В пятницу, 17 декабря 1903 года, в 10 часов 35 минут осуществил свой первый полет самолёт, спроектированный и построенный братьями Уилбером и Орвилом Райтами. Полет аэроплана Flyer с бензиновым мотором осуществил Орвил Райт, и продолжался этот полет всего 12 секунд. В тот же день Flyer ещё трижды поднимался в воздух, каждый раз улучшая свои же рекорды дальности и длительности полёта. Наконец, пролетев 255,6 метра за 59 секунд, самолёт из-за порыва ветра упал и больше в том году не летал… С того дня прошло 110 лет.
Полет самолёта братьев Райт не был первым в истории, как иногда приходится слышать. На 13 лет раньше, 9 октября 1890 года, в воздух поднялся самолёт француза Клемента Адера Eole («Эол»), оснащённый паровой машиной, и пролетел примерно 50 м. Испытания настолько воодушевили военных, что Адеру было выделено специальное финансирование в 650 тыс. франков на постройку более совершенных летательных аппаратов «Авион-II» и «Авион-III» (на фото внизу). Кстати говоря, именно Адер придумал концепцию авианосцев и передал свои разработки американцам. Впрочем, это уже другая история…
Поразительно, но вся история освоения человечеством воздушного океана со всеми её успехами и неудачами, трагедиями, драмами и высокими взлётами мысли и энтузиазма, всеми муками инженерного творчества, созданием мировой индустрии авиастроения — всё это происходило на протяжении всего двух человеческих поколений!
Революция первая: моторный полет. Летать люди начали задолго до Адера и братьев Райт. К примеру, Карл-Вильгельм Отто Лилиенталь, инженер и исследователь, сконструировал и испытал 11 летательных аппаратов, совершив на них более двух тысяч полётов, но… это были планеры, а не самолёты. Наш соотечественник Александр Фёдорович Можайский, проектируя в 1876 году свой «воздухоплавательный снаряд», предусматривал в конструкции самолёта две паровые машины в качестве привода воздушных винтов, но неудачные испытания, состоявшиеся 20 июля 1882 года, показали, что этот тип двигателей малопригоден для установки на самолёт, как принято говорить сейчас, из-за неудовлетворительных удельных энергетических характеристик.
Начиная с братьев Райт в течение четырёх десятилетий все конструкторы самолётов закладывают в свои проекты бензиновые двигатели внутреннего сгорания (ДВС)… Авиастроение становится мощным катализатором прогресса ДВС. По оценкам современных исследователей, именно благодаря потребностям авиации технология ДВС за короткий срок практически достигла совершенства, однако стала настолько сложной, а разработка и производство их — настолько дорогостоящими, что начиная с 40-х годов выпускаемых марок авиационных моторов становится значительно меньше, чем марок самолётов, а конструктор самолёта вынужден выбирать двигатель из существующего ассортимента, а не «заказывать» его разработку и изготовление.
Впрочем, уже в конце 1930-х стало ясно, что поршневой двигатель превращается, образно выражаясь, в «тормоз» авиации. Рост мощности двигателя, как выяснилось, не приводит к соответствующему росту скорости. Добавка мощности в 1 000 (!) л. с. давала обеспечивала дополнительную скорость всего в 50–60 км/ч. Было подсчитано: чтобы истребитель мог лететь со скоростью 1 000 км/ч, ему нужен двигатель мощностью в 12 200 л. с. Такой мотор весил бы более 6 тонн! Причиной наступавшего кризиса являлось резкое падение эффективности воздушного винта на больших скоростях. Решением проблемы могла быть лишь реактивная тяга. Во всем мире стартует «инженерная гонка» за скорейшее овладение этой технологией.
Пальма первенства в практическом освоении этого принципа принадлежит Германии. Первые работы по турбореактивным двигателям (ТРД) начал Эрнст Хейнкель, задумавший воплотить в металл идеи Ганса фон Охайна, который в 1936 году получил патент «Процесс организации воздушных течений, в частности в двигателях летательных аппаратов» — по существу, описывающий ТРД. В полной мере осуществить задуманное Хейнкелю не удалось, но благодаря его настойчивости энтузиазму и государственному финансированию за разработку и производство двигателей взялись Junkers и BMW. В итоге немецкие авиаконструкторы получили Jumo 004 (с центробежным компрессором) и BMW 003 (с осевым компрессором), которые к концу войны выпускались серийно.
Первым в мире серийным самолётом с турбореактивным двигателем стал истребитель Me.262 фирмы Messerschmitt, совершивший первый полет 18 июля 1942 года. Поднявшийся в воздух ещё раньше, 15 мая этого же года, советский ракетный самолёт БИ-1 являлся экспериментальной машиной, дальнейшая работа по которой была остановлена.
Идея же, позволившая вывести авиацию на гиперзвук, принадлежит французскому инженеру Рене Лорену, который в 1913 году запатентовал во Франции новый тип воздушно-реактивного двигателя — прямоточный. Отличала его, с одной стороны, необыкновенная простота конструкции, а с другой — способность работать на сверхвысоких гиперзвуковых скоростях и на очень больших высотах, где из-за разрежённости атмосферы не могут применяться другие типы двигателей. Первый в истории авиации полет самолёта с прямоточным двигателем Leduc 010 состоялся 19 ноября 1946 года.
И именно прямоточным двигателем оснащён самый скоростной самолёт в мире — экспериментальный беспилотник, гиперзвуковой Х-43А. Зафиксированная скорость его полёта рекордна — 11 230 км/час, что в 9,6 раза превышает скорость звука.
Революция вторая: металлическая обшивка. Стереотипы представлений о летательных аппаратах как «потомках» китайских воздушных змеев долго держали в плену конструкторов авиационной техники. Ещё 12 лет после первых полётов Райт все самолёты продолжали делать из дерева и ткани… Поистине прорывную идею, открывавшую путь дальнейшему прогрессу авиации, нашли и реализовали опять-таки немцы: в 1915 году был построен первый в мире цельнометаллический самолёт Junkers J-1. Только через 9 лет, в 1924 году, в СССР появился первый цельнометаллический самолёт АНТ-2 конструкции А. Н. Туполева, ещё через год — первый в мире металлический бомбардировщик ТБ-1. Дальше, как говорится, процесс пошёл… Но не без драматической схватки за обладание технологией.
Основатель компании Junkers & Co талантливый немецкий инженер Хуго Юнкерс за несколько лет получил изрядное количество патентов на разработанные им ключевые для авиастроения технологии обработки листового металла. Делиться своими секретами Юнкерс не спешил ни с кем, тем более с Советами…
Развернулась, вероятно, одна из первых шпионских схваток за обладание промышленными секретами. Из секретного доклада К. Е. Ворошилову, датированного 1925 годом, мы узнаем о том, что из здания завода «Юнкерс» в Филях была тайно вывезена документация и чертежи цельнометаллического самолёта (её, говоря проще, похитили), а также о том, что с рядом инженеров компании «Юнкерс» достигнуты приватные «соглашения об оказании помощи» в организации выпуска металлических самолётов в СССР. Сам Юнкерс судился с Генри Фордом, когда тот продал несколько своих металлических самолётов в Европе и — внимание! — одержал победу, вынудив Форда уйти с этого рынка. Позднее он вчинил иск к СССР за демонстрацию АНТ-2 в Германии, но тут удача ему не улыбнулась: советское патентное ведомство к этому моменту не успело оформить патент Юнкерса в СССР, и суд оставил иск без удовлетворения.
Революция третья: аэродинамика. Ещё братья Райт пришли к твёрдому убеждению, что строительству аэропланов должны предшествовать расчёты на базе аэродинамики. Сама же научная дисциплина возникла благодаря работам целого ряда учёных, в числе которых особо выделяют имена Эрнста Маха (на фото) (основоположник газовой динамики, исследователь сверхзвукового движения тел, процессов возникновения ударной волны) и Н. Е. Жуковского. Ещё в 1892 году Жуковский вывел уравнения динамики летательного аппарата, а в 1904-м сформулировал основы теории подъёмной силы крыла и тяги воздушного винта, исследовал свойства различных профилей крыла. Ещё через год он делает свой знаменитый доклад «О присоединённых вихрях», где закладываются теоретические основы аэродинамики крыла самолёта.
Впрочем, оказалось, воспользоваться теоретическими положениями аэродинамики на практике весьма затруднительно: вручную производить численные решения уравнений аэродинамики требует слишком много времени. Именно поэтому Жуковский направляет силы на развитие экспериментальной аэродинамики и всячески способствует открытию 1 декабря 1918 года в Москве Центрального аэрогидродинамического института на базе Аэродинамической лаборатории МВТУ и Авиационного расчётно-испытательного бюро. На многие годы основной методикой решения проблем аэродинамики становится натурный эксперимент… До сих пор одна из аэродинамических труб ЦАГИ Т-101 (сечение эллиптического канала 24×14 м) является самой большой аэродинамической трубой в Европе, позволяющей «продувать» не только модели, но и реальные самолёты.
Революция четвёртая: вычислительный эксперимент. Следует отметить также, что параллельно с экспериментальной аэродинамикой успешно стартовала аэродинамика вычислительная, являющаяся сегодня основой процессов разработки и конструирования летательных аппаратов. А начало ей положил немец Конрад Цузе. Именно он в 1938 году спроектировал и построил первый лампово-релейный компьютер Z-1, которым в 1941 году заинтересовался Исследовательский институт аэродинамики. При его поддержке Цузе создаёт вычислители Z-2 и Z-3. Именно Z-3 использовался для проведения аэродинамических расчётов первого в истории авиации перспективного стреловидного крыла для компании «Фокке-Вульф» и её самолёта Та.183.
Во многом благодаря прогрессу электронного моделирования и вычислительного эксперимента в авиацию пришло не только стреловидное крыло, открывшее возможность шагнуть «за звук», но и высокоэффективная механизация крыла и такие новации, как несущий интегральный фюзеляж маневренных истребителей, гиперзвуковых и аэрокосмических самолётов.
Революция пятая: автопилот. Ещё до первого своего полёта, выступая в 1901 году на заседании Западного общества инженеров в Чикаго, Уилбер Райт особо подчёркивал необычайную сложность задачи управления самолётом в полете. Изучая эту проблему, братья Райт пришли в выводу: «Вопрос сохранения равновесия является непреодолимым препятствием при всех серьёзных попытках решить проблему полёта человека в воздухе». Преодолеть это «непреодолимое препятствие», по их мнению, можно лишь при помощи специально сконструированной системы управления и такой конфигурации элементов планера самолёта, при которой движение его в воздухе было бы устойчиво.
С развитием гироскопических приборов и появлением в 70-х годах XIX века первых автоматических стабилизаторов курса морских торпед естественно возникли идеи оснастить автоматическими стабилизаторами движения и самолёты. В 1911 году американский лётчик Элмер Сперри (впоследствии — основатель корпорации Sperry Corporation) изобрёл первый в мире авиационный стабилизатор полёта с массивным гироскопом. Первый полет с этим автопилотом был выполнен в 1912 году. А в 1947 году состоялся первый в мире полностью автоматический перелёт через океан американского военно-транспортного самолёта «Douglas» С-54 «Skymaster», причём взлёт и посадка были также выполнены автоматически.
Но особое значение теория и техника автоматического управления приобрела в последние годы — в связи с приходом в авиацию высокоманёвренных, но статически неустойчивых летательных аппаратов. Ни один из современных истребителей практически не способен летать без непрерывного автоматического управления, обеспечивающего стабильный полет и правильный выбор режимов работы двигательной установки.