Вертолет Леонардо да Винчи и создание современного вертолета
Среди архивов Леонардо особой популярностью пользуются записи касательно вертолета, или так называемого воздушного винта.
Механизм Леонардо – дальний предок современного вертолета, в воздух он должен был подняться за счет вращательного движения. Радиус винта – около 4,8 метра. Несущая поверхность винта сделана из полотна с металлической окантовкой. Предполагалось, что в нижней части механизма находятся люди, они движутся по кругу и толкают рычаги, как это делалось когда-то на древних мельницах. Можно было запустить винт также и с помощью троса под осью.
Вообще, во времена Леонардо – и, судя по всему, задолго до него – существовала детская игрушка: палочка с пропеллером: покрутил в руках, она – раз – и полетела вверх. К то ее придумал, неизвестно; есть сведения, что такие игрушки использовались аж в 400 году в Китае.
А вот во Флоренции в XV веке «вертолетики» были популярны – сохранились их изображения. Так что Леонардо просто решил увеличить забавную вещицу до размеров солидного механизма.
Леонардо да Винчи. Воздушный винт
«Я думаю, что если этот механизм добротно сделан, – писал Леонардо, – то есть сделан из накрахмаленного полотна… и быстро раскручен, то он найдет себе поддержку в воздухе и взлетит высоко вверх».
Вертолет Леонардо может летать… но только без людей. Если в качестве «двигателя» использовать мощную пружину, тогда «вертолет» может подняться в воздух, пускай и на короткое время. При этом люди, раскручивающие винт, останутся на земле и просто будут любоваться полетом, который, увы, закончится аварией – такая конструкция не сможет плавно опуститься на землю, не сломавшись.
Конструкция Леонардо не имела пропеллера – в его схеме используется винт Архимеда. С современным вертолетом машину Леонардо роднит только вертикальный взлет.
А что было дальше, спросите вы…
Как всегда – множество изобретателей пытались решить проблему, к которой Леонардо лишь прикоснулся.
Михаил Ломоносов в 1745 году пришел к идее использовать летательный аппарат тяжелее воздуха для доставки регистрирующих приборов в верхние слои атмосферы. С этой целью он построил и испытал первую действующую модель вертолета – «аэродромическую машину». Модель Ломоносова содержала основные элементы современного вертолета – прежде всего, два винта, чтобы компенсировать реактивный момент. Однако его машинка так и осталась моделью.
Машина Ломоносова, 1754 год
Реальные работы по созданию вертолета начались только в XIX веке. «Карманную» модель геликоптера создали французы – естествоиспытатель Бенуа Лонуа и физик-механик Жерар Бьенвеню, которые, естественно, ничего не знали о наследии инженера да Винчи. Детище французских изобретателей, которое оснащалось четырехлопастным винтом, легко поднималось в небо за счет раскручивания пружины, изготовленной из китового уса. Затем прадедушек современных вертолетов стали приводить в движение паровыми двигателями и электромоторами.
Вообще, в XIX веке многие работали над конструкцией вертолета. Русский ученый Н. Е. Жуковский разрабатывает теорию и публикует одну за другой работы по теории полетов, в том числе и вертолетов (геликоптеров). Одновременно появилось большое число различных проектов.
Да, многие работали над созданием вертолетов, но получить работающую модель не смог ли. Несмотря на все старания конструкторов, вертолеты не желали летать. Только в 1907 году французские конструкторы Луи Шарль Бреге (вместе со своим братом Жаком) под руководством профессора Шарля Роше подняли в воздух четырехвинтовой вертолет. Поднять-то подняли, а вот заставить летать не могли. С другими конструкциями происходило то же самое – они взлетали вверх, порой на большую высоту, но двигаться вперед не желали, а в итоге разбивались.
В начале XX века Игорь Сикорский в России занялся строительством вертолетов и даже сумел поднять свою конструкцию в воздух, но не смог поднять на ней пилота. В итоге построенные им вертолеты опять же разбились.
В 1912 году на выставке в Москве Борис Николаевич Юрьев, студент, ученик профессора Н. Е. Жуковского, продемонстрировал вертолет, за который получил золотую медаль. Им был придуман и применен автомат перекоса лопастей винта, который используется в современных вертолетах.
Во время Первой мировой войны профессор аэродинамики Теодор фон Карман и лейтенант Штефан Петроши (иногда пишут Петроцци) в Австро-Венгрии сделали вертолет, который поднимался на 50 метров и держался в воздухе в течение часа.
В 1922 году Георгий Александрович Ботезат (или Джордж де Ботезат), американский конструктор русского происхождения, построил свой четырехвинтовой вертолет в авиационном центре в Дейтоне, в США. Тяжелый аппарат мощностью 170 лошадиных сил, способный нести трех пассажиров, успешно поднялся в воздух на высоту в несколько метров и устойчиво управлялся, совершив в 1922 и 1923 годах более ста полетов. Это был первый вертолет американских ВВС и первый успешно совершивший управляемый полет. Однако американские военные предпочли воздержаться от дальнейшего финансирования исследовательских работ по вертолетам, считая их серийное производство преждевременным.
Во время испытаний, проведенных в 1932 году, вертолет, созданный советскими конструкторами, поднялся на высоту 600 метров.
Но опять же в серию он так и не пошел. Надо всегда помнить, что от создания опытного образца, пусть самого замечательного и перспективного, до появления серийной машины, которую можно использовать в военных или хозяйственных целях, – порой «дистанция огромного размера».
В чем же особенность конструкции вертолетов, почему возникали такие трудности, почему не сразу удалось «заставить» винтокрылые машины лететь по заданному маршруту?
В вертолете вращение к несущему винту передается от одного или двух двигателей через трансмиссию и приводной вал. При этом возникает реактивный момент, который стремится закрутить вертолет в сторону, противоположную вращению несущего винта. Для противодействия реактивному моменту, а также для задания направления используется либо рулевое устройство, либо пара синхронизированных винтов, вращающихся в разных направлениях. В качестве рулевого устройства обычно используется небольшой вертикальный рулевой винт на конце хвостовой балки. Вы наверняка видели, как в боевике какой-нибудь ловкий снайпер сносит метким выстрелом этот маленький винт на хвосте. Что происходит после этого? Вертолет становится неуправляемым и начинает вращаться под действием реактивной силы. Вот этот-то маленький винт на хвосте и заставил винтокрылую машину двигаться вперед!
В сентябре 1939 года Игорь Сикорский создал свой новый вертолет. Да, тот самый Игорь Сикорский, когда-то разбивший первые неудачные модели в России. Теперь, перебравшись в Америку, он наконец-то построил летающий геликоптер! В январе 1942 года поднялась в воздух машина Сикорского, ставшая первым в мире серийным вертолетом. Модель была доведена до ума и начала применяться в военных целях.
На вертолетах Сикорского впервые человек пересек Атлантический и Тихий океаны.
У вертолета есть неоспоримые достоинства перед самолетом – он взлетает и садится вертикально. Ему не нужен аэродром – необходима всего лишь площадка, где машина не врежется в препятствия лопастями (она должна быть примерно в полтора диаметра винта). Именно поэтому вертолет удобно сажать где-нибудь на крыше здания – например больницы, когда надо срочно доставить тяжелобольного или раненого пациента. Вертолет может зависать в воздухе, он способен даже «пятиться». Может нести внешний груз и поэтому незаменим при монтажных работах. Недостаток вертолета – по сравнению с самолетом он куда менее экономичен в смысле расхода топлива и обладает меньшей скоростью.
Как видим, «воздушный винт» можно лишь с очень большой натяжкой назвать вертолетом. И если в случае с орнитоптером, продолжай Мастер заниматься развитием своей конструкции (на базе того маленького рисунка планирующего крыла), Леонардо в принципе мог соорудить из подручных материалов планер, а изготовленный из современного материала планер (мускулолет) с помощью педального привода может подняться в воздух, то «воздушный винт» был и остается просто игрушкой, способной летать.
Изобретения, связанные с воздухоплаванием Парашют Леонардо и создание современного парашюта
«Если у человека есть тент из плотной ткани, каждая из сторон которого составляет двенадцать длин руки, и высота – двенадцать, то он может прыгнуть, не разбившись, с любой значительной высоты», – писал Леонардо. То есть пятьсот лет назад да Винчи изобрел такую необходимую и замечательную вещь, как парашют. Сразу возникает вопрос – защитит ли парашют Леонардо человека при падении с большой высоты и не позволит разбиться или нет? Ответ, как всегда при разрешении научного спора, был один: проверить все на опыте. То есть построить парашют по размерам, указанным Мастером из материалов, которыми мог располагать человек в XV веке.
Нашелся спонсор, который оплатил изготовление парашюта по чертежам Леонардо. Его сделали точно так, как предлагал Мастер, – только льняное полотно было заменено хлопчатобумажным. Арматуру парашюта изготовили из сосновых брусьев. В итоге готовый парашют весил 100 килограммов (!!!). Неужели столь странная конструкция может сработать? Английский парашютист прыгнул с этим парашютом Леонардо и вполне благополучно спланировал с высоты. Однако ему пришлось воспользоваться при приземлении современным парашютом – конструкция Леонардо просто раздавила бы его своей массой. Так что мы с уверенностью теперь можем сказать: Леонардо не просто нарисовал схему-идею, а точно указал параметры устройства. Его модель, будь она построена, была действующей.
Парашют. Вместе с рисунком Мастер приводит размеры своего парашюта, способного безопасно опустить человека на землю
А когда же появился современный парашют?
В 1595 году в Италии Фауст Верачио опубликовал работу «Новые машины». В книге был помещен рисунок такого устройства: кусок квадратного холста, прикрепленного к раме, к углам которой привязывались веревки. Они, в свою очередь, крепились к подвесной системе, которую надевал человек. Однако неизвестно, прыгал ли кто-то с этим парашютом или это была только схема, как у Леонардо.
Первым человеком, о котором точно известно, что он спустился на парашюте, был уроженец города Савойи француз Лавен. В 20-х годах XVI века Лавена заключили в крепость Мольянс. Решив бежать, он тайно изготовил себе парашют из сшитых вместе простыней, сделав из китового уса каркас, который не позволил бы куполу свернуться. Спуск прошел удачно, но стража заметила беглеца и задержала. В 1777 году парижский профессор де Фонтанж изобрел «летающий плащ». Он заявлял, что с помощью плаща можно безопасно спуститься с любой высоты. Однако испытать свое детище сам не решился. Он обратился к судебным властям с просьбой предоставить ему «на опыты» приговоренного к смертной казни преступника. Власти не отказали экспериментатору и смертника выдали. Испытывать плащ должен был узник Бастилии, грабитель и убийца по имени Жан Думье. Он спрыгнул с крыши парижского оружейного склада в плаще-парашюте и остался жив, только повредил в момент приземления колено. После опасного прыжка смертную казнь преступнику заменили пожизненной каторгой.
Дальнейшая судьба изобретения тесно связана с развитием воздухоплавания. В 1783 году французский физик Себастиан Ленорман изготовил и лично испытал парашют, прыгнув с обсерватории. Ленорман первым назвал свое изобретение так, как оно именуется теперь – парашют. В 1791 году французский же изобретатель Жан-Пьер Бланшар сбросил с парашюта собаку. Через два года он сам отважился сделать прыжок, став первым, кто спасся на парашюте после аварии воздушного шара. Правда, попытка оказалась не совсем удачной – аэронавт сломал ногу.
Первый удачный прыжок с парашютом из корзины аэростата был совершен в Париже в 1797 году Андре Жаком Гарнереном с высоты 680 метров. Его парашют (круглый, мягкий, без каркаса, с полюсным отверстием) очень близок к зонтичному типу современных. Интересно, что его племянница – Элиза Гарнерен – 22 октября 1799 года прыгнула с парашютом с высоты 1000 метров, осуществив второй в истории женский прыжок с парашютом спустя десять дней после того, как это исполнила француженка Жанна-Женевьева Лябросс[50]. Интересное семейство, не правда ли?
Своеобразной вехой в нашей истории стал прыжок, совершенный американским капитаном Эрвином Болдуином с аэростата в 1880 году. Дело в том, что во время прыжка парашют Болдуина открывался автоматически. К верхнему узлу строп была привязана стропа-шнур, ее второй конец закреплялся на корзине или оболочке воздушного шара. Когда парашютист отделялся от аэростата, стропа-шнур под его тяжестью обрывалась, матерчатый купол от скорости падения сначала вытягивался во всю длину, а затем наполнялся воздухом и раскрывался. Этот принцип действия автоматического раскрытия парашюта сохранился до наших дней.
В течение XIX века парашют совершенствовался, но существенных изменений в технологии не было. В начале XX века русский изобретатель Котельников создал первый ранцевый спасательный парашют, крепившийся к спине пилота.
Так что Леонардо безо всяких «но» вполне можно считать изобретателем парашюта. Ведь он предложил рабочую модель изобретения с размерами, а не просто что-то нарисовал в уголке тетради.
Военно-транспортные машины и механизмы. Танк Леонардо да Винчи и современные танки
Леонардо по праву считается изобретателем танка. Осадные башни были известны еще с Античности. Кроме того, в те же времена существовала римская тяжелая деревянная повозка, закрытая со всех сторон деревянными щитами, внутри которой располагался таран. Под прикрытием деревянных стенок, которые обычно покрывали смоченными в воде шкурами, легионеры мог ли подобраться к воротам осажденного города вплотную, чтобы разбить их.
Но Леонардо изобрел не новую осадную башню или повозку, которую толкали снаружи, а покрытую броней машину, которая могла бы действовать на полях сражений автономно, без внешнего привода. Так что он создал нечто принципиально новое. Эта машина должна была сеять панику в рядах противника, тогда как сами воины оставались защищенными от вражеских пуль. По замыслу Мастера, его бронированная повозка была рассчитана на восемь человек. Экипаж должен был приводить «танк» в движение с помощью рычагов и двух приводов. По периметру круглой конструкции располагались небольшие пушечки, всего тридцать шесть штук. Так что угол обстрела у танка Леонардо – 360 градусов. Сверху людей защищал шатер из деревянных планок, был предусмотрен и еще один нижний ряд планок – непосредственно вокруг платформы с приводом. Наверху располагалась башенка, из которой можно было вести наблюдение за тем, что происходит вокруг. Конструкция была довольно высокой – чтобы подняться в башенку, необходима лестница.
Леонардо да Винчи. Рисунок с изображением серпоносных колесниц и танка. Перо. Чернила
Современная реконструкция танка. Отдельно показана тележка. Обратите внимание на ее привод и сравните с рисунком Леонардо – намеренная «ошибка» конструктора исправлена. От промышленного шпионажа приходилось защищаться и пять веков назад
На рисунке Мастера все принципиальные решения для создания танка – привод внутри машины, орудия, броня, даже башня. К сожалению, идея Леонардо вряд ли могла бы найти практическое применение – перемещать такую тяжелую повозку с помощью мускульной силы сидящих внутри людей практически невозможно. Если она и могла катиться, то лишь по идеально ровной дороге. Вряд ли поле боя в то время (да и сейчас) отвечало этим требованиям. Технологии XV века просто не позволяли воплотить эту конструкторскую идею. И прежде всего, в распоряжении Леонардо не было двигателя, способного катить такую повозку. Впрячь в нее лошадей – лишить придуманную технику главного преимущества – неуязвимости. Разместить лошадей и мулов внутри?.. Эта мысль приходила в голову Мастеру, но он от нее отказался – животные могли бы начать буйствовать от страха…
Кстати, внимательно посмотрите на рисунок Леонардо, где изображена тележка танка без верхнего шатра. Может ли такая тележка катиться в принципе? Для сравнения посмотрите на второй рисунок. Подумайте, как именно происходит движение, и обозначьте его стрелками. Не сомневаюсь, многие из вас поймут, в чем дело.
Правильно, задуманный Леонардо привод заставит передние и задние колеса вращаться в разные стороны. Вот видите, даже такой гений, как да Винчи, мог ошибаться в довольно-таки простых вещах. Вы согласны с этим утверждением?
Нет, не спешите торжествовать! Мастер, подобный Леонардо, умевший докопаться до сути любого механизма, не мог совершить подобной «детской» ошибки. Это пример ошибки намеренной, такие нередко встречаются в его записях: Леонардо опасался, что его изобретением смогут воспользоваться другие, и специально «зашифровал» чертеж – ведь это была военная машина!
Что касается воплощения задумки о машине, неуязвимой на полях войны, то боеспособные танки были созданы только в начале XX века с появлением двигателя внутреннего сгорания. Но даже с новым мощным двигателем это получилось не сразу. Первые попытки создать бронированную машину выявили недостаток колесного транспорта – броневики на колесах не могли передвигаться по территориям, перепаханным взрывами, иссеченным линиями окопов. А на полях Первой мировой войны, чтобы переломить ход сражений, требовались именно боевые машины-вездеходы. Нужен был какой-то иной способ перемещения. Прежде всего, броневая машина должна была уметь преодолевать окопы, а не застревать в них.