10.12.6. Летательные аппараты

We use cookies. Read the Privacy and Cookie Policy

Аэронавтика не была ни индустрией, ни наукой. Она была чудом.

Вы (также Игорь Сикорский)

Что это

Способ воплотить одно из древнейших мечтаний человечества, терзавшее его с тех пор, как кто-то из наших предков заметил волшебную красоту летящей птицы и подумал: «Ого, смотрится клево, вот мне бы так!»

До того как были изобретены

Вы рождались на земле и умирали на земле, и вы говорили себе, что это хорошо и что глупо даже мечтать о лучшем.

Изобретены

500 до н. э. (привязывание людей к огромным воздушным змеям);

1250 н. э. (первые рисунки аппаратов легче воздуха, движимых еще не открытой в то время технологией);

1716 н. э. (первые опубликованные наброски аппаратов тяжелее воздуха, движимых еще не открытой в то время технологией);

1783 н. э. (первый полет на аппарате легче воздуха);

1902 н. э. (первый полет на самодвижущемся аппарате тяжелее воздуха).

Предпосылки

Бумага и ткань (или, если он у вас есть, шелк), серная кислота и железо (для воздушных судов с водородом), дерево (для планеров и аппаратов тяжелее воздуха), двигатели и металл (для самодвижущихся аппаратов тяжелее воздуха), компасы, широта и долгота (для навигации).

Как изобрести

Воздушный шар с горячим воздухом – удивительно простое изобретение.

Огонь нагревает воздух, и тот поднимается, так что если поместите мешок из ткани сверху, то мешок вскоре наполнится горячим воздухом, ну а если он окажется достаточно велик, а ткань – плотна, то ваш летательный аппарат приобретет достаточно плавучести, чтобы подняться над землей. Ухватитесь покрепче за этот мешок или приделайте к нему большую и крепкую корзину, чтобы забраться в нее и не дать рукам устать, и тогда вы подниметесь вместе с ним. Нет необходимости даже в том, чтобы заделывать мешок снизу, поскольку самый горячий воздух окажется сверху, а тот, что останется снизу, будет почти той же температуры, что и окружающая атмосфера.

Лучше привязать всю конструкцию к земле на время тестовых подъемов и прихватить с собой мешки с песком в качестве балласта (они летят за борт, чтобы уменьшить вес летательного аппарата, если тот начинает опускаться: полезно, чтобы замедлить спуск после того, как воздух внутри мешка остынет). И в конечном счете можно прихватить на борт огонь: это хоть и опасно, зато позволяет нагревать воздух и подниматься прямо во время полета.

Другими словами, для воплощения в реальность старой как мир мечты человека о полетах вам нужно лишь некоторое количество плотной ткани и огонь.

Но чтобы понять это, нам понадобилось время до 1783 н. э.

Да, мы не раз уже проезжались по поводу того, сколько времени потребовалось людям, чтобы сделать то или иное открытие, даже после того как у них были все нужные технологии-предпосылки, но это, черт возьми, унизительно. Если провести линию из точки, где у человечества имелось все, что нужно (огонь и веретено, с помощью которого можно изготовить ткань), в точку, где оно наконец смогло подняться в воздух, то эта линия протянется почти на десять тысяч лет.

Шар с горячим воздухом – это не космический корабль и не машина времени, для изготовления которых нужна совместная работа массы людей, владеющих сложными технологиями. Первый такой шар изобрели два мучающихся от скуки брата, используя холщовый мешок.

При достаточной мотивации вам не требуется цивилизация, чтобы сделать такую штуку. Единственный индивидуум даже в неолитические времена, не имея прялки или веретена, мог за долгое время собрать достаточное количество натуральных волокон животного или растительного происхождения, спрясть их вручную и изготовить мешок. Однако за те 200 тыс. лет никому это в голову не пришло, зато мечтающие о полете люди таращились на птиц и пытались их копировать, сооружая гигантские крылья, покрывая их перьями и покрывая теми же перьями человека, прикрепленного к этим крыльям… чтобы уж точно все получилось.

СОВЕТ ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ЦИВИЛИЗАТОРА:

Прикрепление к телу перьев не является ни необходимым, ни обязательным условием для полета, так что подобный выбор можно делать, только исходя из соображений моды.

Поскольку даже в таком «снаряжении» взлететь не удавалось, люди прыгали с башен и размахивали крыльями, думая, что в этом весь секрет. Лучшее, на что могли надеяться такие аэронавты, – немного спланировать, но обычно они просто падали навстречу переломанным костям, смерти или кастрации[191], после чего умники объясняли все тем, что «пилот» забыл обзавестись хвостом (852 н. э., 1010 н. э.), тем, что использовал куриные перья, а не орлиные (1507 н. э.), или ветер в тот день оказался недостаточно сильным, чтобы наполнить крылья и понести их владельца, словно корабль на парусах (1589 н. э.)[192].

В Китае около 500 до н. э. были изобретены воздушные змеи (вы можете изобрести их тоже, просто натяните ткань на легкую раму, привяжите к конструкции веревку и добавьте ей хвост для стабильного полета). После этого достаточно больших змеев при сильном ветре использовали для того, чтобы поднимать в воздух людей, но тот, кто видел, как летает змей и как легко он падает, понимает, что этот метод связан со смертельным риском. Около 200 до н. э. китайцы придумали летающие фонарики, те же самые воздушные шары с горячим воздухом, нагревала который банальная свеча.

Тем не менее никто не попытался увеличить масштаб этих поделок, чтобы поднять человека.

И наоборот, в Европе в 1250 н. э. опубликовали книгу, в которой изображалось устройство воздушного шара[193], но поскольку в то время никто не имел представления, что воздух имеет вес, а горячий воздух весит меньше обычного, то воздушный шар должен был летать на «эфирном газе». Газ этот предполагалось открыть в будущем, и ему приписывалось свойство плавать в атмосфере.

Давайте сравним: в 200 до н. э. у человечества в одной руке была технология, связанная с тем, что горячий воздух поднимается, а в 1250 н. э. в другой руке оно держало конструкцию, способную летать на том же горячем воздухе, но две идеи так и не встретились, пока одновременно не были заново открыты во Франции в 1783 н. э. Французы, братья Монгольфье (именно из-за них воздушные шары с горячим воздухом именуют «монгольфьерами»), даже не знали, что горячий воздух поднимается!

Первые эксперименты они проводили, как мы уже сказали, с холщовым мешком, подбитым бумагой, чтобы воздух не выходил. Сначала Монгольфье использовали пар, но тот быстро уничтожал бумагу, тогда они переключились на дым от горящего дерева, поскольку верили в некую разновидность «электрического пара», который высвобождает особый газ, названный «газом Монгольфье» (а как же еще?), и этот газ обладает особым свойством «левитации». Даже с учетом всей этой чепухи базовой концепции «поймай газ легче воздуха в некий футляр, и футляр взлетит» оказалось достаточно для того, чтобы состоялся первый полет.

Чем лучше и плотнее плетение вашей ткани, тем качественнее она будет держать воздух, так что шелк (см. раздел 10.8.4) отлично подойдет. Направление, в котором полетит воздушный шар, само собой, будет определяться ветром, но если вы сумеете поставить на корзину двигатели, то получите возможность контролировать траекторию, и вот оно, ваше воздушное судно.

Но нельзя ли справиться получше? Конечно, можно.

Да, горячий воздух, пущенный в дело, поднимается по той причине, что он легче обычного воздуха, но все же он далек от того, чтобы быть исключительно легким газом. Однако вам нужен максимально легкий газ, ведь чем он легче, тем меньше топлива вам понадобится, чтобы держать шар в воздухе, и тем большее расстояние вы преодолеете. Очевидное решение – совершенно убрать горячий воздух и закачать в шар самый легкий газ во вселенной.

Давайте попробуем это сделать.

Самый легкий газ во вселенной – водород, и в приложении С показано, как можно использовать электричество для того, чтобы извлекать водород из соляного раствора. Но если вам нужны большие объемы водорода – а они вам нужны, если вы собираетесь строить воздушные корабли, – то вы захотите использовать самый дешевый метод. Можно обдавать паром раскаленное докрасна железо, и пар будет распадаться на газообразный водород и газообразный кислород (и последний радостно начнет образовывать оксид железа на металле), но для этого нужно много железа. Более простой вариант – поступить так, как поступали авиаторы-любители в нашей временной линии, и положиться на факт, что разведенная серная кислота реагирует с железом и в результате получается водород[194].

Разведите серную кислоту, медленно добавив 3,5 меры ее веса воды, насыпьте металлических опилок в бочку и налейте в эти опилки кислоты в расчете 2 к 1 по весу, то есть 2 кг кислоты на 1 кг железных опилок. И начнется реакция, что даст вам водород.

Затем его можно пропустить через вторую бочку, наполненную гашеной известью (как ее изготовить, также рассказано в приложении С), чтобы удалить из газа остатки кислоты, а их нужно удалить, поскольку иначе они будут разъедать ткань вашего шара. Исторический опыт показывает, что это не очень хорошо.

Серная кислота закончится раньше, чем железо, так что вы можете спустить использованную жидкость из бочки и заново наполнить ее, пока не останется железа для поддержания реакции. Ваш аппарат по производству водорода будет выглядеть вот так (рис. 46).

Рис. 46. Аппарат для производства водорода

Примерно 400 кг железа и 800 кг серной кислоты позволят произвести около 140 м3 водорода, а 10 м3 водорода достаточно, чтобы поднять около 10,7 кг, в зависимости от атмосферного давления, температуры и влажности.

А теперь, перед тем как вы ринетесь смешивать серную кислоту с железными опилками, запомните: водород предельно горюч и обладает свойством иногда взрываться. Миру самым ужасным образом напомнили об этом 6 мая 1937 н. э., когда наполненный водородом дирижабль «Гинденбург» взорвался и рухнул, объятый языками пламени, в тот момент, когда пытался причалить к специальной мачте, и катастрофа оказалась настолько жуткой, что на ней закончилась целая эра в истории воздухоплавания.

В преступлении обвинили искру статического электричества.

В этот момент вы наверняка подумали: «Ого, а почему они не использовали гелий? Может быть, мне стоит остановиться на нем?» Да, гелий не взрывается, не вступает в реакции с другими веществами, и он второй по легкости газ и обладает подъемной силой в 88 % от водорода, но его намного сложнее достать.

Единственный природный источник гелия на Земле – невероятно медленный процесс радиоактивного распада тяжелых элементов вроде урана. И даже когда он имеет место, любой гелий, не запертый в земной толще, просачивается в атмосферу, а там благодаря своей легкости оказывается в верхних ее слоях, практически в космосе. Поэтому гелий почти совершенно невозобновляемый[195] ресурс.

Так что если вы хотите недорогой и эффективный летательный аппарат легче воздуха, то ваш выбор в краткосрочной перспективе – использовать водород и быть очень, очень, очень осторожным.

Но существует и другая альтернатива: заставить летать вещи тяжелее воздуха.

Изобрести устройства легче воздуха очень просто, а вот в случае с устройствами тяжелее воздуха все обстоит несколько сложнее, чем просто сказать: «Заполни мешок горячим воздухом или другим легким газом, и ты справился вообще на отлично, дай пять». Что еще хуже – полное детальное объяснение принципов аэродинамики потребует куда больше места, чем мы располагаем в этом вероятно-никем-не-читаемом-если-не-случится-катастрофы-в-нашей-FC3000тм-арендованной-машине-времени-и-насколько-вероятно-что-это-вообще-случится руководстве по ремонту. Но даже основы того, как запустить в полет аппарат тяжелее воздуха, поставят вашу цивилизацию на многие тысячелетия впереди всех остальных.

Начать вам придется с того, с чего начиналось все и в нашей истории: конструировать планеры, ставить эксперименты и использовать науку, чтобы понять, как это работает. Вы сэкономите огромное количество времени, сломанных конечностей, денег и жизней, если для начала построите аэродинамическую трубу: лежащий на земле туннель, в который вы будете задувать воздух.

Простая штука, но люди догадались соорудить ее только в 1871 н. э.

Она позволит вам перескочить через несколько страниц сценария, изучая полет на земле, когда движущийся воздух обтекает неподвижное крыло (модель), а не наоборот, запуская всякий новый образец в небо, чтобы типа посмотреть, что там такое получится. Привяжите веревочки, чтобы видеть, как движутся потоки воздуха рядом с летательным аппаратом, или используйте дым, чтобы сделать эти потоки видимыми.

Вы можете измерять аэродинамические силы, действующие на ваш аппарат, поместив его на рычажные весы. Если вы еще не изобрели их, то это просто балка, поставленная на вершину треугольника, с деревянными лопастями на каждой стороне. Когда давление на обе половины балки одинаково, она остается в равновесии.

Разместите ваше устройство так, чтобы одно плечо балки находилось внутри аэродинамической трубы (на него вы будете ставить летательный аппарат), а другое снаружи (там разместится противовес). Крыло в трубе создает подъемную силу, и благодаря ей вес летающего аппарата меняется, и вы сможете измерить, как он меняется, и подсчитать подъемную силу[196].

Крыло в разрезе выглядит следующим образом (рис. 47).

Рис. 47. Крыло в разрезе

Крылья работают благодаря изменению локального давления, эксплуатируя тот факт (открытие которого вы теперь можете приписать себе), что объект, движущийся через газообразную среду, постоянно остается в контакте с ней во всех точках поверхности[197]. Крыло разрезает воздух, заставляя ту его часть, что оказывается сверху, завихрить ся, а потом устремиться вниз, чтобы соответствовать форме крыла, из-за этого воздух занимает больший объем и падает его давление. И наоборот, воздух, проходящий снизу, заталкивается в меньший объем пространства и давление под крылом повышается.

Именно этот перепад давления и создает подъемную силу.

Крылья генерируют подъемную силу и вторым путем, эксплуатируя закон «действие равно противодействию», тот самый, что мы вспоминали в разделе 10.12.5. Воздух, проходящий и сверху, и снизу, направляется вниз, когда он покидает крыло, и оно поэтому движется вверх. Вы можете отклонить больше воздуха, сильнее наклоняя крыло, но до определенного предела, при котором воздух перестает скользить по крылу, а начинает двигаться турбулентно, и это не только уменьшает подъемную силу, но часто приводит к крушению.

Само собой, чтобы получить подъемную силу, вам необходимо двигать крылья через воздух, и делать это быстро. Этого можно добиться с помощью реактивных двигателей, но в большей части самолетов (и мы полагаем, что и большая часть застрявших в прошлом путешественников во времени) используют пропеллеры, то есть наборы крохотных вращающихся крыльев, которые тянут самолет вперед, а не поднимают[198].

Добавив небольшой изгиб в форму пропеллера, вы сделаете его более эффективным. На самом деле небольшие изменения в форме крыльев, используются они в пропеллере или нет, могут производить большой эффект, и это свойство вам необходимо использовать, проектируя ваш летательный аппарат.

Вот так может выглядеть простой самолет, и вы наверняка захотите скопировать его устройство (рис. 48).

Рис. 48. Части самолета

Хвост поможет стабилизировать полет, а закрылки на хвосте, которые должны двигаться вверх-вниз, позволяют опускать или поднимать хвост и таким образом определять угол подъема/спуска. Руль поворачивается вправо-влево, и с его помощью вы направляете нос самолета куда нужно. Элероны обеспечивают вам возможность перекувырнуться, поднимите один и опустите второй, и самолет крутанется «через голову». Ну а помимо трюков они нужны для того, чтобы стабилизировать и выравнивать полет. Закрылки на главном крыле действуют аналогично элеронам, но они устроены так, что поднимаются и опускаются вместе, что позволяет вам вносить поправку в количество подъемной силы, генерируемой крыльями. Можно их опустить, чтобы подъемная сила увеличилась, и это полезно при посадке на малой скорости, или поднять, чтобы обеспечить рост скорости.

Помимо тяги и подъемной силы на самолет оказывают влияние еще два фактора: вес (то есть гравитация, тянущая его к земле) и торможение (любая сила, противоположная тяге, скажем, сопротивление воздуха). И это другая область, где аппараты тяжелее воздуха выглядят много более сложными.

В теории – приделайте крылья достаточного размера к штуковине, способной тащить себя через воздух, и вы полетите. На практике двигатели, создающие тягу, требующуюся для создания подъемной силы, достаточной для полета человека, имеют тенденцию быть тяжелыми, и это усложняет все еще больше. Двигатели внутреннего сгорания имеют лучшее соотношение мощность/вес, но паровые двигатели тоже можно использовать. Первый управляемый человеком аппарат тяжелее воздуха на паровом двигателе отправился в краткий полет в 1874 н. э., то есть обошел братьев Райт почти на тридцать лет[199].

Но прежде чем взяться за тяжелую работу по установке двигателей на самолет, поэкспериментируйте для начала с планерами: самолетами без двигателей, которые запускаются с высоких мест. С их помощью можно многое узнать, и в то время как технические предпосылки для летающих аппаратов тяжелее воздуха выглядят сложными, для планера вам надо лишь немного дерева, ткани и некоторое количество знаний, а ими мы вас обеспечили.

Временные эксперименты показали, что функциональный деревянный планер можно построить в Европе около 1000 н. э., не используя технологии нашего времени. Понятно, что полет с помощью двигателя все равно невозможен до промышленной революции, то есть примерно до 1760 н. э., но зато это открытие приводит к появлению авианосцев с планерами и катапультами для запуска их в небо ко времени Возрождения, в начале XV века н. э.

Ваша цивилизация наверняка захочет начать с изготовления воздушных шаров на горячем воздухе прямо сейчас, а уже затем перейти к экспериментам с другими их вариантами или аппаратами тяжелее воздуха, но все целиком на ваше усмотрение. Застрять в прошлом только для того, чтобы какая-то книга запретила вам вываляться в птичьих перьях и посмотреть, что произойдет?

Ха! И мы всецело уважаем ваш выбор.