Применение парового двигателя в воздухоплавании в XIX столетии

В области развитии воздухоплавания есть наиболее яркие представители, а есть те изобретатели и исследователи , чьи работы в этой области были незаслуженно забыты. Для успехов воздухоплавания нужен был человек, который сумел бы заложить теоретические основы и наметить дальнейшие пути развития перемещения по воздуху на основе научных данных, проверенных практикой. Таким человеком явился знаменитый английский математик Джордж Кейли.

Работы Джорджа Кейли над паровым двигателем для аэростата.

В 1816 г. Сэр Джордж Кейли (1773-1857), английский учёный и изобретатель занимается аппаратами легче воздуха и опубликовывает проект аэростата - шарльера, приводимого в движение паровым двигателем. Уже в этом проекте были предусмотрены условия минимального сопротивления - удлиненная форма аэростата. В своих работах он использовал достижения братьев Монгольфьер и Жака Алекса́ндра Сеза́р Шарля. Джорджу Кейли принадлежит мысль разделить баллон аэростата – дирижабля на ряд изолированных друг от друга отсеков.

Эта мысль нашла свое повторение через пол-столетия у Соковнина Н. М. в России и принята теперь в современном дирижаблестроении. Конструкция корпуса дирижабля проектировалась Кейли в двух вариантах: деревянный корпус дирижабля с натянутой на него тканью (рис. 2.1); корпус цельнометаллический с листовой обшивкой, к этой идее самостоятельно пришел Циолковский полустолетием позднее. В последующей конструкции, разработанной в 1837 г., Кейли предлагает создание аэростата, наполненного водородом. Длина аэростата была им запроектирована в 131,7 м. Аэростат должен был поднимать 50 человек и, находясь в воздухе 48 часов, проделать путь в 1545 км.

Основной задачей Кейли было найти двигатель, который мог бы при[1]вести в движение два пятилопастных пропеллера аэростата. В своей работе 1809 г. «О воздушном судоходстве» Кейли в разделе, озаглавленном «Нужда в первичном двигателе», утверждает, что для решения этой задачи «необходимо лишь иметь источник двигательной силы, который давал бы в течение определенного времени большую мощность на единицу веса, чем это в состоянии сделать животная мускульная сила».

В качестве двигателя для своего аэростата Кейли останавливается на паровой машине. Изыскания в этом направлении привели его к мысли о применении облегченной паровой машины с водотрубным котлом. Котел проектировался из водяных трубок, образующих как бы кожух для топки. Кейли писал: «В последнее время были построены паровые машины, которые могут быть сделаны достаточно легкими, при условии замены обычного большого котла котлом с системой трубок, расположенных вокруг топки, в которые подается соответствующее количество воды. Сопротивление стенок сосуда внутреннему давлению обратно пропорционально его диаметру. Поэтому очень тонкие металлические трубки будут достаточно прочными, в то время как большой котел должен быть очень массивным, чтобы выдерживать большое давление». Двигатель, по своему весу ненамного превышающий вес одного человека, мог, как предполагал автор, заменить работу шести человек. Кейли рассчитывал с помощью этого парового двигателя получить скорость 24 км/час, имея на борту воздушного корабля команду в 7 человек.

Управляемый аэростат Патриджа.

В Англии в конце 30-х годов над проблемой управляемого дирижабля с паровой машиной много работал Патридж, предложивший изготовить баллон удлиненной формы с жесткими частями в брюшной части оболочки. Дирижабль должен был иметь в качестве двигателя паровую машину, расположенную в гондоле. При емкости оболочки 3838110 м 3 и полном весе в 45 англ. т. (45,7 метрических тонн) автор запроектировал очень высокую для того времени мощность паровой машины на жидком топливе – 140 л. с.

Патридж считал необходимым предпочесть обычной паровой машине ротативный паровой двигатель с большим числом оборотов и конденсатором. Идея Патриджа была передовой для своего времени. Сведения о его работах над управляемым аэростатом крайне ограничены и предлагаемый материал взят в работе [8].

Аэростат Жиффара с паровым двигателем.

В 1830 году французская промышленность использовала паровые машины суммарной мощностью в 10000 л. с., а в 1847 году уже 4853 машины дали промышленности более 60000 л. с. Экономическая революция во Франции пробудила интерес и к средствам сообщения по воздуху. В этот период времени проявился талант исследователя и изобретателя в области воздухоплавания француза Анри Жиффара (1825-1882).

Анри Жиффар был первым человеком, которому удалось совершить полет на аэростате с помощью парового двигателя. Анри Жиффар, сын мелкого служащего, рабочий Сен-Жерменских железнодорожных мастерских, позже машинист паровозного депо, сумел, упорно работая, выйти в ряды лучших механиков Франции.

6 ноября 1850 г. Анри Жиффар наблюдал на ипподроме за полетом модели аэростата часового мастера Жюльена. Семиметровая модель при помощи двухлопастных винтов, приводимых в движение стальной пружиной, не плохо держалась в воздухе и даже двигалась против сильного ветра. Веретенообразная форма аэростата с утолщением впереди, применение рулей поворота и высоты говорят о том, что Жюльен хорошо понимал и разрешил задачу управления полетом.

Работы Жюльена оказали известное влияние на творческую деятельность Жиффара, который до этого несколько раз поднимался на привязном воздушном шаре. В 1851 г. он получил привилегию «на применение пара к воздухоплаванию». Построенная им паровая машина мощностью 3 л. с. весила всего 50 кг, что было большим достижением для того времени. 24 сентября 1852 г. возле Парижа состоялась проба парового аэростата Жиффара (рис. 2.3). Аэростат был наполнен светильным газом. На другой день после полета Анри Жиффар опубликовал в журнале «La Presse» статью «Описание первого парового аэростата». Позже Французская академия наук, заслушав сообщение об этом опыте, опубликовала в своих ежегодных отчетах описание этого изобретения.

Аэростат имел удлиненную форму с двумя острыми концами, длина его 44 м, а диаметр в средней части 12 м и содержал около 2500 куб.м газа. Со всех сторон, кроме верхней части и острых концов, оболочка покрыта сетью. Ее крайние части - «гусиные лапки» - соединяются в такелажную систему, закрепленную на деревянной горизонтальной траверсе (балке) длиной в 20 м.

Эта траверса имеет на одном конце своего рода треугольный парус, подвешенный одной стороной к заднему стропу подвески. Строп является для паруса осью вращения, а парус служил рулем поворота.

Машина установлена на деревянном помосте, четыре стороны которого поддерживаются стропами подвески. Середина помоста, обшитая досками, служила для размещения людей, запасов воды и топлива. Котел вертикальный с внутренней топкой, без трубок. Тяга в трубе обеспечивалась с помощью изобретенного им парового инжектора. Смешиваясь с дымом, пар отбрасывался в направлении, обратном движению аэростата.

Топливо - кокс хорошего качества. Получаемый пар непосредственно направлялся в вертикальный цилиндр двигателя, а поршень с помощью шатуна вращал коленчатый вал. На конце коленчатого вала насажен трехлопастный пропеллер диаметром в 3,4 м, обеспечивавший движение судна. Скорость вращения пропеллера составляла около 110 оборотов в минуту, а мощность паровой машины была равна З л. с., что можно приравнять к мощности 25-30 человек. Вес силовой машины 150 кг, т. е. 50 кг на 1 л. с., или 5,6 кг на силу одного человека. Грузоподъемность составила около 1800 кг. По сторонам машины расположены два брезентовых мешка. В одном помещалось топливо, а в другом - вода, которую подавали в котел с помощью насоса, работавшего от шатуна поршня» [8].

Во время полета Жиффар достиг на своем аэростате высоты 1800 м. В своем сообщении о полете Жиффар указывал: «что действие руля давало себя прекрасно чувствовать». В дальнейшем Жиффар приступил к разработке проекта дирижабля ёмкостью в 220000 м³ при длине 600 м. Его скорость, по расчётам автора, должна была составлять до 72 км/час. Паровая машина должна была питаться от двух котлов, топливом для одного из которых служил керосин, а для другого - газ из оболочки дирижабля. В процессе работы над двигателем для нового дирижабля Анри Жиффар усовершенствовал паровой инжектор, получивший впоследствии широкое распространение в промышленности.

Благодаря этому изобретению Жиффар смог заработать значительное состояние. Однако обстоятельства (в частности, ухудшившееся зрение), воспрепятствовали реализации проекта громадного дирижабля. Жизнь Анри Жиффара оборвалась трагически, он покончил собой 15 апреля 1882 г., приняв хлороформ. Последователем Жифара в области применения паровой машины к аэростату в России был Рафаил Черносвитов.

Литература - {8} Дузь, М. Л. Паровой двигатель в авиации/ М. Л. Дузь. – М.: Госиздат. оборонпром, - 1939. – 315 с.

Автор: Гусев Ю.А.