другой — срединное поперечное ее сечение). Они припаяны концами к краям конических поверхностей (CC,) и изображают, вместе с последними, гладкую часть металлической оболочки аэростата. Эти пластинки, кроме того, в средней части, соединены нормально упругой проволокой (DD) представляющей главное поперечное сечение аэростата (фиг. 2). Между верхней и нижней пластинками, от одной конической поверхности к краям другой, на равном расстоянии друг, от друга, скользя свободно через поперечный обруч идут несколько металлических прутьев (ЕЕЕ…); проведя мысленно кривую поверхность через эти прутья и жестяные пластинки, получим полную сомкнутую оболочку аэростата, содержащую, в натуре, легкий газ.
Касательная к прутьям поверхность имеет волны, гребни которых параллельны окружностям поперечных сечений ее (см. на фиг. 1 листик F, или элемент волнистой поверхности аэростата) тем крупнее, чем дальше отстоят от гладких жестяных пластинок. Две из них сверху, не скреплены между со бою на глухо, но могут сближаться, подобно листам книги, почти до совпадения. От линии шалнернаго соединения их, свободно скользя через нижнюю пластинку (BB), идут вертикально волнистые сверху стержни (J J…), к нижним внешним концам которых прикрепляется ладья (H. H.) Мы описали важнейшие части модели, о прочих же пока помолчим.
Возьмем теперь пальцами правой руки (большим и двумя следующими) за верхнюю среднюю часть модели, именно — за края двух смежных пластинок, и будем их сближать (не следует хватать и сближать другие части модели, иначе — она испортится). Тогда мы увидим, как изменяется, уменьшаясь, поперечное сечение аэростата и самый объем его; конусы и вся воображаемая поверхность отчасти свертываются и суживаются; отвесные стержни опускаются, опуская и чуть-чуть изгибая ладью; продольные проволоки (E E E), изображающие волнистую поверхность аэростата, прикреплены наглухо к краям одного конуса, но свободно скользят в пазах поперечного обруча (D D) и у краев другого конуса; так как, при сближении верхних пластинок и уменьшении объема аэростата, стержни (E) немного выходят (не более 1—2 милим.), при длине модели в 300 милим., по краям конуса, из своих пазух, то отсюда видно, что при сжимании аэростата боковые его части должны иметь возможность растягиваться в продольном направлении, для чего они и имеют волны, тем более крупные, чем далее они отстоят от гладких пластинок. А так как растяжение это, даже при уменьшении объема аэростата на ¼—1/3 наибольшей его величины, не превышает 1/100, то и размеры волн не превышают нескольких миллиметров; теория показывает, что наибольшее растяжение боковых частей сжимающейся оболочки обратно пропорционально квадрату ее продолговатости. Если положить продолговатость оригинала в 10, то она будет в 4 раза более продолговатости (то есть отношения длины к ширине) модели (около 2½) и потому относительное растяжение поверхности аэростата не более l/1600. При этом условии волны так мелки, что, при сравнительно огромных размерах аэростата, не может быть ни малейшего сомнения в безопасном изгибании его волнистой поверхности.
Мало того, очень продолговатые аэростаты, представляя многие преимущества, могут, при известной форме, обходиться совсем без волн!
Замечу, что форма модели довольно близко подходит, при описанном способе прикрепления ладьи, к действительной натуральной форме мягкого аэростата.
Проведя мысленно плоскость через вертикальные стержни (g g…), разделим оболочку аэростата на две симметрические половины; место разреза может подвергаться, при метеорологических влияниях и при наклонении и поднятии аэростата, угловым изгибам, почему эти места оболочки прилегают к массивным полосам, ограниченным в поперечном сечении плавными линиями (A и B, фиг. 2) достаточного радиуса кривизны, на которых изгибание гладкой в этих местах металлич. поверхности совершенно безопасно для ее целости. Массивные полосы на модели обозначены толстыми медными проволоками; третьей нижней полосы нет. Такое соединение половин оболочки герметично, но может быть другое шалнерное соединение, наподобие петель шкатулки.
Когда объем аэростата изменяется, то выдвигание стержней (E E…), поддерживающих ладью, должно быть правильно и симметрично с обеих сторон аэростата (фиг. 1), в противном случае горизонтальность продольной оси его может нарушиться. Для этого существует особый механизм («Аэростат»… 2), но можно обойтись и без него, для чего стержни (g g.,.) привинчиваются к своим муфтам с не пропускающей газ набивкой. Некоторое сжатие и расширение аэростата происходит и при этом, благодаря способности растягивания и сжимания волнистых стержней. На модели стержни не растягиваются и не привинчиваются к нижним массивным полосам. В виду регулирования внутренней температуры, объем аэростата изменяется только чрезвычайно медленно и плавно, так что этого способа вполне достаточно на несколько сот верст пути аэростата; когда же он излишне напружится или ослабеет, можно, спустившись на землю, отвинтить стержни и, восстановив равновесие, завинтить их опять. Внутри модели мы видим еще черный шнурок, изображающий черную металлическую трубу, куда пропускаются продукты горения из моторов, расположенных вместе с гребневым винтом в кормовой части ладьи; труба тут и начинается, затем, пройдя большую половину длины аэростата, поворачивает назад и оканчивается в вершине заднего конуса, — это для того, чтобы горячие газы, отчасти выпускаемые наружу, не беспокоили пассажиров и не грязнили блестящую металлическую оболочку воздушного корабля.
В ладье, к наружной части трубы приспособлена заслонка, регулирующая количество проходящих через аэростат горячих газов; чем большая их часть выбрасывается непосредственно в атмосферу, тем температура внутри оболочки выше, и наоборот. Кроме этого регулятора, аэростат имеет еще несколько других регуляторов, приборов и приспособлений, назначение которых — держать аэростат на определенной высоте, дать горизонтальность продольной оси, препятствовать качке ладьи, предупреждать о какой либо опасности и т. под.; они могут действовать и автоматически («Аэростат»). 2) благодаря им, управление воздушным кораблем, в обыкновенную погоду и по близости земли, становится делом чрезвычайно точным и легким: он слушается приказаний, как добрый конек, не сбивается с пути, не наклоняется без нужды и двигается на определенной высоте.
Заметим, что кроме описанных продольных массивных частей оболочки, предохраняющих ее от продольного разрыва, ничто не мешает нам применить и другие, в роде обручей, один из которых на модели изображает среднее поперечное сечение аэростата (фиг. 1 и 2, D). Такие обручи предохранят оболочку от поперечного ее разрыва.
Действительные размеры аэростатов, их скорости и некоторые другие результаты вычислений[править]
Крепость строительных металлов позволяет делать аэростаты от 8 до 80 метров высоты; уподобляясь кораблям, они имеют в длину от 40 до 560 метров. Не поражайтесь этими размерами: длина морских пароходов достигает 200 метров! При таких размерах, аэростаты, кроме двигателей и многих иных принадлежностей, легко несут от 1-го до 2500 человек, а при употреблении чистого водорода — до 6000 пассажиров; полная же подъемная сила их колеблется от 1½ до 2000 тонн; сила газовых моторов — от 1 до 2500 и 5000 метрических лошадей, каждая из которых составляет 4/3 паровой лошади; энергия двигателей обыкновенная и в пример взяты газовые двигатели г. Яковлева, дающие на каждые пять пудов своего веса около одной паровой лошади. Толщина железной оболочки простирается от толщины жести, из которой выбивают крышки для коробок с ваксой, до толщины кровельного железа; легкость алюминия толщину оболочки увеличивает втрое.
Все приводимые данные суть результаты вычислений, настолько простых и очевидных, что оспаривать их было бы странно.
Скорость аэростатов в неподвижном воздухе заключается между пределами 23 килом. и 62 килом. в 1 час. Здесь приводятся наименьшие скорости, вычисленные при самых неблагоприятных условиях. Я проверял свои формулы, дающие эти скорости, применяя их к определению быстроты движения аэростатов Тиссандье и Кребса с Ренаром. И что же! — путем вычисления, у меня получились величины, лишь очень немного превышающие скорости, полученный из опытов знаменитых воздухоплавателей; с этих пор я перестал сомневаться в своих теоретических выводах подобного рода (см. «Аэростат»…, вып. 2, стр. 113).
Мало того, есть возможность раза в два расширить пределы приводимых скоростей, если увеличить продолговатость аэростата, энергию моторов и уменьшить вес их; при употреблении чистого водорода, сила двигателей может быть увеличена в 2½ раза.
Но и увеличение это в большинстве случаев излишне: средний аэростат, по высоте своей укрывающийся с макушкой в лесных просеках, имеет часовую скорость лишь верст в 40, и ея достаточно, имея в виду лесную тишь: еще меньшие аэростаты, с которых и придется начать дело, двигаются еще слабее — верст 30 в 1 час; защищая их аллеями больших дорог, найдем и их свободными в своих движениях.
Внутренняя температура аэростата вообще градусов на десять выше температуры окружающего воздуха. Если аэростат идет, не останавливаясь и сжигая непрерывно газ в моторах, то, ради сохранения равновесия, температура его должна постепенно повышаться; самые громадные аэростаты, при своей блестящей металлической оболочке, могут доводить разность температуры до 100°, что позволяет им сжигать до одной трети всего находящаяся в них легкая газа и проходить, таким образом, без остановки, до 25 тысяч верст (килом.); наименьшие металлические аэростаты, без подполнения их газом, проходят таким же способом несколько сот верст.
Строить аэростат можно и на плоскости, и прямо в выпуклом виде, с помощью верфи, внутренняя пустота которой имеет среднюю форму раздутого металлическая аэростата.
Построенный на плоскости, металлический мешок с особыми предосторожностями наполняется газом, причем волнистая поверхность растягивается и аэростат получает такой же вид, как и выстроенный на верфи. Вдаваться в подробности, однако, здесь не место. (См. « Аэростат») вып. 1 и 2.
Дело металлич. воздушного корабля столь чревато благими последствиями, что было бы крайне неблагоразумно жалеть сил, трудов и издержек для испытания всех средств к его осуществлению; пусть оно не удастся, пусть мы ошибаемся (я никого не соблазняю и ничего заранее, наверняка, не обещаю), но разве имеем мы право не попытаться, если эта попытка, по здравому и научному суждению, должна повлечь за собою результаты столь важные, что всю силу и значение их даже оценить теперь нельзя… Сколько пространств пустынной земли будет заселено, сколько бедняков найдет заработок или пропитание, сколько научных и нравственных завоеваний сделает человечество, когда дело воздухоплавания станет твердой ногой!.. Достижение полюсов земли будет не смелой мечтой, а приятной прогулкой!
Как легко сделать такую попытку для целого общества образованных и обеспеченных людей!
Я не предлагаю сейчас же строить аэростаты и эксплоатировать дело воздушной навигации, — я предлагаю только подробнее исследовать этот вопрос, так сказать, удобрить и вспахать почву. На какие-нибудь 5—10 тысяч можно произвести многие опыты и подготовиться к действительному сооружению воздушных кораблей, обещающих баснословные материальные выгоды.
- ↑ Некоторые подробности по этому вопросу см. в отдельно изданных мною книжках: «Аэростат металлический управляемый», выпуски 1 и 2-й, 1893 г. Продается в магазинах Москвы и Петербурга. (Прим. автора)
- ↑ Модель эта имеет в длину около 30 сантим.; она приготовляется под моим руководством и высылается желающим за 3 рубля (цена понижена с 10 р.). Адрес мой: Калуга, против церкви Георгия за Верхом, К. Э. Циолковскому. (Прим. автора)