Первые полеты на аэростатах
Параллельно с попытками поднять в воздух летательный аппарат тяжелее воздуха, начиная с XIV века в Европе зарождается идея возможности полета на машине, которая легче воздуха. Однако почти 2000 лет назад греческий математик Архимед из Сиракуз открыл общеизвестный сейчас закон, гласящий, что тело, погруженное в жидкость, теряет в весе ровно столько, сколько весит вытесненная им жидкость, и доказал, что этот же принцип применим к газам, вследствие чего выдвинул в 250 году до н.э. (неосуществленное) изобретение летающей хрустальной сферы.
Эта идея была подхвачена ученым-иезуитом Франческо Лана де Терци (Francesco Lana de Terzi; 1631–1687) в 1670 году. Он принадлежал к древнему роду графов Лана-Терци, прибывших в Брешию еще в XIV веке из окрестностей Бергамо, некоторое время преподавал гуманитарные науки в Терни, после чего в основном работал профессором физических наук и математики, преимущественно в Ферраре. Терци практически повторяет идею Архимеда, описывая воздушный корабль, поднимаемый четырьмя медными шарами, из которых откачивался воздух для создания вакуума, в результате чего их вес должен был уменьшиться и стать легче воздуха. После подъема корабль должен был использовать парус, чтобы с помощью ветра передвигаться по воздуху. Лана де Терци предложил использовать балласт для управления высотой и якорь для удержания воздушного судна.
Сначала Лана произвел опыты для определения веса воздуха, примерно такие же, какие делал Галилей. Определив, что воздух в 640 раз легче воды, изобретатель высчитал, что диаметр шаров должен быть около 7,8 м, а объем каждого шара около 400 м3, тогда подъемная сила получалась достаточно большой. Де Терци подсчитал, что вес одного шара составит 180 кг (при толщине стенок в 0,9 мм), а воздух внутри него (до откачки) будет весить 290 кг, что суммарно с тремя остальными шарами обеспечит достаточную подъемную силу. Лана указал и метод для полного удаления воздуха из шаров – совершенно такой же, какой применяется для получения торичеллиевой пустоты в барометрической трубке. В шаре делается отверстие, в которое вставляется трубка длиной более 10 м с краном около шара; после заполнения шара и трубки водой система опрокидывается, и после полного слива воды до нижнего конца трубки в шаре воздуха не останется. Этот проект аппарата легче воздуха оказался технически невыполним. Не было никакой возможности сделать сферы достаточно тонкими, чтобы выиграть в весе, и в то же время достаточно прочными, чтобы выдержать атмосферное давление1.
1. Весовой расчет Лана был правильный. Но даже если бы можно было практически добиться торичеллиевой пустоты в громадных шарах, то все же предприятие было явно безнадежно, так как громадное наружное давление атмосферы смяло бы тонкостенные шары. Нельзя сказать, что Лана совершенно не думал о давлении наружного воздуха, но он не допускал, что давление может быть велико, и считал, что прочность оболочек будет обеспечиваться их сферической формой. В 1710 году великим Лейбницем была доказана физическая невозможность постройки такого судна.
Ответ на вопрос «Как скомпенсировать давление?» лежал совсем рядом, опробовал его еще в XIV веке монах Альберт Саксонский (Albertus de Saxonia; 1316–1390). Он писал, что дым костра гораздо легче воздуха и вследствие расширения воздуха под влиянием огня поднимается в небо. Английский ученый Скалигер уже в XVI столетии предлагал сделать из тончайшего золота оболочку и наполнить ее горячим воздухом. Этот ученый сделал ту же самую ошибку, что и путешественник, собравшийся на Луну в книге французского писателя Эдмона Ростана «Сирано де Бержерак», также пытавшийся наполнить дымом два больших металлических сосуда для создания подъемной силы.
Человечеству пришлось промучиться еще около ста лет, прежде чем 21 ноября 1783 года в Париже был осуществлен первый полет людей2 (П. де Розье и д'Арланд) на воздушном шаре, созданном братьями Монгольфье. Интересен тот факт, что шар Монгольфье начинался не с чего-нибудь, а с мыльных пузырей! Вот такое парадоксальное начало лежит в основе будущих гигантов Цеппелина.
2. В работе А.И. Сулакадзева «О воздушном летании в России с 906 лета по Р. X.» приводятся сведения о полете в 1731 году на воздушном шаре подьячего Крякутного. Он активно пропагандировался в период «борьбы с космополитизмом», а уже впоследствии проник в литературу, кинематограф и массовую культуру. Несмотря на разоблачение фальсификации, ссылки на «полет Крякутного» на воздушном шаре по-прежнему воспроизводятся в ряде работ и художественных произведений.
Братья Жозеф-Мишель (1740– 1810) и Жак-Этьенн (1745–1799) Монгольфье, несмотря на то, что занимались руководством мануфактурой своего отца, на деле в большей степени интересовались естествознанием. В частности, Жозеф Монгольфье даже совершил пешее путешествие в столицу, где прослушал публичные лекции по химии и физике в дополнение к своему самостоятельному изучению этих наук. Этьен же закончил в Париже строительную школу и зарекомендовал себя талантливым архитектором. Изобретательская жилка сблизила братьев, позволила им расширить бумажное производство путем усовершенствования станков и заимствования передовых технологий из других стран. Больше же всего братьев мучил вопрос овладения силами ветров. Силу воды они давно уже научились использовать, заставляя ее вращать колеса и шестеренки мануфактурного оборудования, сила ветра оставалась малоподотчетной их воле и знаниям.
Так или иначе братья много размышляли и беседовали о возможности поднять какой-либо предмет с земли и даже пытались сотворить свое собственное облако! Для чего они делали бумажные шаровые оболочки и наполняли их паром. Но не тут-то было! Пар быстро сгущался. Оболочка намокала, и братья наблюдали жалкое зрелище мокрого комка бумаги на земле в своей мастерской. Решили применить для подъема обычный дым, который, подобно облакам, стремится вверх и стелется по небу. Провели испытание с мешком в виде куба, сделанным из материи. Наполненный дымом от горящей бумаги, он быстро поднялся к потолку комнаты. Размышляя о том, как получить самый легкий дым, братья подбирали для сжигания различные вещества. Наконец найдено подходящее топливо, которое при сжигании должно дать дым, с наибольшей подъемной силой, – смесь шерсти с мокрой соломой. В присутствии родных и знакомых воздушный шар диаметром 3,5 м поднялся на трехсотметровую высоту.
5 июня 1783 года многочисленные зрители увидели подвешенный на высоте трехэтажного дома огромный мешок, спускавшийся до земли. Внизу, под кольцевым отверстием, была установлена сковорода – на ней развели костер. Оболочка, сшитая из полотняных клиньев и усиленная для прочности веревочной сеткой, имела диаметр 11,4 м и объем около 700 м3. Дым стал наполнять оболочку, и она быстро приняла форму шара. Восемь рабочих с трудом удерживали его. Вот по команде отпущены веревки, и баллон ушел в небо. Полет его продолжался около десяти минут. Шар поднялся на высоту около 2000 м и, пролетев 2,5 км, опустился на землю.
В Академии наук было решено пригласить братьев Монгольфье повторить их опыт в столице. В конце августа Этьенн Монгольфье в Париже начал строительство воздушного шара. Первый баллон, изготовленный из холста и оклеенный бумагой, намок под дождем и пришел в негодность. Срочно изготовили новый монгольфьер (так стали называть воздушные шары, наполненные горячим воздухом). 19 сентября 1783 года сотни тысяч зрителей собрались в Версале, чтобы увидеть его полет. Слегка вытянутый по высоте шар имел объем около 1200 м