В своем самолете Можайский смело применил наиболее прогрессивную схему, с одной только парой крыльев - моноплан. Теперь эта схема получила всеобщее распространение.
Четверть века тому назад между сторонниками самолетов с одной парой крыльев - монопланов, и приверженцами схемы с двумя парами крыльев бипланов, происходил горячий спор. Сторонники моноплана справедливо указывали, что при этой схеме возникает наименьшее сопротивление и, следовательно, получается большая скорость полета. Защитники биплана, введенного в самолетостроение братьями Райт, утверждали, что вся эта этажерка или, как ее называли, коробка крыльев, состоящая из двух пар крыльев, стоек, проволочных расчалок, связывающих их воедино, должна иметь вес, меньший, чем у моноплана, и обладая меньшим размахом крыльев обеспечит самолету наилучшую маневренность.
Победила схема Можайского. Русский изобретатель правильно понял, что самолету важнее всего иметь большую скорость полета, а для этого сначала нужно уменьшить его сопротивление, облагородить аэродинамические формы применить монопланные крылья. Современные истребитель и пассажирский самолет, штурмовик и бомбардировщик - все они - монопланы. Лишь для тихоходных самолетов, где требования аэродинамики менее важны, еще сохранилась схема биплана.
Можайский дал своему самолету четко выраженный корпус. Этим он вновь показал, что рассматривает вопросы аэродинамики, как важнейшие; требованиям аэродинамики он подчинил свою конструкторскую мысль. Это представляется очевидным нынче. Но сколько лет на самолетах вместо корпуса устанавливали решетчатую ферму, и самолеты своим видом напоминали какие-то летающие скелеты.
Придавая корпусу своего самолета форму лодки, Александр Федорович думал о возможности посадки самолета на воду. На многие десятилетия раньше, чем идея самолета-амфибии была реализована, Можайский создал ее прототип.
Любой современный самолет имеет хвостовое оперение, расположенное в кормовой части корпуса. Не раз пробовали строить так называемые самолеты-утки, с оперением, находящимся перед крылом - странные сооружения, словно летящие хвостом вперед. Но ни усилия Райтов, ни старания бразильского миллионера Сантос-Дюмона, шумно рекламировавшего во Франции любой свой грошовый успех на поприще авиации - не обеспечили победы этой надуманной схеме.
Победила схема оперения, примененная Александром Федоровичем Можайским.
Первый в мире самолет стоял на тележке, снабженный четырьмя подрессоренными колесами, что смягчало удар при посадке. Тележка исключала возможность опрокидывания самолета при взлете и при посадке. Эта схема шасси не сразу стала основной в авиастроении. Самолеты начала XX века, самолеты первой мировой войны и самолеты, строившиеся после ее окончания по большей части имели колесное шасси, состоявшее из трех колес: двух впереди, перед центром тяжести самолета, а одного, маленького хвостового сзади. Основные колеса были вынесены только немного вперед по отношению к центру тяжести самолета, иначе сильно возрастала нагрузка на хвостовое колесо - самолет долго бежал по земле до взлета, не в силах оторвать хвостовую опору. Но самолет с малым выносом колес на посадке легко мог опрокинуться через нос.
Только внедрение реактивной техники в авиацию сделало возможным применить такую схему шасси, при которой основными колесами стали задние, а передние, сильно вынесенные вперед по отношению к центру тяжести самолета, уберегали машину от аварии.
Схема, основные особенности которой правильно понял и отобразил Можайский, - оказалась наиболее целесообразной.
Для управления самолетом Александр Федорович применил тросы, соединяющие рули с двумя штурвалами, раздельно воздействующими на каждый из рулей. Тросовая система управления рулями живет в самолетостроении до наших дней.
Замечательные конструктивные решения каждой из частей первого в мире самолета видели передовые люди отечественной науки. В дни первой Всероссийской авиационной недели, проводившейся в России в начале нашего века, академик М. А. Рыкачев, говорил:
"Его идея аэроплана та же, что современные машины. Не было лишь тогда легких и сильных моторов. А как он хотел убедить всех, что его идея достижима. Он был действительно прав".
Профессор В. И. Ковалевский, при открытии Первой Международной воздухоплавательной выставки в 1911 году, сказал о самолёте, который около полувека тому назад построил Можайский:
... "Сделан был аппарат настолько хорошо, что если бы его поставить здесь в Михайловском манеже, рядом с Блерио, то последний мог бы сказать: "Шапки долой!"
Сердце самолета
Еще в середине прошлого века вопросами воздухоплавания занимался русский ученый, артиллерист, генерал К. И. Константинов.
Разносторонний ученый, он изобретал приборы для измерения очень малых промежутков времени, был видным специалистом в области ракетной техники, стал известен как пионер в области автоматики и, в частности, электроавтоматики. В 1856 году Константинов написал большую статью "Воздухоплавание", первый обстоятельный разбор истории развития воздушных шаров и парашютов. Особо ценные мысли высказал Константинов по вопросу о создании управляемых аэростатов. Он пришел к выводу, что нужен двигатель или, как он писал, движитель "несравненно легчайший в отношении доставляемой работы, известных поныне". Такого легкого и, в то же время, мощного двигателя тогда еще не существовало и, следовательно, нельзя было создать управляемый аэростат.
Совершенного двигателя для самолета не было и в тот период, когда Можайский изучал свойства крыла; открыл связь между площадью крыльев, весом летательного аппарата и скоростью его полета; выработал метод расчета лётных характеристик своего воздухолетательного снаряда. Вопрос о двигателе оставался открытым. Для своего будущего самолета Можайский решил уже ряд сложных задач; и все же оставалась последняя, пожалуй, самая трудная задача - создать двигатель. Ведь от модели к самолету можно было перейти лишь после того, как появится двигатель, мощный и обязательно легкий. Простой в устройстве, надежный в работе и, главное, легкий.
Можайский отлично знал судовую паровую машину. Но ее нельзя было перенести на самолет, слишком уж она была тяжела и громоздка. Правда, со времени Ползунова паровые машины стали много совершенней, вместо нескольких тонн на одну лошадиную силу мощности первой машины теперь приходилось лишь сто килограммов на 1 лошадиную силу. Это был большой успех, но все-таки еще недостаточный для самолетостроения.
Можайский знал, что еще в начале второй половины XIX века удалось поставить на аэростат паровой двигатель, весивший без котла, воды и топлива около 17 килограммов на 1 лошадиную силу. Но мощность этого двигателя составляла всего лишь 3 лошадиных силы. Можайскому был нужен двигатель большей мощности и, во всяком случае, еще меньшего удельного веса.
Конструкторы летательных машин пытались обратиться к другим источникам энергии. Так, молодой изобретатель Александр Николаевич Лодыгин{39} в 1869 году предложил установить на летательном аппарате электродвигатель. Французский адмирал Дюпюи де Лом, отчаявшись найти легкий двигатель, посадил в гондолу своего аэростата десять человек и заставил их вращать коленчатый вал с насаженным на нем воздушным винтом. Некоторые изобретатели, например, Соковнин, хотел установить реактивный двигатель. Но их конструкции двигателей были еще далеки от совершенства и не годились для авиации. Словом, легкого двигателя не существовало. Его предстояло создать.
Способность Можайского смотреть далеко вперед, из многообразия возможных решений выбирать наилучшее, проявилась и теперь. Он обратил внимание на новые, недавно изобретенные двигатели. Лишенные котла и холодильника, они не нуждались в воде, превращавшейся в пар. Носитель энергии - светильный газ - прямо поступал в рабочий цилиндр и, зажженный, толкал поршень, вращал вал, следовательно, мог вращать и пропеллер.
Можайский знал, что лет за шесть до его приезда в Петербург один немецкий конструктор поставил такую газовую машину на аэростат. Но что было пригодно, и то с трудом, для дирижабля - не годилось для самолета. Не случайно машину называли пожирателем газа. За час работы на одну лошадиную силу развиваемой мощности эта машина потребляла до трех кубических метров газа.
Для самолета жидкое топливо - лучшее, оно занимает меньше места. Сжигая жидкое топливо, распыленное в воздухе, непосредственно под поршнем в рабочем цилиндре - можно было создать новый, простой, свободный от громоздких частей, присущих паровой машине, двигатель. Можайский хотел воспользоваться таким нефтяным двигателем, конструкцию которого разрабатывал американец Брайтон. В пояснительной записке, представленной в Главное инженерное управление в 1878 году, Можайский писал:
"Машину для вращения винта я предполагаю поставить системы Брайтона (углеводородную), нефтяную. Машина этой системы не имеет котла и потребляет нефти 2/3 фунта в час...
При быстром вращении винта может получиться быстрота движения аппарата, необходимая для разбега его по земле и для получения парения и для отделения аппарата от земли. Но как с силою машины связана и ее тяжесть, то я, соображаясь с предполагаемою мною тяжестью или весом одной лошадиной силы машины системы Брайтона с материалом для действия на два часа с 10 до 11 фунтов, нахожу возможным поставить на мой аппарат машины в 30 индикаторных сил".
Опыт применения двигателей на кораблях давал возможность Можайскому приближенно найти мощность, которую должна развивать новая машина для движения самолета. Изобретатель считал, что мощность в тридцать лошадиных сил будет достаточной для движения его самолета.
Первая построенная Брайтоном машина была газовой. От существовавших газовых машин она отличалась тем, что в ней был осуществлен принцип сгорания смеси газа с воздухом при постоянном давлении. Эта смесь, поступая в цилиндр, загоралась, проходя мимо специальной горелки и, следовательно, давление на поршень возникало не при мгновенном взрыве смеси, а в результате ее постепенного горения.
Но газовый двигатель работал ненадежно, и Брайтон перешел к керосиновой машине, у которой в цилиндр подавался керосин и воздух. Этот новый двигатель, слегка измененный одним французским конструктором, был впервые показан на III Всемирной выставке в Париже летом 1878 года.
Можайский видел и преимущество этой новой машины, и ее конструктивное несовершенство. Для своего самолета изобретатель намеревался изменить конструкцию двигателей, а не просто копировать машину Брайтона. Как всегда, Можайский собирался дать свое, оригинальное, конструктивное решение.
Какой именно двигатель хотел получить Можайский, стало известно теперь из двух документов, найденных в 1949 году в Центральном Государственном архиве военно-морского флота. Один документ - это рапорт помощника главного инженер-механика флота, направленный 14 мая 1879 года управляющему морским министерством; второй - чертежи первого авиационного двигателя в мире, созданного Можайским.
В рапорте помощника главного инженер-механика флота приведено описание двигателя, разработанного Можайским:
"Главный инженер-механик флота. 14 мая 1879 г. No 405. Управляющему морским министерством.
Вследствие приказания Вашего Превосходительства узнать систему газовой машины для воздухолетательного аппарата, изобретенного капитаном I ранга Можайским, имею честь доложить, что газовая машина эта состоит из двух цилиндров: одного рабочего и одного воздушного, действующих на общий коленчатый вал винта. Работа этой машины, как это видно из приложенного при сем рисунка, происходит следующим образом: помощью воздушного насоса воздух гонится в рабочий цилиндр, при этом встречается с нефтью, вгоняемой в трубу же около крышки рабочего цилиндра и пропитывающей войлок, лежащий на решетке и сетке в гнезде.
Нефть вгоняется из систерны помощью помпы, действующей посредством эксцентрика, насаженного на коленчатом вале. Воздух, проходя в рабочий цилиндр через пропитанный нефтью войлок, образует чрез размельчение нефти газ, который воспламеняется от искры электрического прибора Румкорфа, проволоки которого проведены в верхнюю часть цилиндра. При воспламенении газа поршень толкается вниз, для движения же поршня вверх в нижней части цилиндра сделано подобное же устройство. Это попеременное движение поршня дает вращение вала, на котором насажен винт, двигающий воздухолетательный аппарат.
Часовой расход нефти на индикаторную силу машины около 2/3 фунта.
Машины подобного устройства, по мнению капитана I ранга Можайского, могут быть с большою выгодою употреблены для электрического освещения или для мелких судов, и это мнение мною вполне разделяется".
Из этого документа и приложенного к нему чертежа видно, что Александр Федорович хотел применить тяжелое жидкое топливо - нефть; впервые воспользоваться системой принудительного зажигания горючей смеси размельченных частиц топлива, распыленного в воздухе - электрической искрой от специальной индукционной катушки; осуществить двухстороннее действие продуктов сгорания на поршень двигателя, - все это отличало его будущий двигатель от двигателя Брайтона. И эти особенности первого двигателя Можайского нашли себе впоследствии широкое применение в авиационных двигателях.
Думал Можайский о том, что в России, при "жалкой беспомощности со стороны наших технических производств", невозможно построить такой двигатель. Это возможно выполнить в Америке, и Александр Федорович обратился в морское министерство с просьбой предоставить ему командировку.
В те годы управляющим морским министерством был С. С. Лесовский, его Можайский хорошо знал как командира фрегата "Диана". Но в министерстве не нашли возможным командировать Можайского в Америку ввиду истощения кредита на заграничные командировки.
Но Александр Федорович не оставил мысли заказать свой двигатель в Америке и продолжал настойчиво добиваться командировки, теперь в министерстве финансов. И вот из морского министерства идет пространное письмо к министру финансов, где говорится, что министерство
"в виду весьма важных в военном отношении результатов, которые можно ожидать от успешного разрешения вопроса о воздухоплавании, признает согласным с интересами правительства оказать возможное пособие капитану Можайскому в настоящем деле". Министр финансов сухо и холодно отказывает в просьбе: "в виду затруднительного в настоящее время положения Государственного Казначейства".
В 1879 году Можайскому не удается добиться заграничной командировки. Раз нельзя ехать, значит, нельзя заказать и строить двигатель. И Можайский отказывается от мысли установить на самолете нефтяной двигатель и начинает проектировать паровую силовую установку.
Можайский принял решение - поставить на свой самолет паровую машину. Почему? Да ведь паровая машина прекрасно изучена и отработана, ее особенности хорошо известны. Проектируя авиационную паровую машину, надо добиваться лишь уменьшения веса двигателя, приходящегося на одну лошадиную силу. А у нефтяного двигателя проблема веса является только одной из множества других, сложных и нерешенных. Можайский представлял себе, что испытания будущего самолета заставят искать ответа на самые неожиданные вопросы, которые возникнут по разным поводам. И чем лучше изучен двигатель, стоящий на самолете, тем легче удастся разобраться во всех остальных трудностях. Неотработанность нового нефтяного двигателя способна усложнить испытания самолета.
В 1880 году Можайский снова обратился в морское министерство с просьбой командировать его за границу. На этот раз он просил меньшую сумму, так как собирался заказать паровые машины по своим чертежам. 12 апреля последовало согласие министра финансов отпустить капитану I ранга Можайскому 2500 рублей.
Можайский поехал в Англию, и в Лондоне, у фирмы Арбекер заказал два двигателя. Проект этих двигателей выполнил сам Можайский.
К маю 1881 года были построены две двухцилиндровые вертикальные паровые машины двойного действия, двухкратного расширения с золотниковым парораспределением. Большая машина развивала мощность в 20 лошадиных сил при 300 оборотах в минуту, меньшая обладала мощностью в 10 лошадиных сил при 450 оборотах в минуту.
Основные детали двигателей - цилиндры, поршни, поршневые штоки, коленчатые валы - были сделаны из кованой стали; детали, трение которых следовало уменьшить - подшипники, золотники, насосы - были изготовлены из фосфористой бронзы. Чтобы облегчить вес, коленчатые валы и поршневые штоки были выполнены пустотелыми. Пар для обоих двигателей подавался одним стальным прямоточным котлом. Топливом служил керосин.