Из истории техники

Первые реактивные самолеты поднялись в воздух около 50 лет тому назад. Однако идея самолета с реактивным двигателем насчитывает более полутора веков. Истории ее зарождения и анализу первых проектов реактивных самолетов и посвящена настоящая статья.

В XIX в. основным препятствием на пути развития авиации было отсутствие легких механических двигателей. Паровая машина, единственный освоенный тогда тип энергетической установки, весила десятки килограммов на I л.с. мощности. Поэтому некоторые изобретатели обратились к идее применения на самолете двигателя прямой реакции. Значительная тяга, отсутствие пропеллера, простота конструкции - все это делало реактивный двигатель, как казалось, идеальным типом авиационной силовой установки.

Первые предложения использовать реактивный двигатель на транспорте возникли еще в XV-XVIII вв. (таблица). Таким образом, появление проектов реактивных самолетов явилось логическим продолжением работ по применению двигателей прямой реакции в технике.

Вопрос о приоритете в разработке идеи реактивного самолета в работах по истории авиационной и ракетной техники освещается по-разному. Некоторые исследователи считают, что впервые предложение использовать реактивный двигатель на самолете было высказано английским изобретателем Ч. Голайтли в 1841 г. [I, с. 172; 2, с. 86 и др.]; другие начинают изложение истории реактивных самолетов с проекта анонимного немецкого изобретателя (1847 г.) [3, с. 229-230; 4, с. 163; 5, с. 57]. Нельзя, однако, согласиться ни с одним нз этих утверждений, так как в действительности указанные проекты не были проектами самолетов.

Так как описания патента не обнаружено, единственным источником сведений о проекте Ч. Голайтли является карикатура на предложенный им летательный аппарат (рис. I). Как видно из рисунка, изобретенное устройство не имеет крыла и, следовательно, относится к классу ракет, а не самолетов.

Проект летательного аппарата, разработанный в Германии в 1847 г. (рис 2), который некоторые историки авиации ошибочно считают проектом самолета с реактивным двигателем, в действительности является проектом орнитоптера, причем не с реактивным, а с поршневым двигателем. Поршень, перемещаемый газами от взрывов зарядов нитроглицерина, с помощью троса и системы блоков должен был передавать движение крыльям [6].

Первые проекты реактивных самолетов были разработаны в 60-е годы XIX в. Необходимо отметить, что им предшествовали предложения об использовании реактивного двигателя на моделях самолета. Этот важный момент в развитии идеи реактивного полета до настоящего времени не рассматривался.

Мысль о возможности создания летающей модели реактивного самолета впервые была высказана в 1835 г. в работах Г. Ребенштейна [7] и Ф. Маттиса [8].

Ребенштейн, рассматривая возможность создания самолета, отмечал: «При опыте в малом виде (на модели. - Д. С.) не требуется никакого особенного снаряда для отталкивательной силы. Нужно только заключить в сжатом пространстве угольную кислоту, обладающую при обыкновенной температуре 40 или 44 атмосферами упругости и выпускаемую из отверстия, которое можно произвольно уменьшать или увеличивать» (Цит. по русск. пер. [7, с. 35]).

В работе Маттиса в качестве источника реактивной силы предлагалась пороховая ракета. Изобретатель указывал на возможность применения такого двигателя для полета воздушного змея, а также упоминал о возможности создания на этом принципе пилотируемого летательного аппарата [8, с. 14- 15].

Преимуществом реактивных двигателей на сжатом газе или порохе была их простота. В ряде случаев они применялись при опытах с летающими моделями¹. Однако продолжительность работы таких источников тяги составляла всего несколько секунд, и их использование на самолете не имело смысла. Поэтому в проектах реактивных апларатов, предназначенных для полета человека, обычно предусматривалось применение более сложных силовых установок, в которых расход сжатого газа или пара пополнялся бы специальным генератором рабочего тела.

¹ Модели таких самолетов в XIX в. строили П. Маффиотти (Испания, 1858 г. [9, с. 146-148]); Э. Форланини (Италия, 1885 г. [9, с. 218]), А. В. Эвальд (Россия, 1886- 1887 гг. (К), с. 220]. Немецкий экспериментатор И. Гофманн в 1897 г. демонстрировал полеты реактивной модели, в качестве источника тяги которой использовался баллон со сжатой углекислотой (II, с. 64 -65]).

Первый проект самолета с реактивным двигателем был создан в 1865 г. французским инженером Ш. де Луврие. В описании этого проекта, которое появилось в печати в 1867 г., говорилось: «Длина каждой стороны змея (крыла. - Д. С.) должна составлять 10 м. Он будет иметь металлическое покрытие, натянутое на раму из бамбука или труб из листового железа... Гондолу, имеющую форму ялика, предполагается выполнить из очень тонкой меди. Она будет иметь 7 м в длину, миделевое сечение составит 1/4 м². Человек должен располагаться в центре, в лежачем положении. На концах гондолы будут размещены склады жидкого горючего; сзади крепится руль. Гондола связана со змеем двумя прочными стойками и системой проволочных вант, посредством которых должен регулироваться наклон плоскости. Гондола будет установлена на двух парах колес, на которых она должна катиться при взлете и приземлении. На двух брусьях между гондолой и змеем будут прикреплены, параллельно оси гондолы, два маленьких генератора (двигателя. - Д. С.) цилиндроконической формы из листовой стали 2 мм толщиной, имеющие длину 3 м 40 см и диаметр 0,28 м» [12].

Как следует из описания и чертежа (рис. 3), «Аэронав» (так изобретатель назвал самолет) должен был представлять собой моноплан схемы «бесхвостка» с крылом ромбовидной формы. Нужное направление полета предполагалось обеспечивать с помощью вертикального руля, управление высотой - изменением наклона крыла. Топливо в двигатели подавалось с помощью насоса. Расчетная скорость полета составляла 220 км/ч, масса конструкции -150 кг, масса аппарата при взлете - 600 кг. Принцип работы двигателя заключался в следующем. Смесь керосина или бензина с воздухом воспламенялась электрической искрой. При воспламенении горючей смеси клапаны прерывали подачу топлива и воздуха. Газы вылетали через сопло [13].

Рис. 1. Карикатура на проект летательного аппарата Ч. Голайтли.



Рис. 2. Проект летательного аппарата неизвестного немецкого изобретателя, 1847 г.

Проект Ш. де Луврие рассматривался во Французской академии наук, где не встретил поддержки. Отсутствие финансовой помощи не позволило изобретателю реализовать свой замысел; был построен только двигатель [14]. Это был прототип воздушно-реактивного двигателя ². Что касается конструкции самого

² По современной терминологии, двигатель, разработанный Луврие, относится к классу пульсирующих воздушно-реактивных.

Рис. 3. Проект самолета Ш. де Луврие.



Рис. 4. Проект самолета Н. А. Телешова.

самолета, то она была весьма несовершенна. Размещение двигателя и крыла отдельно от фюзеляжа не позволяло обеспечить жесткость конструкции, и вибрация, вызванная работой двигателя, быстро разрушила бы самолет. Луврие осознавал этот недостаток и, стремясь уменьшить пульсацию реактивной струи, предложил в 1868 г. разместить в потоке газов винт - прототип газовой турбины [15]. Не до конца были решены вопросы устойчивости и управляемости «Аэронава».

Более совершенный проект самолета с воздушно-реактивным двигателем был разработан в России в 1867 г. артиллерийским офицером Н. А. Телешовым. Самолет, названный изобретателем «Усовершенствованная система воздухоплавания»³ [16], должен был представлять собой моноплан с верхнерасположенным крылом треугольной формы (рис. 4). Угол стреловидности по передней кромке составлял 45°. Для уменьшения лобового сопротивления носовой части фюзеляжа и передней части крыла предполагалось придать заостренную форму.

³ В советской историко-технической литературе иногда его ошибочно называют «Дельта» (см., например [17, с. 11]).

Как и Луврие, Телешов планировал установить на самолете пульсирующий воздушно-реактивный двигатель на жидком топливе. Основным отличием двигателя Телешова было то, что пары топлива смешивались с воздухом еще до поступления в камеру сгорания. Для этого предусматривалось особое устройство - карбюратор. При взлете самолет должен был разбегаться на колесах по рельсам или стартовать со специальной отделяемой тележки.

В проекте «Усовершенствованной системы воздухоплавания» предлагалась рациональная компоновка скоростного реактивного самолета. Однако рассматриваемый проект слишком (более чем на три четверти века) обогнал свое время и, как следовало ожидать, так и остался на бумаге⁴.

⁴ Автор выражает благодарность В. С. Михайлову, предоставившему для изучения копию патента Н. А. Телешова.

Одновременно с проектом Н. А. Телешова в Англии был запатентован проект реактивного самолета конструкции Д. Батлера и Э. Эдвардса [18]. Самолет английских изобретателей также должен был иметь крыло треугольной формы, но стреловидность его по передней кромке была значительно больше - около 80°. Под крылом располагалась килевая поверхность и двигатель, для управления имелись рули высоты и направления. Для продольной балансировки был предусмотрен подвижный груз. Крыло имело поперечную V-образность. Горизонтальное оперение отсутствовало. При старте самолет должен был устанавливаться на тележку, скатывающуюся по наклонным рельсам. Для амортизации при посадке предусматривались пружины.

Самолет Батлера и Эдвардса, внешне напоминающий школьные «бумажные стрелы», должен был обладать хорошей устойчивостью в полете. Однако подъемная сила крыла столь малого удлинения была бы очень незначительна. Этот недостаток самолета понимали и его изобретатели, в связи с чем в патенте отмечалось, что для увеличения грузоподъемности можно установить несколько пар крыльев.

В отличие от рассмотренных выше проектов самолетов с воздушно-реактивным двигателем, Батлер и Эдвардс предполагали осуществлять движение в воздухе за счет реакции струи пара, выходящей под давлением из сопла в задней части самолета. Генератором пара должен был служить котел высокого давления. Недостатком предложенного типа реактивного двигателя была его чрезвычайная неэкономичность. Поэтому в патенте предусматривалась также возможность применения на самолете воздушного винта, вращаемого непосредственно реакцией пара или с помощью трансмиссии от обычной паровой машины. В последнем случае двойная матерчатая обшивка крыла должна была быть заменена на металлическую, внутри которой происходила бы конденсация пара.

Рассмотренные выше проекты, предложенные независимо в различных странах, появились почти одновременно - с 1865 по 1867 г. Ни ранее, ни позже (вплоть до 80-х годов XIX в.) разработка проектов реактивных самолетов не велась.

Это обстоятельство вызывает еще большее удивление, если учесть, что к моменту появления проектов реактивных самолетов в технике не было сделано каких-либо изобретений, позволяющих усовершенствовать двигатель прямой реакции. Более того, пороховые ракеты, неоднократно применявшиеся ранее в боевых действиях, к 60-м годам XIX столетия стали использоваться ограниченно и постепенно вытеснялись усовершенствованным ствольным оружием.

По нашему мнению, всплеск интереса к проблеме создания летательных аппаратов тяжелее воздуха, в том числе и реактивных, был вызван публикацией в 1863 г. «Манифеста динамического воздухоплавания» Ф. Надара [19], в котором содержался призыв отказаться от попыток усовершенствовать аэростат и сконцентрировать усилия на создании аппаратов тяжелее воздуха. Напечатанный большим тиражом, «Манифест» был разослан в научные и общественные организации многих стран, передан отдельным представителям науки, техники и промышленности. По данным Ж. Дюгема [19], 111. де Луврие был знаком с этим документом. Несомненно, знал о нем и Н. А. Телешов, поддерживавший контакты с пионерами французской авиации.

В отличие от создателей первых проектов винтомоторных самолетов - У. Хенсона, Ф. Тампля, А. Пено и др., весьма детально прорабатывавших конструкцию планера летательного аппарата, проектанты самолетов с реактивным двигателем, как правило, ограничивались разработкой общей компоновки аппарата, уделяя основное внимание конструированию силовой установки. Такой подход вполне объясним, так как паровой двигатель был уже хорошо изучен, а воздушно-реактивный являлся принципиально новым образцом энергетической техники. На детальную проработку и двигателя, и конструкции планера самолета у изобретателя не хватало ни средств, ни знаний.

В 80-е годы XIX в., когда в связи с организацией военных воздухоплавательных частей сформировались новые предпосылки для развития авиации, вновь стали появляться предложения об использовании двигателя прямой реакции на самолете. При этом основное внимание уделялось повышению экономичности реактивной силовой установки за счет конструктивных мер или применения нового, более энергоемкого горючего. Большое количество предложений в этой области было сделано русскими изобретателями С. С. Неждановским, А. Винклером, Ф. Р. Гешвендом. Из-за низкого уровня развития энергетической техники отечественные паровые двигатели были значительно тяжелее, чем лучшие зарубежные образцы, и поэтому задача энергетического обеспечения полета стояла в России особенно остро.

Неждановский занимался проблемой использования реактивного двигателя для полета человека с 1880 г. Начав с разработки идеи аппарата с ракето-динамическим принципом поддержания, он вскоре пришел к пониманию выгодности применения наряду с реактивным двигателем поверхности для создания аэродинамической подъемной силы. В записях ученого встречаются идеи самолетов с реактивными двигателями, работающими на сжатом газе (1882 г.), водяном паре (1884 г.), смеси нитроглицерина со спиртом или глицерином и воздухом (1889 г.). По оценке Неждановского, скорость некоторых из этих самолетов должна была достигать 50 м/с (180 км/ч) [20].

Неждановский предложил повысить экономичность реактивных двигателей за счет подвода окружающего воздуха к струе сгоревших газов. Эта идея оказалась принципиально верной и в настоящее время нашла воплощение в конструкции двуконтурных турбореактивных двигателей.

В проекте самолета А. Винклера [21], впервые рассмотренном на заседании воздухоплавательного отдела Императорского русского технического общества в 1881 г. [22, с. 480], было предложено в качестве источника энергии для полета создать пульсирующий ракетный двигатель, работающий на смеси газообразного кислорода и водорода, получаемых электролизом. Смешиваясь в определенной пропорции, газы образовывали гремучую смесь, которая воспламенялась бы электрической искрой. Сам самолет представлял собой весьма примитивную конструкцию, основными элементами которой были прямоугольное крыло, способное изменять в полете угол наклона, два ракетных двигателя, расположенные на концах крыла, и подвешенный снизу отсек для экипажа и грузов. В этом в целом утопичном проекте наибольший интерес представляет идея использования смеси кислорода и водорода в качестве топлива для двигателя прямой реакции. Как известно, кислородно-водородная смесь в наши дни применяется как один из видов ракетного топлива.

В том же 1881 г. идея реактивного двигателя на гремучей смеси была запатентована в Англии А. Ван-де-Керкхове и Т. Снирсом [23]. В отличие от Винклера указанные изобретатели предлагали установить свой двигатель на гидросамолете.

Еще один проект реактивного самолета был опубликован в 1887 г. [24]. Автор этого проекта, киевский архитектор Ф. Р. Гешвенд, предлагал в качестве источника пропульсивной силы использовать струю сжатого пара.

Конструктивно самолет Гешвенда, названный им «Паролет», должен был представлять собой биплан-бесхвостку с крыльями эллипсовидной формы. Площадь крыльев составляла 32,5 м², размах - 3 м. Фюзеляж с конусообразным носом для «рассечения воздуха» имел закрытую застекленную кабину на два-три пассажира. Впереди кабины должен был размещаться котел и место пилота. Общая длина фюзеляжа - 9 м. Для взлета и посадки служило четырехколесное шасси. По замыслу изобретателя, основным материалом для постройки «Паролета» должны были быть стальные трубы и полосы, цинковые и латунные листы. Обшивку крыльев предлагалось сделать полотняной. Масса самолета, согласно проекту, - около 1300 кг.

Для взлета самолет должен был разбегаться по рельсам до скорости 116 км/ч. После взлета максимальная расчетная скорость составляла 280 км/ч.

По оценке Гешвенда, перелет по маршруту Киев - Петербург мог быть осуществлен «Паролетом» за 6 часов с пятью-шестью остановками для заправки горючим (керосин). Заправочные станции должны были быть оборудованы рельсами для разбега самолета.

Уверенный в правильности своих идей⁵, Гешвенд решился приступить к изготовлению аппарата, рассчитанного на шесть пассажиров [25]. Однако отрицательный отзыв комиссии по применению воздухоплавания к военным целям, куда изобретатель обратился за помощью, не позволил реализовать этот замысел.

⁵ В действительности, как показывают расчеты (I, с. 1В8|, максимальная тяга «Паролета» не превышала 10 кг, что в 135 раз меньше, чем ожидалось изобретателем.

В начале века в авиации появился новый тип силовой установки - двигатель внутреннего сгорания. Он оказался вполне подходящим для применения на самолетах. Тем не менее ученые и изобретатели продолжали искать новый тип авиационного двигателя, который позволил бы самолетам летать быстрее и выше. Наибольшие надежды связывались с двигателем прямой реакции. Об их перспективности в начале XX в. писали Р. Эсно-Пельтри, А. Горохов и др. [26, с. 56-71].

Самолеты, на которых предполагалось применить реактивный двигатель, по замыслу изобретателей должны были иметь форму, напоминающую снаряд или ракету с крыльями небольшой площади, так как рассчитывались на полет с невиданной по тем временам скоростью 300-350 км/ч. Взлет должен был осуществляться с отделяемой тележки, а посадка - пикированием в мягкий грунт. Несмотря на то что изобретателями предусматривалась упругая подвеска кабины и тормозные парашюты для снижения скорости при подходе к земле (26, с. 62-63], столь экзотический способ приземления был, конечно, неприемлем на практике.

Завершая обзор ранних идей по созданию реактивного самолета, нельзя не упомянуть о необычном биплане А. Коандэ, построенном во Франции в 1910 г. По мнению ряда авторов [29.....31], Это был первый в истории авиации самолет с турбореактивным двигателем. Он не имел воздушного винта и должен был приводиться в движение реакцией струи, вытекающей из щели между фюзеляжем и оболочкой двигателя (рис. 5). Однако анализ конструкции силовой установки, примененной на самолете Коандэ (рис. 6) [27], показывает, что она не может быть отнесена к разряду газотурбинных двигателей, так как имела только один компонент газотурбинного двигателя - компрессор. Он приводился во вращение с помощью зубчатой передачи от обычного бензинового поршневого двигателя мощностью 50 л.с. Поступавший в компрессор воздух слегка подогревался теплом отработанных газов двигателя внутреннего сгорания, что позволяло компенсировать его охлаждения при расширении на выходе из сопла. Однако ни камеры сгорания, ни турбины не предусматривалось. Таким образом, аппарат, построенный Коандэ, вопреки распространенному мнению, не был самолетом с турбореактивным двигателем. Первые такие машины были созданы только в 1939 г.

Рис. 5. Самолет А. Коандэ.



Рис. 6. Схема двигателя самолета А. Коандэ (е - лопасти компрессора, d -- сопло)

В заключение следует отметить, что скорости в 100-300 км/ч, на которые были рассчитаны первые самолеты, делали нецелесообразным использование реактивного двигателя в авиации: даже если бы такой удалось создать, его к.п.д. не превышал бы 1% [28, с. 125).

Учитывая повсеместное распространение реактивных двигателей в современной авиации, первые разработки в области реактивного полета представляют несомненный исторический интерес.