Чудеса техники. Транспорт (А. А. Леонович, 2018)

В течение многих столетий олицетворением мощи государства был его флот. Такие державы, как Великобритания, Франция, Испания, Голландия, Россия, могли завоевать и удерживать огромные территории и даже целые страны – колонии, – только располагая превосходными парусными судами.

Их предвестники, гребные суда, известные с древности, не годились для океанских плаваний. Уж очень они были тихоходны, да и команда им требовалась огромная. А тут – даровая энергия ветра, сравнительно небольшой экипаж и главное – скорость! Куда тягаться с парусами вёсельным галерам!

К середине XVIII века морские пути были хорошо изучены, имелись неплохие географические карты, моряки располагали приборами, позволяющими определить местонахождение судна. В те же времена активно развивался и речной транспорт, так как слишком плохи были тогда сухопутные дороги. Судите сами: даже лошадь могла буксировать по реке баржу с грузом до 50 тонн, а на колесной повозке она перевозила от силы 600–700 килограммов.

Но ни лошадиная тяга, ни ветер не могли обеспечить мощности и скорости, требуемые промышленностью к началу XIX века. Взгляните на рисунок в начале главы: рядом с парусом появилась дымящаяся труба и огромные колеса. Вот о них-то и пойдет разговор.

Когда завертелось гребное колесо?

«Мы видели дальше потому, что стояли на плечах гигантов». Это известное изречение могли бы повторить многие знаменитые изобретатели. К ним, безусловно, стоит причислить и Роберта Фултона, с именем которого связывают появление первого парохода.

И до него было немало попыток приспособить паровую машину для движения по воде. К примеру, в 1778 году во Франции паровое судно «Пироскафф» около часа поднималось против течения по реке Соне. Талантливый самоучка, Фултон подмечал недостатки прежних конструкций, бывая на судах, созданных его «конкурентами». В конце концов вполне работоспособный пароход был им построен и прошел по Сене, протекающей через Париж.

Казалось бы, во Франции, теснимой на море англичанами, тут же возьмут на вооружение новое изобретение, что дало бы значительное преимущество. Но этого не случилось, так как Наполеон I не сумел оценить будущие возможности парохода.

Фултон поехал в Америку, доработал конструкцию своего детища, и уже в 1807 году новый колесный пароход, названный «Клермонтом», вышел в рейс из Нью-Йорка по реке Гудзон. Плывя только при помощи парового двигателя, при встречном ветре и течении «Клермонт» одолел 278 километров за 32 часа. Это был несомненный успех!

В отношении к пароходам произошел резкий перелом. В 1815 году в России строится первое морское паровое судно. А в Америке на одной только реке Миссисипи и ее притоках к 1840 году курсировало свыше тысячи пароходов. На них, как вы можете увидеть, устраивали даже гонки!

Паровые двигатели ставили поначалу и на парусные суда, страхуясь от переменчивого характера ветра. Но вскоре стало ясно, что без парусов можно и вовсе обойтись. Новые корабли на паровой тяге пересекли Атлантический океан, добрались до Индии, постепенно вытесняя парусные «тихоходы». Так пароходы завоевывали водные пространства.

Однако, как часто бывает, одним изобретением нельзя ограничиться, если речь идет о коренных переменах, в том числе и на транспорте.

Мало было поставить на корабль паровую машину, убрав с его палубы мачты. Требовалось приспособить к новым скоростям весь облик пароходов.

Менялась, становясь более обтекаемой, их форма, вместо дерева корпуса стали изготавливать из металлов.

А самые, пожалуй, интересные изменения претерпело гребное колесо, так славно шлепавшее по воде, начиная с первых пароходов.

Что толкает пароход?

Что бы мы ни пытались привести в движение, необходимо произвести толчок, от чего-то оттолкнуться. Парусные суда толкает… воздух. Помните: «Ветер по морю гуляет и кораблик подгоняет»?

Явление толчка намного заметнее, когда лодку заставляют двигаться с помощью весел, отбрасывая воду назад. Много гребцов и весел – это галера. А что если вёсла насадить на колесо и привести его во вращение машиной? Вот оно – гребное колесо, именно с его помощью и поплыли первые пароходы.

Однако на море, в отличие от спокойных равнинных рек, гребное колесо часто выскакивало из воды и ломалось. А подумайте, насколько оно было уязвимо во время военных действий? Фултон даже предлагал убрать его внутрь корпуса парохода.

К середине прошлого века, после долгой борьбы с колесом, первенство переходит к гребному винту. Причем борьбы в буквальном смысле слова! Пароходы связывали кормами и они должны были перетянуть друг друга. После нескольких «единоборств», в которых неизменно побеждало оснащенное винтом судно, предпочтение все чаще стали отдавать гребному винту.

В каком-то смысле это тоже колесо, но не катящееся по водной дороге, а развернутое на 90 градусов и отбрасывающее при вращении воду назад. Если хотите, его можно назвать водным пропеллером. Кстати, оправдание такому названию легко найти в истории создания гребного винта. Ведь в основе этого изобретения лежат и крылья ветряной мельницы, и водяное мельничное колесо, и даже водоподъемный винт Архимеда, подобие которого вы обнаружите в мясорубке.

Вобрав в себя лучшие черты своих «предков», гребной винт стал главным движителем-толкателем водного транспорта. Он приводит в движение фактически все суда на сегодняшний день – от моторной лодки до атомного ледокола. Вряд ли полтора века назад, во времена первых его побед, можно было представить, каким он станет: диаметром в несколько метров, весом в сотню тонн, изготовленным из специальных сверхпрочных сплавов, до мельчайших подробностей рассчитанным на компьютере. И это немудрено, ведь и пароходы, которые он приводит в движение, тогда невозможно было вообразить.

Кто бороздит морские просторы?

Слово «пароход» сегодня уже устарело, хотя пар на водном транспорте работать не перестал. На смену поршневым паровым машинам пришла паровая турбина. Она трудится и на огромных океанских лайнерах, и на подводных лодках.

Эти суда напоминают плавучие электростанции. На них либо сжигают топливо, либо получают тепло в ядерных реакторах. И там и там выделенная энергия идет на нагрев воды, превращаемой в пар, а тот уже крутит турбину, в свою очередь вращающую электрический генератор. Электричества вырабатывается столько, что его хватает и на вращение гребных винтов, и на освещение судна. Пассажирское судно в океанских водах видно ночью за многие километры – словно плывущий город, усыпанный огнями.

Началось строительство турбинных судов чуть более ста лет назад. А в начале XXI века отметили столетие и теплоходы, в работе которых используется двигатель внутреннего сгорания, прежде всего – дизельный. Турбины и дизели движут большинство известных ныне судов – и пассажирских, и грузовых, и промысловых, и военных.

Перевозки по воде относительно дешевы, поэтому на их долю ложится транспортировка огромных количеств руды, строительных материалов, топлива. Порой же просто нет другого способа доставки той же, скажем, нефти через океан, потому-то и возник целый танкерный флот.

Перенести аэродром с самолетами поближе к границам потенциального противника призваны авианосцы. Мощнейшие ледоколы не только проводят через льды караваны торговых судов, но готовы доставить туристов аж на Северный полюс! Морские паромы словно перебрасывают мосты между удаленными берегами, перевозя на себе длинные железнодорожные составы.

Судовая автоматика берет сегодня на себя столько функций, что даже крупным кораблем способен управлять в принципе один человек. Его команды об изменении скорости хода или курса передаются непосредственно на исполнительные механизмы, меняющие режим работы двигателя и направление движения судна, минуя занимавшихся этим членов экипажа.

Можно долго перечислять, какие же корабли «мастера на все руки». Но, положа руку на сердце, признаем, что если нам понадобится куда-нибудь быстро добраться, о них мы подумаем в последнюю очередь. Однако вспомним изобретателей, пытавшихся сделать их как можно более быстроходными.

Как уменьшить сопротивление воды?

Слова «плавно» и «плавать» близки по звучанию. Изящное скольжение по водной поверхности создает иллюзию легкого, без противодействия хода. Однако малые усилия двигателей требуются лишь при старте, когда вода практически не оказывает сопротивления. Но с увеличением скорости увеличивается и сопротивление воды.

Вода почти в тысячу раз плотнее воздуха. От нее удобно отталкиваться, но она же и ощутимый тормоз. Какие бы гладкие очертания ни придавали корпусам кораблей, как ни изучали плавание рыб и дельфинов в поисках уменьшения сопротивления – не помогало. Для увеличения скорости в два раза необходимо развивать в восемь раз большую мощность, что приводит к огромным затратам топлива. Поэтому не стоит удивляться тому, что скорости лучших морских пассажирских судов не превышают семидесяти километров в час, речных – тридцати, а уж ледоколов и грузовых судов и того меньше.

Правда, эти данные касаются тех кораблей, которые глубоко «сидят» в воде. А вот если бы удалось часть корпуса приподнять во время движения, переместить из воды в воздух, сопротивление значительно упало бы. Идея эта давняя, сперва ее реализовали в глиссерах – небольших судах, задирающих во время движения нос. Но даже на спокойной воде им приходится «клевать», чего уж говорить о волнении.

Решило проблему быстрого, устойчивого и экономного перемещения по воде изобретение корабля на подводных крыльях. Патент на них получил российский подданный еще в 1891 году, но до постройки подобного судна должно было пройти более шести десятилетий. Все вы, наверное, видели «Ракеты» и «Метеоры», плавно «вырастающие» из воды при наборе скорости и скользящие по ней, легко обгоняя баржи и теплоходы.

Сейчас российский скоростной флот поредел, но за рубежом популярность этих судов не убывает. Скажем, в Греции закупили все наши списанные, отслужившие свое «Кометы», отремонтировали и стали перевозить на них пассажиров между многочисленными островами. Даже памятник «Комете» поставили!

Конечно, корабли на подводных крыльях – не предел устремлений судостроителей. Возможно, вскоре мы увидим несущиеся над волнами машины, в конструкции которых объединятся как известные, так и немыслимые сегодня идеи изобретателей.

Приятно, конечно, не торопясь передвигаться по речной или морской глади – сама вода словно смазка. Да ведь до воды еще добраться надо, а как нелегко толкать или тянуть грузы посуху, даже на колесах! Вот и стали употреблять лет четыреста назад вместо тачек вагонетки, катящиеся по деревянным рельсам. Для прочности дороги рельсы укладывали на поперечные бруски – шпалы. Затем на смену дереву пришел чугун: рельсы служили теперь дольше, да и катить по ним вагонетки стало легче. На рудниках и заводах появились целые составы из груженых вагонеток, движимых лошадьми.

Всех вроде бы такой вид транспорта устраивал, и долго бы еще лошади шли между рельсами по «конно-чугунным» дорогам. Но к началу девятнадцатого века из-за наполеоновских войн в Европе резко подскочили цены на овес – «топливо» для лошадей. С другой стороны, в одной только Англии тогда добывали 10 миллионов тонн каменного угля в год. И главное – уже была изобретена паровая машина, потреблявшая тот самый уголь.

Нетрудно догадаться, к чему привело стечение этих обстоятельств – появился паровоз. Быстро расправившись с лошадью, новое средство передвижения стало завоевывать целые континенты. «Добежало» оно и до нашего времени, правда, неузнаваемо изменившись…

Где «родился» паровоз?

Изобретателям паровоза пришлось столкнуться сразу со многими необычными проблемами. Первая: вместо того чтобы уменьшить сопротивление движению, трение колеса о рельс следовало увеличить, иначе – пробуксовка! Получалось, что паровоз легким быть не мог. Увеличение же его веса вело к давлению на рельсы и, через них, на почву. Еще проблема: уже при малых подъемах пути тяга паровоза заметно уменьшалась.

Немало подобных трудностей пришлось преодолеть, прежде чем в Англии родились «огнедышащие чудовища», способные перевозить по рельсам десятки тонн грузов, обгоняя лошадей. Чтобы убедить скептиков, проводили конкурсы. Их устроители ставили перед конструкторами жесткие требования, оговаривая и стоимость паровозов, и число их колес, и вес, и ширину рельсовой колеи.

Вот на таком конкурсе, когда заказчики хотели определить лучший паровоз для железной дороги между английскими городами Манчестером и Ливерпулем, победителем стала вошедшая в историю «Ракета» Стефенсона. Она могла тянуть вагон с 36 пассажирами и при этом мчаться с невиданной для той поры скоростью – 38 километров в час.

Но все эти рекорды ничего бы не стоили, если бы железные дороги не доказали свою надежность и экономическую выгоду. А то выходило, что из Америки в Ливерпуль парусные суда доставляли хлопок за три недели, а там он надолго, порой на месяцы, застревал, поскольку до Манчестера суда с хлопком тащили по каналам лошади, а зимой такое снабжение вообще замирало. Другой пример: стоимость и время проезда по той же трассе уменьшались в 2–3 раза, стоило пассажиру пересесть с дилижанса (конного экипажа) на поезд.

Довольно быстро стало ясно, что диковинный транспорт очень удобен и прибылен. Буквально в течение нескольких лет в одной только Англии сеть железнодорожного сообщения разрослась до нескольких тысяч километров. Убедившись в преимуществах паровозной тяги, и в других странах стали бурно расширять строительство новых магистралей. Вот примеры: с 1850 по 1900 год протяженность железных дорог увеличилась в Германии в 9 раз, во Франции – в 13, а в России – более чем в 100 раз. В 1869 году была построена первая трансконтинентальная линия, от Нью-Йорка до Сан-Франциско. К концу XIX века железные дороги, словно паутина, опутали поверхность земного шара. Этот вид транспорта стал основным на суше.

Сегодня можно, не выходя из вагона, совершить путешествие по нескольким материкам. Правда, при этом вашему составу не раз сменят оси из-за разной ширины рельсовой колеи. Тем не менее, начав путь в Северной Африке, вы через Европу и Азию доберетесь до Вьетнама, проехав более 16 тысяч километров.

Подводные туннели соединили железные дороги Великобритании и материковой Европы, Японские острова. Огромные мосты перекинулись через великие реки и широкие проливы. В дореволюционной России, активно прокладывающей новые магистрали, предполагалось покрыть ими всю Сибирь и даже… протянуть железную дорогу через Берингов пролив в Америку. Увы, этим планам не суждено было сбыться…

Что пришло паровозу на смену?

Долгое время у паровоза не было конкурентов. Однако требовалось перевозить все больше грузов и пассажиров со все большей скоростью. А паровая машина, приводившая в движение поезда, была отнюдь не самым совершенным двигателем.

Много чего изобрели инженеры и конструкторы для повышения эффективности паровой тяги. Знаете ли вы, к примеру, как работает скороварка? Благодаря герметичной крышке температура кипения воды в ней возрастает и пища готовится быстрее. Вот и в паровом котле можно увеличить температуру, а значит и давление пара, что сделает машину более мощной и эффективной.

Правда, рост давления повышает опасность взрыва. Но вспомните: на крышке скороварки укреплен предохранительный клапан. Как только давление превысит допустимую величину, клапан открывается и «сбрасывает» его, выпуская клубы пара и производя порой оглушительный свист.

Так же и в паровозных котлах установлена система, позволяющая увеличивать давление пара, но регулировать его, не допуская до опасной отметки. Кстати, и паровозный свисток или гудок действовали благодаря струе вырывающегося пара.

Тем не менее, несмотря на большое количество усовершенствований, в начале XX века стало очевидным, что паровозу все труднее соперничать со своими «младшими братьями» – автомобилем и, чуть позже, самолетом. Чтобы сохранить пусть даже не лидерство, а просто устойчивые позиции в деле перевозки грузов и людей, железным дорогам пришлось переходить на новую, более современную тягу. На место паровозов стали приходить газотурбинные локомотивы (они повысили коэффициент полезного действия машины в 2 раза – до 18 %!). Всем вам хорошо знакомы тепловозы, двигателем которых является дизель. Эти мощные машины способны тянуть огромные и тяжелые составы, развивая при этом скорость выше ста километров в час.

Но подлинные перемены на железнодорожном транспорте начали происходить с постройкой машин, получающих энергию по проводам, – электровозов. Уже более ста лет электрическая тяга применяется на транспорте и прежде всего с ней связывали дальнейшее развитие железных дорог. Электровозу, так же как электричке, трамваю, метропоезду, не надо перевозить на себе топливо. Энергия, необходимая для его передвижения, вырабатывается на электростанциях, а затем подводится, причем на значительные расстояния, к бегущему по рельсам электровозу. На нем, в сущности, должны быть лишь электрический двигатель и система управления.

Когда в 1863 году в Лондоне пустили первую в мире подземную железную дорогу, на открытые платформы вступили разодетые по случаю торжественного события пассажиры. Надо было видеть их на конечной станции подземки! Чихающие и кашляющие, они были с ног до головы покрыты сажей и копотью. И только с введением электрической тяги подземка стала походить на современный метрополитен.

Понятно, что новый, значительно более чистый и быстроходный вид транспорта нашел широкое применение. Электрифицированы тысячи километров железнодорожных путей, электрички соединили крупные промышленные центры с пригородами, десятки городов уже невозможно представить без метро или скоростных, порой «спрятанных» под землю, трамваев.

Но такой бурный рост породил и новые проблемы…

Как управлять движением?

На конечную остановку пришел трамвай. Как ему отправиться в обратный путь? Да в чем загвоздка, скажете вы, развернется по рельсовому кольцу, и вперед! Но даже такие небольшие развороты занимают немало городской площади и создают неудобства. А что же говорить о вокзале или железнодорожной станции, куда прибывают поезда с десятками вагонов? Не устраивать же из них хоровод, описывая километровые кольца! Пришлось делать локомотивы и электрички «двухголовыми».

Это всего лишь одна из проблем, связанных с управлением движением на рельсовых путях.

За почти двухсотлетнюю историю этого вида транспорта было изобретено множество способов, каким образом формировать составы, сортировать их, то есть перецеплять вагоны от одного поезда к другому. Или же регулировать длину, скорость и частоту движения поездов.

Легче всего представить себе сложность этих задач, спустившись в метро. В час «пик» на перронах скапливаются толпы людей. Поезда должны следовать друг за другом очень часто, успевая перевозить сотни тысяч пассажиров. Им нельзя задерживаться на перегонах, нужно двигаться со строго определенной скоростью, чтобы обеспечить не только быстроту, но и безопасность движения. В общем, весь огромный подземный город – метрополитен обязан работать как единый организм, четко и слаженно. Подобные задачи необходимо решать на любой стальной магистрали.

На помощь пришла автоматика. Вдоль всех многокилометровых рельсовых дорог протянуты линии сигнализации, предназначенные не только для переключения светофора или шлагбаума, но и способные самостоятельно управлять движением поездов. Часто пассажиры даже и не подозревают, что состав, в котором они едут, ведет автоматический машинист.

Сегодня всю информацию о местоположении и скорости поездов на многих дорогах обрабатывают вычислительные машины, так как характер и особенности перемещения по рельсовым путям очень хорошо поддаются переводу на машинный язык. ЭВМ разрабатывают режим движения, а во многих случаях, образно говоря, берут штурвал управления в свои руки. Этим достигается не только безопасность движения, но и заметная экономия энергии.

В будущем, когда быстрота перевозок возрастет еще больше, без подобных систем управления движением на железных дорогах просто не обойтись.

Наш следующий транспортный герой – автомобиль. Он появился позже паровоза примерно на столетие. Почему так произошло? Вроде бы необходимость в нем была не меньше, чем в паровозе. Ведь рельсы не подведешь к каждому дому, а машинисту не скажешь, как сейчас водителю такси: «Подвезите на угол Садовой и Тверской».

От станций и вокзалов грузы и пассажиров все равно приходилось доставлять по точным адресам. Но с этой задачей вполне успешно справлялись конные повозки и экипажи. Железная дорога взяла на себя львиную долю перевозок на большие расстояния.

Автомобиль же, чтобы соревноваться с конной тягой на небольших расстояниях, должен был пройти еще долгую эволюцию. Предстояло отслеживать все новые изобретения, постепенно подбирая из них такую комбинацию, которая обеспечила бы ему реальные преимущества.

Когда даже закоренелым скептикам стало ясно, что новый городской, а затем и загородный, а еще позже – и междугородный вид транспорта «обскакал» по всем статьям живую лошадь, отношение к нему стало меняться. На фотографиях крупных городов начала прошлого века, сделанных с интервалом лет в пять, можно заметить отчетливые перемены. На улицах становится все меньше телег, конок, экипажей, дилижансов. Сперва редкие и неуклюжие, теряющиеся среди лошадиных повозок автомобили неотвратимо вытесняют их, и наконец обнаружить на снимках изображение лошади становится просто невозможно.

Вероятно, теперь кто-то со вздохом мечтает о возвращении времен, когда на улицах легче дышалось и раздавался цокот копыт, а не рычали моторы и в воздухе не висела гарь автомобильных выхлопов. Но большинству из нас автомашина стала настолько близкой и необходимой, что мы скорее готовы бесконечно переделывать ее и совершенствовать, чем даже подумать о расставании с ней…

Что опередило автомобиль?

Почему же все-таки автомобиль задержался со своим появлением? Идея-то была проста – поставить тот же паровой двигатель на колеса, только двигаться не по рельсам, а по обычным дорогам. Но на неприспособленных для таких экипажей дорогах возникала сильная тряска; сами машины были громоздкими и тяжелыми; паровой двигатель представлял немалую опасность. Известно, что на скорости 4 километра в час потерпел аварию паромобиль французского инженера Кюньо. На крутом повороте изобретатель не сдержал руля, паровой котел сорвался с ухвата и, как отметили газеты, «взорвался с грохотом на весь Париж».

Нужно было дождаться, когда люди научатся строить более ровные дороги, снабдят автомобили резиновыми шинами, поставят амортизаторы, найдут подобающую форму кузова, а главное – изобретут компактный, мощный и надежный двигатель.

А нельзя ли вообще обойтись без двигателя? То есть приводить в движение подобные машины с помощью только лишь человеческих усилий? Наверняка вам приходит в голову мысль о велосипеде. Да, наряду с попытками создания автомобиля шли поиски и такого вида транспорта.

Самокат, иными словами дощечка с двумя колесами и стержнем для удержания равновесия, был известен по крайней мере еще в Древнем Египте. Затем дощечку приподняли, стали на нее садиться и двигаться, отталкиваясь от земли ногами. С изобретением в середине XVIII века педалей и цепной передачи на велосипеде можно было уже ездить со скоростью, превышающей скорость бегущего человека, при этом значительно экономя силы. Но если мы взглянем на современные велосипеды, то обнаружим, что гоночные модели позволяют развивать скорость примерно 50 километров в час, обычно же велосипедисты ездят раза в 2 медленнее. Не сравнить с автомобилями, верно?

Недаром более ста лет назад решили и на велосипеды ставить моторчики. Происходило это одновременно с изобретением двигателя внутреннего сгорания, необходимого прежде всего для автомобиля. К чему привела эта «добавка» к велосипеду, мы можем сегодня наблюдать, глядя на огромное семейство мопедов, мотороллеров и мотоциклов.

Впрочем, и сам велосипед до сих пор совершенствуется и оказывает неоценимые услуги своим хозяевам – он дешев, удобен, маневрен. В крупных японских городах, улицы которых в часы «пик» забиты автомобильными пробками, велосипед надежнее любой машины. Сейчас там пользуется спросом модель, снабженная мотором на аккумуляторах и микрокомпьютером. Тот следит за усилиями велосипедиста и в нужный момент подключает ему на помощь двигатель.

Но вернемся к двигателю автомобиля.

Когда появился двигатель внутреннего сгорания?

Произошло это в середине восьмидесятых годов XIX века. Желание снабдить автомобиль необходимым ему мотором привело инженеров и конструкторов к следующей идее. Зачем сжигать топливо снаружи, подогревая котел с водой, в котором образуется пар, толкающий поршни машин? Не проще ли подавать смесь бензина с воздухом внутрь цилиндра двигателя, заставляя ее там сгорать, нагреваясь и расширяясь? Иными словами, заменить пар образовавшимися при сгорании газообразными продуктами.

Идея, безусловно, была очень перспективной. Но потребовалось немало стараний, чтобы научиться производить воздушно-бензиновую смесь, подавать ее строгими порциями в цилиндр двигателя, а также вовремя поджигать электрической свечой и выводить наружу отработавшие газы – выхлоп. Двигателю предстояло стать весьма слаженно работающей системой, состоящей из большого количества деталей. Всего этого удалось достичь, более того, несмотря на все усовершенствования, двигатель внутреннего сгорания в принципе сохранил свои черты до наших дней. В миллионах автомобилей стучат подобные двигатели.

Довольно скоро после описанного типа двигателя появился его собрат – дизель. Дело в том, что конструкция бензинового двигателя не позволяла столь же эффективно использовать иные, более тяжелые сорта горючего, полученного из нефти. В дизельном же двигателе происходил поджиг топлива не с помощью электрической искры, а за счет сильного сжатия и разогрева воздуха в цилиндре. Когда в него под большим давлением впрыскивалась порция топлива, то оно из-за высокой температуры воспламенялось само. А дальше работа шла по уже известному сценарию: горячие газы стремились расшириться и толкали поршень.

Дизели взяли на себя тяжелую работу по перемещению большегрузных автомобилей – самосвалов, грузовиков, крупных автобусов. Стоят они внутри танков и тракторов, крупных судов. Впрочем, сфера их применения одним транспортом отнюдь не исчерпывается.

Эти две разновидности двигателей внутреннего сгорания в течение XX века определяли, с одной стороны, развитие автомобилестроения, с другой – загрязнение окружающей среды.

Что только не предложено на замену портящим воздух продуктам нефтепереработки! Спирт, соевое масло, метанол… Время от времени возрождается интерес к двигателю внешнего сгорания, способному работать на жидком топливе и даже на измельченном в пыль каменном угле, – полагают, что он даст меньше вредных выбросов. Проектируют двигатели на водороде, пытаясь свести к минимуму опасность его взрыва…

И все же именно эта проблема поставила производителей автомобилей перед необходимостью искать какие-то новые решения, иначе столь привычное нам средство передвижения станет нашим главным экологическим противником.

Станет ли автомобиль «чистоплотным»?

В середине нашего века немецкому изобретателю-самоучке Феликсу Ванкелю удалось создать двигатель без обычных цилиндров и поршней – порции топлива сгорали так, что сразу производили вращение вала. В разработку нового – роторного – двигателя были вложены миллиарды долларов. Тем не менее за прошедшие уже десятки лет не удалось преодолеть два его недостатка – большое потребление бензина и слишком токсичные выхлопы. Ведущие автомобильные компании прекращают выпуск машин с роторными двигателями, надежды на них не оправдались.

Как же создать экологически чистый автомобиль? Прежде всего, наверное, стоит усовершенствовать существующие конструкции. А именно: постараться уменьшить расход топлива, само топливо сделать более приемлемым с точки зрения чистоты выхлопов, а уж получающиеся выхлопы доочищать. Нужно позаботиться о снижении сопротивления воздуха, ведь оно при больших скоростях современных автомобилей отбирает огромную долю затрачиваемой энергии. Можно использовать новые, например, керамические материалы для двигателей, что повысит их коэффициент полезного действия (из-за достижения более высоких температур) и приведет к экономии топлива и уменьшению загрязнения.

Подключение к решению таких задач компьютерной техники дало ощутимые плоды. Так, в 1996 году в Японии был разработан автомобиль, превосходящий по своим экологическим параметрам все известные машины с двигателем внутреннего сгорания. Его создатели использовали в качестве горючего природный газ и добились того, что воздух из выхлопа шел чище, чем во многих промышленных городах!

С 2012 года выпускаются экологичные электро мобили. Они заряжаются от обычной электросети.

Разные усовершенствования делают машину более дорогой, что сдерживает внедрение других разработок, например таких, как газотурбинные двигатели, электромобили, инерционные и солнечные двигатели. В каждой из этих областей сделаны сотни изобретений, получены обнадеживающие результаты, однако двигатель внутреннего сгорания капитулировать не хочет.

Во Франции, где покупать электромобили помогает государство, их отнюдь «не расхватывают», потому что по скорости, дальности пробега и удобству обслуживания наши обычные автомобили пока еще превосходят новинки. Но когда-нибудь экология все-таки вынудит людей отказаться от загрязняющих окружающую среду машин, и автостроители сумеют перестроить систему рекламы и автосервиса таким образом, что автолюбитель станет охотней приобретать достижения новой техники.

В конце концов для большинства землян «автомобиль не роскошь, а средство передвижения», как говорили герои романа И. Ильфа и Е. Петрова «Золотой теленок». Человек чаще ездит по необходимости, а не для развлечения, и не на «голом» изобретении, а на том, что ему удобно и выгодно.

В отличие от видов транспорта, передвигающихся по воде или по земле, машины для полета нельзя было конструировать традиционным путем. Метод проб и ошибок, небезопасный при работе и на земной тверди, становился неприемлемым при потере привычной опоры. Каждый неудачный полет грозил испытателю гибелью.

Впрочем, называть такое движение вовсе безопорным – неверно. Оторвавшись от земли, летательный аппарат начинает опираться на воздух. Движение в очень неплотной среде требовало долгого и кропотливого исследования ее свойств. И хотя развитие ни одного из видов транспорта не могло обойтись без помощи науки, в авиации такая поддержка была принципиально важной с самого начала ее становления.

Во многом благодаря работам ученых, создавших теорию движения тел в воздухе – аэродинамику, воздухоплавание получило невидимые крылья – мощь человеческого интеллекта.

Смешные и странные, по сегодняшним меркам, механические создания примерно сто лет назад одно за другим устремлялись в воздушную стихию. Наступала эпоха авиации…

Что предшествовало самолетам?

Хотя летать человек начал всего лишь без малого столетие, подняться в воздух он сумел значительно раньше. Висеть – это не лететь. Конечно, вы поняли, что речь идет о воздушных шарах. Действительно, такого рода полеты стали совершаться еще в конце XVIII века, люди поднимались в воздух на шарах, наполненных дымом от костра.

В принципе внутри шара может быть любой газ, лишь бы он был легче окружающего воздуха, иными словами – менее плотный. Вот за счет этой разности плотностей и возникает так называемая подъемная сила, достигающая, в зависимости от объема шара и вида газа, заметной величины.

Человек умело распорядился этим изобретением. Воздушные шары – аэростаты – приспособили для путешествий, перевозки грузов, научных исследований. Конечно, не обошлось без курьезов. Одному французу пришло в голову подняться на шаре, сидя на своем коне. Другим – устроить дуэль на воздушных шарах. Повредив выстрелами аппараты, оба рухнули с высоты 700 метров и погибли.

Со временем родилась идея сделать каркас этого транспортного средства жестким – так появился дирижабль. На такого рода устройства начали ставить двигатели, что позволило перемещаться на огромные расстояния.

Воздушный шар, увы, слишком подчинен воле ветров. Недаром никак не удается совершить на нем кругосветное путешествие: вы наверняка слышали о недавних попытках, закончившихся неудачей. А вот дирижабли довольно быстро так освоились в воздухе, что пересекли океаны и в двадцатых годах XX века достигли Северного полюса.

Дирижаблям прочили безоблачное будущее. Они могли и перевозить пассажиров, и доставлять в недоступные другим видам транспорта районы тяжелые грузы, и применяться в военных целях. Но в промежутке между двумя мировыми войнами дирижабли потерпели ряд серьезных катастроф, что подорвало их престиж. В то же время авиация набирала такую мощь, что захватила безусловное лидерство в воздухе, оттеснив дирижабли.

Интерес к дирижаблестроению проявлялся и в последующие годы. Но и сегодня существуют любопытные проекты их эксплуатации, например для создания системы связи наподобие спутниковой. А вот как умудрились использовать дирижабль исследователи экваториальных лесов Южной Америки. С него сбросили на кроны деревьев сетчатый плот, окаймленный резиновыми понтонами. С помощью его ученые смогли наблюдать за недоступными ранее растениями, животными и насекомыми верхнего яруса джунглей. Между висящим плотом и гондолой дирижабля поддерживалась связь, и в нужный момент плот можно было поднять и переместить в другое место.

Этот пример говорит о том, что для дирижаблей, возможно, еще не все потеряно.

Аэростаты же продолжали исправно и бесперебойно трудиться. Во время войны они помогали маскировать крупные города, их запускали и запускают для сбора метеорологических данных, они служат зондами для исследований в атмосферах других планет. Сфера их применения, судя по проектам, будет расширяться, и наверняка вскоре мы станем свидетелями их первого кругосветного беспосадочного перелета.

Может ли самолет быть без двигателя?

Настоящие самолеты, то есть управляемые аппараты тяжелее воздуха, снабженные двигателем, способные менять высоту и летать горизонтально, появились лишь на рубеже двух последних веков. Необходимо воздать должное смелости и упорству исследователей, на себе испытавших всю прелесть и опасность движения в воздухе. Огромное количество опытов, измерений и расчетов позволили, наконец, понять, какими должны быть крылья будущего аэроплана.

Относительно небольшие размеры и малый вес, но в то же время и достаточная тяга созданного к тому времени двигателя внутреннего сгорания обеспечили необходимые условия для полета.

Как бы ни были интересны прежние изыскания ученых, в том числе и Леонардо да Винчи, пытавшихся скопировать полет птиц и летучих мышей, уже около ста лет назад стало ясно, что человеку для полета необходим двигатель. Правда, ради справедливости заметим, что на сегодня изобретены и поднимаются в воздух машины, приводимые в движение одной лишь мускульной силой человека.

Эти воздушные «велосипеды» стали возможны благодаря появлению сверхлегких прочных материалов и хитроумным способам максимального использования человеческих усилий. Помимо летательных аппаратов, подобных самолетам и способных довольно долго находиться в воздухе – сколько у пилота хватит сил, – появились и «мускульные вертолеты».

Несколько лет назад устройство массой 45 килограммов смогло оторваться на 20 сантиметров от земли и продержаться 7 секунд. Аппарат, названный «да Винчи III», включал в себя тридцатиметровый винт, вращаемый с помощью педального привода.

Однако такого рода машины, хоть и доказали возможность автономного, без двигателя, полета человека, пока еще служат скорее для развлечения. Но кто знает, не окажутся ли они полезными впоследствии для разведывательных целей или для исследования планет?

Что же касается опыта изучения полетов птиц, то он, безусловно, пригодился – прежде всего при расчетах и конструировании крыльев самолетов. Вспомните, ведь птица машет крыльями, набирая высоту или летя горизонтально. Но часто она просто парит в вышине, улавливая потоки восходящего воздуха, или плавно планирует, заходя на посадку. Что держит ее в это время? Как обтекает воздух поверхность крыльев? Чем можно изменить подъемную силу?

Ответы на подобные вопросы, прикидки, испытания, моделирование и продувка самолетов в аэродинамических трубах, а также компьютерное моделирование помогают постоянно улучшать параметры самолетов. Вся мощь науки и техники была брошена на решение задач авиации, что и обеспечило ей столь быстрый прогресс.

Судите сами: в конце 1903 года самолет братьев Райт продержался в воздухе двенадцать секунд и пролетел около сорока метров. В 1909 году первый аэроплан перелетел через пролив Ла-Манш, в 1919-м – самолет пересек Атлантический океан.

За следующие два десятилетия протяженность постоянных самолетных маршрутов выросла почти в восемьдесят раз. И эти данные оказались вовсе не рекордными.

Авиацию ждал новый взлет, связанный с появлением реактивного самолета.

Зачем понадобилась реактивная авиация?

Первые самолеты, как вы, наверное, знаете, приводились в движение пропеллером-винтом. Впрочем, пропеллеры не потеряли своего значения для авиации и по сей день. Наглядный пример – вертолеты. Недаром их именуют еще и винтокрылыми машинами.

Тем не менее использование пропеллеров наряду с вращавшими их поршневыми двигателями имело свои пределы. Во время Второй мировой войны стало очевидно, что для достижения больших скоростей и высот нужны иные двигатели. Принцип их действия был, как и многое в науке и технике, известен давно.

Пушка при выстреле откатывается назад, ружье, выпустив пулю, бьет прикладом в плечо. Называется это отдачей, реакцией. Нельзя ли такой процесс сделать непрерывным? Например, если кипящий чайник поставить на легкую тележку, то вырывающаяся из его носика струя пара заставит тележку двигаться в противоположном направлении. А если использовать для этого не пар, а газовую турбину? Или сжигать топливо в камере, а продукты сгорания – газы – выпускать в одном направлении. Возможно, это заставит машину двигаться?

Эти идеи получили техническое воплощение еще в 1910 году, когда на авиационном салоне под Парижем в воздух был поднят самолет особенной конструкции. Поздравляя его создателя, знаменитый А. Эйфель, построивший не только известную башню, но и аэродинамическую трубу, сказал: «Вы опередили эпоху на 30, а то и на все 50 лет!» Войны резко подстегнули разработки, что и привело к созданию реактивного самолета. С начала сороковых годов реактивные истребители стали выпускаться серийно, а в послевоенное время на реактивную тягу перешла и гражданская авиация.

Именно реактивный двигатель позволил самолету впервые превысить скорость звука, подняться на высоту в два десятка километров. Новые двигатели увеличили мощность и грузоподъемность летающих машин настолько, что стало возможным перевозить по две-три сотни пассажиров на тысячи километров, оперативно доставлять в самые разные точки земного шара сотни тонн грузов.

Реактивный самолет стал самым быстроходным современным транспортом. Внешне он мало похож на своего прародителя – вытянутый обтекаемый фюзеляж, прижатые к корпусу крылья, убирающиеся при взлете шасси. А как изменилась «начинка» самолета! Система автоматической посадки, автопилот, гидравлическая передача для управления рулями, система предупреждения столкновений, спутниковая связь… Одних только шкал, цифровых указателей, табло и экранов в кабине летчика больше сотни! Здесь без компьютера – как без рук!

Сочетая качества ракеты и самолета, конструкторы создали космический челнок – «Шаттл». Он поднимается в заатмосферные высоты подобно ракете, а приземляется как настоящий самолет. Такого рода машины дают нам возможность заглянуть в завтрашний день авиации.

Пожалуй, вырваться за пределы земного тяготения было настолько дерзновенным устремлением человечества, что долгие столетия об этом мечтали лишь поэты и писатели-фантасты. Даже во второй половине XIX века, когда пар и электричество преображали производство и наземный транспорт, мало кто связывал эти достижения с выходом в космическое пространство. И если об этом писали, как, например, Жюль Верн в своих романах, то представляли запуски в космос совсем не так, как это делается сегодня. Думали, что аппараты на Луну можно отправить, стреляя из огромной пушки. Отметим, что этот способ выхода в космос оказался вовсе не безнадежным. Но осуществить его удалось только в наше время.

Генеральной дорогой космонавтики стало использование ракет. Сами по себе они были известны давно, исторические источники отмечают их применение несколько столетий назад в Китае и Индии. Но это были небольшие устройства, и вряд ли кто-нибудь усматривал в них возможность заатмосферных путешествий.

Реально космонавтика начала становиться на ноги, когда появились научные расчеты. Они доказывали выполнимость полета по орбите вокруг Земли и даже далеко за ее пределы с помощью реактивной техники, но создание ее требовало новаторских конструкторских и инженерных решений.

Правда, когда появились эти расчеты, еще только-только «вставала на крыло» авиация и многие справедливо сомневались в быстрых темпах даже ее развития. Что ж говорить о каких-то ракетах, направляемых в заоблачные выси! Но жизнь подтвердила фантазии ученых, и это произошло весьма скоро…

Почему движется ракета?

Вклад, который внес в обоснование возможности космических полетов наш соотечественник К. Э. Циолковский, неоспорим и признан во всем мире. Живя в тихой и провинциальной Калуге, скромный учитель смог облечь свои мечты в конкретные формулы, на которые затем опирались все, кто хотел реализовать полет в космос. Циолковского поэтому называют основоположником теоретической космонавтики. Но на склоне лет ему удалось застать начало практического воплощения своих надежд.

В двадцатые – тридцатые годы и в нашей стране, и в других развитых государствах стали активно строить ракеты. Они, используя реактивную тягу, взлетали поначалу на небольшие высоты, но вскоре стали соперничать со стратостатами. То есть соревнование шло пока лишь в подъеме на все большие уровни по вертикали.

В начале сороковых годов, когда вовсю гремела Вторая мировая война, ракеты приняли на вооружение. У нас это были установки реактивного огня – «Катюши», а в гитлеровской Германии – ракеты ФАУ-2, которыми фашисты обстреливали Англию.

Дальнобойность, продемонстрированная ракетным оружием, говорила о том, что при последующем росте мощности двигателей можно попытаться выйти уже на околоземные орбиты.

В обстановке глубокой секретности (дело-то было связано с обороной!) шла работа над космическими устройствами. И прошло поразительно мало времени с начала постройки первых, еще во многом несовершенных, часто взрывавшихся ракет до того, как человек сумел вырваться в космос, то есть достичь скорости около 8 километров в секунду!

А все это стало летать благодаря тому, что люди смогли «впрячь» в новую технику хорошо «обкатанный» авиацией реактивный принцип. Однако, в отличие от самолетов, поддерживаемых во время движения воздухом, ракете в безвоздушном пространстве не на что опираться и не от чего отталкиваться, кроме как от выбрасываемых из нее продуктов сгорания топлива.

Еще задача. Топливо без кислорода гореть не может. А где его взять в космосе? Остается везти с собой, в сжатом виде. Ракета становится тяжелее, и чтобы оторвать от Земли и разогнать большой вес, нужна такая тяга, какую могут обеспечить лишь реактивные установки. Их на сегодня придумано немало: на твердом, жидком, ядерном топливе. Есть гибридные схемы, есть такие, что должны работать на солнечной энергии.

И даже если мы захотим двигаться к другим планетам, а может, и дальше – к звездам, то долго еще будет работать реактивный принцип.

Как помочь космонавту в полете?

Первый искусственный спутник Земли был запущен 4 октября 1957 года. Не прошло и четырех лет, как в космосе побывал первый человек – Юрий Гагарин.

Чтобы осуществить эти и последующие запуски, потребовались огромные силы: работали целые отрасли промышленности, многие научно-исследовательские институты и конструкторские бюро.

Подумайте, сколько новых технических задач нужно было решить. Из чего делать корпус ракеты? Каким заправлять топливом? Сколько и каких приборов надо установить, чтобы она не сбилась с курса, не «кувыркалась» во время движения по орбите, чтобы поддерживалась устойчивая связь с Землей? Как создать в условиях невесомости, а именно в них большую часть времени проводят космонавты, необходимый, хотя бы минимальный комфорт?

Тысячи и тысячи проблем, и все их надо было решать в комплексе, одновременно. Вот пример: для длительного полета пилотам корабля нужен достаточный запас кислорода и питания. Но двигатели ракеты способны поднять строго ограниченный вес. Что делать, не экономить же на горючем? Такого рода вопросы подталкивали к изобретению как новых материалов для обшивки и двигателей, к поиску необычных, обладающих высокой эффективностью видов топлива, так и к установке на борту корабля новейших компактных вычислительных машин. Они должны совершать огромный объем работы и заменять громоздкие и тяжелые устройства, используемые обычно на Земле.

Заметьте, сколько раз в сообщениях о работе станции «Мир» упоминалось об отладке или ремонте бортовых компьютеров. Сбои в их работе угрожали потерей энергообеспечения, нарушением ориентации станции, прекращением научных экспериментов. Пришлось доставлять на орбиту с помощью космического челнока новую вычислительную машину и «на ходу» производить замену.

Чтобы работа в космосе была более эффективной, многие из операций имитируют на Земле. Например, условия, похожие на те, в которые попадают космонавты при выходе в открытый космос, можно создать… в специальном бассейне. Там проходят испытания и люди в скафандрах, и конструкции, с которыми им придется иметь дело на орбите.

А когда американские астронавты высаживались на Луну, дублирующий экипаж повторял все их движения в имитаторе размером с пятнадцатиэтажный дом. В нем была воспроизведена обстановка, подобная лунной. И если на Луне вдруг произошло бы что-то непредвиденное, то на Земле это могли бы повторить и подсказать астронавтам решение проблемы.

Сегодня на Земле построен не один космодром – огромная стартовая площадка для ракет, достигающих сотни метров в высоту и способных вывести на околоземную орбиту свыше 100 тонн полезного груза, например наша ракета-носитель «Энергия». Многие страны располагают возможностью запускать свои космические корабли и космонавтов или же платят за это, покупая рейс у других государств. Арсенал ракет для запуска самых различных спутников и станций велик и разнообразен.

Как же все это намерено использовать человечество?..

Что толку от космонавтики?

Полеты в космос требуют огромных затрат. Некоторые проекты невозможно осуществить в одиночку даже таким крупным странам, как Россия или США. Более того, выходы на орбиту приносят и прямой ущерб – падают на Землю отработавшие ступени ракет, выводятся из хозяйственного пользования прилегающие к космодромам громадные территории, да и в самом космосе накапливается мусор, состоящий из деталей ракет и кораблей и закончивших свою работу на орбите спутников.

И все же развивать космонавтику, несомненно, стоит. Вспомним о спутниках, помогающих предсказывать погоду, поддерживать телевещание и устойчивую связь между разными районами Земли, искать полезные ископаемые. И, может быть, самое на сегодня важное – вести глобальный мониторинг (наблюдение и оценку) экологического состояния поверхности нашей планеты.

Масштабы человеческой деятельности, в том числе и наносящей вред природе, стали настолько велики, что только такое средство, как слежение из космоса, позволит разработать меры противодействия.

Но было бы неверным говорить только о практической стороне космонавтики, ведь начиналась она с мечты, устремленной к звездам…

Куда еще отправятся ракеты?

«Человечество не останется вечно на Земле… – писал К. Э. Циолковский. – … Очень важно иметь ракетные корабли, ибо они помогут человечеству расселиться по мировому пространству». Вот куда были нацелены мысли основоположника космонавтики! И сегодня существует много энтузиастов и сторонников космических путешествий.

Созданы Всемирный фонд космических исследований, Общество межзвездного движения. Их члены не только проектируют и обсуждают, но даже пытаются строить собственные космические аппараты. Вот, скажем, американцы уже создали так называемый космический парус, который мог бы двигаться под действием давления солнечного света. Есть проект аппарата, приводимого в движение на пути к далеким звездам лучом мощного лазера.

А один из отечественных изобретателей предложил опоясать Землю гигантским «эластичным» кольцом, которое, вращаясь с огромной скоростью, постепенно станет невесомым, растянется и выйдет за пределы атмосферы. При уменьшении скорости оно вернется к первоначальному виду, совершив мягкую посадку на Землю. По оценкам, такое кольцо могло бы вместить 400 миллионов человек и 200 миллионов тонн груза, поднимая их до орбит искусственных спутников. Впечатляет?

Есть множество подобных предложений, до реализации которых человечество еще должно дойти. Но то, что происходит сейчас в космонавтике, дает основание думать, что мы можем здорово ошибиться в прогнозах.

Посмотрите, сколько было сделано за совсем небольшой промежуток времени. Это и путешествие космических аппаратов до самых границ Солнечной системы, принесшее потоки новой информации, – одних новых спутников планет было открыто 26! Это и высадки автоматических транспортных устройств на поверхности спутников и планет – наших, несколько забавных, похожих на кастрюли восьмиколесных луноходов и американских роботов-марсоходов. Это и посещение Луны астронавтами во время нескольких экспедиций «Аполлона», и нынешний полет аппарата «Лунар Проспектор», вышедшего на селеноцентрическую орбиту в январе 1998 года. Кстати, целью последнего полета стало всестороннее обследование нашей соседки, в том числе и поиски на ней воды.

Конец ознакомительного фрагмента.