Как работал К. Э. Циолковский над проблемой создания дирижабля

Доклад сделан на Первых Чтениях, посвященных разработке научного наследия и развитию идей К.Э. Циолковского (Калуга, 17 – 18 сентября 1966 г.).

Опубликован: Я.А. Рапопорт. Как работал К.Э. Циолковский над проблемой создания дирижаблей//Труды Первых Чтений, посвященных разработке научного наследия и развитию идей К.Э. Циолковского. – М.: 1967. – С.136 – 143.

Проблемой дирижабля как средства воздушного транспорта К. Циолковский занимался всю свою сознательную жизнь.

Еще юношей, приехав в Москву для пополнения своего образования, он из учебника физики узнал о подъемной силе нагретого воздуха и первых аэростатах. Тогда же у него возникла мысль о постройке аэростата в форме корабля удлиненной формы, наполненного водородом.

17 сентября 1966 г. исполнилось ровно 80 лет со дня написания Циолковским рукописи «Теория и опыт аэростата, имеющего в горизонтальном направлении удлиненную форму», к составлению которой он приступил летом 1885 г. и закончил которую 5 сентября 1886 г. по старому стилю (17-го по новому). Этот труд положил начало его работам в области дирижаблей.

В этой работе К.Э. Циолковский рассматривает поставленную задачу с разных сторон. В начале труда им изложены основные положения воздухоплавательной аэрологии и аэростатики. В частности, автор обращает особое внимание на важность влияния температуры газа и воздуха на подъемную силу аэростата. Обычно этому вопросу не уделялось достаточного внимания, что было причиной ряда катастроф. Затем рассматриваются различные вопросы, касающиеся корпуса удлиненного аэростата: даются формулы по расчету размеров поверхности, площади поперечного сечения и т. д., излагается экспериментальное и аналитическое исследование форм поперечного сечения и натяжения оболочек аэростата.

Здесь же Циолковским была предложена нитяная модель формы поперечного сечения цилиндрического аэростата, позволяющая одновременно воспроизводить как избыточное давление газа, так и вес оболочки. С ее помощью были исследованы формы поперечного сечения при подвеске грузов к нижнему меридиану, к верхнему меридиану оболочки и при различной длине внутренней подвески. Спустя много лет подобные исследования, независимо от Циолковского, повторили в Англии и Италии. Приехавший в Советский Союз в 1930 г. итальянский конструктор Нобиле привез с собой подобную нитяную модель. Но в ней, как и в английских моделях, вес оболочки еще не воспроизводился.

В этой работе Циолковским была подробно изложена также теория продольной устойчивости аэростата и исследованы способы ее достижения (метод вертикального стягивания оболочки и, в том числе, естественного стягивания оболочек весом ладьи).

Отдавая дань времени, Циолковский в начале упомянутого труда еще не рассматривал оболочку как несущую конструкцию корабля. Большое место в своей работе он уделил разработке и исследованию конструкции и прочности проволочной сетки.

Сравнивая возможности электрических, «калорических», газовых и паровых двигателей, Циолковский отдает предпочтение последним, хотя и указывает на возможность перейти впоследствии к двигателям внутреннего сгорания. Далее он излагает элементы теории гребного винта, после чего рассматривает вертикальное управление кораблем. Рассматривается вопрос компенсации расхода твердого или жидкого горючего охлаждением предварительно нагретого газа, а также компенсации расхода газа его нагреванием.

Предложенная Циолковским идея крепления грузов к верхней части оболочки посредством внутренней подвески (см. «Теория аэростата») пробивала себе путь более пятидесяти лет, и только к началу второй мировой войны все дирижабли стали сооружать с внутренней подвеской.

Весной 1887 г. Циолковский на заседании Общества любителей естествознания в Москве в Политехническом музее доложил свои соображения о металлическом управляемом аэростате. Доклад был встречен благожелательно. Циолковский наивно полагал, что как только станет известна теория металлического управляемого аэростата и выгода, предсказываемая этой теорией, найдутся люди, которые спроектируют, построят и начнут использовать дирижабль.

К его огорчению ничего подобного не последовало. Он понял, необходимо продолжать работу для обоснования последующих проектов,

В 1890 г. Циолковский закончил новый труд «О возможности построения металлического аэростата», и через Д.И. Менделеева послал его в Императорское Русское Техническое Общество. Вместе с рукописью он выслал и модель аэростата, складывающуюся в плоскость. Основное содержание рукописи — изложение теории металлической оболочки удлиненной формы, способной изменять форму поперечного сечения и свой объем. В этой работе Циолковский уже отказался от сетки, накинутой на оболочку. Оболочка рассматривалась как корпус корабля.

Это был один из первых трудов по теории оболочек вообще.

Небезынтересно привести заключение VII отдела Императорского Русского Технического Общества, не оспаривающего правильности теоретических выкладок Циолковского, но заявившего устами его председателя Федорова: «Аэростат обречен навеки силою вещей остаться игрушкой ветров».

Получив такое заключение, Циолковский с новой силой продолжает работу, уделяя много времени и сил теоретическим и экспериментальным аэродинамическим исследованиям. Он строит аэродинамическую трубу (самодельный вентилятор, который приводился во вращение силою падающего груза), собственноручно изготовляет большое количество аэродинамических моделей оболочки аэростата, а также крыльев различного, в том числе и толстого, профиля, и получает ряд важных сведений о лобовом сопротивлении эти тел и подъемной силе крыла, открывает закон, касающийся трения воздуха.

Результаты исследований изложены в новом труде ученого «Аэростат металлический управляемый» (выпуск первый, 1892 г., выпуск второй, 1893 г.). В частности, в этой работе дается более подробный и точный расчет формы поперечного сечения оболочки, а также описывается новый — гидростатический метод исследования формы оболочки с помощью наполненных воздухом гибких моделей, погруженных в аквариум.

В следующий период своей работы над дирижаблем Циолковский, продолжая аэродинамические исследования, стал строить многочисленные модели оболочек, сначала из бумаги, а затем из жести. Одно событие предопределило дальнейшее направление в развитии схемы его дирижабля. Константин Эдуардович должен был заменить заболевшего учителя географии. В училище не оказалось глобуса, и Константин Эдуардович у себя дома изготовил глобус из папье-маше. Разрезав пополам бумажную заготовку глобуса, покрывавшую предварительно выточенную им шарообразную деревянную болванку, он заметил, что половинки свернулись и приняли веретеновидную форму.

Обнаруженный им таким образом закон изгибаемости выпуклых поверхностей и сворачиваемости поверхностей вращения убедил его в том, что стягивание металлической оболочки дирижабля не будет сопровождаться большими деформациями и не предъявит непосильных требований к растяжению ее гофрированных стенок. Это определило окончательный выбор внутренней подвески в силовой схеме, их крепления к оболочке и стягивания оболочки как средства управления избыточным давлением газа без воздушных баллонетов.

Константина Эдуардовича занимал вопрос и о стабилизаторах для дирижаблей. Он обратил внимание на то, что в оперении птиц, рыб и морских зверей стабилизаторов нет и высказывался в том смысле, что «мертвый» стабилизатор менее выгоден для обеспечения устойчивости корабля в полете, чем чуткое реагирование рулей. Лодки, которые он строил, не имели киля, были очень «вертки», но навык управления ими приобретался быстро. Лодки не рыскали и, по словам Константина Эдуардовича, были в свое время самыми быстроходными на Оке (об эпизоде с глобусом и лодками рассказывал мне сам Константин Эдуардович).

В журнале «Воздухоплавание» с 1905 по 1908 год печатался труд Циолковского «Аэростат и аэроплан», явивший продолжением и углублением неопубликованной работы «Теория и опыт аэростата». Расчеты деформации оболочки и расчеты гофра были даны в этой монографии в развернутом и обобщенном виде. С рядом дополнений были приведены сведения и расчеты, изложенные ранее в работе «Аэростат металлический управляемый», касающиеся деформации оболочки и т.д. Публикация труда не была закончена. Последние главы — «Движение аэростата» и «Нагревание легкого газа» были опубликованы только в третьем томе Собрания сочинений ученого, изданном в 1959 г.

Циолковский не был замкнутым ученым, он был также энергичным популяризатором своих идей. В опубликованных статьях он обращался к массовому читателю, стараясь при этом избегать, по возможности, применения сложных математических формул. В таком духе было им написано «Простое учение о воздушном корабле и его построении». Здесь дано популярное изложение основ аэростатики, описание дирижабля из волнистого металла объемом около 75 тысяч кубических метров с внутренней подвеской и естественным стягиванием оболочки (первое издание 1898 г., второе — 1904 г.).

Учитывая трудность сооружения волнистой оболочки дирижабля, Циолковский предполагал осуществить постройку промежуточной конструкции оболочки из гладких листов, плотно соединенных между собой матерчатыми лентами. Единомышленники Циолковского посоветовали ему взять патенты на изобретение дирижабля. Но оказалось, что предварительная публикация работ о дирижабле из волнистого металла лишила изобретателя авторских прав, поэтому в ряде стран были получены патенты только на дирижабль из гладких листов.

Идея плотного соединения непроницаемых стенок мягкими лентами не пропала даром. В начале пятидесятых годов в Америке и Западной Европе были внедрены способы построения водонепроницаемых сооружений (резервуары, плотины) из блоков, подвижно либо неподвижно соединенных мягкими лентами той конфигурации, которая была описана в патентах Циолковского (1911 г.).

Кроме жестяных моделей оболочек, способных изменять свой объем, Циолковский изготовлял и испытывал также модели бумажные. Особый интерес представляли оболочки с боковинами из гофрированной бумаги как оснащенные, так и не оснащенные прямыми поперечными полосками из более плотной бумаги.

Наблюдение за их «раздуванием» дало Циолковскому смелость заменить дугообразные волны в металлической оболочке прямолинейными, что соответствовало математической модели, принятой им ранее при расчете. Это изменение чрезвычайно упростило способ сборки боковин оболочки дирижабля из длинных продольно-гофрированных прямолинейных лент. Первый же опыт построения такой гофрированной оболочки из ламповой жести оказался весьма удачным. Он описан в иллюстрированной брошюре «Первая модель чисто металлического аэроната из волнистого железа», изданной автором в Калуге в 1913 г.

Одновременно с исследовательской работой Циолковский продолжал энергично заниматься пропагандой своего дирижабля и воздухоплавательного транспорта. Брошюра «Простейший проект металлического аэростата», изданная в 1914 г., дала общедоступное описание конструкции дирижабля и его свойств, а также способа вертикальной сборки дирижабля с прямолинейными волнами боковин.

В 1915 г. в брошюре «Дополнительные технические данные к построению металлической оболочки дирижабля без дорогой верфи» были кратко изложены результаты исследования с помощью гидростатических моделей процесса газонаполнения на плоской платформе металлической оболочки собранной на ней в плоском виде. Рисунки эти были повторены также в брошюре «Гондола металлического дирижабля и органы его управления». Здесь дана также схема горизонтальной верфи для постройки оболочки. Для увеличения жестких продольных полос (оснований оболочек) последние оснащены треугольными трубами из волнистого материала.

В дальнейшем Константин Эдуардович всегда придерживался только горизонтальной сборки оболочки дирижабля. Последующие эксперименты, проведенные им на моделях из нагартованной латуни, имели целью создание вполне упругой оболочки, и были успешно завершены в начале 1925 г.

Мое первое знакомство с Константином Эдуардовичем состоялось в декабре 1924 г. в пору окончания им работы по изготовлению латунной оболочки четырехметровой длины. Помню, он 10 с половиной часов, с небольшим перерывом на обед, излагал мне свое учение о дирижабле и сделал меня своим бессменным помощником в течение, как он писал мне позднее, «одиннадцатилетней ничем не омраченной дружбы».

С этого времени Константин Эдуардович ограничивался только кабинетной работой, опыты же согласно его планам и указаниям проводились в Москве.

В 1926 г. по чертежам и разработанной им технологической схеме была впервые изготовлена и собрана упругая латунная оболочка высотой два и длиной десять метров. Фотографии этой оболочки имеются в фондах Дома авиации и космонавтики. В это же время в план опытных работ Циолковского была внесена первоочередная задача изыскания промышленного способа прочноплотного соединения стальных листов. Для ее разрешения была предложена контактная роликовая электрическая сварка. В 1927 г. при содействии Электрозавода удалось получить прочные образцы сварных соединений нагартованной стали толщиной 0,15 мм. Продолжение опытов проводилось в Академии имени проф. Н.Е. Жуковского в 1928 г.

В 1930 г. Циолковским была опубликована работа «Проект металлического дирижабля на 40 человек», в которой описывался упрощенный проект дирижабля с оболочкой высотой 20 м и длиной 120 м. Ее полный объем — 23,6 тыс. куб. м. Конструкция сварная из нержавеющей стали, с боковинами толщиной 0,15 мм и продольными полосами толщиной 0,45 мм, со стягивающей системой и устройством для подогревания газа. В работе дан подробный статический расчет дирижабля.

В этом проекте мы видим ряд новшеств: весьма реальную разработку конструкции стягивающей системы и управления ею; размещение рулей в струе, отбрасываемой движителями, а также конструкцию гибких рулей. Заметим, что в самое последнее время стало известно об американских опытах постройки самолетов, крылья которых изгибаются так, что задние их кромки можно опускать и поднимать. Это весьма эффективное средство управления подъемной силой крыла. Помимо описательной и расчетной частей в проекте имеется глава «Порядок практических работ при построении металлического дирижабля», в которой дается программа постепенных работ, обеспечивающих создание дирижабля. Пятым пунктом этой программы записаны «машины — орудия для быстрого, точного, совершенного и дешевого изготовления деталей в естественную величину».

Тут, между прочим, сварочные, гофрировальные, прессовочные и прокатные машины разных размеров, назначений и устройств.

В 1932 г. Константин Эдуардович прислал мне для сведения экземпляр этого «Проекта» с поправками, смысл которых сводился к следующему: толщина оболочки и все линейные размеры были уменьшены на двадцать процентов, а объем — примерно вдвое. Толщина боковин — 0,12 мм, объем — 12 тыс. куб. м. Он оказался смелее нас, его учеников в КБ Циолковского при Дирижаблестрое, работавших позднее над проектом дирижабля объемом 8000 куб. м из стали толщиной 0,15 мм.

В конце 1930 г. было создано Всесоюзное объединение Гражданского Воздушного Флота — Аэрофлот, в системе которого удалось возобновить работы по созданию дирижаблей Циолковского. Летом 1931 г. небольшой группе работников Аэрофлота, составивших Бюро опытного дирижаблестроения, удалось построить первую сварную оболочку из стали толщиной 0,1 мм, имевшую в плоском подвешенном виде высоту 1 м и длину 7 м, правда, с отступлениями от разработанной Циолковским технологической схемы постройки оболочки.

Там же была создана и опробована новая сварочная машина для сборки металлических полотнищ неограниченного размера, удовлетворяющей техническим требованиям Циолковского. Позднее в Дирижаблестрое по этой схеме были спроектированы, построены и испытаны сварочные движущиеся роликовые машины. Одна из них в 1933 г. была использована для постройки, уже с точным соблюдением технологической схемы Циолковского, цельнометаллической оболочки из нержавеющей стали толщиной 0,15 и 0,45 мм. Там же, в КБ Циолковского при Дирижаблестрое, был создан ряд машин для обработки давлением стальной ленты в соответствии с пунктом пятым «программы». Одновременно с разработкой эскизных проектов дирижаблей объемом 3000 и 8000 куб. м шли работы по опробованию и наладке небольшого парка специальных машин. Они были использованы на изготовлении первой поднявшейся в воздух модели оболочки дирижабля, собранной к 15 сентября 1935 г. на горизонтальной платформе. Размеры этой оболочки в плане при сборке были соответственно 11 м и 44 м при высоте 0,36 м. При наполнении оболочка принимала форму веретена диаметром 7 м. Наполненная водородом, она поднимала 200 кг балласта. Оболочка была собрана из нержавеющей стали, боковины ее имели толщину 0,1 мм. Уже после смерти Циолковского она была подвергнута статическим испытаниям, проведенным по широкой программе.

До самых последних дней Циолковский продолжал пламенную пропаганду дирижаблей и вообще воздухоплавания. Начиная с 1910 г. он написал на эту тему около сорока брошюр и журнальных статей.

В кратком обзоре нет возможности изложить все новые идеи, содержавшиеся в них.

Умер Константин Эдуардович с мыслями о дирижаблях. Последние слова его известной предсмертной телеграммы в ЦК ВКП(б): «Уверен, знаю — советские дирижабли будут лучшими в мире».
И наш общий долг — осуществить этот замысел Циолковского на пользу нашей стране и трудящимся всего мира, подобно тому, как мы воплощаем в жизнь его идеи по освоению космоса.