Наблюдение парящего полета птиц и воздушного змея убеждало, что если воздушный поток встречает плоскость, наклонную к его направлению, то возникает подъемная сила. Следовательно, двигаясь вперед, наклонная плоскость может подняться вместе с прикрепленным к ней грузом.
Руководствуясь этим соображением, русский морской офицер и изобретатель А. Ф. Можайский (1825—1890) создал в 1876 году первую в мире модель самолета, которая могла свободно лететь, сохраняя равновесие.
Судьба А. Ф. Можайского может служить примером тех трудных условий, в которых работали русские ученые и изобретатели в царской России.
По окончании Морского кадетского корпуса А. Ф. Можайский плавал на парусных судах. Но в то время уже началось строительство и паровых судов. В 1860 году А. Ф. Можайский получил назначение оснастить механизмами строившееся на русской верфи паровое судно «Всадник». Эта работа дала ему основательные знания судовых машин.
Вскоре, однако, морская служба А. Ф. Можайского окончилась, так как царское правительство решило сократить военный флот. А. Ф. Можайский поселился в своем поместье и был выбран почетным мировым судьей. В это время, по-видимому, он и заинтересовался проблемой полета на аппарате тяжелее воздуха.
Однако, чтобы производить экспериментальные исследования, нужны были средства для постройки крупных моделей самолета, но А. Ф. Можайский не располагал ими.
В то время не были еще решены важнейшие вопросы авиации. Никто не знал, как изменяется подъемная сила крыла в зависимости от угла наклона и скорости поступательного движения.
Размышляя над постановкой первых опытов, А. Ф. Можайский уподобился путешественнику без карты и компаса в неизвестной местности. Но он справился с поставленной перед самим собой задачей.
Для испытания подъемной силы крыла А. Ф. Можайский установил его на тележке. При поступательном движении тележки наклонное крыло поднималось на воздух. По весу крыла можно было определить развивавшуюся подъемную силу, которая менялась в зависимости от наклона.
На таком немудреном приспособлении А. Ф. Можайский изучал законы аэродинамики. Он нашел наивыгоднейший наклон крыла и определил испытываемое им сопротивление воздуха. Свои выводы изобретатель проверял на маленьких самодельных моделях. Но это не удовлетворило его.
Может ли крыло поднять человека?
Чтобы решить этот вопрос, А. Ф. Можайский задумал сам подняться на воздух при помощи большого воздушного змея. Никто до него не осмеливался сделать этот рискованный опыт.
Змей был сделан из деревянных брусков и обтянут парусиной. Его поставили на телегу, в которую впрягли тройку лошадей. А. Ф. Можайский был крепко привязан к змею.
Когда кучер погнал по дороге лошадей, змей стал подниматься. Кучер распускал веревку, и змей набирал высоту, поднимая с собой изобретателя.
А. Ф. Можайскому удалось благополучно спуститься на землю, доказав возможность полета.
После этого А. Ф. Можайский поехал в Петербург с летающей моделью, чтобы получить от правительства средства на постройку большого самолета, который мог бы служить для дальнейших опытов.
В Петербурге он проделал ряд успешных опытов со своей моделью, поразивших присутствовавших ученых, инженеров и военных. Всем стало ясно, что проблема полета на аппарате тяжелее воздуха разрешена.
Модель Можайского получала движение от вращения гребного винта, какие устанавливаются и на морских судах. В воздухе ее поддерживали неподвижные прямоугольные плоскости — крылья, поставленные под углом к направлению полета.
Чтобы построить по своей модели самолет, А. Ф. Можайский обратился к военному министру с просьбой отпустить необходимые для этого средства. По приказу министра специальная комиссия должна была рассмотреть проект изобретателя.
К работе комиссии был привлечен и знаменитый русский химик Д. И. Менделеев (1834—1907), который настоял, чтобы А. Ф. Можайскому было выдана три тысячи рублей на производство дальнейших опытов.
Но даже эта недостаточная сумма выдавалась частями, с большими задержками. Изобретатель, когда ему не хватило отпущенных средств, был вынужден продать собственное небольшое именьице, чтобы продолжать опыты.
А. Ф. Можайский поставил себе целью «исследовать и приискать наилучшую форму винта двигателя аппарата в отношении числа перьев или лопастей его, изгиба их или угла с валом». Никто ранее не ставил перед собой эту задачу, решенную вполне только позднее русским ученым-механиком Н. Е. Жуковским (1847—1921).
Преодолев много трудностей, А. Ф. Можайский построил большой самолет, установив на нем сконструированную им же очень легкую паровую машину. Как доказывают документальные свидетельства, изобретатель пробовал летать. По-видимому, в 1883 году он удачно поднялся над землей и пролетел некоторое расстояние в горизонтальном направлении.
Самолет Можайского в основном был очень сходен с современными самолетами, то есть имел крылья, корпус, оперение, шасси и силовую установку. Через десять лет братья Райт в Америке совершили короткий полет на планере, на котором был установлен автомобильный мотор. Вслед за ними европейские инженеры стали строить аэропланы и совершать на них полеты. Наконец в 1909 году француз Блерио перелетел на своем аэроплане через пролив Ла-Манш. Параллельно с развитием авиационной практики развивалась и теория. Проблема полета на аппаратах тяжелее воздуха заключалась в создании подъемной силы и тяги для поступательного движения.
Огромное значение для развития авиации имели исследования замечательного русского ученого Н. Е. Жуковского.
Детство Н. Е. Жуковский провел в селе Орехове, бывшей Владимирской губернии, в которое он не раз возвращался и позднее. По окончании средней школы он поступил в Московский университет.
Еще в университете любимейшими предметами Н. Е. Жуковского были физика и механика. Особенное его внимание привлекала динамика жидкостей и газов.
По окончании университета Н. Е. Жуковский написал в 1876 году работу о движении жидкостей. В 1882 году он представил диссертацию на тему «О прочности движения» и через четыре года занял кафедру механики в Московском университете.
Важнейшие исследования Н. Е. Жуковского были посвящены движению жидкостей и газов. Эти исследования позволили разрешить ряд проблем авиации.
Простейшая из них — полет воздушного змея, то есть пластинки, поставленной под некоторым углом к направлению течения воздуха.
Воздушный змей находится под действием трех сил: собственной тяжести, давления воздуха и натяжения шнура, укрепленного в центре давления. Вследствие давления струи воздуха развивается подъемная сила, и пластинка поднимается вверх. Равновесие установится, когда равнодействующая подъемной силы и силы тяжести будет направлена прямо противоположно натяжению шнура.
Еще в 1889 году Н. Е. Жуковский начал опыты, связанные с практикой авиации: испытывал модели летательных машин и планеров, исследовал траектории полетов.
В дореволюционной России Н. Е. Жуковский не имел в своем распоряжении достаточных средств для широкой постановки исследований.
В 1902 году при механическом кабинете Московского университета была построена первая в России (и вторая в мире) аэродинамическая труба. В ней Н. Е. Жуковский производил свои исследования лобового сопротивления шара и пластинки, определение центра давления и других проблем теории авиации.
В 1904—1906 годах Н. Е. Жуковский руководил организацией новой аэродинамической станции в поселке Кучине под Москвой.
Еще накануне первой мировой войны Н. Е. Жуковский разрешил несколько важнейших вопросов авиации. Он дал простой (графический) метод решения уравнений движения самолета. По его методам и формулам рассчитывались самолеты в течение войны 1914—1918 годов.
Советское правительство высоко оценило заслуги Н. Е. Жуковского, которого В. И. Ленин назвал «отцом русской авиации». Оно учредило премию имени Н. Е. Жуковского за работы по математике и механике.
Н. Е. Жуковский был готов начать новые исследования в теории и практике авиации. Смерть в 1921 году прервала работу этого замечательного математика и механика.
Важнейшей задачей, стоявшей перед Н. Е. Жуковским, было объяснение происхождения подъемной силы крыла и определение зависимости ее от угла наклона и профиля крыла.
Опыт показал, что крыло самолета не должно быть плоским. Наиболее выгодный профиль крыла имеет вид «поверхности Жуковского»: сверху крыло выпукло, снизу — вогнуто; наибольшая кривизна профиля — у лобового ребра крыла, разрезающего воздух; там же крыло имеет и наибольшую толщину. Угол наклона измеряется относительно хорды, соединяющей две самые нижние точки профиля крыла.
Крыло такой формы имеет замечательное свойство: подъемная сила развивается не только при угле наклона, большем или равном нулю, но даже при небольших отрицательных углах (до —5°).
Почему же возникает подъемная сила даже при отрицательном угле наклона?
Н. Е. Жуковский указал, что это явление можно объяснить, если вокруг поперечного сечения крыла возникает вихреобразное движение воздуха; скорость циркуляции воздуха не везде одинакова: под крылом она меньше, чем над крылом; поэтому крыло испытывает большее давление снизу, чем сверху. Этим и объясняется возникновение подъемной силы.
Н. Е. Жуковский исследовал различные формы крыла с целью определения наиболее выгодного профиля его. Он дал формулы для вычисления их подъемной силы и определения положения центра давления. По положению же центра давления можно судить и об устойчивости самолета.
Движение вперед сообщается самолету пропеллером, или гребным винтом. Пропеллер состоит из лопастей, насаженных на горизонтальной оси. Мотор вращает ось, и при вращательном движении лопастей возникает тяга, сообщающая поступательное движение самолету.
Каждая лопасть гребного винта по своему профилю — в уменьшенном виде крыло самолета. Для определения поступательного движения нужно знать силу тяги винта и лобовое сопротивление воздуха.
Н. Е. Жуковский разработал вихревую теорию гребного винта. Для этого потребовалось много опытов и сложных математических расчетов. Было необходимо определить, как распределяется скорость воздушного потока перед гребным винтом и позади него. Современные самолеты рассчитываются по методам Н. Е. Жуковского.
Свои исследования Н. Е. Жуковский всегда старался проверить опытом. Он справедливо утверждал, что законы механики не могут быть познаны без эксперимента.
«Нужен настоятельно и будет решать дело разумный и твердый опыт, — любил повторять слова Д. И. Менделеева этот замечательный ученый, — а молодое и неопытное умственное построение пойдет на поводу в ту или другую сторону, пока приученное опытом к верной дороге само не станет вести за собой всю сущность опытного знания».
Продолжателем исследований Н. Е. Жуковского в теории авиации был его ученик С. А. Чаплыгин (1869—1942).
С. А. Чаплыгин разрабатывал теорию движения твердого тела в газах со скоростями, приближающимися к скорости звука.
Если скорость движения сравнительно с распространением звука (330 метров в секунду) невелика, то газ можно рассматривать как несжимаемую жидкость. И сделанные в таком предположении расчеты оправдываются.
Когда же скорость тела достигает 80 метров в секунду, необходимо принимать во внимание и сжимаемость воздуха. Иначе расчет движения тела окажется ошибочным.
В начале нашего века скорость самолетов не превышала 10—12 метров в секунду. Поэтому законченная в 1903 году работа С. А. Чаплыгина о методах расчета движения самолета при больших скоростях не привлекла внимания.
В наше время скорость реактивных самолетов-истребителей уже достигает скорости звука. Поэтому исследования С. А. Чаплыгина, далеко опередившие свою эпоху, приобрели теперь огромное значение.
Возможная скорость самолетов, нуждающихся в поддержке воздуха, не беспредельна: при увеличении ее сопротивление воздуха возрастает все в большей степени и увеличивается относительный расход энергии на преодоление его. Поэтому все меньшее количество энергии двигателя идет на полезную работу.
Если же подняться на высоту 15—18 километров, где сопротивление воздуха сильно уменьшается, то не хватает кислорода для сжигания топлива в моторе.
Поэтому значительное увеличение скорости воздушного транспорта может дать только бескрылая ракета. Она не нуждается в поддержке воздуха и может лететь на любой высоте. Ей не нужен и кислород атмосферы, так как ракета берет с собой запас не только топлива, но и необходимого ей кислорода.