Расчет аэроплана

РАСЧЕТ АЭРОПЛАНА

В 1894 г. в журнале «Наука и жизнь» К.Э. Циолковский опубликовал статью «Аэроплан или птицеподобная (авиационная) летательная машина», более точный вариант которой был опубликован им в следующем году в виде отдельной брошюры [34]. В этих работах он привел методику расчета и проект аэроплана собственной конструкции. Эта его работа удостаивается самых высоких похвал, сопрягающихся со словами: «гениальная», «выдающаяся», «талантливая» и др., причем все это восхваление продолжается и поныне, несмотря на то, что в работе [14] было убедительно и довольно подробно показано, что его проект основывался на серьезных ошибках в расчете и на идеях, заимствованных у западных исследователей. Попытаемся еще раз рассмотреть этот вопрос и более подробно, чтобы исчерпать все возможности убеждения наших оппонентов.

Рис.4

Одна из ошибок К.Э. Циолковского состояла в том, что он использовал для расчета подъемной силы свою неверную формулу (9) и получил, что расчетная нагрузка на мощность двигателя составляет 4,5 кг/л.с., в то время как у других исследователей эта цифра достигала 28 кг/л.с. Он писал: «Я долго не верил... и все искал в своих формулах ошибок, но, к сожалению, не отыскал их». Другую его ошибку нашел его рецензент инженер В.М. Катышев. Суть ее состояла в следующем.

Из рис. 4, взятого из работы К.Э. Циолковского, следует, что F₁ = 2F cos i, а у него: F_i = 2F sin i, (коэффициент 2 учитывает два крыла). Кроме того, он вычислил работу в виде:

f₁V = T₁C_h

где:

V - горизонтальная скорость самолета,

C_h - к.п.д. винта,

T₁ - работа, затрачиваемая на преодоление силы притяжения Земли.

Это уравнение, как справедливо писал В.М. Катышев, «... представляет просто нелепость (выделено им), так как в нем работа представлена из «вертикальной слагающей F₁Pv и «горизонтальной скорости снаряда по направлению его длины».

К.Э. Циолковский в своем расчете попытался учесть также и влияние удлиненности крыла на величину подъемной силы, но из-за использования формулы (9) тоже допустил ошибку, посчитав, что «... продолговатость крыльев выгодно увеличивать только очень умеренно, раза в 2 - не более» [34]. В действительности, чем она будет больше, тем лучше.

Совершенно неожиданно на упомянутой выше годичной конференции ИИЕиТ РАН к.т.н. Д.А. Соболев заявил, что В.М. Калышев сам ошибся, не заметив, якобы, того обстоятельства, что К.Э. Циолковский написал эту свою формулу как проекцию баланса сил на горизонтальную ось. Однако замечание Катышева было совершенно справедливым, а проекцию сил на горизонтальную ось К.Э. Циолковский составил в разделе «Горизонтальная поступательная скорость аэроплана и энергия его моторов» [34, с.27].

Наши оппоненты (профессор, заслуженный деятель науки и техники А. Тарасенко, кандидаты техн. наук Д.А. Собслев, А. Демин, а также Т.Н. Желнина) продолжают настаивать на том, что К.Э. Циолковскому принадлежат приоритеты в высказывании ряда отдельных идей (соосные пропеллеры, использование на самолетах бензиновых двигателей, применение автопилота, убирающееся шасси), несмотря на то, что в работе [14] приведены весьма серьезные возражения. Поэтому мы попытаемся еще раз рассмотреть этот вопрос с детальным его анализом. Если для профессионалов вполне достаточно бывает ссылки на первоисточник для доказательства того или иного положения, то в данном случае придется цитировать исторического героя и подробно объяснять основания для правильной интерпретации его текстов.

Применение на самолетах соосных воздушных винтов

Для того, чтобы высказать идею пропеллеров, находящихся на одной оси и вращающихся в обратные стороны,. К.Э. Циолковский не только должен был бы прямо об этом сказать, но и предложить метод того, как это можно сделать практически. Вот, что писал сам К.Э. Циолковский: «Пусть наш снаряд имеет форму застывшей парящей птицы, но, вместо головы ее, вообразим два гребных винта, вращающихся в обратные стороны. Винты вращаются в разные стороны ради того, чтобы они не стремились поворачивать нашу искусственную птицу вокруг ее оси» [34, с.6]. Далее сделано замечание: «На модели Лянглея также имеется два винта» [34, с.6/». Отметим, что на модели Лэнгли (правильнее) действительно было предусмотрено два различных винта, расположенных по обе стороны фюзеляжа. По схеме рис.4 судить о том, как хотел расположить винты К.Э. Циолковский, невозможно, а на схеме в плане [34, с.18] они вообще не указаны. Далее он писал: «Мускулы животного мы заменим взрывчатыми петрольными двигателями» [34, с.6-7]. Заметим, что речь здесь идет о двигателях, а не о двигателе, что было бы логично в случае соосных винтов. Общие намерения К.Э. Циолковского особенно рельефно выступают из последующего описания. Он писал: «...В описанном виде, наш снаряд будет сильно напоминать устройство летающего жесткокрылого насекомого, напр., майского жука, или хруща.

Во время полета его жесткие наружные крылья распростерты и неподвижны, как и у нашего подобия птицы. Другие же тонкие, полупрозрачные крылья насекомого, своим маханием, поддерживают тягу и соответствуют махающим лопастям наших гребных винтов» [34, с.7], находящихся, добавим, по разные стороны от продольной оси аэроплана. Таким образом, о соосности он не сказал ни слова, а весь его текст убедительно свидетельствует о том, что он эту идею не только не высказывал, но даже и не думал о ней. Ее придумали ему неквалифицированные историки.

Использование на самолетах бензиновых двигателей

На основе приведенной выше фразы К.Э. Циолковского об установке на аэроплане «взрывчатых петрольных двигателей» некоторые историки приписали ему приоритет в идее использования на самолетах двигателей внутреннего сгорания. Эта идея, однако, была впервые высказана в 1 878 г. А. Ф. Можайским и относилась к разряду само собой разумеющихся. Искать здесь чей-то приоритет - это означает вульгаризировать историю. Тем не менее, несмотря на убедительность этого нашего суждения, приведенного в работе [14], по-прежнему предпринимаются попытки оставить этот приоритет за К.Э. Циолковским, причем без какой-либо аргументации вообще. Поэтому приведем свидетельства самого А .Ф. Можайского: «Машину для вращения винта я предлагаю поставить системы Брайтона (углеводородную) нефтяную. Машина этой системы не имеет котла и потребляет нефть» [35, л. 1 75]. На ее описании мы здесь останавливаться не будем - соответствующая информация о ней, а также о том большом внимании, которое уделяли ее развитию заинтересованные организации, содержится в известной работе [43, с.206].

Установка на самолетах автопилота

Сам К.Э. Циолковский указал на то обстоятельство, что автопилоты пытаются использовать на пароходах, а перенос идеи из одной области техники в другую в той же функции не является предметом приоритета. Кроме того, эта идея была высказана позже X. Максимом, а это означает, что она могла быть известной на Западе, да и у нас в России, задолго до публикации К.Э. Циолковского. Никто этот вопрос не изучал, и приписывать здесь приоритет кому-нибудь пока преждевременно.

Применение убирающегося шасси

К.Э. Циолковский писал, что: «Мы видим еще колеса, выдвигающиеся внизу корпуса». Именно на основе этой фразы ему и был приписан приоритет в этой идее. Однако позже, в 1927 г., он писал: «... чуть выдающиеся из корпуса колеса (еще не осуществлено, но шасси делается все ниже и ниже)».

Таким образом, он не высказал идею убирающегося шасси. Под словами «выдвигающиеся колеса» он понимал «выступающие колеса».

Кроме того, К.Э. Циолковскому приписывают также и приоритет в установлении зависимости между мощностью двигателя, лобовым сопротивлением и подъемной силой.

Н.Я. Фабрикант, например, писал, что: «... Циолковский ... устанавливает, что потребная мощность двигателей пропорциональна коэффициенту лобового сопротивления и обратно пропорциональна коэффициенту подъемной силы в степени с показателем 3/2; в настоящее время соответствующая формула приводится во всех учебниках по аэродинамическому расчету».

Однако его формула имела такой вид:

где:

T - работа в единицу времени,

P - подъемная сила крыльев,

S - площадь крыла.

Она была не нова и отличалась незначительно величиной числового множителя от формул Вельнера, Лилиенталя и Ренара, известных ранее.

А.А. Космодемьянский утверждал, что К.Э. Циолковскому принадлежит авторство в утверждении о том, что «давление на крылья встречного потока воздуха пропорционально синусу угла отклонения их от направления воздушного потока».

Однако это недоразумение, поскольку сам К.Э. Циолковский писал о том, что этот закон был открыт до него и многократно подтвержден эмпирически Дачмином (1842 г.), Лилиенталем (1889 г.), Марэем (1890 г.) и выведен теоретически лордом Райлеем (1876 г.).

Непонятной представляется идея К.Э. Циолковского об уменьшении плотности материалов крыльев. «Незначительное изменение плотности, - писал он, - кончено, не хитрость, но нелегко разрядить вещество в 100 - 1000 раз». И далее он отмечал, что средняя плотность крыльев должна уменьшаться пропорционально весу снаряда и в пределе они могут превратиться «в комообразные плохо действующие и невозможные на практике массы».

Несмотря на то, что эта его идея устойчиво и активно обсуждается в цитируемой работе, К.Э. Циолковский не раскрыл технологию этого разряжения. Поэтому идею эту целесообразно отнести к области научной фантастики.

Таким образом, К.Э. Циолковскому не принадлежит ни один приоритет в самолетостроении из числа тех, какие ему приписывали. Проект его самолета был умозрительным, не согласующимся с данными науки, поскольку основывался на ошибочном расчете.

К.Э. Циолковский до конца своей жизни считал самолеты не конкурентоспособными по сравнению с дирижаблями:

«Итак, про отношение аэростата к аэроплану... можем сказать так: во сто раз больше пассажиров и во сто раз меньшая энергия двигателей; во сто раз большая возможность исполнения и во 100 раз меньшие расходы на путешествие».

В другой своей работе он писал, что «... будущее в воздухоплавании принадлежит аэростатам, а потом уже аэропланам, что газовые воздушные корабли в 100 раз выгоднее и осуществимее птицеподобных летательных аппаратов».

Следует подчеркнуть, что впервые суждения об этих приоритетах К.Э. Циолковского были представлены в его «Собрании сочинений» в сопутствующих статьях и комментариях, и далее начали переходить без проверок из одной работы в другую. Поражает та настойчивость, с которой некоторые из тех, кто считает себя историками авиации, продолжают отстаивать эти ошибочные суждения. Например, к.т.н. Д.А. Соболев несмотря на все необходимые разъяснения, представленные в [14], в пятый раз (!) представил на этот раз на годичной конференции ИИЕиТ РАН свои утверждения подобного рода, причем без каких-либо аргументов. Видимо, у него имеются проблемы с историческим и техническим образованием.

Далее...