Воздухоплавание

Воздухоплавание, искусство подниматься в воздухе и перемещаться в нем, разделяется на аэронавтику - летание на аппаратах, более легких, чем воздух, и авиацию - летание на аппаратах тяжелее воздуха. В аппаратах легче воздуха самую существенную часть представляет значительный объем, наполненный газом, более легким, чем воздух (обычно водород или светильный газ); такой объем всплывает в воздухе, поднимая вверх корзину или гондолу с воздухоплавателями. В аппаратах тяжелее воздуха поддерживание достигается помощью быстрого перемещения больших поверхностей, плоских или слегка изогнутых.

Раньше развилась аэронавтика. Все аппараты легче воздуха можно разделить таким образом:

I. Воздушные шары (неуправляемые):

1. Свободные.
2. Привязанные (ballons captifs)
3. Шары без пассажиров

II. Воздушные корабли (дирижабли, управляемые):

1. Мягкие
2. Полумягкие (с мягким баллоном и подвешенной снизу фермой).
3. Полужесткие (баллон с жестким килем).
4. Жесткие.

I. 1. Свободные сферические аэростаты могут перемещаться по горизонтальному направлению только вместе с ветром; воздухоплаватель может управлять лишь подъемом и спуском аэростата. Аэростат имеет вид шара с рукавом (фиг. 1), висящим вниз (аппендикс); аппендикс снизу всегда открыт, чтобы газ при расширении от нагревания лучами солнца мог выходить - иначе он разорвет оболочку. Оболочка раньше делалась из легкой шелковой материи, покрытой лаком; теперь она почти всегда шьется из бумажной, особенным образом прорезиненной ткани, вырабатываемой в Германии (т. н. Continental-Ballonstoff). Шар обвязывается веревочной сеткой, на которой подвешивается корзина для аэронавтов. Сверху шара имеется клапан, оттягиваемый вниз за веревку из корзины, если нужно выпустить часть газа; на случай надобности немедленной остановки при волочении корзины по земле часть оболочки шара приклеивается изнутри и может быть оторвана аэронавтом - в этом случае газ выпускается почти мгновенно. Для подъема выбрасывается балласт, обычно песок. При спуске пользуются длинным и тяжелым канатом - гайдропом; он, во-первых, тормозит горизонтальное движение и, во-вторых, до известной степени ослабляет удар корзины о землю: чем ниже спускается аэростат, тем большая часть каната ложится на землю и тем меньше вес остальной части его, тянущий аэростат к земле. Для остановки служит якорь. Если аэростат наполнен водородом, то можно приблизительно определить его подъемную силу, считая, что каждый кубический метр объема поднимает 1 килограмм; в случае, если он наполнен светильным газом, 1 куб. метр поднимает 0,6 килограмма. Из этого надо вычесть вес материи, сетки, корзины и т. д. - в остатке получится «полезная подъемная сила». Употребляются свободные сферические аэростаты для научных и спортивных целей, а также в военном деле - для наблюдений за противником. Их история начинается братьями Монгольфье (Montgolfier); эти исследователи наполнили небольшой бумажный шар горячим влажным воздухом, причем он поднялся (ноябрь 1782 г.); публичный опыт с большим баллоном произведен Montgolfier 4 июня 1783 г. Парижский профессор Шарль (Charles) наполнил такой баллон водородом, что представляло большой шаг вперед; первым поднявшимся на воздушном шаре (21 ноября 1783 г.) был Пилатр де Розье (Pilatre de Rosier). Конструкция сферических аэростатов очень мало изменилась со времен Шарля. В военном деле они стали применяться с 1794 г., когда во Франции были образованы отряды аэростьеров; замечательны работы генерала Менье (Meusnier), указавшего многие принципы конструкции управляемого аэростата.

Фиг. 1. А - баллон; M - аппендикс, или рукав; CC - кольцо; N - корзина; a - клапан - клапанная веревка; c - сетка; k - гайдроп; h - якорная веревка; g - якорь; f - флаг

I. 2. Привязные аэростаты (ballons captifs) пускаются на канате, разматывающемся при движении аэростата кверху и сматывающемся при движении его книзу. Они употребляются на войне, а также для научных целей. Кроме вращения привязного шара (как и свободного) вокруг оси, ветер может колебать его, как маятник; чтобы этого не случилось, делают аэростат устанавливающимся по ветру: продолговатым, с особым придатком внизу, играющим роль киля.

Фиг. 2 изображает привязной аэростат системы Парсеваля-Зигсфельда (Parseval-Sigsfeld), принятый в немецкой армии. Очень опасно для аэростата, если часть его поверхности станет вогнутой (образуется «ложка»); для того, чтобы этого не случалось, внутри аэростата помещается баллонет - мешок, в который можно из гондолы подкачивать воздух. Фиг. 3 и 4 представляют детали устройства; из них понятно выполнение идеи автоматического сохранения формы.

Фиг. 3 и 4. А - придаток, служащий килем. В - баллонет. С - газовое пространство. D - веревка к вентилю. Е - вентиль. F - вторая веревка к вентилю. G - рукав для наполнения газом. Н - вентиль для наполнения баллонета. J - вентиль для наполнения килевого придатка. К - выпускной вентиль баллонета. L - выпускной вентиль килевого придатка.

I. 3. Шары небольшого размера, без пассажиров, употребляются почти исключительно для научных целей (шары-зонды); они нагружаются лишь самозаписывающими приборами. Для того, чтобы инструменты не гибли, если шар лопнет в верхних слоях атмосферы, устраивается особый подвес с парашютом. Они пускаются как свободными, так и привязными. Пробы пускать такие шары во время боя, нагрузив их бомбами, не дали благоприятных результатов.

II. Воздушные корабли (дирижабли, управляемые) имеют принципиальное отличие от неуправляемых в том отношении, что они могут перемещаться по желанию аэронавта по горизонтальному направлению; для этого в гондоле устанавливается двигатель (иногда не один), приводящий в движение винты с большими лопастями; ввинчиваясь в воздух, они продвигают корабль вперед. Чтобы сопротивление, оказываемое воздухом движению корабля вперед, было сколь возможно мало, кораблю придается форма сигары или рыбы. По исследованиям Ренара, Canovetti и др., при удачной форме корабля сопротивление может быть даже в 30 раз меньше, чем то, которое испытывает площадь круга наибольшего сечения корабля. Для придания устойчивости устраиваются сзади большие горизонтальные плоскости (стабилизаторы); для поворотов вправо и влево - вертикальные рули, как у морских судов; подъем и спуск также не всегда регулируются выпуском газа и сбрасыванием балласта; устраиваются, если возможно, особые рули высоты, имеющие вид горизонтальных жалюзи; меняя наклон этих жалюзи к горизонту, при движении дирижабля вперед, можно получить подъем и спуск.

Как сказано выше, дирижабли могут быть разделены на 4 группы: 1) мягкие, 2) полумягкие, 3) полужесткие и 4) жесткие.

II. 1. Представителем мягких дирижаблей является дирижабль Парсеваля; все части его (фиг. 5) мягки; даже винт состоит из матерчатых лопастей, натянутых на металлические трубки и развертывающихся от центробежной силы при начале вращения. Внутри, как видно на фиг. 5, помещаются два баллонета - в передней и задней части; управляя подачей в них воздуха, можно не только поддерживать все время форму дирижабля, но и устанавливать желательный наклон к горизонту. Емкость такого дирижабля около 4-5 000 куб. метров (Parseval II – 3 800 куб. м, Parseval III – 5 600 куб. м); мотор около 100 лошадиных сил. Полезная подъемная сила дирижабля Parseval II - 800 кг; в гондоле ездило 6 человек. Дирижабли Парсеваля могут держаться 10 часов в воздухе, подниматься на высоту 1 500 метров и развивать максимальную скорость до 50 километров в час. Дирижабль введен в немецкой армии. Чрезвычайно удобен тем, что может быть перевозим в свернутом виде с отрядом и в любом месте разобран, наполнен газом (в обозе должны быть, конечно, бомбы с газом) и выпущен для наблюдений. Недостатки конструкции: движущая сила и сопротивление приложены в разных плоскостях (хотя Парсеваль стремится устранить вредное влияние этого обстоятельства автоматически, смещением гондолы во время движения); весьма значительная утечка газа благодаря необходимому избыточному давлению в баллонетах.

Фиг. 5. В¹-передний, В² - задний баллонет; Н¹, H² - рукава для подачи воздуха в баллонет от вентиля D. V - вентилятор для пополнения баллонетов. E¹, Е², Е³, Е⁴, Е⁵ - блоки, через которые перекинута веревка, соединяющая баллонеты; если пусты оба, то, так как ролик Е³ соединен со спускающим газ вентилем G, то этот последний открывается. St - стабилизатор. К - киль. F - руль поворота. S - винт. N - гондола. N¹ положение гондолы во время полета. L¹ до L⁴ - блоки для канатов, поддерживающих гондолу. R - резервуар для бензина.

II. 2. Полумягкими дирижаблями можно назвать дирижабли, имеющие совершенно мягкий баллон, к которому подвешена длинная металлическая ферма; в ней устроено помещение для воздухоплавателей и машин, а также опоры винта и рулей. Этот тип конструируется главным образом во Франции; Жиффар (Giffard, 1852), Дюпюи де Лом (Dupuy de Lome, 1872) и Тиссандье (Tissandier, 1881) строили такие воздушные корабли и совершали удачные полеты; главная же заслуга в деле создания корабля, как этого типа, так и французского военного флота, принадлежит полковнику Ренару (Renard). Он выяснил много теоретических вопросов воздухоплавания, а также собрал огромный опытный материал. Его первым успешно функционировавшим дирижаблем был La France (1884 г.).

Фиг. 6. В - баллонет, G, G¹, G² - газовые вентили, F - гондола, Е - место пилота, Н¹, Н² - рули высоты, S - руль поворотов, М - мотор, L - охладительный аппарат для мотора, R - резервуар с бензином, V - вентилятор для накачивания баллонета, Т - винт, Z - зубчатая передача к валу, U₁, U₂ - предохранительные вентили баллонета, St¹ до St⁴ - баллоны, играющие роль стабилизаторов.

Фиг. 6 изображает дирижабль такого типа - Ville de Paris. Ферма позволяет правильно распределить груз на баллон и удобно разместить как машины, так и органы управления. Стабилизаторами служат цилиндрические баллоны, расположенные сзади (т. н. «оперение»). Баллонет один; подъем и спуск достигается работой рулей высоты. Ферма является, с другой стороны, и главным неудобством аэростата: он не может быть удобно упакован, быстро и где угодно собран и разобран, как дирижабли системы Парсеваля. По типу Ville de Paris, но с улучшениями, проектированы Clement-Bayard, Ville de Bordeaux, Ville de Nancy, Colonel Renard, La Seine; все они имеют приблизительно ту же вместимость (от 3500 до 6500 куб. м), что и мягкие дирижабли, требуют таких же (иногда несколько меньших) моторов и дают те же скорости. К этому типу принадлежат военные воздушные корабли Соединенных Штатов (системы Baldwin) и один английский дирижабль. Очень упрощен и удешевлен тот же тип в системе де ла Во (de la Vaulx) - корабль Zodiac: имея вместимость 750 куб. м, он стоит всего 25 000 франков.

II. 3. Полужесткие дирижабли имеют жесткий киль, представляющий собой неизменную металлическую конструкцию; к ней прикреплен баллон.

Фиг. 7. К - киль. F - стабилизатор и руль поворотов. Н - руль высоты. St¹ до St³ - стабилизированные плоскости, а - баллонеты. N - гондола с мотором М. Z - зубчатая передача к винту Т. W - охладительный аппарат. R - резервуар для бензина.

Фиг. 7 представляет дирижабль системы Лебоди (Lebaudy) La République, проектированный инженером Жюлльо (Julliot). Жесткий киль позволяет поместить на нем органы управления ближе к плоскости, в которой приложено сопротивление. Характерной в конструкции является опора гондолы - пирамида вершиной вниз, опираясь на которую дирижабль может поворачиваться. Вместимость таких дирижаблей от 3000 до 5000 куб. м, затрата силы и достигаемые скорости, как у мягких дирижаблей. По этой системе построены немецкие военные корабли Гросса (Gross), а также новый корабль русской армии - Лебедь. Размеры Лебедя таковы: длина - 61,2 метра, наибольший диаметр - 10,9 метра, объем 3700 куб. м, объем баллонета 900 куб. м. Передние рули высоты имеют 14 кв. м, задние - 8. кв. м; плоская платформа - 100 кв. м; стабилизирующие поверхности - по 15 кв. м. Мотор системы Panhard-Levassor в 70 лошадиных сил; винтов два, по бокам гондолы. К этому типу (хотя форма баллона другая) принадлежат и английские военные корабли Nulli secundus и Dirigeable II.

II. 4. Жесткие дирижабли строятся только в Германии графом Цеппелином (Zeppelin).

Фиг. 8. G - баллон с камерами 1, 2, 3 и т. д.; К - киль, в котором устроен ход L. N¹, N² - две гондолы. М¹, М² - моторы. Т¹ до Т⁴ - винты. F¹ до F⁶ - стабилизирующие плоскости. S¹ до S³ - рули поворота. Н¹, Н² - рули высоты. N³ – каюта.

Дирижабль (фиг. 8) имеет неизменный каркас из алюминиевых балок; пространство, заполненное газом, представляет большое число (до 17) отдельных помещений; все эти помещения, по каркасу, обтянуты второй оболочкой. Винты (числом 4), рули высоты (в форме жалюзи), рули поворота и стабилизирующие поверхности укреплены на самом каркасе. Гондол две, соединенных ходом с каютой посредине. Размеры кораблей Цеппелина громадны; Zeppelin II, например, имеет 136 метров длины, 13 м  наибольшего диаметра и 15 000 куб. м  вместимости; моторов два по 110 л. с. Поднимать может, кроме топлива и сменных частей, до 20 человек; в воздухе может быть очень долгое время (более суток); скорость до 50 км в час. Граф Цеппелин уже в 1895 г. подал вполне разработанный проект дирижабля своей системы Вильгельму II (проект потерпел неудачу) и с тех пор все время, без правительственной поддержки, работал над ним. С 1904 до 1908 г. он совершил ряд удачных полетов; 4 августа 1908 г. он предпринял, по условию с германским правительством, полет от Фридрихсгафена до Майнца и обратно, на продолжительность 24 часа. Пролетев в 12 часов расстояние в 400 км  до Майнца и сделав уже большую часть обратного пути, корабль был 5 августа, во время стоянки на якоре у местечка Эхтердинген, совершенно разрушен налетевшей бурей. Открытая затем общегерманская подписка дала графу Цеппелину около 8 000 000 марок, и дирижабли его системы теперь покупаются германским правительством, как крепостные корабли. Преимущества совершенно жесткой системы следующие: движущая сила и сопротивление приложены в одной плоскости; совершенная неизменяемость формы; малая утечка газа (две оболочки с воздушным слоем между ними); малая поражаемость снарядами (несколько газовых отделений могут быть пробиты, и все же корабль не потерпит аварии). Неудобства: постройка и снаряжение требует огромного оборудования, о сборке в поле даже думать нельзя; легко повреждается на земле; огромная стоимость (более 1 000 000 марок; каждое наполнение газом обходится дороже 20 000 марок).

Нижеследующая таблица указывает главные данные для различных дирижаблей.

Дирижабль	Длина (м)	Наибольший диаметр (м)	Отношение диаметра к длине	Площадь наибольшего поперечного сечения (кв. м)	Вместимость (куб. м)	Подъемная сила (кг)	Вес дирижабля (кг)	Полезная подъемная сила (кг)	Мощность мотора (л.с.)	Отношение площади к мощности	Число винтов	Число лопастей у винта	Число оборотов винта (в минуту)	Диаметр винтов (м)	Наибольшая скорость движения (м/с)	Наибольшая продолжительность полета (час)	Радиус действия (км)	Число моторов
Parseval II	58	9,6	1:6	72,38	3800	3800	2300	1500	100	1:1,38	1	4	275	4,3	14	14	350	1
Parseval III	70	11	1:6,4	95,03	6500	6500	4500	2000	200	1:2,1	2	4	275	4	?	24	650	2
Ville de Paris	61,5	10,5	1:5,9	86,59	3200	3350	2400	950	70	1:0,81	1	2	200	6,5	13	8	200	1
Clément-Bayard	60	11	1:5,5	95,03	3500	3650	2300	1300	120	1:1,26	1	2	200	5	14	12	320	1
Baldwin	30	6	1:5	28,27	600	600	-	-	25	1:0,9	1	2	250	-	7	2	25	1
Gross II	66	11	1:6	95,03	4800	5000	-	-	150	1:1,58	2	3	400	2,3	14	15	350	2
République	65	10,8	1:6	91,61	3650	3800	2500	1300	100	1:1,09	2	2	350	2,5	14	12	300	1
Dirigeable II	-	-	-	-	2200	-	-	-	50	-	2	2	450	2	10	4	80	1
Zeppelin I	136	11,6	1:11,8	105,68	12000	13000	9800	3200	170	1:1,61	4	3	900-1000	3	14	40	1000	2
Zeppelin II	136	13	1:10,5	132,73	15200	16500	-	3800	230	1:1,74	4	2	900-1000	3	15	42	1100	2

Возможность построения летательных аппаратов, более тяжелых, чем воздух, покоится на том факте, что воздух оказывает сопротивление летящему телу. Легкая плоская поверхность может держаться потоком ветра (игрушечный змей). Величина давления потока воздуха была теоретически определена Ньютоном в конце XVII в. Если мы обозначим это давление (в килограммах) через R₉₀, скорость потока (в метрах в сек.) через v, площадь пластинки (в кв. метрах) через F, вес 1 куб. метра воздуха (в килограммах) через γ и ускорение силы тяжести (в метрах в сек.²) через g, то, если поток перпендикулярен к пластинке, по Ньютону

Эту формулу мы получим, если представим себе поток отдельно летящих шариков, ударяющихся о пластинку. Формула должна быть справедлива для всяких жидкостей (в ней изменится лишь величина γ), и первые опытные исследования ее были произведены с пластинкой, вставленной в поток воды (или перемещавшейся в неподвижной воде). Эти исследования показали, что вязкость жидкости играет в явлении удара потока чрезвычайно важную роль. За пластинкой жидкость в покое, а по краям она имеет очень большую скорость; струи, обтекающие пластинку, увлекают с собой нижележащие; благодаря вязкости, получаются вихревые движения частиц жидкости. Фотографии потока, снятые впервые Альборном (Ahlborn), дали для этого случая следующую картину (Фиг. 9).

Фиг. 9

Перед пластинкой образуется неподвижный конус жидкости, передающий пластинке давление боковых струй; но и сзади имеются два таких мертвых пространства, между которыми, выше и ниже плоскости симметрии, образуются вихри. Благодаря большей скорости движения жидкости в самом узком месте потока, получается отсасывание жидкости от пластины с задней ее стороны, и хотя вихри и выравнивают часть давления, все же оно должно быть меньше гидростатического. Измерения давления спереди и сзади пластинки, произведенные Дюбуа и Дюшменом (Dubois и Duchemin), для случая движения пластинки в неподвижной воде, показали, что давление с передней стороны (внутри мертвого пространства) почти точно равно тому, которое получается по теории Ньютона; сзади же получается разрежение (отрицательное давление), равное 0,43 величины давления спереди. Таким образом, в формулу Ньютона должен войти, согласно этим опытам, коэффициент 1,43, так что

В случае если пластинка неподвижна, а движется жидкость, величина R еще больше. Позднее Рекнагель (Recknagel) получил величины соответственно несколько меньшие. Форма поверхности с задней ее стороны играет важную роль. Применяя формулу 2 к случаю пластинки в воздушном потоке, т. е. полагая γ=1,293 и g=9,81, получим:

Величина 0,085 вполне оправдывается (как средняя) опытами Лилиенталя (Lilienthal), Эйфеля (Eiffel), Кановетти (Canovetti), Дантека (Dantec) и др. Если пластинка наклонена к потоку под некоторым острым углом α (т. н. угол атаки), то, по теории Ньютона, надо принимать в расчет лишь слагающую скорости, перпендикулярную к пластинке, v₁ на фиг. 10; другая же, v₂, вдоль пластинки, не должна оказывать никакого действия.

Фиг. 10

Величина R_α поэтому должна бы определиться так:

Для малых углов атаки по формуле 4 сопротивление должно выражаться сотыми долями того, которое получается при нормальном ударе потока.

Фиг. 11

Эти отвлеченные умозрения оказываются, однако, совершенно неверными. Фиг. 11 изображает явление для угла атаки около 40° (по фотографии Альборна). Из нее видно, что передняя сторона вся покрыта мертвым конусом, а сзади - два мертвых пространства и два вихря - картина, очень мало разнящаяся от изображенной на фиг. 9. Это заставляет предполагать, что и величина R_α в этом случае мало разнится от R₉₀. Если мы будем угол α несколько уменьшать, то нижнее вихревое кольцо будет делаться все меньше и меньше, а верхнее опускаться ниже; наконец, при некотором определенном угле атаки, нижний вихрь исчезнет, а верхний, имея внизу отсасывание текущими струями, будет не замкнут снизу: внизу на краях образуются так называемые вихревые косы. В этом случае вихрь не выравнивает части давления на пластинку, и отсасывание имеет наибольшую величину. Разность давлений спереди и сзади, т. е. величина R_α может быть не только равна, но даже и больше R₉₀. Некоторые опыты вполне подтверждают это. Фиг. 12 изображает результаты опытов Dines, а и b - опыты с квадратной пластинкой, с - с прямоугольной пластинкой. Вертикали представляют величину сопротивления, а горизонтали - угол атаки. Как видно, наибольшая величина сопротивления для квадратной пластины получается при α=35°. Опубликованные в последнее время чрезвычайно обстоятельные опыты профессора Прандтля в Геттингене дают кривые совершенно такого же характера, как на фиг. 12.

Фиг. 12

Вообще, рассматриваемые явления очень сложны, и чтобы иметь возможность подсчитать давление вперед, что необходимо для расчета летательного аппарата, нужно учесть математически влияние нескольких факторов. Зависимость величины давления от угла атаки исследовалась многими учеными; отметим следующие формулы:

Как видно, все эти формулы дают величины R_α, значительно большие, чем формула Ньютона; в них входит величина Snα, а не Sn²α, так что в общем виде можно писать

Величина R_α зависит в значительной степени и от формы пластинки.

Если пластинка не квадратна, а вытянута в длину, то сопротивление значительно больше в том случае, когда она движется вперед широким бортом, чем узким; оно может быть до 2,5 раз больше, чем сопротивление квадратной пластинки той же площади. Поэтому коэффициент λ в формуле 5 должен зависеть от величины вытянутости. Если мы обозначим длину пластинки через l, а ширину ее через h, то характеристикой вытянутости будет m=(l-h)/(l+h).

 Для пластинки, имеющей такие размеры, величина λ по Соро выражается так:

Менее сложная формула такова: λ=1+(1+m)², так что можно приблизительно считать

Если l сравнительно с h так велико, что величиной h можно пренебречь, тогда m=l, и из формулы 6 получим: R_α=R₉₀∙5Snα.

Влияние вытянутости пластинки исследовано Лилиенталем (Lilienthal); им обращено внимание на то, что такую форму придала природа крыльям птиц. Измерения показывают, что отношение длины крыла к его ширине (l:h) равно: у малых птиц 5, у сокола 6, у ласточки 8, у буревестника 10 и у альбатроса 20. Сообразуясь с этим, и летательные аппараты строятся с вытянутыми поддерживающими поверхностями, с отношением l:h приблизительно 5.

На крыльях птиц тот же Лилиенталь подметил и влияние еще одного фактора; это - изогнутость летящей поверхности. Оказывается, что если профиль пластинки изогнут по дуге круга, то сопротивление имеет значительную величину и в том случае, если угол атаки (считая углом атаки угол между направлением потока и хордой пластинки) равен нулю; поток воздуха дает поддерживающую силу, если даже такая пластинка наклонена несколько вперед.

Фиг. 13 Фиг. 14

Фиг. 13 и 14 представляют результаты опытов Лилиенталя с пластинкой, у которой отношение стрелки к хорде (изогнутость) равно ¹/₁₂. Фиг. 14 построена таким образом, что под соответствующим углом отложена величина сопротивления. На фиг. 13 те же величины нанесены под теми углами, которые давления образуют с нормалью к летящей поверхности. Из диаграмм видно, что в данном случае величина давления в очень большом промежутке изменения углов атаки остается почти равной давлению при угле атаки = 90° (по вышеуказанным опытам Dines в иных случаях оно даже больше). Все эти исследования позволили капитану Ферберу (Ferber) высказать следующее положение: «движется ли пластинка перпендикулярно потоку или почти вдоль него, она испытываешь одно и то же давление». Нужно отметить еще одно чрезвычайно важное обстоятельство. Точка приложения давления (т. н. центр давления) совпадает с центром тяжести пластинки только для нескольких определенных углов атаки, вообще же при уменьшении угла атаки, начиная с α=90°, смещается к переднему борту (закон Аванзини), так что при угле атаки α=0 для плоской пластинки она находится на расстоянии ¹/₅ ширины пластины. Если это расстояние обозначить через у, то его можно определить по формулам:

Кроме того, опыт показывает, что давление не всегда перпендикулярно к поверхности пластинки, а может быть в иных случаях и наклонно (фиг. 13). Оба эти фактора (наклон давления и смещение его центра) можно при конструировании аппаратов использовать таким образом, что горизонтальная слагающая сопротивления воздуха получится ничтожной; теоретически она может быть не только равна 0, но даже отрицательна, что показывает, что можно лететь против ветра без затраты энергии. Это положение, в которое так верил Лилиенталь, в настоящее время возбуждает большие сомнения.

Все вышеприведенные формулы, служащие для расчета летательных аппаратов, являются чисто эмпирическими, в противовес формуле Ньютона, так сильно задерживавшей развитие авиации; в самое последнее время появились работы, имеющие целью определить поддерживающую силу на основании общих положений механики. Из таких работ выделяется исследование профессора С. А. Чаплыгина «О давлении плоско-параллельного потока на преграждающие тела» (ноябрь 1910 г.). Профессор Чаплыгин отрицает ту роль, которую приписывали образованию вихрей; существование поддерживающей силы он объясняет разностью скоростей непрерывного потока на передней и задней сторонах движущейся поверхности (случай, когда циркуляция скорости по замкнутому контуру вокруг поверхности не равна нулю); благодаря этому, согласно теореме Бернулли, будет существовать разность гидродинамических давлений на поверхность. Важнейшие положения исследования сводятся к следующему.

1) Определяя подъемную силу в случае цилиндрической (бесконечно-длинной) поверхности, движущейся так, что скорость потока параллельна хорде, С. А. Чаплыгин получает формулу для поддерживающей силы

Где ρ - плотность жидкости (в данном случае воздуха), v - скорость потока, а S - стрелка поверхности (фиг. 15). Сила P перпендикулярна к скорости потока.

Фиг. 15

Из формулы 7 следует, что все цилиндрические поверхности с одной и той же стрелкой будут испытывать одно и то же вертикальное давление - положение, которое должно оказать в будущем важное влияние на конструкцию аэропланов. Оно уже подтверждено опытами в лабораториях Императорского Технического Училища и Университета в Москве.

2) В случае, когда хорда образует угол атаки β с направлением скорости, величина

Значения α и с ясны из фиг. 15; угол μ имеет особое определение (см. ст. Чаплыгина); приблизительно

3) Поддерживающая сила может быть значительно увеличена выбором формы поверхности; она может быть очень велика в поверхностях вида фиг. 16.

Фиг. 16

4) При некотором критическом угле атаки подъемная сила обращается в нуль и при дальнейшем уменьшении угла атаки становится отрицательной, т. е. является момент, опрокидывающий поверхность вперед. Он очень значителен по величине и возрастает с квадратом скорости.

Величина подъемной силы, вычисленная по формулам Чаплыгина, прекрасно согласуется с данными опыта; если построить диаграммы ее изменения в зависимости от угла атаки, должны получиться кривые Dines и Prandtl. То положение, что подъемная сила перпендикулярна не поверхности и не хорде ее, а скорости потока, прекрасно объясняет уменьшение горизонтальной составляющей сопротивления воздуха.

Появление и других, несравненно, впрочем, менее значительных, теоретических работ (частичное решение задачи дал Kutta еще в 1902 г.) позволяет думать, что в недалеком будущем основные явления при полете будут освещены вполне, и тогда построение аппаратов тяжелее воздуха получит прочные основания.

Аппараты тяжелее воздуха могут быть классифицированы следующим образом:

1. Ортоптеры.
2. Геликоптеры.
3. Аэропланы: 1 – монопланы; 2 – бипланы; 3 – мультипланы.

I. Ортоптеры - аппараты, воспроизводящие ударное действие крыльев; их очень мало. Птица Ру (Roux), например, представляет собой слепое подражание форм птицы; внутри ее корпуса заключен механизм, двигающий вверх и вниз два крыла по бокам. Удовлетворительных результатов с таким аппаратом не получено.

II. Геликоптеры - аппараты, в которых подъемная сила получается от вращения огромных винтов с вертикальной осью. Винтов бывает два и больше, причем они вращаются вокруг одной оси в противоположные стороны. Фиг. 17 представляет геликоптер Otto Luyties. Геликоптеры могут подниматься на воздух, но полетов на них до сих пор не совершали.

Фиг. 17

III. Аэропланы - аппараты, в которых поддерживание на воздухе достигается благодаря быстрому горизонтальному (параллельному самому себе) перемещению больших поверхностей, обычно слегка изогнутых; эти поверхности называются поддерживающими (surfaces sustentat rices). Движение сообщается винтом (или винтами), обычно двухлопастным, деревянным. Винты приводит в действие мотор, почти всегда бензиновый. Винт ставится или спереди, или сзади поддерживающих поверхностей. Для устойчивости присоединяются отнесенные на некоторое расстояние вперед или назад стабилизирующие поверхности и киль; для подъема и списка, а также поворотов имеются рули высоты или глубины и поворота. Главные части ставятся на упругую рамку (шасси) с колесами или полозьями для разбега аэроплана. По числу поддерживающих поверхностей (планов) аэропланы делятся на монопланы (однопланы), бипланы (двупланы) и мультипланы (многопланы).

Фиг. 18

III. 1. Монопланы - аэропланы с одной (в вертикальном направлении) поддерживающей поверхностью. Фиг. 18-21 изображают аэроплан системы Блерю (Blériot), № 11. Как видно, план слегка изогнуть; винт помещен спереди, так что поток воздуха направляется непосредственно под план; стабилизатор и рули высоты отнесены далеко назад, что дает аппарату хорошую устойчивость. Тут же руль поворотов (s). Мотор (m) бензиновый, системы Анзани, в 24 силы. Моноплан Антуанетт (Antoinette) отличается большим наклоном поддерживающей поверхности к горизонту и большей ее изогнутостью; концы плана слегка приподняты кверху, в виде очень тупого угла, что придает боковую устойчивость; больших размеров киль и стабилизатор обеспечивают устойчивость в других направлениях. Аэроплан тяжелее и по виду прочнее Блерио. Мотор Антуанетт в 40 л. с. Из прочих упомянем конструкцию Эно-Пельтри (Esnolt-Pelterie), Сантос-Дюмона (Santos-Dumont) и Фербера (Ferber).

Фиг. 19-21. Аэроплан Блерио № 11. - Вид сбоку. - Вид спереди. - Вид сверху. - f - поддерживающая поверхность; h - стабилизирующие поверхности h₁, h₂ рули высоты, s - руль поворота; g - остов (корпус) аппарата с фермами или треугольными стойками g₁, g₂ для держания поверхностей посредством шнуров; m - мотор; t - винт; 1 - рычаг для управления; р - сиденье для воздухоплавателя: v₁, v₂ - передние колеса для разлета; v₃ - заднее колесо для разлета, в подвижной вилке а.

III. 2. Бипланы - аэропланы с двумя поддерживающими поверхностями (одна над другой).

Фиг. 22

Тип Райт (фиг. 22) отличается легкостью: нет ни стабилизатора, ни киля. Поперечная устойчивость достигается тем, что при помощи натяжных шнуров изгибаются углы поддерживающих поверхностей, как это видно на фиг. 24. Вследствие неодинаковой кривизны поверхностей, появляется различное давление воздуха с одной и другой стороны, и накренившийся аппарат выравнивается. Центр тяжести аппарата впереди центра давления, а потому руль высоты также спереди; сзади руль поворота. Винтов два, сзади поддерживающих поверхностей; мотор собственной системы в 25 л. с.

Фиг. 23. Аэроплан братьев Райт. - Вид сверху, верхняя поддерживающая поверхность снята, h - полозья для спуска; k - руль глубины; i - вспомогательные рули в виде полумесяца между лопастями руля глубины для содействия управлению полетом аэроплана вправо или влево; s - руль поворота; g₁, g₂ - отъемные штанги, держащие руль поворота; l₁ - рычаг для управления рулем глубины; e₁ - соединительная штанга к нему; l₂ - рычаг для управления рулем поворота, действует на коромысло d - посредством соединительной штанги е₂; z - шнур для управления рулем поворота; z₁-z₄ - шнуры для загибания планеров; m - мотор, действующий посредством цепей a₁ и а₂ на винты t₁, t₂; w - охладитель мотора; n - помещение для бензина; b - штанга, посредством которой аэроплан укрепляется на канате на старте (приспособления для отлета); р₁ - место для управляющего аэропланом; р₂ - место для спутника; r₁, r₂ - направляющие блочки для шнуров.

Фиг. 24. Поддерживающие поверхности и руль поворота в аэроплане Райта, когда он описывает кривую влево (перспективный вид).

У аэроплана нет колес, а только полозья, и для отлета весь аппарат ставится на особую тележку, которую, по рельсам, тянет падающий сверху, в особой башенке, груз (фиг. 25); когда скорость достаточна, руль высоты ставится под углом к движению, и аэроплан слетает с тележки в воздух.

Фиг. 25. Старт Райта. a - брус для разлета с роликом l₁, через который проведен канат s₁ для приведения в движение аэроплана по брусу. Канат привязывается к аэроплану за крюк b и как только веревка, удерживающая груз g, опускается и самый груз падает в положение g₁, веревка s влечет аэроплан; l₂, l₃ - направляющие блочки на башне старта; r - ролики на каретке старта.

Этот способ отлета представляет огромное неудобство: аппарат не может подняться где угодно. Весь аэроплан малоустойчив, и только чрезвычайное искусство и навык братьев Райт (Wright) создали ему известность. Биплан Вуазена (Voisin), усовершенствованный Фарманом (Farman), отличается от типа Райт тем, что имеет сзади коробку, представляющую стабилизатор и киль; спереди руль высоты – одна плоскость (фиг. 26). Винт один, сзади, приводимый в движение мотором «Гном» около 50 л. с. Аппарат опирается колесами и полозьями; колеса устроены таким образом, что они приподнимаются при ударе о землю кверху, и аппарат скользит полозьями, так что остановка происходит мягко. Аппарат очень устойчив. Немногим разнится от описанных биплан Куртисса (Kurtiss) и Зоммера (Sommer).

Фиг. 26. Разлет аэроплана Фарман – Вуазен. Задние колеса поднимаются, разлет совершается на передних. После того как руль глубины переложен будет из положения h₁ в положение h₂, начинается подъем.

III. 3. Мультипланы - аэропланы, у которых поддерживающих поверхностей больше, чем две; они строятся очень редко. Фирма Voisin строит, между прочим, и трипланы, но они мало в ходу. Попытки строить многоэтажные аэропланы, иногда с лопатками, расположенными по ободу колеса и т. п., не дали хороших результатов.

Просматривая конструкции аэропланов, можно сказать, что аэропланам не хватает одного - устойчивости; полет представляет собой процесс, требующий чрезвычайного внимания авиатора: маневрируя рулями, он должен исправлять каждую, малейшую неправильность положения аэроплана в воздухе. Это делает авиацию уделом немногих людей, обладающих соответственными способностями. Поэтому вопрос о приспособлениях, которые автоматически, без всякого участия авиатора, обеспечивали бы устойчивость аэроплана, имеет чрезвычайное значение. В последнее время (осень 1911) появились конструкции, позволяющие надеяться в недалеком будущем на благоприятное его решение.

Могут быть отмечены 4 типа таких аппаратов

1) Аппараты, основанные на принципе маятника; в них большой вес, сохраняющий, при наклоне аэроплана в ту или иную сторону, свое отвесное положение, тянет руль. По идее, например, Моро (Moreau) таким маятником является сам авиатор: его сиденье подвешено так, что может качаться во все стороны. В другом таком аппарате тяжелым телом является налитая в ванночку ртуть, над поверхностью которой имеются штифты, служащие контактами электрических цепей; если ртуть прильет к одному из штифтов, с этой стороны замкнется цепь, и входящий в нее сильный электромагнит подтянет руль, ставя его надлежащим образом.

2) Аппараты, основанные на принципе гироскопа. Тяжелое вращающееся колесо стремится сохранить свою ось вращения; будучи подвешено, такое колесо (гироскоп), при наклонах аэроплана, может воздействовать, с помощью тяг, или непосредственно на рули, или на небольшой мотор, который может эти рули переставлять. Так конструирован аппарат Реньяра (Regnard).

3) Аппараты, в которых использована инерция значительных масс. Таков аппарат Дутра (Doutre). В нем имеется подвижная пластинка, связанная помощью пружин с двумя подвижными массами; все вместе действует на серво-мотор, переставляющий рули; если скорость движения аэроплана возрастет, то увеличится давление воздуха на пластинку, и ее движение преодолеет инерцию масс; если скорость уменьшится, то действие инерции масс передвинет поршень серво-мотора. Аппарат Дутра испытан и дал хорошие результаты (см. «Aérophile», 1911, № 16).

4) Аппараты с добавочными к рулям плоскостями. Плоскость, соединенная под известным углом, пружиной, с рулем высоты, в случае изменения скорости или угла атаки переставит руль (благодаря упругости пружины). Таково приспособление Орландо (Orlando); к тому же типу может быть отнесена и конструкция русского полковника Бенуа. Кроме описанных, есть и еще конструкции, пока мало разработанные. Можно сказать, что меньше всего надежды на успех подают аппараты с маятником и гироскопом; но вообще вопрос об автоматической стабилизации близок к решению, и тогда полет будет прост и надежен.

История авиации должна по справедливости начинаться с Гайлея (Sir George Gayley), который в 1809 г. опубликовал чрезвычайно правильные соображения относительно летательных машин тяжелее воздуха. Его работа была совершенно забыта до 1874 г., когда Пено (Penaud) изложил ее Французскому Обществу Воздухоплавания. Пено принадлежит первая летающая модель-игрушка, правильно сконструированная.

В 1870-х годах этими вопросами занимается Татэн (Tatin). В 1889-1891 г. Гирам Максим (Hiram Maxim) тратит  боле миллиона франков на постройку огромного мультиплана (вес его с мотором 2600 килограммов, площадь поддерживающих поверхностей около 620 кв. метров); аппарат оказался совершенно неустойчивым. В 1890 г. Адер (Ader) представил французскому правительству летательную машину для военных целей; опыты были не вполне удачны. В эти же годы (с 1866 г.) немецкий инженер Отто Лилиенталь (Otto Lilienthal) занимался изучением сопротивления воздуха; им точно установлены основные факты авиатики, каковы влияние вытянутости и изогнутости пластины, им же исследованы относительно устойчивости аппараты для скользящего полета (без мотора и винта; такие аппараты называются планерами), он окончательно остановился на биплане; работая над его типом, братья Райт сконструировали впоследствии свой аппарат. Лилиенталь погиб во время одного из полетов (1896 г.). В то же время изучением законов сопротивления воздуха занимался американский профессор Ланглей (Langley). Он и, главным образом Шанют (Chanute), продолжали опыты Лилиенталя с скользящим полетом; Шанют принял и тип Лилиенталя (биплан с рулем поворота сзади); его ученики, братья Райт (Wright), также (с 1900 по 1903 г.) изучали скользящий полет, причем выработали окончательно тип планера, который, будучи снабжен винтами и мотором, дал их аэроплан. Во Франции последователем Лилиенталя является капитан Фербер (Ferber); он побуждает инженера Левавасера (Levavasseur) заняться конструированием легких моторов, а также братьев Вуазен (Voisin), механиков, которые начинают строить аэропланы. Публикуются теоретические работы полковника Ренара (Renard) и Соро (Soreau).

Первые полеты на аэроплане были совершены в 1903 г. братьями Райт, работавшими в пустынной местности Kitti Hayk (в штате Св. Каролина); в Европе первый полет на аэроплане сделал Сантос-Дюмон (Santos Dumont) в 1906 г.; затем, в 1907 г., рекорды побивают Фарман (Farman) и Делагранж (Delagrange). В 1908 г. Вильбур Райт переезжает во Францию и здесь изумляет своими полетами; 31 декабря 1908 г. он летает в течение 2 часов 20 минут 23 секунд и пролетает 123 километра. С тех пор авиация пошла вперед гигантскими шагами; рекорды ставятся почти ежемесячно; следует отметить лишь перелет через Ла-Манш, совершенный Блерио на описанном моноплане 25 июля 1909 г., и достижение высоты 1 000 метров. Латамом (Latham) 7 января 1910 года. До сентября 1910 г. достигнуто следующее: на аэроплане можно летать более 4 часов, со средней скоростью около 60 км в час; достигать скорости до 90 километров в час; подниматься на высоту больше 2 000 метров; брать с собой несколько пассажиров (до 5). До сентября 1911 г. это изменилось следующим образом: наибольшая продолжительность полета без спуска 14 ч. 7 мин. 50 сек., причем пройдено 1 250 км (Helen); наибольшая скорость - 140 км в час (Barrier); наибольшая высота – 3 500 м (Нохеу); наибольший поднятый груз 650 килограммов, заключается в 13 пассажирах, не считая авиатора (Sommer). В самом недалеком будущем все это будет, несомненно, превзойдено. В течение 1911 г. было организовано несколько воздушных путешествий, т. е. перелетов на дальние расстояния с заранее намеченными этапами. Таковы перелеты: Париж - Мадрид, Париж - Рим - Турин, Париж - Брюссель - Лондон - Париж и т. д.; у нас в России перелет Петербург - Москва (июль 1911). Таким образом, аэроплан испытывается уже в обстановке его полезной службы в мирное время. На всех маневрах во Франции и Германии принимали участие военные авиаторы, и полезность аэроплана в войсках установлена вне сомнений. Теперь аэропланы испробованы и на войне: во время военных действий в Триполисе итальянцы пользовались ими как для разведок, так и для бросания с аэропланов взрывных снарядов в неприятеля.

Сопоставляя аэропланы с воздушными кораблями, приходится заключить, что будущее принадлежит аппаратам тяжелее воздуха: дирижабли страшно дороги, громоздки, медлительны и неповоротливы; их преимущества в военном деле, заключающиеся в большей грузоподъемности и большей максимальной продолжительности полета, вероятно, скоро не будут иметь никакой цены: военный аэроплан, быстро и легко поднявшись над дирижаблем, может разрушить его в одно мгновение. Такие военные авторитеты, как капитан Фербер, полагают, что время дирижаблей прошло и очень скоро их совершенно перестанут строить.

В России дело воздухоплавания несколько отстало. В 1869 г. была образована комиссия для обсуждения применения аэростатов к военным целям (под председательством генерала Тотлебена). Положительных результатов работа ее, однако, не дала, так как в войну 77-78 гг. воздушные шары не применялись. Вторично такая комиссия (под председательством генерала Бореского) была созвана в 1884 г.; было приобретено 4 воздушных шара и организована команда, обучавшаяся управлению шаром. Первый свободный полет офицеров этой особой команды был совершен 6 октября 1885 г. В 1890 г. (14 мая) команда воздухоплавателей реорганизована в «Учебный воздухоплавательный парк». Во время русско-японской войны производились рекогносцировки на шарах (под Сандепу). В 1908 г. делаются опыты с первым русским управляемым шаром «Учебный». Аэростат сшит из старой материи, вместимость 1 200 куб. м; двигатель 16 л. с. В 1909 г. приобретен описанный выше дирижабль Лебедь, совершивший весной и летом 1910 г. несколько удачных полетов; в то же время комиссия под председательством генерала Кирпичева закончила постройку дирижабля емкостью до 4 000 куб. м. Параллельно в течение 1910 и 1911 гг. приобретено довольно много аэропланов и начато обучение офицеров как в России (в Петербурге и Севастополе), так и с командировкой за границу. Летом 1910 г. Учебный воздухоплавательный парк преобразован в Воздухоплавательную школу (под началом генерала Кованько). Летом 1911 г. (от 10 до 15 июля) организован перелет Петербург-Москва, причем правительство ассигновало 100 000 рублей; в перелете военные авиаторы не принимали участия. Перелет совершил лишь один (из 9) авиатор Васильев. Из русских ученых, занимавшихся вопросами аэродинамики, надо отметить профессора московского университета Н. Е. Жуковского. Аэродинамические лаборатории в настоящее время организуются почти при всех высших технических учебных заведениях и университетах; есть и частный аэродинамический институт Д. П. Рябушинского, имеющий уже весьма много солидных работ (институт находится в Кучине под Москвой).

Литература. Русские журналы: «Воздухоплаватель»; «Вестник воздухоплавания»; «Бюллетени Московского Общества Воздухоплавания», «Автомобиль и Воздухоплавание». Лучшие иностранные: «La technique aeronautique»; «L'aerophile»; «L'aeronaute»; «Zeitschrift für Flugtechnick und Motorluftschiffahrt»; ««Deutsche Zeitschrift für Luftschiffahrt»; «Flight»; «Aeronautics»; «Bolletino della Societa Aeronautica Italiana».

Книг по воздухоплаванию очень много. Указываем серьезные сочинения: О. Lilienthal, «Der Vogelflug als Grundlage der Fliegekunst» (русский перевод Федорова); F. W. Laenchester, «Aerodinamics» (есть немецкий перевод); G. Eiffel, «Recherches sur la resistance de l'air»;P. Renard, «L'aviation»; его же, «L'aeronautique»; R. Soreau, «L'aviation»; L. Marchis, «Cours d'Aeronautique» (лекции); G. Wellner, «Die Flugmaschinen» (есть русский перевод); A. Vorreiter, «Motorluftschiffe»; его же, «Motorflugapparate» (обе есть в русском переводе); G. Espitallier, «La téchnique du ballon»; Marey, «Le vol des oiseaux»; Ник. Волпянский, «Популярные лекции по авиации» (по Ренару); Н. Рынин, «Аэрология»; его же, «Аэростатика» (лекции, читанные  в институте инженеров путей сообщения); Н. Жуковский, «Теоретические основы воздухоплавания» (лекции, читанные в императорском техническом училище в Москве); А. Шабский, «Управляемые аэростаты»; Banet-Rivet, «L’Aéronautique».

Д. Виноградов.