До сих пор мы говорили о применении особого легкого газа. Но можно поступить и иначе. Можно достигнуть того, чтобы обыкновенный воздух внутри оболочки шара весил значительно меньше, чем равный ему объем воздуха снаружи оболочки. Для этого достаточно нагреть воздух внутри шара, оставив в нижней части оболочки отверстие. От теплоты воздух расширяется, и часть его будет вытолкнута через нижнее отверстие. Оставшееся внутри шара количество воздуха будет теперь весить меньше, чем наружный воздух в том же объеме. Если степень нагревания и размеры шара достаточны и оболочка не тяжела, то такой прибор должен будет подняться на воздух, так же как и наполненный легким газом.
Первые воздушные шары
Приведенные выше научные данные были впервые применены на практике во Франции. Честь постройки первого воздушного шара, заведомо поднявшегося на воздух, принадлежит братьям МОНГОЛЬФЬЕ. Летом 1783 года они сделали небольшой воздушный шар из легкого полотна, оклеенного бумагой. В нижней части шара было оставлено отверстие, сохранявшее свою форму благодаря имевшимся в нем обручам. Для нагревания воздуха шар помещался над небольшим очагом, в котором сжигали солому. В присутствии посторонних зрителей 5-го июня 1783 года вблизи Лиона во Франции был произведен первый опыт. Когда воздух внутри оболочки был достаточно нагрет, шар был отпущен и сейчас же плавно и быстро поднялся на высоту почти в две версты[3]. За это время воздух в нем успел охладиться, и шар начал опускаться и потом упал на землю. Удача первого опыта воодушевила строителей, и они сейчас же приступили к постройке шара значительно больших размеров, такого, который мог бы поднять на воздух двух человек. В то же время французская академия наук поручила одному из своих ученых, профессору ШАРЛЮ, построить другой воздушный шар. На этот раз было решено наполнить воздушный шар или, как его называют иначе, аэростат, не гретым воздухом, а легким газом водородом.
Большой аэростат бр. Монгольфье был готов несколько раньше. 21 ноября того же 1783 года состоялся первый полет шара с пассажирами. Громадный аэростат, около 100000 куб. фут. вместимостью[4], был наполнен гретым воздухом; в небольшой галерее, окружавшей его нижнее отверстие, поместились два человека, и шар вместе с ними поднялся на воздух.
Этот первый полет продолжался около 20 минут, причем воздухоплаватели достигли высоты около ¾ версты и затем благополучно спустились в окрестности Парижа. Имена первых людей, поднявшихся на воздух, были: Пилатр де РОЗЬЕ и маркиз д'АРЛАНД.
Рис. 2. Аэростат братьев Монгольфье
В это же время заканчивалась постройка и первого водородного аэростата, созданного физиком Шарлем. Оболочка была сделана из шелка, пропитанного для непроницаемости лаком. На весь шар была надета сетка, к которой крепились шнурки, поддерживавшие корзинку для воздухоплавателей. Аэростат имел 27½ футов в поперечнике и был построен правильно и обдуманно на основании научных данных. В шаре имелся клапан, приводимый в действие из корзинки и позволявший воздухоплавателям, в случае необходимости, выпустить часть газа, что должно было заставить шар идти вниз. Кроме того, в корзинке шара были заготовлены мешки с песком в виде балласта. Выбрасывая балласт и облегчая таким образом шар, можно было заставить его подняться выше или прекратить начавшийся спуск.
Аэростат, наполненный воздухом
Первый полет этого аэростата состоялся в Париже 1-го декабря 1783 года. Необходимый для наполнения шара водород добывался в течение предшествовавших 3-х дней и ночей в деревянных бочках, заключавших в себе куски железа и разбавленную серную кислоту. Когда все приготовления были окончены, в корзине поместились: сам строитель аэростата профессор Шарль и его главный помощник РОБЕР. Шар был выпущен, и воздухоплаватели совершили на нем удачный полет около двух часов продолжительностью, пролетев около 50-ти верст. Во время этого полета часть газа просочилась через оболочку, и под конец аэростат уже не был в состоянии держать в воздухе 2-х людей. Поэтому, когда аэростат спустился на землю, Робер вышел, а профессор Шарль остался один и поднялся вновь. На этот раз сильно облегченный шар быстро пошел кверху и достиг высоты около 3-х верст. Любуясь невиданным величественным зрелищем, профессор Шарль в то же время произвел ряд интересных научных наблюдений.
Таким образом было положено начало воздухоплавания. В дальнейшем это дело продолжало развиваться. Много раз строились аэростаты значительно больших размеров. Иногда, при благоприятном ветре, людям удавалось пролетать очень большие расстояния. Одним из самых длинных полетов был перелет француза ДЕЛАВО из Парижа в Коростышев (в России). Этот полет продолжался 35½ часов подряд и был совершен в октябре 1900 года. Наибольшая высота на круглом аэростате была достигнута немецким профессором БЕРСОНОМ около 10½ верст. На такой большой высоте людям обычно бывает трудно дышать и приходится брать с собою и вдыхать чистый кислород. В России также совершено было большое количество различных полетов такого рода генералом КОВАНЬКО и другими воздухоплавателями.
Развитие нового дела не могло, конечно, обойтись без жертв. Первым человеком, которому суждено было погибнуть от катастрофы с воздушным шаром, был Пилатр де Розье первый поднявшийся на воздух человек[5]; в дальнейшем были и другие жертвы, но это не остановило нового дела, которое продолжало развиваться.
Круглые аэростаты принесли громадную пользу и в научном отношении; с их помощью были впервые исследованы высшие слои атмосферы, были произведены наблюдения над строением облаков и т. д.
Интересно отметить, что воздушный шар остался почти без изменений с тех пор, как он был впервые построен профессором Шарлем. Круглые аэростаты нынешнего времени почти не отличаются от первого шара. Они в полной мере обладают его главным недостатком. Они практически неуправляемы. Выпуская газ или выбрасывая балласт можно заставить шар спуститься или подняться. Но направление полета находится, можно сказать, полностью вне воли летящего, т. к. шар всегда движется в ту сторону, куда дует ветер. Это свойство делало совершенно невозможным применение воздушного шара как средства сообщения.
Управляемые аэростаты
Попытки заставить воздушный шар двигаться в желаемом направлении, т. е. создать управляемый аэростат, были сделаны почти сейчас же после первых полетов. Уже в 1784 году, т. е. всего спустя год после первых удачных испытаний, француз БЛАНШАР построил аэростат, приводившийся в движение с помощью особых воздушных весел. Попытка эта потерпела полную неудачу. Несколько более правильной по замыслу была попытка бр. Робер, которые построили аэростат продолговатой формы. Однако отсутствие в те времена пригодных двигателей заставило и этих опытных строителей прибегнуть к помощи человеческой мускульной силы. При таких условиях попытка эта тоже не могла дать хороших результатов.
В области воздухоплавания, как и в других областях техники, для успеха такой работы, кроме научных познаний и таланта изобретателя, необходимы были технические средства, т. е. материалы, станки, приборы и т. д. Необходимы также работники, умеющие обращаться с такими материалами и станками и могущие выполнить идеи изобретателя. Этим объясняется то, что в течение почти 70 лет со времени первых попыток дело управляемого воздухоплавания не двигалось вперед. За этот срок были изобретены пароходы, железные дороги и большое число паровых двигателей, исполнявших разные работы. Все это нашло себе отклик и во воздухоплавании. В 1852 году выдающийся французский инженер ЖИФФАР построил небольшой аэростат правильной продолговатой формы[6]. Приводить в движение этот воздушный корабль должна была легкая паровая машина, весившая с котлом и топкой около 9-ти пудов[7] и развивавшая 3 лошадиных силы.
Анри Жиффар
Дирижабль Жиффара
Машина приводила в действие трехлопастный воздушный винт 11 футов в диаметре, делавший 110 оборотов в минуту. Сам аэростат имел в длину 143 фута, в диаметре 39 футов; емкость его была 75000 куб. футов. Первое испытание его было произведено в 1852 году и прошло вполне успешно. Аэростат отлично слушался рулей и двигался в желаемом направлении, развивая скорость до 10 верст в час. Полет, продолжавшийся несколько часов, прошел вполне благополучно, причем к вечеру аэростат самостоятельно возвратился к месту вылета в Париж[8].
После этой первой крупной удачи инженер Жиффар, один из самых замечательных изобретателей, работавших в области воздухоплавания в 19 столетии, построил еще несколько управляемых аэростатов средней величины и под конец задумал создать огромный быстроходный воздушный корабль в 2000 фут. длиною. Но этому проекту не суждено было осуществиться, т. к. изобретатель ослеп и покончил жизнь самоубийством.
Следующим шагом в деле развития управляемого воздухоплавания были работы двух французских офицеров РЕНАРА и КРЕБСА, долгое время работавших над усовершенствованием аэростата с электрическим двигателем. Они выработали новый тип легкой электрической батареи, доставлявшей ток. Батарея эта давала до одной лош. силы на каждые 100 фунтов своего веса. Электрический двигатель был разработан при содействии известного изобретателя динамо-машины ГРАММА. Двигатель развивал 9 лош. сил и весил около 6 пудов. Прежде чем приступить к постройке настоящего аэростата, эти изобретатели произвели большое число опытов, изучая, какую форму нужно придать оболочке, чтобы получить наибольшую скорость, как правильнее сделать винт, чтобы он при том же двигателе тянул как можно сильнее, и т. д. Серьезная подготовительная работа, выполненная в течение нескольких лет этими изобретателями, внушила доверие к ним. Французское правительство выдало необходимую сумму денег, и в 1884 году этот проект был построен. Это был первый аэростат, который оказался способным вернуться к месту вылета против небольшого ветра. До тех пор самый небольшой ветер уже служил непреодолимым препятствием. Аэростат Ренара и Кребса, названный ими «La France» («Франция»), совершил всего 7 воздушных поездок, причем в 5 из них он был в состоянии дойти до указанного ему заранее места и вернуться назад.
Таким образом, это был первый воздухоплавательный аппарат, действительно двигавшийся туда, куда этого желали находившиеся на нем люди. Он развивал скорость свыше 20 верст в час. Опыты с ним были произведены в 1884 и 1885 годах. С теми техническими средствами и машинами, которые в то время были в распоряжении строителей, едва ли можно было сделать больше.
Под конец 19-го столетия были разработаны и получили большое распространение двигатели внутреннего сгорания, столь широко и успешно применяемые на автомобилях и моторных лодках. Этот же тип двигателя сделал возможным действительное осуществление воздухоплавательных приборов. Все без исключения управляемые аэростаты и летательные машины, оказавшиеся пригодными для настоящей практической службы наравне с пароходами и автомобилями, приводились в движение бензиновыми двигателями внутреннего сгорания. Бензиномотор и был тем главным инструментом, без которого нельзя было создать жизнеспособную летательную машину какого бы то ни было рода.
Бензиновый двигатель
Ознакомимся в общих чертах с тем, как устроен и как работает бензиновый мотор. Главную часть каждого такого двигателя составляет один или несколько цилиндров, каждый из которых представляет из себя как бы стакан от 3-х до 6-ти дюймов[9] в поперечнике и приблизительно в 2 раза больше в длину. Стакан этот делается обычно из чугуна или стали, и внутренняя стенка его точно обтачивается на токарном станке и должна быть совершенно гладкой, а поперечник цилиндра совершенно одинаковым на всей его длине. Внутри цилиндра двигается поршень, т. е. металлический стакан несколько меньших размеров, обточенный с своей наружной стороны и пригнанный к цилиндру вплотную таким образом, что воздух не может проходить между стенками цилиндра и поршня. В дне цилиндра имеется обычно 3 отверстия; 2 из них закрываются особыми клапанами, а в третье наглухо завинчивается так называемая свечка. Клапаны сделаны для того, чтобы в нужное время открывать доступ газам во внутренность цилиндра, которые производят работу, и затем дать им возможность, после того как работа будет совершена, выйти наружу. Клапаны мотора имеют приблизительно такое же назначение, как водопроводный или самоварный кран. Цилиндры соединены вглухую с остовом двигателя, а поршни с помощью особой промежуточной части шатуна, присоединены к изгибам коленчатого вала, т. е. главной оси мотора. Когда коленчатый вал вращается, то поршни двигаются попеременно то в одну, то в другую сторону внутри цилиндров. Таким образом, поршень то приближается к днищу цилиндра, то удаляется от него. Если бы мы пожелали заполнить жидкостью все пространство внутри цилиндра, то когда поршень находится ближе всего к днищу цилиндра, жидкости войдет около 1-го чайного стакана, когда же поршень находится дальше всего от дна цилиндра, то жидкости войдет около 5-ти стаканов[10]. Свечка представляет из себя небольшой приборчик, в который проводится электрический ток, обычно доставляемый маленькой электрической машиной магнето, вращаемой самим мотором. Как было указано, свечка ввинчивается в цилиндр так, что конец ее оказывается во внутренней его части. В этой части свечки в необходимый момент проскакивает электрическая искра. В моторах, о которых идет речь, работающим веществом является смесь паров бензина с воздухом. Смесь эта приготовляется особым небольшим прибором, который называется карбюратором. Через широкое отверстие в этот прибор попадает снаружи воздух. Кроме того, по небольшой трубочке в него же течет бензин из резервуара. Количество подаваемого бензина и воздуха можно, по желанию, изменять, пользуясь особенными краниками и заслонками, т. к. в зависимости от погоды, качества бензина и т. д. приходится несколько иначе составлять рабочую смесь, чтобы получить наилучшее действие двигателя.
Большая часть бензиновых моторов вообще и все без исключения двигатели, которыми пользуются в воздухоплавании, делаются по типу, называемому «четырехтактным». Такое название дано этим двигателям, т. к. во время работы их в каждом цилиндре происходят одно за другим четыре различных действия или, как их называют, четыре такта. Действия эти происходят в следующем порядке:
1) Поршень удаляется от дна цилиндра. В это время открывается клапан, впускающий рабочую смесь из карбюратора, и освободившееся между дном цилиндра и поршнем пространство заполняется этой смесью воздуха с парами бензина.
2) Поршень приближается к дну цилиндра. В это время оба клапана остаются закрытыми[11]. Места внутри цилиндра становится меньше, но смеси выйти некуда, т. к. все отверстия закрыты. Поэтому смесь паров бензина и воздуха в это время сжимается, сдавливается.
3) Поршень удаляется от дна цилиндра. В самом начале этого действия[12] в свечке, о которой упоминалось выше, проскакивает электрическая искра, воспламеняющая смесь. Сгорание паров бензина, смешанных с воздухом, происходит страшно быстро, иначе говоря, происходит маленький взрыв. Стенки цилиндра делаются достаточно крепкими, чтобы выдержать этот взрыв, и все его давление уходит на то, чтобы с силою толкнуть поршень в направлении от дна цилиндра. В течение всего этого действия оба клапана продолжают оставаться закрытыми.