Ход изобретательской деятельности Циолковского в полном свете выступает на примере первого его детища — дирижабля. Проект воздушного корабля новой системы зародился в уме Циолковского не как случайное озарение, а в результате настойчивой исследовательской работы. Конечно, первоначальный толчок творческой мысли дало усилие воображения. «Сначала неизбежно идут мысль и фантазия. За ними шествует научный расчет. И уже в конце концов исполнение венчает мысль», — так характеризует Циолковский последовательные этапы изобретательской работы. Когда он впервые стал размышлять о своем «аэронате» (слова «дирижабль» еще не существовало) и о благодетельных последствиях его введения в хозяйственную жизнь, перед воображением изобретателя рисовалась заманчивая картина будущего:
«Как пленительна эта идея! Тысячи блестящих воздушных кораблей, как птицы, во всех направлениях пересекают атмосферу. Каждый городок, каждая деревушка делаются как бы портовым городом, потому что к удобствам суши присоединяются удобства океана».
Идея эта, зародившаяся в уме Циолковского еще в «период поголовного отрицания управляемости аэростатов», получает у него в дальнейшем прочное научное обоснование. Он исследует проблему управляемого воздухоплавания аэродинамически, т. е. стремится обосновать ее на законах сопротивления воздуха. Известно, что, двигаясь через воздух, предметы встречают с его стороны сопротивление, которое сказывается в замедлении движения. Как велико замедление, зависит от ряда причин, выяснением которых и занимается теперь особая наука — аэродинамика. В те годы, однако, когда с этими вопросами столкнулся Циолковский, разработанного учения о сопротивлении воздуха почти не существовало. Изобретателю пришлось устанавливать законы аэродинамики самостоятельно.
Сопротивление воздуха
Кто незнаком с законами воздушного сопротивления, тому может показаться, что помеха, оказываемая воздухом движущимся телам, невелика и притом мало зависит от формы движущегося тела. Насколько подобное суждение опрометчиво, показывают следующие примеры. Попробуйте предвидеть, какое из двух тел встречает со стороны воздуха большее сопротивление: круглая пластинка, движущаяся перпендикулярно к своей плоскости, или шар такого же поперечника? Многие ответят, вероятно, что более значительное сопротивление встречает в воздухе шар, полуповерхность которого, как известно из геометрии, вдвое превышает площадь нашей пластинки. Между тем опыт показывает совсем другое — воздух противодействует движению шара в 6 раз слабее, чем движению пластинки.
Далее: для какого тела воздушное сопротивление значительнее — для шара или для тела в форме сигары с таким же поперечным сечением (причем «сигара» движется продольно)? Оказывается, что «сигара» встречает при продольном движении раз в 5 меньшее воздушное сопротивление, нежели шар такого же сечения (и, следовательно, раз в 30 меньшее, нежели упомянутая ранее круглая пластинка). Вы видите уже из этих примеров, как важно знать законы аэродинамики для выбора наивыгоднейшей формы воздушного корабля.
Еще пример, на этот раз из области авиации. Если стойки аэроплана имеют круглое сечение 4 сантиметра в диаметре и 2 метра в высоту, то при скорости аэроплана 250 километров в час каждая стойка испытывает со стороны воздуха сопротивление в 30 килограммов. Достаточно, однако, придать сечению стоек форму яйцевидную с заострением на узком конце, чтобы сопротивление упало до 1½ кг, т. е. уменьшилось в 20 раз! Это значительно понижает необходимую для полета мощность. При тех скоростях, которыми обладают современные самолеты, употребление стоек круглого сечения было бы даже совершенно немыслимо. На новейших самолетах можно видеть поэтому только овальные стойки или же стойки круглого сечения (те и другие — полые), защищенные овальными «обтекателями».
Остановимся немного на том, какое собственно значение имеет «обтекаемая» форма. Многим непонятно, как может форма задней части движущегося тела влиять на величину воздушного сопротивления; казалось бы, здесь должна играть роль только передняя носовая часть тела, разрезающая воздух. Между тем именно задняя часть тела имеет при этом первенствующее значение (если только скорость не превышает известного предела — скорости звука в воздухе). Все дело в том, что струйки воздуха, обегающие поверхность тела, не должны, миновав наибольшую его ширину, отделяться от этой поверхности. В противном случае между телом и воздушным потоком остается область, которая заполняется вихрями. В завихренном пространстве давление воздуха обычно ниже, чем в спокойном потоке. Пространство с пониженным давлением как бы затягивает тело назад и тем увеличивает воздушное сопротивление. Надлежащим выбором формы для задней части тела можно предотвратить возникновение вихрей, а следовательно уменьшить помеху движению. Вот почему дирижаблям придается спереди закругленная, сзади же — плавно заостренная, «удобообтекаемая» форма.
Опыты над сопротивлением воздуха ученые вели первоначально так: тело, например, шар, пластинка, модель корпуса самолета или оболочки дирижабля, заставляли двигаться через воздух; с помощью довольно сложных приспособлений измеряли при этом величину сопротивления, оказываемого воздухом. Однако, вскоре отказались от этого способа, явно неудобного (очень затруднительно измерять силы на движущейся тележке), и вместо того, чтобы исследовать движение тела в спокойном воздухе, стали, наоборот, изучать действие потока воздуха, который набегает на покоящееся тело. Возникающие в обоих случаях силы совершенно одинаковы.
Таков закон относительного движения, установленный еще Галилеем: закон гласит, что существует лишь движение одного тела по отношению к другому телу, движение же абсолютное немыслимо.
В аэродинамике «обращение» осуществляется так, что испытуемое тело подвешивают в воздушном потоке, создаваемом сильным вентилятором. Этот поток тем же вентилятором прогоняется по так называемой аэродинамической трубе, внутри которой модель и подвешивается. Нередко в месте расположения модели часть трубы вырезается (для удобства выполнения опытов), но это не нарушает непрерывности воздушного потока.
В современных лабораториях такие «аэродинамические трубы» устраиваются огромных размеров. В нашем ЦАГИ имеется с 1925 г. труба диаметром 6 метров и длиною 50 метров с вентилятором мощностью 800 лош. сил, — одна из величайших в мире. С помощью такой установки можно испытывать («обдувать») не только модели или крупные детали, но и целые машины в натуре, например, автомобили. За рубежом сооружены в последние годы аэродинамические трубы еще больших размеров и мощности.
Первая аэродинамическая труба была у нас построена в 1902 г. проф. Жуковским при Московском университете. Циолковский же производил свои систематические исследования над сопротивлением воздуха раньше этого времени и, несмотря на крайне примитивную обстановку, достиг правильных результатов.
Исследовательские труды
Первые опыты Циолковский производил над телами, движущимися в закрытом помещении, потом стал пользоваться естественным ветром и, наконец, самостоятельно изобрел и соорудил аэродинамическую трубу; она имела квадратное отверстие 35×35 сантиметров и скорость воздушного потока 5 метров в секунду. Нельзя не отметить при этом, что скромный самодельный аппарат калужского учителя был первой аэродинамической трубой в России, а одна из существенных деталей, так называемая «спрямляющая решетка», выравнивающая и успокаивающая воздушный поток, должна быть признана первой во всем мире.
О работе с этой трубой, или, как ее называл Циолковский, «воздуходувкой», изобретатель сообщает следующее:
