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 [194] 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 [195] 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. [196] 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 [197] 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. № 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 [198] 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 [199] 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. [200]
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 [201] 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 [202] двигателей подавался одним стальным прямоточным котлом. Топливом служил керосин.
Паровые двигатели Можайского имели исключительно малый вес. На одну лошадиную силу мощности приходилось менее 3 кг веса двигателя. Учитывая вес остальных агрегатов, составляющих силовую установку самолета, на одну лошадиную силу мощности приходилось немногим более 5 кг. Для начала 80-х годов прошлого столетия это было замечательным техническим достижением. Александр Федорович сумел создать двигатель «несравненно легчайший, в отношении доставляемой работы, известных поныне». [203]
Можайский необычайно просто решил сложный вопрос проектирования силовой установки — выбор числа оборотов воздушных винтов. В те времена часто высказывали мнение, что достаточную силу тяги дают воздушные винты с очень большим числом оборотов. Можайский на своих опытах над моделями доказал, что винту, работающему в воздухе, не надо придавать большого числа оборотов.
Уменьшая число оборотов винта, Можайский увеличил его диаметр. Такое простое решение позволило обойтись без специальной передачи на взлете, изменяющей число оборотов.
Двигатели Можайского вызывали большой интерес и в России и за границей. Видные специалисты, как Кузьминский, отзывались о них с похвалой. Английский технический журнал опубликовал чертежи новых двигателей. В статье говорилось, что машины построены «для капитана Можайского из русского морского флота, который намерен их использовать для летательных машин».
В то время как Можайский разрабатывал свою силовую установку, другой изобретатель — Костович создавал в России первый в мире четырехтактный авиационный двигатель внутреннего сгорания для будущего своего дирижабля.
Двигатель Костовича имел все элементы, характерные для современного двигателя: систему карбюрации, электрическое зажигание, водяное охлаждение. При мощности в 80 лошадиных сил он обладал исключительно малым весом: на 1 лошадиную силу мощности — всего лишь около 3 кг.
Можайский несомненно знал о работах Костовича. Знал и не попытался воспользоваться ими [204] для своего самолета. Почему? Напрашивается такой ответ: самолет был спроектирован Можайским под мощность силовой установки, равную 30 лошадиным силам. Если бы пришлось поставить более мощный двигатель, то понадобилось бы совсем отказаться от своего проекта и разрабатывать новый. Но Александру Федоровичу приходилось торопиться, так как привилегия требовала быстрой постройки самолета. Но и при этих условиях Можайский интересовался бензиновыми двигателями.
Александр Федорович был уверен, что будущее паровой машины в авиации предрешено. Ее применение на самолете — не более как уступка времени. Как ни совершенствуй паровой двигатель, он не способен соперничать с двигателем внутреннего сгорания. Пройдет несколько лет, и двигатели внутреннего сгорания освоят так, как уже освоены паровые. Тогда сердцем самолета станет надежный, легкий, мощный, удобный в обращении двигатель, быть может, сделанный руками Костовича. И кто знает, не придется ли самому Можайскому на одном из его будущих самолетов устанавливать двигатель внутреннего сгорания, изготовленный не за границей, а в России.
Уже после смерти Можайского, Кузьминский говорил:
«Я посоветовал покойному А. Ф. Можайскому применить к его паровой машине пар бензина. Наверное не знаю, занимался или нет покойный адмирал этим применением легких углеводородных жидкостей. Пока же могу сказать с уверенностью, что машина покойного А. Ф. Можайского, действующая парами бензина, будет такова, что вес ее [205] с котлом и холодильником на одну индикаторную паровую лошадь не превзойдет 5 кг».
Кузьминский, работая над созданием авиационного двигателя с шатунно-кривошипным механизмом, пришел к мысли, что необходимо создать новый двигатель. Он критиковал тех моряков, которые не хотели отказаться от паровой машины, и говорил, что ему удалось сделать «нечто для получения легкого и быстро вращающегося двигателя...»
Действительно, Кузьминскому первому удалось встать на новый путь и создать авиационную газовую турбину. Впервые в мире в 1892 году Кузьминский построил и испытал парогазотурбинный двигатель для авиационных целей.
Научное содружество выдающихся изобретателей-новаторов А. Ф. Можайского, И. С. Костовича и П. Д. Кузьминского дало блестящие результаты. Их трудами были созданы: самая легкая и первая в мире авиационная паровая машина; первый в мире четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, в течение четверти века остававшийся самым мощным в мире авиационным двигателем внутреннего сгорания; первая в мире газовая турбина — основа, на базе которой был впоследствии создан турбокомпрессорный воздушно-реактивный двигатель.
Можайский, Костович и Кузьминский в истории авиации заняли видные места в ряду творцов авиационных двигателей.
Силовая установка, созданная Александром Федоровичем Можайским, дала ему возможность довести до успешного конца задачу создания и испытания первого самолета.