Первые попытки разработки и создания летательных аппаратов тяжелее воздуха

Первые изобретатели, мечтая осуществить идею полёта человека в воздушном пространстве, пытались создать летательный аппарат тяжелее воздуха тремя основными путями: а) создание ЛА с машущими крыльями; б) проектирование винтокрылых летательных аппаратов; в) создание ЛА с фиксированным (неподвижным) крылом. В глубокой древности человек мечтал совершить полёт подобно птице, и природа указывала ему на простой и доступный путь решения проблемы полёта – машущее крыло.

Впервые идею создать летательную машину с машущими крыльями в общем виде высказал английский учёный Роджер Бэкон в середине XIII века. В труде «О тайных вещах в искусстве и природе», опубликованном в 1542 г., он писал: «Можно построить машины, сидя в которых, человек, вращая приспособление, приводящее в движение искусственные крылья, заставлял бы ударять их по воздуху, подобно птичьим».

Два века спустя, идея крылатого ЛА привлекла внимание выдающегося итальянского учёного Леонардо да Винчи. После долгих поисков, в отличие от Бэкона, он разработал проекты орнитоптеров нескольких типов – с лётчиком в лежачем положении (1485-1487 гг.), орнитоптер-лодку (около 1487 г.), с вертикальным расположением лётчика (1495-1497 гг.) и пр.

При их разработке учёный выдвинул ряд важных конструктивных идей: фюзеляж в виде лодки, поворотное хвостовое оперение, убирающееся шасси.

Стремясь повысить мощность взмаха крыльев, да Винчи предлагал наряду с силой рук использовать и силу ног человека. Самой сложной была проблема двигателя. Леонардо долго и внимательно изучал возможности мускульной силы человека и пришёл к выводу, что одной её для полёта недостаточно. На орнитоптере он предусмотрел дополнительный двигатель в виде пружины. С помощью блоков её можно было тянуть, аккумулируя механическую энергию, нужную лётчику. Однако идеи Леонардо да Винчи в области теории и практики механического полёта остались на много столетий захороненными в его рукописях и получили широкую известность лишь в конце XIX века.

Несмотря на многочисленные неудачи, попытки полётов с помощью орнитоптеров-мускулолетов продолжались долго. В середине XVII века английский механик Роберт Гук, работая над проблемой полёта, осознал, что мускулы человека не смогут поддержать его в искусственном полёте и высказал мысль о необходимости для этого боле мощных «искусственных мускулов». Независимо от Гука бесперспективность идеи полёта с помощью машущих крыльев обосновал в конце XVII века итальянский учёный Д. Борелли. Указывая на значительную разницу в относительной массе и силе мускулов, которые человек и птица могут задействовать для полёта, он пришёл к выводу, что человек не сможет полететь, используя лишь собственную силу. В это же время родилась идея использовать энергию пара на ЛА (Д. Уилкинз, 1648 г.), но несмотря на то, что выводы учёных доказывали невозможность полёта с помощью искусственных крыльев, приводимых в движение человеком, попытки создать орнитоптеры-мускулолеты продолжались ещё много лет (Ж.П. Бланшар, 1781 г.; К. Меервейн, 1784 г.; Т. Уолкер 1810 г.; и др.)

В России во 2-й половине XIX века не прекращались попытки решить проблему полёта, подражая птицам. В это время над созданием орнитоптеров работали: Михневич, Я.И.Краевский, В.Д.Спицын, Барановский и пр. В их работах говорилось уже о проектировании усовершенствованных ЛА. Для увеличения силы удара крыла о воздух наряду с силой рук предполагали использовать и силу ног человека, с помощью специальных приспособлений крылья поднимались вверх для выполнения силового махового движения таким образом, чтобы сопротивление их было минимальным.

То, что мускульной силы человека явно недостаточно для машущего полёта, понимали и сами изобретатели, предполагая использовать на орнитоптерах тепловые двигатели (В.Д.Спицын, Бертенсон, М.И.Иванин) и даже небольшой аэростат (Я.И.Краевский).

В Европе в XIX веке было разработано множество проектов орнитоптеров. В 1843 г. выдающийся английский учёный Джордж Кейли, высказал мысль о схеме с несколькими (параллельно одно над другим) крыльями, чтобы «…получить достаточную величину поверхности для поддержания большого веса в воздухе…с меньшим размахом». В дальнейшем эту идею некоторые изобретатели использовали в конструкциях орнитоптеров.

В 1863 г. эльзасский промышленник Ж. Буркар построил орнитоптер с двумя парами крыльев, надеясь достичь интересных результатов, однако, это ни к чему не привело. В 1864 г. Струве и Телешев предложили орнитоптер, работающий от мускульной силы человека, с пятью парами крыльев, ожидая тем самым преодолеть проблему устойчивости. В июне 1868 г. инженер Кауфман из Глазго, привлёк внимание своей моделью на первой в истории авиавыставке «Хрустальный дворец» в которой паровой двигатель должен был приводить в действие две машущие поверхности, а четыре крыла обеспечивать подъёмную силу. Однако во время работы, махая крыльями, аппарат разрушился на части, и на этом эксперименты закончились.

В начале XIX веке выдвинули идею резиномотора (резиноаккумуляторного двигателя), который вскоре стал основным типом авиамодельного двигателя. Первое упоминание об авиационном резиномоторе встречается в рукописях Д. Кейли 1853 г. В 1858 г. француз П. Жюльен независимо от Кейли пришёл к идее создания разиномотора и впервые применил его на модели самолёта, летавшей на небольшие (10-12 м) расстояния. Его двигатель представлял собой растянутый резиновый шнур, намотанный на два конических барабана, вращение которых передавалось на винтовые пропеллеры, и доказал возможность использовать резиномотор в качестве двигателя.

В 1870 г. француз А. Пено усовершенствовал резиномотор, заменив растянутую резину закрученной. Четыре года спустя он создал и успешно испытал небольшую модель орнитоптера с резиномотором. Это были первые задокументированные и засвидетельствованные полёты модели орнитоптера с резиноаккумуляторным двигателем, которая, по сути, являлась прототипом последующих с данным типом двигателей. Примерно в это же время с орнитоптерами работали: во Франции – В. Татен (1876 г.), Г. Труве (1870 г.), де Луврие Вильнев (1872 г.), Ф.Пишанкур (1889г.); в Германии – О. Лилиенталь (1867г.); в Бельгии – де Грооф (1874г.); в Австралии – Харгрейв (1884 г.); в Англии – В. Корнелиус (1889 г.).

В древние времена зарождалась идея создания вертолёта (геликоптера) – летательного аппарата с вращающимся несущими плоскостями, то есть аппарата, не имеющего крыльев и поднимающегося вверх с помощью больших винтов. Несущий винт в отличие от крыла самолёта не имеет прообраза в природе. Истории неизвестно когда и кем был изобретён предшественник современного несущего винта. Имеются сведения: «Китайский волчок» или «Летающая палочка» – игрушка, представляющая собой стержень с приделанным к верху концу винтом, которую раскручивают руками и отпускают, была известна ещё с античных времён. Впервые использовать воздушный винт для «путешествий по воздуху» предложил в 320 г. китайский философ Ко Хунг.

В конце XV века Леонардо да Винчи впервые нарисовал прототип вертолета – геликоптер. Первая в мире документированная практическая разработка летательного аппарата тяжелее воздуха была выполнена великим русским учёным М.В. Ломоносовым. В 1754 г. он построил модель геликоптера. Следует отметить, что ему ничего не было известно о работах Леонардо да Винчи, так как впервые они были обнародованы только в конце XIX столетия. Ломоносов теоретически обосновал и практически осуществил первую модель летательного аппарата тяжелее воздуха. Он сделал первую в истории практическую попытку применить архимедов винт для полета. При этом нельзя забывать, что винт в то время не был ещё известен даже в качестве движителя для морских судов. Тем значительнее это открытие великого русского учёного. Оно показывает, что Ломоносов правильно понял законы сопротивления воздуха и нашёл силу, способную поддерживать и продвигать аппарат в полёте. Особенно интересно, что учёный, очевидно, стремясь уничтожить реактивный момент, предусмотрел в своём геликоптере два винта вращающихся в противоположные стороны.

Однако изобретателем геликоптера считают француза Пауктона, который на 14 лет позже Ломоносова, в 1768 г. сконструировал небольшой геликоптер. Французские учёные физик-механик Бьенвеню и естествоиспытатель Лонуа в 1784 г. тоже построили маленькую модель геликоптера, снабжённую источником энергии в виде обычного лука из упругого китового уса, которая летала. Своё изобретение они доложили Французской Академии наук 28 апреля 1784 г.

Первое в России после геликоптера М.В.Ломоносова упоминание о постройке модели вертолёта (1861 г.) содержится в предисловии описания проекта самолёта, данного М.Сауляком в 1868 г. В 1863 г. проекты вертолётов публикуют журналист А.В. Эвальд и горный инженер П. Алексеев. В 1869 г. А.Н. Лодыгин, известный в последствии своими изобретениями в области электротехники, предложил проект аппарата вертикального взлёта с электрическим двигателем. Летательный аппарат, названный Лодыгиным «электролет», предназначался, в частности, для решения таких военных задач, как воздушная разведка и даже бомбардировка.

Во второй половине XIX века проблемой создания вертолёта занимался также выдающийся отечественный метеоролог Михаил Александрович Рыкачёв. Как и Ломоносов, Рыкачёв стремился разрешить проблему исследования верхних слоёв атмосферы с помощью летательных аппаратов. Совершив лично несколько подъёмов на воздушном шаре, учёный убедился в несовершенстве аэростатов для намеченных изысканий и обратился к разработке летательных аппаратов тяжелее воздуха. Отсутствие материальных возможностей заставило учёного ограничиться экспериментами по изучению работы несущего винта. В 1870 г. французский исследователь А. Пено создал модель вертолёта с вращающимися в противоположные стороны винтами (впервые эта идея была предложена М.В. Ломоносовым в 1754 г.). Это позволило решить проблему балансировки реактивного момента, действующего на модель. В это же время эксперименты с вертолётами проводили во Франции: Ренаур (1872), Меликофф (1877), Дандро (1878-1879) и др.; в Италии – Е.Форланини (1877), в США – Л.Кроуэл (1862), Д. Вуттон (1866), Д. Вад (1876) и др.

Работы, связанные с винтокрылыми машинами, велись в России Д.К. Черновым, С.К. Джевецким, И.О. Ярковским, С.С. Неждановским, Н.Е. Жуковским и др. Основная проблема, стоявшая тогда перед изобретателями, заключалась в разработке двигателя с малым удельным весом для более энергоёмкого, по сравнению с самолётом, вертолёта. В связи с этим были предложены проекты, в которых предлагалось подавать сжатый воздух по трубам с земли для привязного вертолёта (Л.Д. Андре). Другие исследователи предлагали использовать электродвигатель в качестве силовой установки вертолёта (А.Н. Лодыгин, С.А. Ноткин, О.И. Мирошниченко и др.).

Ещё одной проблемой при разработке винтовых аппаратов было создание теории несущих винтов. Степаном Карловичем Джевецким в 1892 г. были заложены основы теории «элемента лопасти», которая на протяжении многих лет являлась для конструкторов вертолётов главным руководством по выбору параметров несущих винтов.