ГЛАВА IX ПЕРША аеродинамічній трубі У РОСІЇ

ГЛАВА IX

ПЕРША аеродинамічній трубі У РОСІЇ

Вивчення опору повітря початок тепер займати всю увагу Ціолковського. Він був глибоко переконаний, що точне, наукове пояснення цього питання доведе остаточно права громадянства дирижаблів як повітряних суден і виб'є ґрунт з-під ніг всіх супротивників дирижаблебудування.

Ціолковський прямо вказував згодом, що він «змушений був проводити досліди з вивчення опору повітря, захищаючи керованість аеростата, так як представники VII Відділу Технічного товариства теоретично давали величезні коефіцієнти опору навіть тел кращої, ідеальної форми» [59] .

Вирішення цієї проблеми одночасно повинно було дати ключ і до найвигіднішому пристрою аеропланів. Але точних, безперечних даних досвіду з цього питання в літературі не було. Вихід тому залишався один - і в цій області йти своїм власним шляхом.

Ціолковський не був першим в Росії, хто практично працював над вивченням законів опору повітря. Ще за п'ятдесят з гаком років до нього військовий моряк Р. Черносвитов, що задався метою створити проект керованого аеростата, самостійно зробив протягом кількох років ряд дослідів в цьому напрямі. Він справляв їх за методом, давно застосовується при випробуванні моделей морських суден, які протягували з різними швидкостями в басейні з водою. Черносвитов змушував рухатися в повітрі тіла різної форми, вимірюючи величину опору повітря.

З цих дослідів Черносвитов зробив, між іншим, той висновок, що «найменше опір зазнає циліндр, що має на обох кінцях конічні продовження, обмежені дугами кола, дотичними до боків циліндра, якого діаметр служить підставою цього кола, і до того ж опір це тим менше, чим більше висота конуса »м Досліди повторювалися їм кілька разів.

Для визначення сили тяги гвинтового пропелера в повітрі він влаштував вентилятор з заліза діаметром в 1,5 метра; досліди, а також розрахунки переконали його, що застосування пропелера для просування в повітрі корпусу дирижабля відповідної форми - річ цілком можлива. Все це дало йому підставу виступити з проектом керованого аеростата, який він і описав в коротких рисах в статті «Про повітряні локомотивах».

На початку 70-х років російський вчений М. А. Рикачев, котрий став академіком і директор Головної метеорологічної обсерваторії, також провадив досліди над повітряним пропелером, визначаючи його підйомну силу.

Дещо пізніше питаннями опору середовища впритул зайнявся Д. І. Менделєєв, який випустив у світ чудову роботу «Про опір рідин і повітроплавання», про яку вже йшлося. У процесі її підготовки Менделєєв поставив ряд дослідів. Викладаючи їх у своїй книзі, він дав блискучу критику роботи своїх попередників - Скотта, Россель, Фроуде, Колард, Дюшмен, Ранкіна та інших. Зіставляючи іноді суперечливі результати їхніх праць, він довів, що точної теорії опору не існує, а є лише ряд теорій і гіпотез.

Крім того, в кінці 80-х років дослідами з вивчення опору повітря займався також у зв'язку зі спробою споруди гелікоптера один з найвидатніших російських вчених-металургів, професор Д. К. Чернов [60] .

Ось за дозвіл цієї складного завдання і взявся Костянтин Едуардович Ціолковський.

Перший час досліди над опором повітря проводилися Ціолковським зовсім примітивно, але і вони вже показали правильність його тверджень, що при польоті дирижаблів опір повітря зовсім не становить такої величезної величини, як помилково припускали М. М. Поморцев і керівники VII Відділу.

«Мої досліди показали, - пише Ціолковський, - що воно [опір повітря] далеко не так значно, і коефіцієнт опору зменшується зі збільшенням швидкості руху аеростата ...

Досліди проводилися частково в кімнаті, частково на даху, в сильний вітер. Пам'ятаю, як я був радісно схвильований, коли коефіцієнт опору, при сильному вітрі, виявився малий: я трохи стрімголов не скотитися з даху і землі під собою не відчував » [61] .

Факсиміле фрагментів листа К. Е. Ціолковського в президію Російського фізико-хімічного товариства (1897).

Факсиміле фрагментів листа К. Е Ціолковського до президії Російського фізико-хімічного товариства (1897).

Таким чином, для перших дослідів Ціолковський, подібно Лілієнталю, Лангль і деяким іншим закордонним експериментаторам, використовував струмінь вітру. Ось як описує сам Костянтин Едуардович деякі з цих своїх експериментів:

«Для безпосереднього визначення коефіцієнта опору довгастих тіл, при великих швидкостях руху, я влаштував прилад (фіг. 9), що складається з двох горизонтальних труб, укріплених на тринозі; вони мали в довжину близько 75 сант. і в отворі близько 25 сант. В одній з них містилася на стрижні (фіг. 8 і 9) випробовувана форма, а в інший пластинка; стрижень, звичайно, проходив у труби через особливі отвори, і середня частина його, як завжди, оберталася вільно на вістрі. Труби виносилися на дах і ставилися по напрямку вітру. Я ставав збоку і дивився на проміжок між двома трубами на стрижень, щоб помітити, на яку його половину тиск повітря було більше, т. Е. Яка його половина перетягувала ... Мною випробовувалася форма в 62 сант. довжини. Швидкість вітру в місці спостереження постійно і швидко змінювалася, переходячи від 0 до 5 метрів в секунду. Я вживав послідовно, в ролі пластинок рівного опору, мідні монети з площами в 11,6, 8 і в 6,2 кв. сант. Коли швидкість вітру мала, перетягує форма, але лише швидкість вітру досягає 2-3 метрів - і перевага на стороні пластинки (площ.- 11,6; відповідний коефіцієнт - 1/7). При швидкості близько 4 метрів перетягує площа в 8 кв. сант .; відповідний коефіц. - 1/10. При швидкості, більшої 5 метрів, перетягує навіть монета з площею в 6,2 кв. сант .; відповідний коефіцієнт буде 1/13.

Я робив ще багато досліди з поверхнями інших форм. Так, для кулі і циліндра, при швидкості близько одного метра, я отримав коефіцієнти 4,9 і 0,6. Для великих швидкостей коефіцієнт опору кулі близький до 0,4 ».

Зрозуміло, зробити в таких умовах будь-які точні висновки не представлялося можливим. Але вже одне те обставина, що навіть в першому грубому наближенні виходили дані, що співпадали з його припущеннями, окрилило Ціолковського і змусило його думку інтенсивно працювати над тим, як можна було б з найменшою витратою коштів домогтися точних даних, які узгоджуються із сучасною йому наукою.

Але скоро він підійшов у своїх роздумах до єдино правильного рішення питання - до створення штучного повітряного потоку, швидкість якого можна було б регулювати. Вводячи в цей потік тіла різної форми, точним виміром виникає опору цих тіл потоку повітряного струменя можна визначати необхідні коефіцієнти.

Факсиміле власноручного схеми першої (1897) і другий (1900 1901) аеродинамічної труби Ціолковського.

До Ціолковського до такого ж рішення прийшов Хайрам Максим в Англії, який побудував за три-чотири роки до цього першу аеродинамічну трубу [62] .

Однак для великого капіталіста Максима не представляло особливих труднощів знайти і відповідне будівля, і необхідне обладнання, і обслуговуючий персонал. Ціолковського ж, у своєму розпорядженні найбільші мізерними коштами і обтяженому великою родиною, довелося проявити величезну винахідливість і невичерпну енергію, щоб своїми засобами виконати таку роботу. Про те, яким позбавленням піддавалася в цей час його родина, знали тільки його домашні. Досить сказати, що всі вони змушені були тулитися в одній з двох займаних ними кімнаток, бо аеродинамічна труба, або «повітродувка» (як її називав Ціолковський), з деталями і моделями займала цілу кімнату.

Аеродинамічна труба, яку Ціолковський, подолавши всі труднощі і злигодні, все-таки побудував вперше в Росії, в наші дні вважається необхідним приладом при проектуванні і будівництві повітряних суден. Вона зіграла також величезну роль у розвитку аеродинаміки.

Зараз є всілякі типи аеродинамічних труб відповідно до різноманіттям найважливіших завдань, які ставляться нині перед повітряними судами. Є гігантські труби, в робочій частині яких міститься вже не крихітна модель, а цілий літак в натуральну величину. Є вертикальні труби у вигляді високих веж або шахт, в яких вивчаються складні явища «штопора» і інших важливих моментів польоту літака. Є і спеціальні труби, в яких, наприклад, вивчаються явища, що виникають при надшвидкісних польотах, в яких досягаються швидкості, що перевищують швидкість звуку (1 330 метрів в секунду) і т. Д.

Ціолковський з його блискучим даром наукового передбачення чітко розумів, які важливі практичні результати принесе для людства переклад цієї справи на наукові рейки. Тому, бажаючи порадитися з найвизначнішими вченими про найкращу програму дослідів і одночасно зафіксувати своє авторство, Ціолковський звернувся до президії Російського фізико-хімічного товариства, яке, як ми пам'ятаємо, доброзичливо поставився до нього з самого початку його наукової діяльності в 80-х роках.

Збереглися лише окремі місця листування з цього цікавого питання. З листування видно, що суспільство відгукнулося на листи винахідника і створило спеціальну комісію для розгляду проекту програми запропонованих Ціолковським праць з опору середовища.

Є справжнє лист Ціолковського професору А. Л. Гершун, одному з найвизначніших діячів суспільства в той період.

Ось початок першої сторінки цього листа від 5 жовтня 1897 року:

«1897 г. 5 жовтня. Калуга.

В С.-Петербург -

університет,

Його високородіє А. Л. Гершун від К. Е. Ціолковського

З Калуги (Георгіївська, будинок Сперанський).

Для передачі в Комісію, яка розглядає проект моїх дослідів по опору.

Перш за все прошу рр. вельмишановних членів комісії, давши свою думку Суспільству, не повідомляти нічого і нікому про мої роботи і плани до закінчення їх і надрукування. (Підкреслено автором. - Б. В.).

Усі пропоновані креслення схематичні і зроблені від руки, бо не призначені поки для друку ».

Далі в тексті листа випливає власноручний ескіз як самої «повітродувки», так і всього розташування приладів при дослідах з опору повітря. Факсиміле цього ескізу, з огляду на його принципової важливості, ми наводимо.

Після малюнка йде опис «повітродувки»:

«НР - лопатева повітродувки (рід віялки). Подібний побудований мною прилад має висоту 150 сант., А ширину 40 сант. Повітряний потік, поступово розширюючи і ослабляючись, виходить з Р, і на початку біля гирла має у висоту і в ширину близько 40 сант. Р - означає ряд горизонтальних пластинок, призначених для виправлення потоку, який внизу отвори Р (без них) не зовсім рівномірний. В Н ми бачимо вісь (стійки і підшипники її НЕ зображені) і охоплює її натиск (в роді натиску Проні). Натиск цей має рукоятку (чорний кружок), за яку лопаті (Л) приводяться в обертання. Натиск забезпечений двома гвинтами з гайками. Загвинчуючи їх більш-менш сильно, отримаємо ту чи іншу величину тертя між залізною віссю і двома дерев'яними брусками натиску. Обертаючи лопаті швидше і швидше, ми, нарешті, досягнемо моменту, коли натиск буде ковзати по осі і швидкість повітряного потоку зробиться максимальної і постійною. При всіх дослідах тиск повітря на форми буде визначатися при цій максимальної швидкості, що відповідає величині натискання і залежить від нас. Швидкість при кожному окремому досвіді визначається по тиску повітряного потоку на пластину, згідно Коефіцієнт Кальете і Колард (або Ланглея), знаючи барометричний тиск і температуру повітря.

Моделі (роботи Ціолковського), що служили при дослідах з опору повітря.

Фотографія Ціолковського (1910).

(Я) - є прямокутний жерстяної ящик з водою, в якій плаває іншої такої ж ящик, але менших розмірів. До останнього, на 4-х стовпчиках (або іншими способами), прикріплюється відчуваємо форма, тиск на яку ми хочемо визначити. На тому ж столику, на якому розташований ящик з водою, прикріплена відсічення, а на ній вільно гойдається маятник з довгою, тонкою залізного дроту. До дроту прив'язана ниточка, за яку тягне плаваюча форма, яка прагне вийти у напрямку повітряного потоку. Від цього дріт ухиляється від вертикального положення більш-менш сильно. Величина ухилення визначається, на дослідах, тангенсом кута відхилення, при посередництві лінійки, розділеної на міліметри. Сила тиску потоку буде пропорційна числу тисків, що вказуються дротом. Шляхом особливого досвіду заздалегідь визначається, скільком міліграмам відповідає ухилення на 1 мм. Таким чином, всі ухилення і відповідні тиску повітряного потоку можна виразити в міліграмах ...

Внутрішній ящик забезпечений двома легкими важелями, які роблять його рух майже строго паралельним напрямку повітряного потоку (креслення 2). Під час досліду зовнішній ящик закривається кришкою, в якій пророблені вузькі щілини для вільного руху стовпчиків, що підтримують форму ...

Форми я влаштовував надзвичайно легкі, з паперу. Якщо потрібно влаштувати форму у вигляді поверхні обертання, то я спочатку ретельно викреслював криву головного поздовжнього перетину форми. З цієї кривої (це ми робили в місцевому залізничному училищі) ... виточує на токарному верстаті половина форми, до найбільшого поперечного перерізу її (креслення 3).

Дерев'яну половинку я обліплював смужками мокрого паперу і загортав (забинтовував) все міцно широкої тасьмою (сповиваючи, як дитину). Давши гарненько просохнути папері, я знімав тасьму і знімав обережно папір, яка брала опуклий вигляд елементів дерев'яної болванки. Тоді залишалося тільки склеїти шматочки паперу по самій формі. Після зняття паперової оболонки широке її отвір забезпечувалося паперовим обручем (креслення 3). Якщо форма була дуже довгасті, то кілька таких обручів вклеюється всередину паперової поверхні. Також готувалася і інша половина форми (іноді нерівна першої). Обидві половини злегка склеювалися, і форма була готова ».

Таких моделей Костянтин Едуардович виготовив, судячи за фотографіями того часу і за даними рукописів, близько ста, причому самої різної форми (до нас не дійшла жодна).

Як бачимо з опису, «повітродувка» Ціолковського була справжньою відкритою аеродинамічною трубою. Після Ціолковського, в 1902 році, аналогічну трубу застосовували в Америці брати Райт, яких не задовольнила робота в цій області їхнього співвітчизника Ланглея [63] . Подібно Ціолковського, брати Райт знайшли, що аеродинамічна труба дає єдино доступну їм можливість точно і на строго науковій основі проаналізувати не піддаватися іншим методам явище (незрозуміле збільшення опору похилій до потоку пластинки при вугіллі, рівному 38-41 °).

Ціолковський був не тільки першим російським ученим, який отримав ряд істотних експериментальних даних за допомогою аеродинамічної труби, але і першим, хто опублікував в нашій країні деякі результати своїх наукових праць з цього питання. Він перший в світі запропонував разом з тим і насадку на розтруб аеродинамічної труби, спрямляются і вирівнює повітряний потік (X. Максим такий насадки не застосовував).

У березні 1898 року Костянтин Едуардович направляє статтю про перші результати своїх робіт над опором повітря в видавався в Одесі науковий журнал «Вісник дослідної фізики та елементарної математики». Друкування статті, однак, затрималося, цілком ймовірно, тому, що цей журнал відчував у той час великі матеріальні труднощі. Це турбувало Костянтина Едуардовича, який бажав скоріше поділитися з ученим світом своїм досвідом, значення якого він прекрасно розумів. Побоюючись, як би його праця не пропала зовсім, він пише листа до Академії наук, повідомляючи про свої спостереження:

«Протягом зими 1897-98 року я провадив досліди над опором повітря. Результати своїх робіт я послав 12 березня 1898 року в Одесу, до редакції «Вісника дослідної фізики». Редактор обіцяв надрукувати статтю (листів в 20) не пізніше, ніж через місяць після отримання її.

Проходить 6 місяців - стаття не друкується. Я прошу її повернути; редактор (пан Гернет) обіцяє «на-днях» вислати коректуру і почати друкування в № 258 «Вісника дослідної фізики» (лист р редактора 15 вересня).

Зрештою, у мене немає моєї роботи ні в рукописи, ні в пресі. Тому-то я вирішив зробити повідомлення в Учені суспільства про моїх дослідах, усвідомлюючи деяку їх значення і просячи Товариства змусити р редактора повернути мені мою статтю або надрукувати її негайно (всі листи р редактора у мене цілі) ».

Далі слід було відоме вже нам опис «повітродувки» і дослідів з нею.

Однак редактор журналу незабаром виконав свою обіцянку, і стаття Ціолковського «Тиск повітря на поверхні, введені в штучний повітряний потік» почала друкуватися. Тепер Ціолковський отримав можливість послати підсумок своїх досліджень і в Академію наук, і в наукові товариства.

Вперше повідомлення Ціолковського розглядалося на засіданні фізико-математичного відділення Академії наук 22 вересня 1899 року.

У супровідному листі Ціолковський просив Академію наук видати йому на досліди по наміченою програмою 1 000 рублів.

Стаття потрапила в хороші руки, а саме до академіка М. А. Рикачеву, який сам брав активну участь в розробці проблем літання і займався питаннями експериментальної аеродинаміки.

«Академія доручила розгляд моїх робіт академіку Рикачеву, - писав пізніше Костянтин Едуардович в статті« Опір повітря і повітроплавання ». - Внаслідок його сприятливого відкликання і клопотання перед Академією, остання вирішила видати мені посібник (470 рублів) на виробництво дослідів, програма яких була також представлена ​​мною в Академію. Це було в травні 1900 р Я взявся за спорудження великої повітродувної машини, що давала потік в аршин (0,71 метра. - Б. В.) висоти і ширини. Зроблені були і вимірювальні прилади, і все це мало не 6 разів перероблялося і перебудовувалася, поки не вийшов повітряний потік, досить задовільний.

До кінця 1900 року я міг почати клеєння моделей і виробництво дослідів. До кінця наступного року (16 дек. 1901 г.) я вже виконав частину передбачуваної програми і представив про зроблених дослідах звіт в Академію. Цей звіт становив лише витяг з моєї рукописи і складався з 80 писальних аркушів тексту і 58 таблиць ».

Результати виконаних Ціолковським дослідів порушили в Академії наук безумовний інтерес, хоча Костянтин Едуардович ще не здійснив всю намічену їм самим програму:

«У доповіді Академії наук я не тільки ще не виконав передбачувану програму дослідів і робіт, але далеко не вичерпав і не вирішив ще остаточно і тих питань, про які я трактував в доповіді. Роботи ще дуже багато, і бозна, коли я її закінчу і вирішу ті питання, які мною підняті ».

Проте академік Рикачев в своїй доповіді президії Академії знайшов можливим дати виробленим Ціолковським дослідам цілком позитивну оцінку:

«Досліди численні, різноманітні, цікаві та заслуговують на увагу, незважаючи на недоліки методу спостереження і на грубість вимірювальних приладів».

Далі він вказував на те, що доповідь присланий автором в досить сирому вигляді, що перешкоджає передачі його до надрукування в «Известиях» Академії. Дійсно, Ціолковський дуже вже поквапився скоріше відзвітувати перед Академією в дорученій роботі на шкоду чіткості роботи.

«Основний недолік надісланого автором доповіді, - каже М. А. Рикачев, - полягає в тому, що сирий матеріал представлений в такому вигляді, що їм неможливо користуватися для судження, наскільки надійні результати, дані в тексті (самі спостереження в тексті, за рідкісними винятками, не наводяться). У цьому матеріалі може розібратися лише сам автор ...

Для вирішення питання про приміщення праці пана Ціолковського в виданнях Академії необхідно попередньо випросити від автора матеріал спостережень в чистому вигляді, згрупований так, щоб для кожного його виведення, даного тексту були приведені всі спостереження, з яких цей висновок був зроблений ».

У той же час, бажаючи, очевидно, заохотити вченого, щоб він довів до кінця обробку свого цікавого матеріалу, Рикачев в заключній частині своєї доповіді ще раз підкреслює значення вже виконану Ціолковським роботи:

«Не дивлячись на згадані недоліки, праця пана Ціолковського, на мою думку, заслуговує на увагу».

Рукопис і висновок академіка Рикачева були повернуті Ціолковського разом з пропозицією доопрацювати присланий звіт. Але цієї пропозиції вчений не виконав, і матеріал з цієї причини не був опублікований.

«У працях Академії він (звіт. - Б. В.) ні надрукований частково на мою упертості, - писав згодом Ціолковський в своїй автобіографії. - Але вилучення з дослідів з'явилися в багатьох журналах ».

Ціолковський має тут на увазі два журнали: одеський «Вісник дослідної фізики та елементарної математики» і «Науковий огляд» Філіппова. Стаття, опублікована в «Науковому огляді» під назвою «Опір повітря і повітроплавання», вже цитувалася вище.

Чудові за все, що Ціолковський за допомогою саморобної аеродинамічної труби прийшов по суті до тих самих висновків, до яких в своїх прекрасно обладнаних лабораторіях прийшли в подальшому Ейфель і інші дослідники в галузі експериментальної аеродинаміки.

Зіставлення отриманих ними і Ціолковським даних повністю це підтверджує.

Однак ці наукові праці не удостоїлися жодної уваги з боку осіб, які розробляли в ті роки наукові питання літання в Росії. Про працях Ціолковського згадали лише значно пізніше.

У 1902-1904 роках споруджено була аеродинамічна труба М. Є. Жуковського (усмоктувальна) в Московському університеті, в 1905 році почала працювати Аеродинамічна лабораторія Рябушинського в Кучино, під Москвою. Костянтин Едуардович вирішив вжити заходів до опублікування, хоча і з запізненням на сім років, свого осяжного (272 стор.) З питання про опір повітря і направив його М. Є. Жуковському.

Але Ціолковського довелося перенести ще один важкий удар.

Відповіді від Жуковського про отримання рукописи і про її подальше просування не було. Ціолковський вважав, що послана їм через треті руки рукопис довго блукала, перш ніж потрапила в руки Жуковського. Через деякий час він знову написав Миколі Єгоровичу - і знову не отримав відповіді. При побаченні на Всеросійському повітроплавному з'їзді в Петербурзі в 1914 році Ціолковський особисто звернувся до Жуковському і з найбільшим прикрістю почув, що той рукописи не отримував. Костянтину Едуардовичу, незважаючи на всі його старання і клопоти, так і не вдалося розшукати свою працю [64] . Тим часом копії у Ціолковського не залишилося. Передрукувати її на машинці було для нього невідповідно до своїх достатків, а переписати від руки він не мав часу.

Така основна причина, по якій Ціолковський припинив свої багатообіцяючі і важливі аеродинамічні дослідження, незважаючи на те, що до них з безсумнівним інтересом поставилася вища наукова організація.

Як відомо, Ціолковський все життя прагнув до вирішення двох основних проблем: цельнометаллического дирижабля із змінним обсягом і реактивного літального апарату для міжпланетних повідомлень. Всі інші наукові питання, над якими він попутно працював, займали лише підлегле становище по відношенню до цих двох головних завдань.

Сама по собі аеродинаміка не захоплював його. Її висновки в частині опору повітря були необхідні йому для негайного застосування в подальшій розробці проекту дирижабля і космічної ракети. Отримавши потрібні висновки в наближеному вигляді, Ціолковський не мав більше часу займатися їх подальшим уточненням. Він прагнув якнайшвидше зайнятися питанням про космічний корабель, над яким, до свого превеликий жаль, міг поки працювати лише зрідка і уривками, відриваючись від експериментів зі своєю аеродинамічною трубою.