Дирижабль

ДИРИЖАБЛЬ

Сущность идеи его дирижабля сводилась к следующему. Он записал подъемную силу дирижабля таким образом:

(10)

где:

U₀ - объем газа;

P - давление;

g - давление;

T - абсолютная температура, индексы в и г относятся к воздуху и газу, а 0 указывает на то, что параметры берутся при температуре 0°С идавлении 760 мм.рт.ст.;

Q_к и Q_гр- масса конструкции и груза

Из этой формулы следовало, что при увеличении барометрического давления, аэростат, вытесняя тот же объем, но более тяжелого воздуха, должен подняться и, наоборот, при его падении начать снижаться. Чтобы избежать этого, К.Э. Циолковский предложил делать дирижабль цельнометаллическим (широко известная в то время идея, попытки реализации которой предпринимались еще в середине XIX в. Делькуром и затем Джовисом) с изменяющимся объемом. При снижении атмосферного давления оболочка дирижабля должна раздвинуться под влиянием давления подъемного газа, а при его повышении, наоборот, сжаться. Конструктивно она для этого должна была иметь гофрированное устройство наподобие мехов гармошки.

Однако высота полета, как это следует из (10), будет изменяться еще и из-за колебания атмосферной температуры. Чтобы избежать этого, и, вообще, обеспечить управляемость дирижабля по высоте, К.Э. Циолковский предложил нагревать подъемный газ теплом выхлопных газов двигателей.

История его дирижабля подробно была рассмотрена в работе [14, с.60-70; 141-156], поэтому здесь остановимся на ней кратко. Как только этот проект стал в 1890 г. известным научному сообществу России, у него появились весьма серьезные оппоненты. Он дважды рассматривался на заседаниях воздухоплавательного отдела ИРТО, где его автору были сделаны весьма серьезные и конкретные замечания. По просьбе Н.Е. Жуковского в 1912 г. Общество содействия успехам опытных наук и их практических применений им. Я.С. Леденцова выделило средства на изготовление модели оболочки такого дирижабля и, проанализировав результаты этих работ, пришло к отрицательному заключению об их осуществимости. В 1914г. К.Э. Циолковский представил свой проект на III Всероссийском съезде воздухоплавания, где этот проект был не одобрен, причем его оппонентом выступил и Н.Е. Жуковский. К революции 1917г. сложилось общее убеждение в том, что этот проект чистая фантазия, а самого его автора в печати назвали «лжеученым и псевдоизобретателем».

Вместе с тем, кажущаяся простота его идеи привлекла к ней внимание большого количества всевозможных любителей авиации и воздухоплавания, которые начали поддерживать К.Э. Циолковского. На средства одного из таких любителей были приобретены патенты на металлическую оболочку дирижабля во многих странах мира, но поскольку ими никто не заинтересовался, а с течением времени за них нужно было платить все возрастающую пошлину, К.Э. Циолковский потерял на них право.

Несмотря на то, что в работе [14] история с этими патентами была довольно подробно рассмотрена, в «Известиях» опять появился материал о, якобы, каких-то выдающихся засекреченных его патентах [36].

После социалистической революции, когда его оппоненты либо перешли в разряд не вызывающих доверия у советской власти буржуазных специалистов, как Н.Е. Жуковский и И.В. Мещерский, либо погибли на фронтах гражданской, либо оказались в эмиграции, ему удалось вызвать интерес к своему дирижаблю военных ведомств. К сожалению, появилось довольно большое количество работ [9, 10, 24, 27], авторы которых, видимо, не имели возможности познакомиться с нашей книгой [14], а потому провозглашают, что К.Э. Циолковский, был убежденным пацифистом, поскольку в 1905 г. утверждал, что: «Я никогда не работал над военным применением своих научных открытий, Это противно моему духу». История его «заигрываний» с военными довольно подробно представлена в работе [14, с. 141-146], поэтому здесь отметим еще раз, что именно благодаря военным он получил персональную пенсию, которая буквально перевернула всю его жизнь. Кроме военных его поддерживали Союз самоучек, Калужское общество любителей природы местного края, некоторые журналисты, летчики и другие лица и организации, не являвшиеся специалистами по проектированию летательных аппаратов. Используя свой статус крупного ученого, которого поддерживает правительство, К.Э.Циолковский добился в начале 30-х гг. в Дирижаблестрое развертывания работ по практической реализации своего проекта. Однако все они закончились неудачей, как и предсказывали специалисты того времени. Но может быть, они ошиблись, не поняв великих идей «основоположника основных направлений дирижаблестроения», как называют его некоторые современные специалисты в «Трудах Чтений К.Э. Циолковского»? Прежде всего, отметим, что сейчас стало аксиомой положение о том, что цельнометаллического дирижабля с использованием водорода в качестве подъемного газа не будет никогда. Как показали более поздние опыты, у тонких оболочек из металла существуют скрытые микротрещины, приводящие к утечке подъемного газа и создающие угрозу появления гремучего газа, грозящего взрывом. Автор в целом неодобрительной рецензии на работу [15], давая общую характеристику проекту дирижабля К.Э. Циолковского, в частности, писал: «Цельнометаллический дирижабль, которым Циолковский занимался 40 лет, к сожалению, принес много разочарований самому изобретателю и нам. Нерациональные разработки сама жизнь сдает в архив»/40, с.22].

На этом можно было бы и ограничить рассмотрение этого проекта, если бы одновременно не раздавались голоса в его защиту. Прежде всего, заметим, что одно дело, когда оценивается весь проект в целом как техническая система, и другое дело - его оценка с точки зрения отдельных, предложенных в нем идей. С первой точки зрения проект К.Э. Циолковского был попросту научно - фантастическим, с чем, видимо, никто уже и не дискутирует. Тут следует только подчеркнуть, что главное противоречие здесь состояло в том, что К.Э. Циолковский, вопреки мнению Н.Е.Ж уковского, ЦАГИ во главе с С.А. Чаплыгиным и других ведущих организаций и специалистов, добился практической реализации своего научно-фантастического проекта, что привело к неоправданной затрате средств и усилий.

Оценивая его со второй точки зрения, следует остановиться на отдельных его идеях, которые ныне ему приписывают. Прежде всего, это идея подогрева подъемного газа дирижабля теплом выхлопных газов двигателей. В отзыве Комиссии К.Э. Циолковского в связи с этим отмечалось: «Главное внимание в своей работе Г.М. Салахутдинов уделяет развенчанию идеи К.Э. Циолковского о подогреве несущего газа, поскольку ... считает ее центральной. Во-первых, он хочет лишить К.Э. Циолковского приоритета, ...а во-вторых, ...пытается доказать неосуществимость этой идеи… объявляя его расчеты непрофессиональными». Далее в расчете автора этих строк была показана мелкая ошибка, которая, однако, не затронула основания выводов.

Эта идея действительно является центральной в рассматриваемом проекте, поскольку без ее реализации этот дирижабль летать не мог. Это объясняется тем, видимо, не замеченным до сих пор историками обстоятельством, что этот дирижабль должен был быть по замыслу его автора тяжелее воздуха так, чтобы после снятия с него людей и грузов он - по словам К.Э. Циолковского - не устремлялся в облака. С учетом принятого его конструктором предположения о том, что на пассажиров и грузы будет приходиться 20% полной массы дирижабля, подъемный газ его следует нагревать примерно, как показали наши расчеты, на 80°С. По расчетам самого конструктора, тепла хватало только для нагрева на 26°С, что было совершенно недостаточно - дирижабль был неработоспособным. Но и эта его цифра была ошибочной: он в своем расчете не учел интенсивный теплообмен между оболочкой дирижабля и набегающим потоком воздуха при его движении в атмосфере. Учет этого обстоятельства уменьшает цифру возможного нагрева до 5°С, да и то, только по расчету - на практике ситуация будет еще хуже.

Кроме того, не принадлежит ему приоритет и в самой этой идее, о чем он, в частности, и сам писал: «Способ подогрева газа внутри аэростата предложен сравнительно недавно Патриджем» [41,с.100]. В этой же работе он отметил, что «... многие предлагали нагревать водород (т.е. подъемный газ - Г.С.). Так Жобер думал нагревать внутренность Шарльера» (аэростаты с воздухом в качестве подъемного газа назывались Монгольфьерами, а с водородом - Шарльерами - Г.С.) ...посредством Солнца, поворачивая к нему шар (т.е. дирижабль) то светлой, то темной его половиной. Петридж (так у К.Э.Циолковского - Г.С.) - с помощью змеевика, расположенного у нижнего отверстия шара и нагреваемого паром» (т.е. рабочим телом парового двигателя - Г.С.) [41 ,с. 100].

Следует отметить, что специалисты того времени неоднократно делали К.Э. Циолковскому замечания о теоретической не проработанности этой идеи и, если бы в то время были проведены корректные расчеты, то они убедительно показали бы на невозможность осуществления основной концепции этого дирижабля. Некоторые авторы пытаются противопоставить этому нашему утверждению то обстоятельство, что тепла хватает для двустенных конструкций оболочек. Однако этот историко-технический вопрос решается совсем просто. Итак, метод подогрева был известен до К.Э. Циолковского, и приоритет в высказывании его идеи ему не принадлежит. Идея же предлагаемого им устройства оказалась несостоятельной, и другие исследователи нашли приемлемую идею такого устройства и его конструкцию. Им - то и принадлежит авторство в их разработке, тем более, что концепция и конструкция двустенных оболочек имеет серьезные отличия от предложенной К.Э. Циолковским.

Вторая из основных идей его дирижабля состояла в создании оболочки, способной изменять свой объем. С ней был ознакомлен Д.И. Менделеев, который отметил, что он и сам думал о таких оболочках, но нашел их ненадежными и непрактичными. Именно так их и характеризовали специалисты того времени, неизменно добавляя к этому, что технологически сложно создать даже обычные оболочки, а создание их с изменяемым объемом практически невозможно. Именно это и показала практика: создать в Дирижаблестрое даже гладкие оболочки сравнительно небольшого размера так и не удалось. Однако в 1933 г. стали известны опыты Никурадзе, которые показали, что гофрированные оболочки (вообще - шероховатость) значительно увеличивают аэродинамическое сопротивление. По некоторым расчетам для дирижаблей К.Э. Циолковского оно могло увеличиться от 2,3 раза до 16 раз, что вызывало резкое уменьшение скорости в пределах 1,5 -4 раза [14, с.154]. Кроме того, как показано в работе [14], многие современные авторы отмечают, что его раздвижной дирижабль имел еще ряд серьезных проблем. Гофрированная оболочка вызывала серьезные прочностные проблемы вплоть до того, что при больших моделях гофры оболочки оснований теряли устойчивость. Стягивание оснований оболочки при изменении высоты полета всего на 1 км оказывалось столь большим, что могло быть опасным для ее прочности. Это стягивание, кроме того, приводило, в конечном счете, к ухудшению продольного управления движением. Расчеты также показали, что отношение массы топлива и экипажа к полной массе дирижабля у этого аппарата было вдвое хуже, чем у летавших в то время моделей [14,с,155]. Таким образом, и эта идея К.Э. Циолковского не была им научно обоснованной, не соответствовала технологическим возможностям и научным основаниям того времени.

О проблеме цельнометаллических дирижаблей уже говорилось выше - они бесперспективны.

Некоторые оппоненты пытаются указать на более мелкие, частные идеи К.Э. Циолковского, которые даже при их состоятельности переводят его в ранг мелкого изобретателя, при условии если не состоятелен этот его грандиозный проект в целом. Однако и среди этих его идей почти нет ничего интересного, поскольку анализом его творчества занимались не историки техники, а специалисты технических наук, не разбирающиеся в истории авиации. Ему, в частности, приписывают идею использования двигателей на водороде. Однако эта идея принадлежит А. Винклеру, и была рассмотрена на заседании воздухоплавательного отдела ИРТО еще в 1881г. [43, с.480]. Кстати, он предложил идею пульсирующего ракетного двигателя, работающего на газообразных водороде и кислороде, которые получаются на борту аэроплана электролизом из воды. Это примечание предназначается, в частности, авторам письма из Звездного городка, которые утверждают, что ЖРД изобрел К.Э. Циолковский. Впрочем, ниже этот вопрос будет рассмотрен подробнее. Ошибочными являются и утверждения авторов некоторых отзывов о том, что он был первым, кто начал разрабатывать теорию оболочек, что он нашел способ плотного соединения непроницаемых стенок мягкими лентами (в действительности кусками ситца от старого белья - Г.С.) и т.д.

Проект дирижабля К.Э. Циолковского был попросту научно-фантастическим, и его никто и никогда не реализует в том виде, в котором его «заставил» делать своих современников его конструктор.

Представления К.Э. Циолковского по теплопередаче были ошибочны не только при расчетах теплового режима дирижабля, но и в других аспектах. Он считал, например, что «Ночью, при ясном небе, температура [подъемного] газа вообще ниже температуры окружающего воздуха, что зависит от охлаждения оболочки путем лучеиспускания». Однако это утверждение представляется нереалистичным, поскольку теплообмен в атмосфере осуществляется по другим законам и температура газа не может быть ниже температуры окружающей среды без дополнительного охлаждения.

Так же ошибочными были и его представления о возможности охлаждать камеры сгорания ЖРД размещением их в баке с жидким кислородом (т.е. «низкой температурой жидкого кислорода») или передачей тепла теплопроводностью от горячих мест двигателя к холодным (к срезу сопла) и пр.

В 1914 г. К.Э. Циолковский опубликовал свою работу «Второе начало термодинамики», в которой сделал попытку опровергнуть этот закон. Анализ, однако, показал, что он Р. Клаузиуса даже не читал и начал это опровержение, не зная установленных для этого закона границ.

Еще И. Ньютон высказал идею о том, что космические частицы притягиваются к некоторому общему центру. Г. Гельмгольц добавил, что при таком притяжении в газе будет выделяться тепло из-за его, газа, сжатия. Он считал, что в этом и состоит природа солнечной энергии. Вот эту-то идею К.Э. Циолковский и противопоставил второму закону термодинамики, зафиксировав тот факт, что в отмеченном процессе холодные молекулы отдают свое тепло горячему ядру. Однако Р. Клаузиус сразу подчеркнул, что такой переход невозможен «сам собой», «без компенсации». Не читавший его работу К.Э. Циолковский, не знал об этих дополнительных разъяснениях автора этого закона и попытался опровергнуть его за границами условий его действия (т.е. при существовании компенсации в виде силы притяжения).

На основе своих термодинамических представлений он предлагал идею такой машины:

«Вообразим себе, - писал он, - в вертикальной плоскости замкнутую трубу, изогнутую в прямоугольник. Она наполнена водородом и стоит в атмосфере какой-либо планеты (или на Земле - в воздухе). Горизонтальные части этой металлической трубы пусть ничем не будут прикрыты, так что они будут иметь температуру воздуха (например, снизу 4-20° и сверху -30°). Вертикальные же колена ее пусть закрыты непроводящими тепло веществами (пух). Верхнее колено трубки охладится (-30°С) воздухом, нижнее нагреется (+20°С). Температура отвесных боковых частей может быть вначале и одинакова и различна. Если одинакова, то надо дать столбу водорода в трубке толчок в ту или другую сторону. Если, например, верхний холодный газ толкнем вправо, то холодный водород потечет по замкнутой трубе в правое отвесное колено. В нем, через некоторое время, температура установится, близкая к 30° холода. Напротив, в левой отвесной части, температура будет близка к 20° тепла. Верхнее горизонтальное колено, наполняясь теплым газом (20°), будет непрерывно выделять свою теплоту в верхнюю холодную атмосферы и охлаждаться до -30°С. Этой теплотой мы можем воспользоваться для получения работы. В результате правое колено будет иметь всегда температуру на 50°С более низкую, чем левое. Отсюда непрерывное движение газа в трубе и непрерывное выделение механической работы».

Однако эта картина далека от реалистичной и этот «перпетуум-мобиле» работать не будет. В установившемся режиме без воздействия дополнительных сил температуры в правом и в левом колене будут равны. Для движения газа требуются затраты работы.

В 1911 г. К.Э. Циолковский высказал идею замкнутого цикла жизнеобеспечения на борту космического корабля. Он писал: «Как на земной поверхности совершается нескончаемый механический и химический круговорот вещества, так и в нашем маленьком мирке (т.е. на борту космического корабля - Г.С.) он может совершаться». И далее: «Как земная атмосфера очищается растениями при помощи Солнца, так может возобновляться и наша искусственная атмосфера. Как на Земле растения своими листьями и корнями поглощают нечистоты и дают взамен пищу, так могут непрерывно работать для нас и захваченные нами в путешествие растения».

Однако создать такую систему не представляется возможным, поскольку это прямо противоречит второму закону термодинамики. Такая система не может работать бесконечно долго в автономном режиме, без пополнения запасов жизнеобеспечения. К сожалению, это обстоятельство не замечают многие современные авторы: предлагаются идеи автономных космических поселений как на станциях, так и на «мертвых» планетах и астероидах.

Противоречит этому закону и такое его суждение:

«Представим себе, - писал он, - совершенно изолированное особенное животное. В него не проникают ни газы, ни жидкости, ни другие вещества. Из него также они не могут удалиться. Животное пронизывается только лучами света. Встречая тут хлорофилл, растворенный в крови углекислый газ и другие продукты распада тканей животного, они разлагают их, соединяют и в результате дают: кислород, крахмал, сахар, разные азотистые и другие питательные материалы.

Таким образом, наше животное получает все необходимое для жизни... Этот круговорот совершается вечно...»/42, с.183].

К сожалению, и этот «перпетуум-мобиле» работать не будет, поскольку с каждым циклом продуктов отброса будет оставаться все меньше в связи с необходимостью обеспечивать процесс жизнедеятельности, и солнечным лучам вскоре нечего будет преобразовывать.

К.Э. Циолковский не разбирался в вопросах теплопередачи и термодинамики. Ему не удалось опровергнуть, как он утверждал, второй закон термодинамики. Кроме того, он его попросту не понимал, допуская ошибки со стопроцентной вероятностью во всех случаях, когда требовалось его применить.

Далее...