Общий обзор главнейших работ К. Э. Циолковского.
В настоящей работе мы не имеем целью изложить содержание не только всех, но даже многих работ К. Ц, но ограничиваемся лишь схематическим перечнем некоторых его работ по аэродинамике, авиации, воздухоплаванию и космографии. Выше помещенный перечень работ его показывает, насколько многогранна его деятельность в научно-исследовательском отношении. Читатель, заинтересованный отдельными его работами, может подробно ознакомиться с ними по источникам, указанным выше. Правда, многие из его работ в настоящее время представляют библиографическую редкость, и было бы необходимо издать полное собрание его сочинений.
Более подробно ниже нами излагается учение К. Ц. о ракетном космическом полете, так как в этом вопросе К. Ц. является первым не только в России, но и во всем мире, давшим научные основания теории такого полета.
Опыты по сопротивлению воздуха К. Циолковский начал тогда (с 1891 г.), когда только очень немногие (например, Д. И. Менделеев и академик Рыкачев) их делали. Первые опыты он производил на свои средства. Потом частные лица, узнав об этом из газет и журналов, пожертвовали на опыты 55 рублей, которые помогли продолжать работу. Наконец, Академия Наук ассигновала 470 руб., на которые К. Ц. произвел в 1900 году еще ряд опытов.
В 1899 году, в Одессе, была издана небольшая (32 стр.) брошюра. К. Ц. под заглавием „Давление воздуха на поверхности, введенные в искусственный воздушный поток“. Это был отдельный оттиск из журнала „Вестник опытной физики и элементарной математики“.
Эта весьма ценная работа, в которой автор, на основании произведенных им самим опытов выводит основные законы давления воздуха на тела разной формы.
Для этого он, при всей скудости своих материальных средств построил первую в России аэродинамическую трубу, сконструировал весы к ней и, помещая разные тела в поток воздуха, определял их лобовое сопротивление.
Приводим чертеж установки Циолковского: РВ — вентилятор, приводимый в действие грузом Г (от ½ до 16 фунтов). Площадь поперечного сечения около 1225 см2 (35 X 35 см), скорость воздуха до 5,15 м/с. В устье вентилятора для уравнивания потока устанавливалась решетка Р длиною в направлении потока 25 см; испытываемая модель Ф устанавливалась на подставке, плававшей в сосуде с водой Я, помещенном на столике Т. При давлении воздуха подставка давит при помощи тяги р на рычаг С и на упругую стрелку С, жестко соединенную с станиной Т. Конец стрелки скользит вдоль шкалы М, по которой производятся отсчеты. Перед опытами шкала М тарируется при помощи влияния разных грузов, действующих при помощи нитей и блоков на стрелку С.
Скорость потока определялась при помощи давления воздуха на квадратные пластинки, помещенные нормально к потоку.
 Черт 6. Аэродинамическая труба К. Э.Циолковского в 1896 г. |
Испытанию подвергались: 1) пластинки, нормальные к потоку, 2) пластинки под углом к потоку, 3) пластинки с разными отношениями длины к ширине, 4) призмы, 5) цилиндры, 6) многогранники, 7) шары, 8) тела вращения, 9) полуцилиндры, 10) полушары, 11) конуса, 12) модель баллона Шварца. Кроме того определялся коэффициент трения воздуха.
Приходится лишь удивляться, как К. Ц. удалось при упомянутых условиях работы произвести столь многочисленные и интересные работы и получить результаты, которые с достаточною точностью для того времени выявляли основные законы сопротивления воздуха.
В частности им было подмечено влияние удлинения пластинки на ее сопротивление.
В 1903 году, получив субсидию в 470 р. от Академии Наук, К. Циолковский с новой энергией принимается за производство опытов и строит воздуходувку для получения потока воздуха в 1 кв. аршин поперечного сечения. Результаты этих опытов были им опубликованы в 1903 г. в статье „Сопротивление воздуха и воздухоплавание“.
Опыты производились на прямоугольные пластинки с разными удлинениями, расположенные нормально и наклонно к потоку, на цилиндры, кривые цилиндрические пластинки, призмы, на поверхности, образованные вращением дуги окружности вокруг хорды и пр.
Всего им были произведены сотни опытов со множеством моделей и определены коэффициенты подъемной силы и лобового сопротивления.
В 1908 году он публикует в журнале „Воздухоплаватель“ (№8, стр. 277) результаты своих новых опытов над пластинками разных очертаний и над кривыми поверхностями; относительно последних он замечает, что крылья выгодно делать продолговатыми, треугольными, с большей кривизной спереди,
В 1930 г. он выпускает новую теоретическую работу „Давление на плоскость при ее нормальном движении в воздухе“.
Еще в 1890 году К. Циолковский предложил проект металлического дирижабля. Этот проект, по совету Д. И. Менделеева, в 1893 г. обсуждался в 7-м отделе Русск. Техн. О-ва; однако, дальше обсуждений дело не пошло. Идея же постройки металлического дирижабля по временам в разных странах вновь появлялась на свет (дирижабль Шварца, ныне построенный в Америке дирижабль Эпсона Слейта и др.)1. Мысли же К. Ц. по вопросу о металлическом дирижабле заслуживают внимания не только потому, что он пропагандировал идею металлического дирижабля тогда, когда у нас в России таких дирижаблей никто еще не предлагал, но и потому, что в основу своего проекта он, в отличие от других проектов, кладет гибкую оболочку из волнистого металла.
3 в виде следующей таблицы. Двигатели предполагались керосиновыми.
| Данные | Малый дирижабль | Большой дирижабль |
| Диаметр м Длина м Объем м3 Мощность двигат. НР Скорость км/ч Человек |
14 98 7312 16 34 12 |
28 196 58500 127 43 100 |
В 1893 году появился в свет второй выпуск книги К. Циолковского на ту же тему.
В этой книге К. Ц. описывает опыты, которые он производил для выяснения устойчивости формы аэростата. Например, он предлагал сделать модель баллона из водо и газонепроницаемой материи, надуть его воздухом, прицепить к нему груз и погрузить в воду. Кроме того он испытывал деформации поперечного сечения дирижабля, имитируя шпангоуты нитями, образующими форму шпангоута, и подвешивая в разных точках их грузы.
 Черт. 7. Малый металлический дирижабль К. Э. Циолковского. |
Далее он производил опыты с оболочкой, в которой вдоль верха и низа проложены балочки, между которыми проходит система растяжек, при помощи которых можно натягивать друг к другу упомянутые полосы и тем самым изменять форму и объем баллона.
На черт. 7 изображены продольный разрез и поперечное сечение малого дирижабля (объемом 6000 м3) К. Циолковского. Длина его 64 м, высота 17 м и ширина 12,8 м.
На фасаде видны: 1-- верхний контур оболочки, 2- верхняя балка (полоса), к которой прикрепляются тросы, идущие к гондоле, 3 — нижняя балочка (полоса). Моторы газовые, бензиновые или керосиновые, скорость 32 км в ч.
 Черт. 8. Большой металлический дирижабль К. Э. Циолковского. |
Оболочка из волнистой жести с поперечными волнами. В местах, где оболочка подходит к полосам 2 и 3, волн нет. Внизу баллона видны колеса, при помощи которых производится равномерность в натяжении полосы 2 и 3. Пол гондолы также представляет из себя гибкую полосу, и вся гондола может при натяжении тросов, связывающих ее с полосами оболочки, немного изгибаться. По концам гондолы имеются винты. Для поворотов могут быть устроены или рули или боковые винты. Для продольного равновесия имеется продольная труба, по который можно автоматически из одного конца в другой прогонять жидкость, но трубу можно заменить подвижной тележкой с грузом. Внутри аэростата проходят трубы с продуктами горения для нагревания газа.
В книге помещена таблица дирижаблей системы К. Ц. (8) разных размеров и объемами от 890 до 1.566.000 м3.
В 1904 году в своей книге „Простое учение о воздушном корабле и его построении“ К. Циолковский дает схематический чертеж и описание проекта металлического дирижабля на 200 человек (черт. 8), объемом 138.400 м3. В общих чертах устройство его аналогично с ранее описанным.
В 1914 году К. Циолковский в своей книге „Простейший проект чисто металлического аэроната из волнистого железа“ приводит ряд чертежей своего дирижабля с некоторыми деталями. Эти чертежи он повторяет в своей статье „Стальной дирижабль“, помещенной в журнале „Авиация и Химия“ (1930 г. № 4, стр. 11). Мы приводим эту статью, как дающую сжатое и в то же время достаточно полное описание этого устройства. „Моя конструкция металлического дирижабля ясна из прилагаемых рисунков. Корпус дирижабля, продольный и поперечный разрезы даны на черт. 9 (внутри показана стягивающая система), состоит в основном из следующих частей (чертеж 10а): верхнего продольного основания (1) закрытых полутрубами шарнирных соединений (2), волнистых стальных боковин (3), нижнего основания (4), конечных прямоугольников (5). Чертежи Ь, с и d схематически показывают поперечные разрезы корпуса дирижабля при надутой и ненадутой оболочках; на черт. 11 даны детали (а) шарнирного соединения.
Схема продольного разреза всего дирижабля, включая гондолу, изображена на черт. 10Ь. В нижней части его видны трубы (черные линии) для нагревания газа (старая конструкция), валы для наматывания тросов блочной системы, гондола, рули, моторы с гребными винтами, ряд окон.
Температура газа, наполняющего дирижабль, регулируется продуктами горения, выбрасываемыми моторами (на черт. 10с они показаны в виде пламени лампы).
Их посредством клапана можно направить или внутрь дирижабля, или наружу. Это дает дирижаблю возможность изменять свою подъемную силу и бороться с метеорологическими влияниями.
Черт. 9. Разрезы дирижабля К. Э. Циолковского.
Описанный дирижабль может изменять объем, будет всегда правильной формы, не будет терять газа и сможет изменять свою подъемную силу без потери газа и балласта.
Его нельзя причислить ни к жестким, ни к мягким, ни к полужестким конструкциям.
Черт. 10. Детали дирижабля К. Э. Циолковского.
Прочность и легкость конструкции в этой системе достигается тем, что оболочка висит на газе, и все части корабля подвергаются только растяжению. На постройку идет оцинкованное или освинцованное железо, хромовая сталь и др. металлы.
В других своих позднейших сочинениях К. Циолковский развивает свои идеи о металлическом дирижабле, дает расчеты его полета, устойчивости, управляемости, размеров и т. п.
Между прочим в статье „Таблица дирижаблей из волнистого железа“ (Калуга, 1915 г.), стр. 6, им приводятся новые данные подсчетов его дирижаблей разных размеров, всего 24 штуки объемами от 16.275 до 54.900.000 м3 (3/4 объема), длиною от 12 до 1800 м, при числе пассажиров от 0 до 131.800 человек.
В вышедшей в 1930 г. книге „Проект металлического дирижабля на 40 человек“ К. Циолковский дает схематический проект металлического дирижабля высотою в 20 м, длиною 120 м и объемом 23.576 м3 оговариваясь, что этот проект при указанных размерах несовершенен и лучше было бы довести высоту дирижабля, например, до 100 м.
В общем идея конструкции остается прежней. Удлинение дирижабля в плоском виде — 4, в надутом — 6. При наполнении водородом подъемная сила будет 27 тонн при выполненном на 100% объеме. При выполнении же на 75% — 21 тонна. Для изменения подъемной силы предвидится подогревание газа. При скорости полета 78 км мощность моторов будет 2 Х 132 = 264 HP.
Черт. 11. Детали дирижабля К. Э. Циолковского.
Изредка частные организации и правительство приходили на помощь К. Циолковскому, ассигнуя некоторые средства на опыты с моделями его дирижабля. К сожалению, отсутствие систематической помощи правительства в этом деле приостановило решение вопроса о возможности осуществления дирижабля в натуре. В своей книге „Дирижабль из волнистой стали"(1929 г.) К. Циолковский дает сводки своих мыслей об устройстве и работе своего дирижабля.
Это сочинение К. Циолковского было издано тогда, когда вопросы теории авиации и воздухоплавания в мировой литературе были весьма мало разработаны.
Упомянутая работа печаталась в журнале „Воздухоплаватель“ за 1905 -1908 годы и заключала в себе 260 страниц формул расчетов, таблиц, отчетов о произведенных автором опытов и т. п., являясь самобытным капитальным сочинением по авиации и воздухоплаванию.
Перечислим лишь главнейшие вопросы, исследованные автором в этом труде:
1 Условия равновесия при вертикальном полете аэростата. Здесь автор исследует теорию взлета свободного аэростата, рассматривает влияние температуры, давления, изменение объема оболочки, влияние выполненности аэростата. Высказывает идею устройства аэростата из металла, выясняет форму его.
2. Далее он переходит к описанию проекта металлического дирижабля своей системы. Дает ряд чертежей его конструкции, аналитически исследует форму его, условия ее деформаций, дает раскрой оболочки, расчитывает ее прочность (волнистая поверхность), дает расчет его устойчивости, подробно рассматривает вопрос об искусственном изменении формы баллона при помощи стягивания его тросами, определяет вес дирижабля. (Всего аэростатам посвящено 221 страница).
3. Конец труда посвящен вопросу о сопротивлении воздуха при движении тел разной формы, крыльев, аэропланов и дирижабля (39 стр.).
Под таким заглавием в 1895 г. было напечатано в Москве исследование (46 стр). К. Циолковского, и это в то время, когда подробных расчетов аэропланов в России еще не было. В своей работе К. Ц. выводит свою оригинальную теорию полета аэроплана, дает расчет его конструкции, определяет мощность двигателя. На черт. 12 изображена схема аэроплана Циолковского по проекту 1895 г.
Черт. 12. Аэроплан К. Э. Циолковского (1895 г.).
В 1929 г. К. Циолковский выпустил в свет свою новую работу под названием „Новый аэроплан“. В этом труде он развивает мысль об устройстве больших самолетов безфюзеляжного типа. Вот какими словами он описывает этот аппарат (черт. 13):
Представьте себе сильно надутую воздухом или кислородом поверхность вращения в виде веретена. Диаметр его поперечного сечения не меньше двух метров, длина не меньше 20 метров.
Параллельный ряд таких веретен смыкается боками и образует волнистую квадратную пластинку с зубцами спереди и сзади. На каждом остром конце помещен воздушный винт, приводимый во вращение двигателем. По бокам сзади устроены рули высоты, а сверху сзади — рули направления.
Для взлета аэроплан ставится на поплавки или на колеса, которые при полете отпадают. Спуск производится на воду, а в некоторых случаях и на ровное поле и снег.
Черт. 13. Мягкий аэроплан К. Э. Циолковского.
Выгоду этого типа автор видит в малом весе аппарата, в отсутствии выступающих частей, в прочности его, благодаря внутреннему сверхдавлению, в простоте конструкции, в возможности летать в разреженной атмосфере и т. п.
В 1927 г. К. Циолковский дает идею устройства скорого поезда, движущегося без колес и смазки. На черт. 14 изображены разрез и план одного из вагонов такого поезда. В днище вагона В устроены полутрубы Т и Т. Полотно пути П составляет одну плоскость с рельсами Р и Р. В полутрубы Т и Т независимыми друг от друга моторами накачивается воздух, который распространяется в узкой щели — между вагоном и дорогой. Он поднимает поезд на несколько миллиметров и вырывается по краям основания вагона. Последний уже не трется о полотно, а висит на тонком слое воздуха и испытывает только совершенно незначительное воздушное трение, как летящий предмет. Благодаря закраинам, вагон не может сойти с рельсов. Это уменьшает утечку воздуха, так как поток его тут делает резкое изменение в своем направлении. В днище вагона устроено мелкое рифление (0,0), которое замедляет утечку воздуха. Последний поступает через переднее жерло вагона и отчасти выходит через щели кругом его, отчасти вырывается через заднее отверстие (От), где через реакцию дает давление на поезд, заставляющее его двигаться. Спереди и сзади вагону приданы очертания, уменьшающие сопротивление воздуха. Мотор, накачивающий воздух в заднее отверстие, может быть независим от других моторов. На черт. показано сечение еще другого вагона с выпуклым цилиндрическим полом и без закраин. Такое устройство дает больше устойчивости, но путь сделать будет труднее.
 Черт. 14. Реактивный вагон |
 Черт. 15. Реактивный вагон К. Э. Циолковского. |
На черт. 15 изображена картинка будущего движения подобного вагона, именно перелет его через реку (по рисунку И. Гусева).
В этой работе (журнал „Техника воздухоплавания“, 1911 г. № 3) Циолковский рассматривает схему полета насекомых и птиц в спокойном и в движущемся воздухе, при чем в последнем случае исследуется правильное и неправильное течение воздуха.
Плотность эфира и его свойства. В этой работе (39 стр.) автор дает свой метод определения плотности эфира и его свойств, исходя из кинетической теории. Он рассматривает эфир как чрезвычайно разреженный, упругий газ, и эта гипотеза и натолкнула его на мысль определить плотность его. На основании найденной величины этой плотности он вычисляет солнечную постоянную и находит ее согласующейся с опытами. Далее он определяет давление эфира и, наконец, строит свои предположения о распределении эфира в мировом пространстве, о структуре материи, о происхождении и поляризации света и т. п.
Одной из первых книг, в которых К. Циолковский уже мечтает о межпланетных путешествиях, является „Грезы о земле и небе и эффекты всемирного тяготения“ (Москва, 1895 г.). В этой книге он, в занимательной форме, излагает описание строения вселенной, законы всемирного притяжения, описывает, каковы бы были явления, если бы на земле исчезла тяжесть, излагает способы, при помощи которых можно было бы на земле получить среду с тяжестью, отличною от земной, делает предположения о том, можно ли жить без атмосферы, путешествует в поясе астероидов, определяет энергию солнца и, наконец, рисует картину вселенной и влияние всемирного тяготения на образование света и тепла. Книга эта читается с интересом и в наши дни и увлекает читателя в звездные миры, рисуя ему величественные картины мировых пространств и его свойств.
 16. Поезда на астероиде. |
Среди многих разбросанных в книге интересных мыслей остановимся на некоторых.
1. К. Циолковский проектирует вращающуюся лабораторию, внутри которой можно было бы изучить изменение веса тел и явления, зависящие от центробежной силы (опыты с людьми, жидкостями, растениями, животными и пр.). При этом определяются величины перегрузок, не опасных для жизни.
2. Им рассматривается падающая лаборатория с высоты 300 метров (Эйфелева башня) в воду с целью изучения явлений при отсутствии тяжести и предлагается сделать опыт с тележкой, поставленной на подковообразные вертикальные рельсы так, что она не может сорваться с них. Падая с одной ножки, она внизу делает полукруг и поднимается на другую.
3. Им предлагается делать опыты с человеком, погруженным в воду при ударе лаборатории.
4. Рассматриваются условия выстрела из длинной пушки ядром в котором находится человек, погруженный в жидкость.
5. Рассматриваются условия жизни и полета в межпланетном пространстве животных в шаре со стеклами. Внутри шара помещены, кроме животных, почва, растения, кислород, углекислота и влага. Энергия доставляется солнцем.
6. Рассматриваются условия жизни человека на астероидах разных размеров и вероятная форма и организм существ, если бы таковые на них обитали.
7. Рассматривается искусственное получение силы „тяжести“ в мировом пространстве путем вращения камеры с людьми и привязанного к ней на цепях груза вокруг некоторого центра тяжести.
8. Изучаются способы центра полета с астероидов в мировое пространство и солнечные двигатели. Работа последних, по идее К. Циолковского основана на использовании солнечной энергии. Устроены же они следующим образом. Представьте себе металлический сосуд, совершенно сомкнутый, но способный поменять свой объем, например, как мехи. Сосуд наполнен парами подходящей жидкости и имеет одну половину наружной поверхности черную, поглощающую солнечные лучи, а другую — блестящую, их отражающую. Когда он обращен к солнцу черной стороной, пары жидкости расширяются, а когда светлой, то они сжимаются. При вращении сосуда он будет то сжиматься, то расширяться и давать требуемую работу. Такие моторы приводят в движение поезда, двигающиеся по кольцевым рельсам вокруг астероида на разных уровнях, ввиду малой силы тяжести на астероиде, поезда на известной высоте, благодаря центробежной силе, уже не будет иметь веса, а на еще большей даже будут стремиться улететь с астероида и должны прикрепляться к рельсам а последние к вышкам астероида (черт. 16;). Если же освободиться от рельс известного уровня, то в зависимости от приобретенной скорости поезд сделается или спутником астероида или спутником солнца. Если же астероид большой то одной центробежной силы недостаточно, и поезду сообщается еще своя, добавочная, скорость. Поезда, двигаясь или по параллелям или по меридианам, могут или сами отрываться от астероида или при открывании люка в крыше или полу, выбрасывать из себя предметы в пространство.
9. Управление движением астероидов (небольших) и разложение их на части.
10. Собирание в мировом пространстве солнечной теплоты помощью зеркал и отражение ее в определенные очаги.