Летательные аппараты в истории авиации

Ничего не признаю, кроме материи. В физике, химии и биологии я вижу одну механику. Весь космос только бесконечный и сложный механизм. Сложность его так велика, что граничит с произволом, неожиданностью и случайностью, она даёт иллюзию свободной воли сознательных существ.

К. Э. Циолковский

Бамбуковый вертолёт

Один из старейших в мире летательных аппаратов, бамбуковый вертолёт (также известный как бамбуковая стрекоза или китайская вертушка) – игрушка, которая взлетает вверх, если быстро раскрутить её основной стержень. Изобретённый в Китае около 400 г. до н. э., бамбуковый вертолёт состоял из лопастей-перьев, насаженных на конец бамбуковой палки.

В Китае самые ранние известные летающие игрушки состояли из перьев в конце палки, которую быстро пряли между руками и выпускали в полёт. «В то время как китайская вершина была не больше, чем игрушкой, это – возможно, первое материальное устройство того, что мы можем понять как вертолёт».

Эта китайская вертолётная игрушка была известна в Европе на рубеже эпохи Возрождения. Игрушечный вертолёт появился в 1460 году на французских картинах с Мадонной и младенцем в Musée de l’Ancien Évêché в Ле-Мане и на витраже XVI века в Музее Виктории и Альберта в Лондоне. Картина 1560 года Питера Брейгеля-старшего в Музее Kunsthistorisches в Вене изображает вертолётную вершину с тремя пропеллерами.

Западные учёные разработали аэропланы, основанные на оригинальной китайской модели. Над этой идеей работали российский учёный Михаил Ломоносов и французский натуралист Кристиан де Лонуа.

В 1792 году Джордж Кейли, изобретатель современной аэронавтики, начал экспериментировать с такими моделями и в 1835 году писал, что если оригинальная игрушка поднимется не больше, чем приблизительно 6 или 7,5 метров, его улучшенные модели могли бы подняться вверх на 90 футов (27 метров) от воздуха.

Летающий фонарик

Роль несущей конструкции в небесном фонарике, о котором было написано выше, выполняет лёгкий деревянный каркас, как правило бамбуковый. В нижней его части имеется горелка, закреплённая на тонкой проволоке. Традиционная горелка изготавливается из кусочка хлопчатобумажной ткани, пропитанной воском, либо из пористой бумаги, пропитанной легковоспламеняющимися жидкостями. Пламя горелки нагревает воздух внутри фонарика до 100–120 °С. При нагревании плотность воздуха становится меньше, а соответственно и его масса. Воздух внутри фонарика становится легче воздуха снаружи, поэтому фонарик всплывает в холодном воздухе.

Вес среднего китайского фонарика составляет 50–100 г. Высота подъёма обычно находится в пределах 200–500 метров, время горения топлива в горелке – 15–20 минут.

В современных фонариках горелку иногда делают из горючих полимеров. Купол изготавливается из рисовой бумаги с добавлением тутового дерева. Бумагу, как правило, пропитывают специальным негорючим составом, чтобы она не загоралась.

Каркас и купол небесного фонарика могут иметь различную форму, от стандартных геометрических фигур (цилиндр, шар) до изображений животных и популярных предметов обихода.

Запуск небесных фонариков запрещён во многих государствах. Металлический каркас от упавших фонариков приводит к гибели домашнего скота, который съедает проволоку вместе с сеном, собаки на прогулке ранят этой проволокой лапы. Не успевшие потухнуть перед приземлением свечи поджигают соломенные крыши и даже уничтожают целые поля. Известны случаи вывода из строя электростанции и возникновения пожара в жилом доме, приведшего к гибели людей.

Воздушный шар

Современные воздушные шары могут пролетать тысячи километров.

В воздушном шаре (аэростате) для полёта используется газ, который легче воздуха. Состоит из заполненной газом оболочки и прикреплённой к ней корзины или прицепной кабины. В отличие от дирижаблей, воздушные шары не имеют двигателей для самостоятельного горизонтального движения в воздухе. В зависимости от наполнения различают монгольфьеры (шары, наполненные нагретым воздухом), шарльеры (наполнены лёгким газом – как правило, водородом или гелием) и розьеры (воздушные суда, использующие одновременно газ и воздух, размещённые в отдельных оболочках).

Вообще же в воздухоплавательной практике применяют водород, водяной газ, светильный газ, аммиак и гретый воздух.

Изобретателями первого устройства, чей полёт по воздуху был подтверждён официальными историческими документами, стали французы, братья Жозеф-Мишель и Жак-Этьенн Монгольфье. Сконструированный ими в 1783 году летательный аппарат представлял собой воздушный шар из холста диаметром 39 футов (около 12 м), оклеенного бумагой.

В середине XVIII века на юге Франции в городе Анноне, близ Лиона, жила многочисленная семья бумажного фабриканта Пьера Монгольфье. Жозеф был двенадцатым ребёнком в семье. Дома, на бумажной мануфактуре, раскрывается талант Жозефа-изобретателя. Он вносил улучшения в технологический процесс бумагоделательного производства, оборудовал новые мастерские. В этот период Жозеф сблизился с младшим братом Этьенном, принявшим на себя по настоянию отца управление фабрикой. Талантливый архитектор, блестяще окончивший строительную школу в Париже, Этьенн тоже не чужд был изобретательству.

Часто беседуя о силах природы, братья обратили внимание на энергию ветра. Наблюдали за воздушными потоками, следили за облаками, движущимися по небу под воздействием ветра. Массы воды, из которой состоят облака, подолгу находятся в воздухе и переносятся на большие расстояния. А что если самим сделать искусственное облако, заключить его в оболочку и заставить подняться в небо? Братья увлеклись этой идеей. Они делали шарообразные бумажные оболочки и наполняли их паром. Но пар быстро конденсировался, оболочка намокала и не хотела подниматься вверх.

В 1782 году Монгольфье прочли книгу английского химика Пристли «О различных видах воздуха». Это привело их к мысли использовать вместо пара водород. Открытый в 1766 году английским химиком Кэвендишем, этот газ привлёк внимание ещё двух учёных – Блэка и Кавалло. Опыты Тиберия Кавалло по подъёму различных оболочек, наполненных водородом, не получили положительных результатов. Газ легко просачивался сквозь поры бумаги и ткани. Неудачей закончились и попытки братьев Монгольфье.

Наконец было найдено подходящее топливо, которое при сжигании должно дать дым с наибольшей подъёмной силой – смесь шерсти с мокрой соломой. Теперь Монгольфье стали готовиться к более серьёзному опыту. Первый, закончившийся неудачей: оболочка, вспыхнув, устремилась вверх – подтвердил правильность избранного пути. Второй опыт был проведён весной 1783 года. В присутствии родных и знакомых воздушный шар диаметром 3,5 метра поднялся на трёхсотметровую высоту.

Новая оболочка, сшитая из полотняных клиньев и усиленная для прочности верёвочной сеткой, имела диаметр 11,4 м и объём около 700 кубометров. Чтобы уменьшить газопроницаемость, внутреннюю поверхность её оклеили бумагой. Свисающие верёвки, прикреплённые к поясу, нашитому по экватору шара, помогали удерживать его при наполнении дымом. В нижней части оболочки деревянный обруч диаметром 1,5 м окаймлял отверстие, предназначенное для поступления дыма. Общий вес шара достигал 227 килограмм.

5 июня 1783 года многочисленные зрители увидели подвешенный на высоте трёхэтажного дома огромный мешок, спускавшийся до земли. Внизу, под кольцевым отверстием, была установлена сковорода – на ней развели костёр. Дым стал наполнять оболочку, и она быстро приняла форму шара. Восемь рабочих с трудом удерживали его. Вот по команде отпущены верёвки, и баллон ушёл в небо. Полёт его продолжался около десяти минут. Шар поднялся на высоту около 2000 метров и, пролетев 2,5 км, опустился на землю.

Протокол, засвидетельствовавший это событие, был направлен в Париж, в Академию наук. Там было решено создать комиссию для решения вопроса и пригласить братьев Монгольфье повторить их опыт в столице. В конце августа Этьенн Монгольфье в Париже начал строительство воздушного шара. 19 сентября 1783 года сотни тысяч зрителей собрались в Версале, чтобы увидеть его полёт. Слегка вытянутый по высоте шар имел объём около 1200 кубометров и весил 400 кг. Для его подъёма был сделан помост с круглым отверстием посредине, под которым разводили огонь. Оболочка удерживалась над помостом на канатах, крепившихся к четырём высоким мачтам. Под воздушным шаром была подвешена клетка, в ней находились баран, петух и утка, здесь же был установлен барометр.

Поднявшись на высоту около 500 метров, шар через 8 минут опустился на землю, пролетев менее 4 километров. Животные прекрасно перенесли полёт.

21 ноября 1783 года в западном пригороде Парижа из сада замка де ла Мюэт, состоялся первый полёт человека на воздушном шаре, построенном братьями Монгольфье. На затейливо разрисованном воздушном шаре, диаметр которого был 14 м, поднялись два отважных француза Пилатр-де-Розье и маркиз д’Арланд. Первые воздухоплаватели достигли высоты около 1 км и пролетели 9 км за 25 минут, а затем благополучно приземлились в открытой местности на холме Бют-о-Кай.

Воздушные шары и дирижабли. Рисунок из Энциклопедического словаря Брокгауза и Ефрона, 1890–1907 г.

Солнечный воздушный шар

Технически этот тип воздушного шара летает за счёт нагревания воздуха в нём при помощи солнечного излучения. Как правило, такие аэростаты делают из чёрного или тёмного материала. Хотя они в основном используются на рынке игрушек, некоторые солнечные шары достаточно велики для того, чтобы поднять в воздух человека.

Команда исследователей из лаборатории NextPV (создана Национальным центром научных исследований, Франция, и Университетом Токио) сейчас работает над разработкой уникального способа получения солнечной энергии. В частности, учёные предлагают развернуть массив «солнечных» воздушных шаров в небе над облаками. Ожидается, что такие установки позволят получать чистую энергию круглосуточно.

Для получения солнечной энергии необходимо строить огромные солнечные фермы, занимающие немало площади, которую можно было бы использовать для других целей. Кроме того, наземные солнечные панели не могут получать энергию ночью и в пасмурную погоду.

Исследователи из лаборатории NextPV уверены, что концепт их особых воздушных шаров поможет решить эти проблемы.

Воздушные шары NextPV будут оснащены системой производства водорода, что позволит эффективно сохранять солнечную энергию. Учёные даже предлагают со временем использовать определенную часть полученного водорода для надувания шаров, что сделает систему ещё более эффективной и автономной.

Солнечный парус

Так назвали приспособление, которое использует давление солнечного света или лазера на зеркальную поверхность для приведения в движение космического аппарата. Это приспособление не используется по причине крайне низкой тяги.

Применение данной технологии позволит совершать даже самые длительные космические полёты, ведь для движения в межзвёздном пространстве кораблю не нужно будет иметь на борту огромный запас физического топлива – источник движения будет находиться повсюду.

Конечно, чем дальше будет расстояние космического корабля с солнечным парусом от источника света, тем меньшим будет его давление. Но ведь огромные пространства Вселенной представляют собой вакуум, следовательно, не будет силы, замедляющей движение космолета. Зато даже самый слабый свет от далеких звёзд будет постепенно увеличивать скорость полёта.

Считается, что космический аппарат, движимый солнечным парусом достаточного размера, может развить скорость примерно в одну десятую от световой.

Существуют также идеи, предполагающие замену основного источника движения такого паруса с солнечного света на лазерный луч. Изначально предполагалось устанавливать источник этого луча на Земле, но сейчас появились предложения по созданию таких конструкций где-нибудь на отдалённых планетах Солнечной Системы или даже на космических станциях в межзвёздном пространстве. Идеальным вариантом будет развертывание целой системы лазерных установок по дороге к другим звёздам. Но это – дело далекого будущего.

Истоки идеи солнечного паруса лежат в работах знаменитого шотландского физика Джеймса Максвелла (вторая половина XIX века), который сформулировал электромагнитную теорию света и предсказал существование давления света.

Мечты о космических кораблях, которые будут передвигаться благодаря давлению солнечного света, появились уже в конце девятнадцатого века в сочинениях писателей-фантастов. К примеру, в романе «Необычные приключения одного русского учёного» французов Жоржа ле Фора и Анри де Графиньи идет речь об экспедиции на Венеру, во время которой для движения было использовано огромное параболическое зеркало.

И именно российский учёный разработал первую в истории реальную конструкцию летательного аппарата на солнечном парусе. Советский инженер Фридрих Цандер в 1924 году подал в Комиссию по изобретениям соответствующую заявку, но эксперты назвали её слишком фантастической и отклонили.

На Западе идею создания солнечного паруса связывают, в первую очередь, со знаменитым астрономом, астрофизиком и популяризатором науки Карлом Саганом. Он был большим сторонником межзвёздных полётов и как учёный стал одним из самых авторитетных консультантов NASA. Саган впервые упомянул идею солнечного паруса в 1976 году. До этого он столкнулся с проблемой невозможности дальних космических полётов при помощи летательных аппаратов на основе физического двигателя. Но солнечный парус в теории позволял выйти из данного технологического тупика.

В 1980 году Карл Саган с единомышленниками, другими знаменитыми учёными, основал Планетарное общество, целью которого значится исследование космического пространства, поиск внеземной жизни, а также поддержка направленных на это проектов. Данная организация и является одним из главных сторонников и лоббистов идеи солнечного паруса.

Попытки создания

Ещё в 1974 году инженерам удалось впервые «обуздать» солнечный ветер. Произошло это в рамках запуска американской автоматической межпланетной станции «Маринер-10». В качестве солнечного паруса выступили её панели солнечных батарей. Их развернули под нужным углом к Солнцу, что позволило корректировать расположение корабля в пространстве.

Следующей конструкцией, похожей на солнечной парус, стал отражатель «Знамя-2», установленный в 1993 году на орбитальной станции «Мир». Но он использовался не в качестве ускорителя, а как дополнительный источник света для Земли. Эта конструкция создала на поверхности нашей планеты огромный «солнечный зайчик» диаметром 8 километров.

В дальнейшем процесс создания и развертывания солнечных парусов столкнулся с настоящим злым роком. Так, в 2005 году упала во время старта российская ракета «Волна», несшая на орбиту спутник «Космос-1» с солнечным парусом диаметром 30 метров.