«Снаряд Можайского»: как морской офицер создал первый русский самолет

15 ноября 1881 г. департамент торговли и мануфактур Российской империи выдал капитану первого ранга Александру Можайскому «привилегию» на «воздухолетательный снаряд». Говоря современным языком – патент на первый русский самолет. Правда, взлететь этот аппарат толком не сумел, да и вряд ли был способен.

Привилегированные разработки

С 1812 г. в России действовал манифест «О привилегиях на разные изобретения и открытия в художествах и ремеслах». Под привилегией понималось исключительное право пользоваться плодами своего творения. Государство следило за правильностью оформления документов, а также проверяло, не выдавалась ли аналогичная привилегия ранее. Фактическая новизна и техническая состоятельность изделия при этом не оценивались. Чтобы исключить злоупотребления, было установлено требование в определенный срок материализовать изобретение, то есть буквально его построить и внедрить.

Можайский подал прошение на выдачу пятилетней привилегии на «воздухолетательный снаряд», состоявший из неподвижных крыльев, лодки, хвоста с горизонтальной и вертикальной плоскостями, а также тележки с колесами для разбега по земле. В лодке предполагалось размещать грузы и экипаж. Снаряд должен был двигаться в воздухе с помощью винтов, приводимых в движение машинами.

Изобретателю выдали привилегию, но при условии, что изделие будет «приведено в полное действие» в срок не более четверти от пяти лет, то есть не позднее года и трех месяцев. Затем в течение полугода Можайскому предписывалось представить удостоверение «местного начальства» о том, что изобретение «введено в употребление». В противном случае привилегия должна была быть аннулирована. В заключении оговаривалось, что правительство не ручается ни в точной принадлежности изобретения заявителю, ни «в успехах оного», а лишь подтверждает, что в Российской империи никому другому ранее такой бумаги выдано не было.

Изобретатель в отставке

На тот момент Можайскому было уже 56 лет. Он принадлежал к роду потомственных дворян, обучался в Морском кадетском корпусе и служил в Российском императорском флоте. Участвовал в экспедиции в Японию, плавал с членами монаршей фамилии на винтовом фрегате «Гремящий», бывал с российской миссией в Хиве и Бухаре. Позже был назначен командиром винтового клипера «Всадник» и даже руководил оснащением вверенного ему корабля, в том числе следил за установкой и отладкой паровой машины. В 1861 г. Можайского перевели на гражданскую службу, а еще через восемь лет он вступил в управление имением Вороновица недалеко от Винницы.

Там капитан увлекся строительством воздушных змеев, которых запускал с большой горы. Для первых моделей он использовал птичьи перья и кроличьи шкурки. В конце концов Можайскому удалось создать конструкцию, способную при помощи буксировочного троса, за который тянули лошади, поднимать в воздух человека. Высота полетов доходила до двух метров. По воспоминаниям очевидцев, к воздушному змею крепилась маленькая лодка для пилота и четырехколесная тележка для разгона. Крестьяне относились к барину враждебно, полагая, что по воздуху его носит нечистая сила.

Осенью 1876 г. Можайский переехал в Санкт-Петербург для продвижения своего проекта. Изобретатель проводил опыты с миниатюрными летающими аппаратами собственной конструкции в присутствии широкой публики. Например, в манеже Берейторской кавалерийской школы. Модели приводились в действие пружинным двигателем или устройством на основе скрученного резинового шнура, известным сейчас как «резиномотор». Некоторые могли взлетать после разбега на собственном шасси, совершать устойчивый полет и даже нести полезную нагрузку в виде кортика морского офицера.

Аэродинамический просчет

Как и у любого воздушного змея, основой конструкции аппаратов Можайского выступало прямоугольное крыло-парус, усиленное тонким каркасом. А уж в парусах-то профессиональный морской офицер толк знал. Его легко просчитать, игнорируя незначительный прогиб ткани и считая тонкой пластиной. Если не учитывать трение и влияние концевых вихрей, можно допустить, что воздух оказывает только нормальное давление на нижнюю плоскость, а результирующая аэродинамическая сила направлена строго перпендикулярно плоскости крыла.

Ее, в свою очередь, можно разложить на составляющие вектора подъемной силы и лобового сопротивления. Отношение этих величин даст аэродинамическое качество, которое равно котангенсу угла атаки. Из-за допущения его легко переоценить, а необходимую мощность двигателей – недооценить. Для расчетного угла атаки в шесть градусов Можайский получил аэродинамическое качество 9,5. Это примерно в два раза больше того, что показали корректные расчеты, проведенные после продувок его моделей в аэродинамической трубе уже в советское время. В результате заложенных в конструкцию двигателей мощностью 30 лошадиных сил оказалось недостаточно.

Изобретатель проводил аэродинамические опыты с использованием тележки, на которой была закреплена пластина под определенным углом. С помощью специальных весов фиксировались силовые воздействия от набегающего потока воздуха, соответствующие подъемной силе и лобовому сопротивлению. Очевидно, что достоверных измерений в этой «аэродинамической трубе наоборот» было не получить. Сегодня любой авиаконструктор знает, что поведение в воздухе натурного образца не совпадает с поведением его хотя бы и точной, но уменьшенной копии: площадь крыла сокращается пропорционально квадрату масштаба, а масса и объем – кубу. Из-за этого нагрузка становится намного меньше, чем на реальный самолет.

Пар-птица

В конце 1876 г. Можайский представил свой проект в Военное министерство. После рассмотрения специальной комиссией ему было выделено 3000 руб. на проведение исследований, необходимых для разработки и окончательной оценки аппарата. В 1878 г. офицер предложил перейти к более крупномасштабным работам, включавшим постройку натурного опытного образца. По его оценке, требовалось около 19 000 руб., однако в этой сумме было отказано. Несмотря на отрицательное заключение, Можайский продолжил работать над проектом. В 1879 г. он был вновь зачислен на военную службу в чине капитана первого ранга и направлен в Морской кадетский корпус, где читал курс.

Непосредственно началом строительства «воздухолетательного снаряда» можно считать приобретение силовой установки. Изначально изобретатель хотел использовать только появившиеся двигатели внутреннего сгорания системы Джорджа Брайтона, которые не нуждались в котле и конденсаторе пара. Но они слишком много весили – не менее 110 кг на одну лошадиную силу. В результате выбор пал на паропоршневые машины с керосиновым топливом.

Сейчас картинки, изображающие самолет с высокой дымовой трубой, из которой валит черный дым, вызывают недоумение. Однако в то время применение подобных установок было обычным делом. Керосин подавался в камеру сгорания через форсунки, а вместо механических вентиляторов наддува использовалась естественная тяга. Удельная масса двигателей, заказанных в британской фирме «Арбеккер-сын и Хемкенс» и выполненных к маю 1881 г., составила рекордные на тот момент 5,5 кг на одну лошадиную силу. Даже в начале XX в. двигатель внутреннего сгорания на самолетах братьев Райт в пересчете на единицу мощности был тяжелее, чем у Можайского. Обе машины вместе с паровым котлом весили чуть более 165 кг.

Нет у изобретения конца

В январе 1883 г., то есть под самый «дедлайн», Можайский выступил с сообщением о создаваемом им самолета на заседании отдела Русского технического общества. Для подробного рассмотрения была создана комиссия, в которую вошли представители VII и II (механического) отделов. Ознакомившись с результатами работ изобретателя, она постановила желательным оказать содействие по окончанию создания аппарата таких больших размеров, почему-то назвав его «прибором». Одновременно комиссия выразила сомнения в достаточной мощности силовых установок самолета. В результате содействия не последовало.

В некоторых источниках конца 1883 г. говорилось, что самолет уже готов и будет испытываться. Также имеется ряд свидетельств, включая документы, написанные самим Можайским, в которых указана потребность «закончить» аппарат для осуществления над ним «окончательного опыта» -вплоть до июня 1885 г. Испытаний в привычном понимании, то есть в присутствии комиссии и с составлением протокола, видимо, так и не случилось. При этом были многочисленные предварительные тесты. Во время одного из них изделие при разгоне оторвалось от земли и, потеряв устойчивость, упало на бок, поломав консоль крыла.

Позднее Можайский на личные средства начал восстанавливать самолет. Он даже заказал для него на Обуховском заводе новые и более мощные двигатели. Однако уже в 1890 г. изобретатель умер. У сыновей не было денег, чтобы самостоятельно продолжить дело отца, поэтому они обратились в Военное министерство с предложением выкупить самолет, оценив стоимость изделия в 200 000 тыс. рублей. Министерство отказалось. В мае 1891 г. власти предписали наследникам убрать аппарат с места, где осуществлялись его постройка и испытания. Изделие было продано или просто уничтожено – точных данных нет.

Созданный летать

А как бы обстояло дело, если бы изобретатель сумел довести его до конца? «Ахиллесова пята» самолета – дефицит мощности. Пусть аэродинамическое качество было невысоким, например, 4. Тогда при весе самолета в 1000 кг потребовалась бы тяга в четыре раза меньше – примерно 2500 Н. При скорости 10 м/с потребная тяговая мощность достигала бы 25 кВт – это примерно 34 лошадиные силы. Учитывая, что КПД винтомоторной группы составляла бы, к примеру, 50%, потребная мощность двигателей была бы 68 лошадиных силы – вдвое больше того, что Можайский заложил фактически.

Допустим, он бы установил более мощные двигатели. Как бы вел себя самолет в воздухе? Совершенно непонятна его центровка. Вполне возможно, Можайский предполагал, что для прямоугольного крыла равнодействующая от аэродинамических сил расположена где-то на середине хорд, поэтому попытался приблизить центр масс к этому месту. Площади горизонтального и вертикального оперения и его размещение, вероятно, позволяли бы стабилизировать самолет по курсу и тангажу и даже им управлять. Но как конструктор предполагал стабилизировать крен?

В описании тележки с колесами для разбега указано, что в воздухе она действует как «балансир или отвес». Изобретатель предполагал, что это будет предотвращать нештатные отклонения в поперечном и продольном наплавлении – подобно тому, как вес парашютиста балансирует его парашют. Но ведь при разгоне тележка еще не висит в воздухе и ничего не балансирует. Напротив, именно на нее с постоянно уменьшающейся нагрузкой давит вес самолета, и ему ничто не мешает крениться в бок не только от порыва ветра, но и от небольшой неровности взлетной полосы. Не стоит забывать, что высота самолета достигала порядка 8 м, колесная база шасси была не более 3 м, а размах крыла составлял до 24 м.

Видимо, Можайский задумывал полеты на низких высотах без резких изменений курса, наборов высоты или снижений. Изменения предполагалось выполнять без управляемого крена по очень большому радиусу.

По следам Можайского

Пионер авиации в США Сэмюэл Лэнгли запустил свой небольшой беспилотный самолет с паровой силовой установкой только в начале 1896 г. Его беспилотник совершил два устойчивых неуправляемых полета над рекой Потомак, пролетев расстояние около 1 км. В конце того же года его улучшенная беспилотная модель пролетела 1,5 км. Благодаря успехам, в 1898 г. Лэнгли получил грант вооруженных сил США в размере $50 000 и еще $20 000 от Смитсоновского института на разработку пилотируемого самолета, который назвал «Аэродром». На тот момент стоимость $1 была приблизительно равна 2 руб.

Значительная часть государственного гранта ушла на строительство огромной плавучей баржи с рельсовой катапультой на реке Потомак: Лэнгли считал, что взлет над водой безопаснее для пилота, чем над землей. Силовая установка самолета имела мощность 50 лошадиных сил. Изделие не имело шасси и должно было приземляться на воду. Помимо крыла, «Аэродром» имел аэродинамические плоскости хвостового оперения для управления по курсу и тангажу. Плоскостей для управления креном, как и самолет Можайского, аппарат Лэнгли не имел.

В конце 1903 г. с разницей около месяца состоялись два испытания, закончившиеся полным провалом. Оба раза самолет терял устойчивость и сразу падал в воду. Оба раза изделие удалось выловить из воды – полот не погиб. После второй катастрофы пилотируемого «Аэродрома» пресса и Конгресс США обрушились на проект с жесткой критикой за растрату казенных денег. Военное ведомство официально прекратило финансирование, что поставило крест на авиационной карьере Лэнгли.

В декабре 1903 г., через девять дней после последнего неудачного полета «Аэродрома», братья Райт в Китти-Хок подняли в воздух свой «Флайер» с силовой установкой в 12 лошадиных сил, двумя пропеллерами и весом всего 283 кг. Самолет имел управление по курсу, тангажу и крену. Пилот управлял машиной лежа на нижнем крыле биплана. Первый полет длился 12 секунд. После отрыва от грунта и до приземления самолет преодолел 37 м, получив повреждения. Во время второго полета самолет пролетел 53 м, во время третьего – 61 м. При четвертом полете за 57 с в небе самолет пролетел 260 м, но упал, получив небольшие повреждения.

В сентябре 1904 г. братья Райт пролетели полный круг до посадки, а в ноябре преодолели уже три мили. И только в мае 1906-го они получили свой знаменитый базовый патент US 821,393. Он касался не самолета вообще, а только придуманной ими системы управления. Наконец, после нескольких лет интенсивной международной конкуренции Луи Блерио, создавший первый в мире моноплан, в июле 1909 г. пересек Ламанш.