Возможен ли металлический аэростат (Циолковский)/ДО

Возможенъ-ли металлическій аэростатъ.
авторъ Константинъ Ціолковскій

Опубл.: 1893. Источникъ: Наука и жизнь, 1893, № 51 - 52, стр. 806-809.

Возможенъ-ли металлическій аэростатъ^[1].

Общій принципъ управляемаго аэростата вообще и металлическаго — въ особенности.

Металлическій аэростатъ, по моей мысли, своимъ внѣшнимъ видомъ напоминаетъ аэростаты братьевъ Тиссандье и Кребса съ Ренаромъ: то-же относительное положеніе ладьи, тѣ-же формы рыбы или веретена, тѣ-же руль и винтъ.

Хорошо еще провести аналогію между управляемымъ воздушнымъ кораблемъ и рыбой. Только рыба движется въ водѣ, — аэростатъ — въ воздухѣ; поступательное движеніе первой совершается черезъ маханіе плавниками и хвостомъ, аэростатъ же получаетъ самостоятельное движеніе вращеніемъ винта, то есть тѣхъ-же плавниковъ; источникъ энергіи рыбы заключается въ ея мускулахъ, которые — и безъ подкрѣпленія извнѣ долго могутъ приводить ее въ движеніе, постепенно, однако, истощаясь и уменьшаясь въ вѣсѣ; источникъ-же силы, приводящей въ движеніе металлич. аэростатъ, заключается въ наполняющемъ его легкомъ газѣ, который, сгорая въ газовыхъ моторахъ аэростата, приводитъ его въ дѣйствіе, позволяя безъ замѣтнаго ущерба и подкрѣпленія извнѣ (то есть пополненія газомъ) пройти тысячи верстъ. Рыба подымается и опускается въ своей средѣ работою плавниковъ, хвоста или сжатіемъ и расширеніемъ ея внутренней воздушной полости (пузырь). Тѣми же способами и аэростатъ можетъ регулировать свое положеніе надъ уровнемъ моря и почвы; но лучшимъ и могучимъ способомъ можетъ служить для этого измѣненіе внутренней его температуры, при посредствѣ продуктовъ горѣнія газа въ моторахъ, прогоняемыхъ въ большемъ или меньшемъ количествѣ внутрь аэростата, черезъ особыя трубы.

Итакъ, одинъ изъ принциповъ металлическаго аэростата состоитъ въ томъ, чтобы та самая сила, которая поддерживаетъ его въ воздухѣ, давала бы ему и произвольное движеніе.

Но рыба (или — вѣрнѣе — управляемое подводное судно), въ отношеніи простоты устройства, имѣетъ громадное преимущество; действительно, плотность среды въ которой она живетъ и плаваетъ, почти постоянна и поэтому ей нѣтъ никакихъ хлопотъ для управленія своимъ вертикальнымъ положеніемъ (степень глубины); плотность же воздуха, его температура и, въ особенности, температура внутри аэростата непрерывно измѣняются и притомъ въ довольно широкихъ предѣлахъ; главная причина послѣдняго — появленіе и исчезновеніе солнечнаго свѣта, нагрѣвающаго оболочку газовмѣстилища. Это усложняетъ устройство аэростата, такъ какъ требуетъ отъ него не только постоянной борьбы съ нарушеніемъ его с подъемной силы, но и значительнаго измѣненія объема безъ вреда для своей цѣлости, при соблюденіи симметріи плавности формы.

Выгоды металла.

Изъ сравненія аэростата съ рыбой вы видите и отличіе металлическихъ аэростатовъ отъ обыкновенныхъ управляемыхъ аэростатовъ съ мягкой оболочкой; но не видны еще ясно выгоды этихъ отличій. Въ самомъ дѣлѣ, что заставляетъ меня избрать металлъ, какъ главный матеріалъ при построеніи управляемаго аэростата? А вотъ что:

1) Металлъ дешевъ; цѣнность латуни, алюминія и желѣза въ десятки и сотни разъ менѣе цѣнности матеріаловъ, употребляемыхъ на постройку обыкновенных аэростатовъ (шелкъ, лакъ, пенька и т. д.).

2) Металлъ крѣпокъ: крѣпость его, превышающая при одинаковыхъ вѣсовыхъ условіяхъ, крѣпость всѣхъ органическихъ матеріаловъ, позволяетъ дѣлать аэростаты громадныхъ размѣровъ, что влечетъ за собой важныя послѣдствія; именно — а) аэростатъ получатъ возможность имѣть большую поступательную скорость, одолѣвающую въ большинствѣ случаевъ скорость противныхъ воздушныхъ теченій, что никакъ нельзя ожидать отъ маленькихъ аэростатовъ, въ родѣ аэростата Тиссандье или Кребса съ Ренаромъ; б) подымая при большихъ размѣрахъ сотни пассажировъ и значительные грузы, аэростатъ становится выгоднымъ для многихъ практическихъ предпріятій, что, впрочемъ, слѣдуетъ и изъ другихъ преимуществъ металлическаго материяла, каковы:

3) Непроницаемость его для газовъ и негигроскопичность; и то и другое способствуетъ сохраненію подъемной силы аэростата неопредѣленно долгое время.

4) Несгораемость металлической оболочки — безопасность отъ пожара; это свойство металловъ наводитъ на мысль употребить для самостоятельнаго движенія воздушнаго корабля дешевые, экономные и наиболѣе энергичные газовые двигатели, напр., системы г. Яковлева (около 5 пудовъ на паровую лошадь), или еще болѣе легкіе и спеціально приспособленные къ аэростату алюминіевые. Притомъ, горячіе продукты горѣнія можно пропускать въ различныхъ количествахъ черезъ черную трубку, помѣщенную внутри аэростата, и тѣмъ измѣнять внутреннюю его температуру по произволу между предѣлами, вполнѣ достаточными для борьбы съ вредными метеорологическими вліяніями, заставляющими его то стремительно падать, то подыматься и лопаться.

Безъ этого важнаго послѣдствія употребленія металла, практическое воздухоплаваніе, пожалуй, было-бы совсѣмъ немыслимо. Дѣйствительно, появленіе изъ облакъ солнца и скрытіе его въ облака, нагрѣвая и охлаждая оболочку, такъ страшно мѣняютъ подъемную способность аэростата, что для поддержанія его въ равновѣсіи (то-есть, на опредѣленной высотѣ) въ теченіи ничтожнаго промежутка времени (иногда, въ полуоблачную погоду, въ 1 часъ), приходится потерять ½ всего наполняющаго аэростатъ газа и выбросить весь грузъ, или всѣхъ пассажировъ. Какъ же быть? Нельзя же, въ самомъ дѣлѣ, выбрасывать пассажировъ и ежедневно выпускать на воздухъ тысячи рублей! Нельзя же опускаться на землю при каждомъ легкомъ помраченіи солнца полупрозрачнымъ облакомъ!

Вотъ тутъ-то соотвѣтствующее измѣненіе въ количествѣ пропускаемыхъ черезъ черную трубку аэростата горячихъ продуктовъ горѣнія и сохраняетъ подъемную силу аэростата безъ потери дорогаго газа и балласта; средство это незамѣнимо, имѣя въ виду возможность довольно сильнаго нагрѣванія солнцемъ аэростата.

Искусственное нагрѣваніе аэростата полезно и во многихъ другихъ отношеніяхъ: такъ, на его теплой поверхности не залеживается снѣгъ, тая и стекая съ ней; при сгораніи газа въ моторахъ, температура аэростата искусственно повышается, благодаря чему подъемная его сила не уменьшается; эта сила можетъ тѣмъ же способомъ возрастать и умаляться по мѣрѣ надобности, напр., когда сходятъ съ аэростата нѣсколько пассажировъ, или прибавляютъ къ нему грузъ. Если бы не регулированіе температуры, то объемъ аэростата мѣнялся бы гораздо чаще и рѣзче, что не можетъ быть для него полезно.

Укажу еще на одно преимущество металлической оболочки.

Обыкновенная мягкая оболочка аэростата покрыта неправильными складками, въ особенности при уклоненіи его объема и формы отъ извѣстной нормы, чему наиболѣе подвержены обыкновенные аэростаты, не имѣющіе возможности регулировать свою температуру; также газъ ихъ обязательно выпираетъ, изъ каждаго четыреугольника сѣтки, мягкую оболочку, въ видѣ покрытаго морщинами бугра.

Эти недостатки, которыхъ, какъ увидимъ, не имѣетъ металлическій аэростатъ, затрудняютъ управленіе имъ, такъ какъ складки и выпуклости увеличиваютъ трудъ разсѣченія имъ воздуха.

Довольно и сказаннаго, чтобы понять всю основательность нашихъ стремленій къ построенію металлическаго аэростата. Но, спрашивается — возможно-ли оно? Неясные слухи о попыткахъ такого рода мы давно уже слышимъ, результатовъ-же пока не видимъ.

Дѣло это несомнѣнно новое, трудное, но теоретически — вполнѣ возможное (см. труды мои: «Аэростатъ металлическій управляемый», выпуски 1 и 2 изд. 1893 г.).

Правда, теорія не можетъ принять въ свои формулы и умозаключенія всѣхъ дѣйствующихъ на практикѣ агентовъ и потому требуетъ непосредственнаго подтвержденія въ дѣлахъ новыхъ и сложныхъ.

Оставляя вопросъ открытымъ, до построенія металлическаго аэростата, предлагаю, вмѣсто головоломныхъ и не всякому доступныхъ вычисленій, болѣе реальное подтвержденіе моихъ предположеній при посредствѣ металлической модели аэростата. Такой пріемъ крайне простъ и, кромѣ того, онъ дастъ намъ случай поближе ознакомиться съ нѣкоторыми подробностями металлическаго воздушнаго корабля.

Металлическая модель-схема^[2] аэростата, служащая къ подтвержденію возможности построенія его изъ металла.

Вотъ, сверху, двѣ симметрически расположенныя жестяныя пластинки (A A) и одна снизу (B B) (см. на обоихъ чертежахъ, одинъ изъ которыхъ представляетъ грубый перспективный видъ модели, а другой — срединное поперечное ея сѣченіе). Онѣ припаяны концами къ краямъ коническихъ поверхностей (CC,) и изображаютъ, вмѣстѣ съ послѣдними, гладкую часть металлической оболочки аэростата. Эти пластинки, кромѣ того, въ средней части, соединены нормально упругой проволокой (DD) представляющей главное поперечное сѣченіе аэростата (фиг. 2). Между верхней и нижней пластинками, отъ одной конической поверхности къ краямъ другой, на равномъ разстояніи другъ, отъ друга, скользя свободно черезъ поперечный обручъ идутъ нѣсколько металлическихъ прутьевъ (ЕЕЕ…); проведя мысленно кривую поверхность черезъ эти прутья и жестяныя пластинки, получимъ полную сомкнутую оболочку аэростата, содержащую, въ натурѣ, легкій газъ.

Касательная къ прутьямъ поверхность имѣетъ волны, гребни которыхъ параллельны окружностямъ поперечныхъ сѣченій ея (см. на фиг. 1 листикъ F, или элементъ волнистой поверхности аэростата) тѣмъ крупнѣе, чѣмъ дальше отстоятъ отъ гладкихъ жестяныхъ пластинокъ. Двѣ изъ нихъ сверху, не скрѣплены между со бою на глухо, но могутъ сближаться, подобно листамъ книги, почти до совпаденія. Отъ линіи шалнернаго соединенія ихъ, свободно скользя черезъ нижнюю пластинку (BB), идутъ вертикально волнистые сверху стержни (J J…), къ нижнимъ внѣшнимъ концамъ которыхъ прикрѣпляется ладья (H. H.) Мы описали важнѣйшія части модели, о прочихъ же пока помолчимъ.

Рис. 1: Видъ модели металлическаго аэростата (съ фотографіи).

Возьмемъ теперь пальцами правой руки (большимъ и двумя слѣдующими) за верхнюю среднюю часть модели, именно — за края двухъ смежныхъ пластинокъ, и будемъ ихъ сближать (не слѣдуетъ хватать и сближать другія части модели, иначе — она испортится). Тогда мы увидимъ, какъ измѣняется, уменьшаясь, поперечное сѣченіе аэростата и самый объемъ его; конусы и вся воображаемая поверхность отчасти свертываются и съуживаются; отвѣсные стержни опускаются, опуская и чуть-чуть изгибая ладью; продольныя проволоки (E E E), изображающія волнистую поверхность аэростата, прикрѣплены наглухо къ краямъ одного конуса, но свободно скользятъ въ пазахъ поперечнаго обруча (D D) и у краевъ другаго конуса; такъ какъ, при сближеніи верхнихъ пластинокъ и уменьшеніи объема аэростата, стержни (E) немного выходятъ (не болѣе 1—2 милим.), при длинѣ модели въ 300 милим., по краямъ конуса, изъ своихъ пазухъ, то отсюда видно, что при сжиманіи аэростата боковыя его части должны имѣть возможность растягиваться въ продольномъ направленіи, для чего онѣ и имѣютъ волны, тѣмъ болѣе крупныя, чѣмъ далѣе онѣ отстоятъ отъ гладкихъ пластинокъ. А такъ какъ растяженіе это, даже при уменьшеніи объема аэростата на ¼—1/3 наибольшей его величины, не превышаетъ 1/100, то и размѣры волнъ не превышаютъ нѣсколькихъ миллиметровъ; теорія показываетъ, что наибольшее растяженіе боковыхъ частей сжимающейся оболочки обратно пропорціонально квадрату ея продолговатости. Если положить продолговатость оригинала въ 10, то она будетъ въ 4 раза болѣе продолговатости (то есть отношенія длины къ ширинѣ) модели (около 2½) и потому относительное растяженіе поверхности аэростата не болѣе l/1600. При этомъ условіи волны такъ мелки, что, при сравнительно огромныхъ размѣрахъ аэростата, не можетъ быть ни малѣйшаго сомнѣнія въ безопасномъ изгибаніи его волнистой поверхности.

Мало того, очень продолговатые аэростаты, представляя многія преимущества, могутъ, при извѣстной формѣ, обходиться совсѣмъ безъ волнъ!

Замѣчу, что форма модели довольно близко подходитъ, при описанномъ способѣ прикрѣпленія ладьи, къ дѣйствительной натуральной формѣ мягкаго аэростата.

Проведя мысленно плоскость черезъ вертикальные стержни (g g…), раздѣлимъ оболочку аэростата на двѣ симметрическія половины; мѣсто разрѣза можетъ подвергаться, при метеорологическихъ вліяніяхъ и при наклоненіи и поднятіи аэростата, угловымъ изгибамъ, почему эти мѣста оболочки прилегаютъ къ массивнымъ полосамъ, ограниченнымъ въ поперечномъ сѣченіи плавными линіями (A и B, фиг. 2) достаточнаго радіуса кривизны, на которыхъ изгибаніе гладкой въ этихъ мѣстахъ металлич. поверхности совершенно безопасно для ея цѣлости. Массивныя полосы на модели обозначены толстыми мѣдными проволоками; третьей нижней полосы нѣтъ. Такое соединеніе половинъ оболочки герметично, но можетъ быть другое шалнерное соединеніе, на подобіе петель шкатулки.

Когда объемъ аэростата измѣняется, то выдвиганіе стержней (E E…), поддерживающихъ ладью, должно быть правильно и симметрично съ обѣихъ сторонъ аэростата (фиг. 1), въ противномъ случаѣ горизонтальность продольной оси его можетъ нарушиться. Для этого существуетъ особый механизмъ («Аэростатъ»… 2), но можно обойтись и безъ него, для чего стержни (g g.,.) привинчиваются къ своимъ муфтамъ съ непропускающей газъ набивкой. Нѣкоторое сжатіе и расширеніе аэростата происходитъ и при этомъ, благодаря способности растягиванія и сжиманія волнистыхъ стержней. На модели стержни не растягиваются и не привинчиваются къ нижнимъ массивнымъ полосамъ. Въ виду регулированія внутренней температуры, объемъ аэростата измѣняется только чрезвычайно медленно и плавно, такъ что этого способа вполнѣ достаточно на нѣсколько сотъ верстъ пути аэростата; когда же онъ излишне напружится или ослабѣетъ, можно, спустившись на землю, отвинтить стержни и, возстановивъ равновѣсіе, завинтить ихъ опять. Внутри модели мы видимъ еще черный шнурокъ, изображающій черную металлическую трубу, куда пропускаются продукты горѣнія изъ моторовъ, расположенныхъ вмѣстѣ съ гребневымъ винтомъ въ кормовой части ладьи; труба тутъ и начинается, затѣмъ пройдя большую половину длины аэростата, поворачиваетъ назадъ и оканчивается въ вершинѣ задняго конуса, — это для того, чтобы горячіе газы, отчасти выпускаемые наружу, не безпокоили пассажировъ и не грязнили блестящую металлическую оболочку воздушнаго корабля.

Въ ладьѣ, къ наружной части трубы приспособлена заслонка, регулирующая количество проходящихъ черезъ аэростатъ горячихъ газовъ; чѣмъ большая ихъ часть выбрасывается непосредственно въ атмосферу, тѣмъ температура внутри оболочки выше, и наоборотъ. Кромѣ этого регулятора, аэростатъ имѣетъ еще нѣсколько другихъ регуляторовъ, приборовъ и приспособленій, назначеніе которыхъ — держать аэростатъ на опредѣленной высотѣ, дать горизонтальность продольной оси, препятствовать качкѣ ладьи, предупреждать о какой либо опасности и т. под.; они могутъ дѣйствовать и автоматически («Аэростатъ»). 2) благодаря имъ, управленіе воздушнымъ кораблемъ, въ обыкновенную погоду и по близости земли, становится дѣломъ чрезвычайно точнымъ и легкимъ: онъ слушается приказаній, какъ добрый конекъ, не сбивается съ пути, не наклоняется безъ нужды и двигается на опредѣленной высотѣ.

Замѣтимъ, что кромѣ описанныхъ продольныхъ массивныхъ частей оболочки, предохраняющихъ ее отъ продольнаго разрыва, ничто не мѣшаетъ намъ примѣнить и другія, въ родѣ обручей, одинъ изъ которыхъ на модели изображаетъ среднее поперечное сѣченіе аэростата (фиг. 1 и 2, D). Такіе обручи предохранятъ оболочку отъ поперечнаго ея разрыва.

Дѣйствительные размѣры аэростатовъ, ихъ скорости и нѣкоторые другіе результаты вычисленій.

Крѣпость строительныхъ металловъ позволяетъ делать аэростаты отъ 8 до 80 метровъ высоты; уподобляясь кораблямъ, они имѣютъ въ длину отъ 40 до 560 метровъ. Не поражайтесь этими размѣрами: длина морскихъ пароходовъ достигаетъ 200 метровъ! При такихъ размѣрахъ, аэростаты, кромѣ двигателей и многихъ иныхъ принадлежностей, легко несутъ отъ 1-го до 2500 человѣкъ, а при употребленіи чистаго водорода — до 6000 пассажировъ; полная же подъемная сила ихъ колеблется отъ 1½ до 2000 тоннъ; сила газовыхъ моторовъ — отъ 1 до 2500 и 5000 метрическихъ лошадей, каждая изъ которыхъ составляетъ 4/3 паровой лошади; энергія двигателей обыкновенная и въ примѣръ взяты газовые двигатели г. Яковлева, дающіе на каждые пять пудовъ своего вѣса около одной паровой лошади. Толщина желѣзной оболочки простирается отъ толщины жести, изъ которой выбиваютъ крышки для коробокъ съ ваксой, до толщины кровельнаго желѣза; легкость алюминія толщину оболочки увеличиваетъ втрое.

Рис. 2: Главный поперечный разрѣзъ модели.

Всѣ приводимыя данныя суть результаты вычисленій, настолько простыхъ и очевидныхъ, что оспаривать ихъ было бы странно.

Скорость аэростатовъ въ неподвижномъ воздухѣ заключается между предѣлами 23 килом. и 62 килом. въ 1 часъ. Здѣсь приводятся наименьшія скорости, вычисленныя при самыхъ неблагопріятныхъ условіяхъ. Я провѣрялъ свои формулы, дающія эти скорости, примѣняя ихъ къ опредѣленію быстроты движенія аэростатовъ Тиссандье и Кребса съ Ренаромъ. И что же! — путемъ вычисленія, у меня получились величины, лишь очень немного превышающія скорости, полученный изъ опытовъ знаменитыхъ воздухоплавателей; съ этихъ поръ я пересталъ сомнѣваться въ своихъ теоретическихъ выводахъ подобнаго рода (см. «Аэростатъ»…, вып. 2, стр. 113).

Мало того, есть возможность раза въ два расширить предѣлы приводимыхъ скоростей, если увеличить продолговатость аэростата, энергію моторовъ и уменьшить вѣсъ ихъ; при употребленіи чистаго водорода, сила двигателей можетъ быть увеличена въ 2½ раза.

Но и увеличеніе это въ большинствѣ случаевъ излишне: средній аэростатъ, по высотѣ своей укрывающійся съ макушкой въ лѣсныхъ просѣкахъ, имѣетъ часовую скорость лишь верстъ въ 40, и ея достаточно, имѣя въ виду лѣсную тишь: еще меньшіе аэростаты, съ которыхъ и придется начать дѣло, двигаются еще слабѣе — верстъ 30 въ 1 часъ; защищая ихъ аллеями большихъ дорогъ, найдемъ и ихъ свободными въ своихъ движеніяхъ.

Внутренняя температура аэростата вообще градусовъ на десять выше температуры окружающаго воздуха. Если аэростатъ идетъ не останавливаясь и сжигая непрерывно газъ въ моторахъ, то, ради сохраненія равновѣсія, температура его должна постепенно повышаться; самые громадные аэростаты, при своей блестящей металлической оболочкѣ, могутъ доводить разность температуры до 100°, что позволяетъ имъ сжигать до одной трети всего находящаяся въ нихъ легкая газа и проходить такимъ образомъ, безъ остановки, до 25 тысячъ верстъ (килом.); наименьшіе металлическіе аэростаты, безъ подполненія ихъ газомъ, проходятъ такимъ же способомъ нѣсколько сотъ верстъ.

Строить аэростатъ можно и на плоскости, и прямо въ выпукломъ видѣ, съ помощію верфи, внутренняя пустота которой имѣетъ среднюю форму раздутаго металлическая аэростата.

Построенный на плоскости, металлическій мѣшокъ съ особыми предосторожностями наполняется газомъ, причемъ волнистая поверхность растягивается и аэростатъ получаетъ такой же видъ, какъ и выстроенный на верфи. Вдаваться въ подробности, однако, здѣсь не мѣсто. (См. « Аэростатъ») вып. 1 и 2.

Дѣло металлич. воздушнаго корабля столь чревато благими послѣдствіями, что было бы крайне неблагоразумно жалѣть силъ, трудовъ и издержекъ для испытанія всѣхъ средствъ къ его осуществленію; пусть оно не удастся, пусть мы ошибаемся (я никого не соблазняю и ничего заранѣе, навѣрняка, не обѣщаю), но развѣ имѣемъ мы право не попытаться, если эта попытка, по здравому и научному сужденію, должна повлечь за собою результаты столь важные, что всю силу и значеніе ихъ даже оцѣнить теперь нельзя… Сколько пространствъ пустынной земли будетъ заселено, сколько бѣдняковъ найдетъ заработокъ или пропитаніе, сколько научныхъ и нравственныхъ завоеваній сдѣлаетъ человѣчество, когда дѣло воздухоплаванія станетъ твердой ногой!.. Достиженіе полюсовъ земли будетъ не смѣлой мечтой, а пріятной прогулкой!

Какъ легко сдѣлать такую попытку для цѣлаго общества образованныхъ и обезпеченныхъ людей!

Я не предлагаю сейчасъ же строить аэростаты и эксплоатировать дѣло воздушной навигаціи, — я предлагаю только подробнѣе изслѣдовать этотъ вопросъ, такъ сказать, удобрить и вспахать почву. На какія нибудь 5—10 тысячъ можно произвести многіе опыты и подготовиться къ дѣйствительному сооруженію воздушныхъ кораблей, обѣщающихъ баснословныя матеріальныя выгоды.

К. Ціолковскій.

---

1. Нѣкоторыя подробности по этому вопросу см. въ отдѣльно изданныхъ мною книжкахъ: «Аэростатъ металлическій управляемый», выпуски 1 и 2-й, 1893 г. Продается въ магазинахъ Москвы и Петербурга. (Прим. автора)
2. Модель эта имѣетъ въ длину около 30 сантим.; она приготовляется подъ моимъ руководствомъ и высылается желающимъ за 3 рубля (цѣна понижена съ 10 р.). Адресъ мой: Калуга, противъ церкви Георгія за Верхомъ, К. Э. Ціолковскому. (Прим. автора)