Дирижабль, стратоплан и звездолёт как три ступени величайших достижений СССР (Циолковский)

Дирижабль, стратоплан и звездолёт как три ступени величайших достижений СССР
автор Константин Эдуардович Циолковский

Опубл.: 1933. Источник: Гражданская авиация, 1923, №№9, 11, 12

1. Дирижабль

Дирижабль занимает мои мысли уже более 50 лет. Опытная разработка его не закончилась и сейчас. Мои размышления и опыты привели меня к определенному новому типу дирижабля. Он целиком металлический, с изменяющимся объемом и подогреванием водорода.

Старинный дирижабль Жиффара (1852 г.) — сгораемый, мягкий, без воздушных отделений, с изменяющимся объемом, с паровым двигателем, воздушным винтом, рулями и предохранительным клапаном. Преимущество его в том, что оболочка с газом, свободно расширяясь и сжимаясь, сохраняет свою подъемную силу неизменной на "всякой высоте и при всяком изменении температуры и давлении атмосферы. (При этом необходимо, чтобы вне и внутри дирижабля температура и давление были одинаковы или приблизительно одинаковы, разность температуры должна быть неизменной. Первое условие соблюдается, пока аэростат не надуется до отказа. Разность же температур то увеличивается, то уменьшается. От действия солнца разность увеличивается, а когда солнце скрывается за облака эта разность убывает. Отсюда первый недостаток такого мягкого дирижабля, заключающийся в том, что в зависимости от погоды дирижабль то падает, то устремляется в высь.

Этот недостаток я устраняю небольшим нагреванием дирижабля дымом, паром или выхлопными газами в начале пути, без этого он не может подняться. Если во время полета дирижабль подогреть еще сильнее, то подъемная сила увеличится. Если же прекратить подогревание, то он сам собой охлаждается и падает вниз, потому что его подъемная сила уменьшается. Это очень могущественное средство отвесного управления и борьбы с метеорологическими влияниями, нарушающими равновесие аэростата.

Второй недостаток безбалонного дирижабля — постоянная опасность пожара, особенно при употреблении огневых двигателей. Я избегаю этой опасности употреблением несгораемого строительного материала, например, стали. Вместе с этим появляется возможность подогревания газа и стало быть хорошая вертикальная управляемость.

Третий недостаток мягкого дирижабля — объем и форма его постоянно изменяются, поэтому газовая оболочка образует морщины и большие складки, вследствие чего горизонтальная управляемость становится немыслимой.

Я устраняю этот недостаток употреблением для оболочки гофрированной жести и особым устройством корабля (рис. 1—5). Такой дирижабль, несмотря на любое сокращение объема, сохраняет прекрасную форму и никогда не образует морщин.

Недостатком дирижабля Жиффара является также и то, что при сжатии водорода, например от снижения дирижабля, легкий газ устремляется в один из концов оболочки, которая от этого наклоняется. В таком положении не только трудно получить большую поступательную скорость, но и оболочка может порваться от увеличения разности давлений в поднявшемся конце.

В цельнометаллическом дирижабле мы справляемся с этим затруднением употреблением особой блочной стягивающей тросовой системы, помещенной внутри газовой оболочки. Таким устройством воздушного корабля мы достигаем следующих выгод: 1) пожарная безопасность, 2) устранение просачивания водорода и воздуха через оболочку, 3) отвесная управляемость без потери газа и балласта, 4) широкое изменение подъемной силы, 5) значительные размеры и грузоподъемность, вследствие этого большая поступательная скорость при малой затрате энергии, 6) удобная (постройка оболочки электросваркой на горизонтальной плоскости и ненужность дорогой верфи, 7) чрезвычайная простота и быстрота этой постройки, 8) дешевый и прочный материал. При дирижабле в 300 м длины стальная оболочка имеет толщины кровельного железа. В гофрированном виде это чрезвычайно солидно, поэтому она не нуждается в особых хранилищах (ангарах).

Все это в совокупности делает дирижабли такого типа самым дешевым и совершенным средством транспорта, особенно драгоценным в обширных странах с мало развитыми путями сообщения.

2. Высотный самолет, или стратоплан

В нижних слоях атмосферы самолет не может получить больших скоростей. Экономическая его скорость составляет 50 м/сек или 180 км/час. Бели мы пожелали бы увеличить его скорость в 2, 3, 4 раза, то .мощность моторов пришлось бы увеличивать при том же общем весе аэроплана в 8, 27, 64 раза, а это по многим причинам сделать очень трудно; например, моторы были бы непрочны, воздушный винт разорвался бы от быстрого вращения, а самолет не выдержал бы давления встречного потока и пр.

В разреженном воздухе легче достигнуть увеличенной скорости. Точные расчеты показывают, что когда разрежение среды достигает 4, 9, 16, 25, то скорость самолета может возрасти в 2, 3, 4, 5 раз, но при условии увеличения мощности двигателей в 2, 3, 4, 5 раз, а не в 8, 27, 64, 125 раз, как это необходимо внизу при неизменной плотности воздуха. Это, конечно, осуществить легче и можно было бы на соответствующих высотах скорость самолета увеличить в несколько раз, если бы мы не встретили тут множества других затруднений, а именно:

1. Воздушный винт от быстроты его вращения разрывается.

2. Разреженный воздух ослабляет моторы. Его необходимо предварительно сгущать, на что нужна добавочная работа.

3. При сжатии воздуха он нагревается тем сильнее, чет был разреженнее. В результате необходимы холодильника.

4. Разреженный воздух на высотах хотя и холоден, но в силу своего разрежения недостаточно охлаждает моторы.

5. Недостаток кислорода на высотах и малое давление атмосферы делают необходимым употребление замкнутого корпуса (кабины), не выпускающего кислорода. Тогда давление на человеческое тело не уменьшится и человек не ослабеет и не задохнется.

В силу всего этого полет на высотах с большой скоростью не так прост, как это принято думать. Мои размышления и расчеты привели меня в настоящее время к следующему наиболее осуществимому типу высотного самолета.

Стратоплан (рис. 1) состоит из трех корпусов (фюзеляжей), соединенных одним крылом. Эта система (как и всякий самолет) имеет рули направления, высоты и боковой устойчивости. Две крайние кабины закрыты и не выпускают из себя газов, необходимых для дыхания. Они назначены для людей и горючего. Впрочем, горючее может помещаться по концам кабины в особых отделениях, не закрытых герметически.

Средний корпус (рис. 2) имеет спереди и сзади два отверстия переменной площади, которые тем более суживаются, чем больше скорость стратоплана. Вследствие этого через средний корпус проходит всегда один и тот же объем воздуха, независимо от поступательной скорости снаряда. Поэтому скорость течения воздуха в средней расширенной части корпуса одна и та же и воздушный винт вращается всегда с одной и той же скоростью. Этим мы исключаем возможность его разрыва.

Верность сказанного подтверждается опытом. Модель корпуса (рис. 3) мы выносим на слабый ветер. Два маятника в отверстиях отклоняются одинаково и так же, как и наружные (вне корпуса, сбоку его), средний же внутренний маятник тем меньше, чем более сужены отверстия.

Механизм суживания может быть очень разнообразен. Один из них изображен на рис. 4. Но все они несовершенны, так как не дают хорошей формы. Поэтому лучше заранее при платной форме корпуса сделать отверстия неизменными. Если, например, снаряд предназначен получать учетверенную скорость (при разрежении среды в 16), то диаметр отверстия уменьшают в 4 раза. Если скорость должна быть в 9 раз больше, то у прибора заранее площадь отверстия уменьшают в 9 раз, а его поперечник в 3 раза. Сначала, при недостаточной скорости, винт работает неэкономно, а потом при достижении нормальной скорости это исчезает.

Внутри среднего корпуса центрально и параллельно помещается цилиндрическая труба с поперечником, вдвое меньшим диаметра корпуса. В ней помещен звездчатый мотор, охлаждаемый малым воздушным винтом. Выхлопные газы из рабочих цилиндров беспрепятственно (без глушителей) вырываются в ряд труб, поступающих в расширяющееся пространство между двумя почти цилиндрическими поверхностями. Газы, расширяясь и от этого охлаждаясь, приобретают скорость, доходящую до 3 км/сек. Их отдача (реакция) толкает самолет вперед и усиливает действие воздушного винта. Чем разреженнее среда, тем больше расширение выхлопных газов и ниже их температура. Она в пределе должна доходить до абсолютного нуля (—273°). Вместе с тем получается наибольшая скорость продуктов горения и наибольшее их использование для движения снаряда.

К холодным концам кольцеобразного пространства прилегает подобный же кожух, куда вливается чистый воздух. Из этого естественного холодильника он поступает в ряд труб, вливающихся в батарейный сжимателъ газа. Он приводится в действие, как и воздушные винты, одним и тем же двигателем. Тут воздух опять нагревается от сгущения и поступает в ряд труб, питающих рабочие цилиндры вместе с горючим.

Такого рода устройство снаряда дает следующее:

1. Наш прибор одновременно и гидроплан. На спокойном озере или реке можно разбежаться, не залив водой узкого отверстия среднего корпуса. Если же и попадет немного воды, то это большого вреда не принесет. Кроме того, средний корпус можно устраивать над крылом, то есть много выше уровня воды. Два крайних корпуса будут служить поплавками гидроплана.

2. Воздушный винт не может разорваться от центробежной силы.

3. Пассажиры сохраняют на всех высотах бодрость и здоровье.

4. К действию обыкновенного мотора прибавляется реактивное давление выхлопных газов, которое тем сильнее, чем разреженнее среда, или чем выше поднимается стратоплан. На высоте главная мощность не в работе поршней и воздушного винта, а в отдаче выхлопных газов. Работа же моторов может быть и неэкономной, лишь бы как можно больше было продуктов горения, то есть хорошо сожженного топлива.

5. Мы имеем идеальный холодильник. Благодаря этому сжимание воздуха не сопровождается невозможно большим нагреванием, потому что сгущаем воздух уже сильно охлажденный.

6. Часть этого охлажденного воздуха может даже помочь нам охлаждать рабочие цилиндры, если охлаждения разреженным воздухом атмосферы недостаточно.

7. Мы не только хорошо используем теплоту горения, но и подогреваем сравнительно теплым воздухом (внутренней трубы) очень холодные от расширения выхлопные газы. Таким образом даже теплота от нагретых рабочих цилиндров не пропадает даром, так как ускоряет движение продуктов горения в пространстве.

Таблица разрежения воздуха соответствующих высот (в км), скоростей и требуемых мощностей (в метрических силах) при одном и том же полном весе стратоплана:

Разрежение: 1 4 9 16 25 36

Высота: 0 12 17,5 20,4 23 25

Относительная скорость:

1 2 3 4 5 6

Возможная секундная скорость (в м):

           50 100 150   200   250  300

То же часовая (в км):

180 360 540 720 900 1080

Относительная мощность мотора:
Возможная мощность в метрических силах при полном весе стратоплана в 1 т:

100 200 300 400 500 600

Надо иметь в виду, что чем разреженнее атмосфера, тем больше скорость и тем больше использование отдачи выхлопных газов, так что требуемая мощность нам кажется довольно осуществимой.

3. Ракетный (реактивный) снаряд

С помощью стратоплана трудно получить космическую скорость (от 8 до 17 км/сек) и вылететь за пределы атмосферы. Главным препятствием здесь является недостаточное питание мотора кислородом.

Однако мы не отрицаем возможности получения к в самой атмосфере космической скорости. Действительно, снаряд может получить ее, не поднимаясь в крайне разреженные слои воздуха, где кислорода чересчур мало. Двигаться тогда надо на одной высоте, по окружности экватора. Это возможно, потому что подъемная сила стратоплана легко регулируется наклоном подвижных крыльев. Все же большая сложность стратоплана мешает достижению этого.

Чисто ракетный (реактивный) самолет с запасенным кислородным соединением (например, азотноватым ангидридом) много проще.

Это тот же аэроплан, только без воздушного винта. Ввиду чрезвычайной быстроты движения крылья имеют едва заметную вогнутость. Элементы взрыва, то есть горючее и кислородное соединение, разъединены. Они накачиваются в карбюратор двумя поршневыми насосами. Здесь они встречают особую «решетку смешения» и взрывают разными известными способами. Из огненной камеры (карбюратора) они устремляются в коническую трубу, из которой быстрым, охлажденным при расширении и разреженным потоком вырываются наружу, в кормовой части снаряда. Отдача этих газов и производит непрерывно ускоряющееся движение ракеты. У расширенной наружной части трубы (дюзы) находятся рули: направления, высоты к боковой устойчивости. Благодаря стремительному потоку выхлопных газов они работают и в пустоте независимо от окружающей среды.

В огненном отделении (карбюраторе) происходит ряд взрывов, как в браунинге или пулемете. Разница только та, что в реактивном звездолете ствол конический, взрыв холостой (без пули), да составные части взрывного вещества разделены и смешиваются только в огненной коробке, накачиваются они при посредство особого двигателя. Последнее условие можно устранить, используя отдачу (реакцию), как ее использует пулемет (хотя мотор предпочтительнее). Это еще более упрощает наш снаряд, который тогда уже немного будет отличаться от пулемета.

Последний делает до десяти и более взрывов в секунду. Число взрывов в звездолете может быть еще больше, так как холостые взрывы скорее освобождают трубу (дюзу) от газов. Авиационные моторы могут давать в рабочих цилиндрах до 20 и более взрывов в секунду. Известен далее двигатель с сотнею оборотов, или 50 взрывами в секунду.

Если каждое накачивание будет давать 100 г взрывчатого вещества, то при 40 залпах в секунду будет сожжено 4 кг взрывчатых материалов. Этого будет вполне достаточно для полета звездолета весом в 1 т и для его непрерывно ускоряющегося движения (см. мой «Реактивный аэроплан»).

Но взрывная камера и коническая труба (дюза) могут сильно накалиться, если не принять предохранительных мер к их охлаждению. Поэтому они окружены жидким горючим, а жидкое горючее — жидким свободно испаряющимся кислородом, или же каким-либо кислородным соединением. Эти жидкости полезно непрерывно перемешивать.

В пулеметах и других огнестрельных: орудиях трудно хорошо использовать тепло горения, так как труба (ствол) обязательно должна быть цилиндрической и потому очень длинной. В звездолете же труба коническая, сильно расширенная, и потому ее можно делать тем короче, чем больше угол корпуса (но не больше 30°) или его расширение.

Приняв секундный расход взрывчатого вещества в 4 кг, а полный снаряженный вес звездолета в 1 т, найдем, что запас взрывчатого вещества в 0,8 т (800 кг) израсходуется в течение 200 сек. В это время звездолет, устремляясь под углом примерно в 30° к горизонту, быстро достигнет разреженных слоев воздуха и приобретет такую скорость, которая выкинет его за пределы атмосферы и сделает спутником земли, или второй маленькой ее луной. Но едва ли можно достигнуть такой легкости звездолета (200 кг).

К. Циолковский