Велосипед

Велосипед «изобретали» несколько раз в разное время и в разных странах. Еще в 1680 году в Нюрнберге Стефан Фарфлер сконструировал трехколесную самодвижущуюся машину с ручным приводом. С 1690 года во Франции была построена подобная машина под названием «селерифер». Само слово «велосипед» пришло к нам из Франции в конце XVIII века. В переводе оно означает «быстрые ноги». В России считают, что еще в 1801 г. крепостной крестьянин Ефим Артамонов проехал от Урала до Санкт-Петербурга на двухколесной тележке собственного изобретения. Изобретатель приводил свое детище в движение, отталкиваясь ногами от земли. За это изобретение Артамонов получил вольную. Многие исследователи отрицают существование велосипеда Артамонова.

Еще одним претендентом на авторство велосипеда является немецкий лесничий Карл фон Дрез, живший в начале XIX в. в г. Карлсруэ. Он был талантливым изобретателем, создавшим, в частности, прообраз пишущей машинки, мясорубку. Его любимым творением стала «беговая машина», построенная им в 1817 г. Ее конструкция очень проста: два высоких колеса – одно за другим, между ними узенькое сиденье. Седок отталкивался от земли ногами и мог передвигаться со скоростью 20 км/ч. Над Дрезом, ехавшим по улице на велосипеде, все смеялись. Но его машина, названная по фамилии изобретателя дрезиной, имела успех, правда, недолгий, в Лондоне и Париже. То, как выглядел велосипед Дреза, известно по карикатурам в юмористических журналах. Насмешки стали причиной забвения дрезины. Сам Дрез умер в нищете, его велосипед продали за 5 марок. А название «дрезина» закрепилось за другим изобретением Дреза – тележкой, передвигающейся по железнодорожным рельсам.

Увлечение самокатом пережила Англия в 20-х годах XIX в. Там он сделался фирменным средством передвижения лондонских денди. Их самокаты изготавливались в виде потешных лошадок и назывались «денди-кони». Именно в Англии в 1818 г. был выдан первый патент на велосипед. Запатентованное устройство описывалось как «машина, служащая для уменьшения трудов и усталости от хождения, позволяющая в то же время использовать большую скорость и обгонять пешеходов».

Следующий этап в истории велосипеда связан с изобретением в 1836 г. шотландцем Гевином Дальзелем педалей, избавивших ездока от необходимости отталкиваться ногами. Размеры переднего колеса начали неудержимо расти, пока не превысили человеческий рост. Такая конструкция была весьма неустойчива, особенно из-за отсутствия тормозов. Последние были придуманы в середине XIX в. одновременно в Германии и Франции. Филипп Фишер, слесарь из немецкого городка Оберндорф, до старости ездил на велосипеде собственного изготовления – с тормозами. В 1884 г. его сын Фридрих открыл фабрику по производству велосипедов. В отличие от Фишера француз Пьер Мишо, сконструировавший велосипед с тормозами в 1855 г., сам поставил на конвейер производство своих «мишолинов» и, продавая их по 500 франков за штуку, первым разбогател на этом изобретении. В 1858 г. англичанин Джон Шергольд придумал велосипедную цепь, а седло переместил к середине рамы.

Во второй половине XIX столетия велосипед постоянно усовершенствовался. В 1867 г. появились спицы, в 1868-м – резиновый обод, в 1869-м – ведущее заднее колесо. Велосипеды постепенно перестали восприниматься как экзотика: в Париже в 1869 г. их насчитывается уже 1300 штук, а через тридцать лет – в пятьсот раз больше. Но основным недостатком велосипеда оставалась тряска при передвижении. В 1885 г. шотландский врач Данлоп, купивший своему сыну новый «бициклет», задумался над тем, как избавиться от непрерывной тряски. Он взял садовый шланг и обернул в него колеса. Сначала шланг наполнялся водой, но эта конструкция оказалась слишком тяжелой. Данлоп стал надувать отрезок шланга воздухом, ему же принадлежит идея ниппеля. Количество изобретений и усовершенствований, связанных с велосипедом, не иссякало: в 1892 г. во Франции было выдано 1000 патентов, в Англии – 2400, в США – 4000. В 1893 г. оба колеса стали одинакового диаметра, а в 1898 г. была придумана «трещотка», то есть свободный ход. Вот так постепенно велосипед получил привычный для нас вид.

В начале XX в. велосипед был невероятно популярен: проводились бесконечные соревнования «циклистов», выпускалась специальная обувь и «велодоги» – револьверы для защиты от собак. Велосипедами снабжали почтальонов и курьеров. В Германии, а затем и в других странах начали создаваться велосипедные подразделения (в России они назывались «самокатными»). Разрабатывались велосипеды спортивные, охотничьи, складные, детские, дамские и т. д.

В XX в. велосипед стал излюбленным средством передвижения во многих странах Европы и в Китае. В странах Азии на смену традиционным рикшам пришли велорикши. Развитие велоспорта привело к разделению спортивных велосипедов на шоссейные и трековые. Кроме того, долгое время в программе Олимпийских игр были трековые гонки на тандемах – велосипедах с двумя спортсменами.

Технический прогресс второй половины XX в. не обошел и велосипед. Даже дорожные велосипеды стали многоскоростными. В изготовлении велосипедов стали применяться новые материалы – легированные стали, алюминиевые сплавы, композиты. Это позволило облегчить машины, сделать их более прочными. В конце XX в. стали популярны горные велосипеды с прочной рамой, широкими шинами. Велосипеды стали практически «вездеходными».

Вертолет

Первый эскиз вертолета с кратким описанием сделал в 1489 г. Леонардо да Винчи. Его вертолет приводился в движение мускульной силой. Неизвестно, проводил ли Леонардо испытания своего аппарата, поскольку не осталось никаких документов, свидетельствующих об этом. Ученые долго считали, что летательный аппарат невозможно привести в движение мускульной силой. Но не так давно был построен такой вертолет. Он смог взлететь и летать.

Триста лет спустя после Леонардо М. В. Ломоносов построил первую модель вертолета. Она состояла из фюзеляжа и двух винтов, вращавшихся в разные стороны. Эта модель предназначалась для подъема термометров с целью измерения температуры воздуха в верхних слоях атмосферы. Двигателем служила часовая пружина.

В 1784 г. французские изобретатели Лоннуа и Бьенвеню использовали в своей модели вертолета силу упругости сжатого лука. Вес их модели составлял около 80 г.

В 1863 году француз Г. де Ланде издал книгу, в которой излагал проект аппарата под названием «аэронеф». У «аэронефа» были крылья, тянущий винт и вертикальные мачты, на которых располагались подъемные винты. Из проекта де Ланде изобретатели в дальнейшем многое позаимствовали.

В 1869 г. русский изобретатель А. Н. Лодыгин обратился в Главное инженерное управление русской армии с проектом аппарата вертикального взлета с электрическим двигателем. Этот аппарат, названный изобретателем «электролет», предназначался для воздушной разведки и бомбардировки.

В 90-е годы XIX в. созданием вертолета начал заниматься H. Е. Жуковский вместе со своими учениками. Ученый считал, что за геликоптером всегда будет оставаться преимущество безопасного подъема и спуска.

И вот в 1907 году появился вертолет, который смог оторваться от земли. Его сконструировали французы, братья Л. и Ж. Бреге, совместно с профессором Ш. Рише.

Русский изобретатель И. И. Сикорский в 1901 г. еще в детстве построил модель своего первого вертолета с двигателем на резинке. Позже он создал большую модель с двумя пропеллерами, которая поднялась в воздух и летала в нескольких метрах над землей.

В 1903 г. Сикорский поступил в Российскую военно-морскую академию в Петербурге, а в 1906-м продолжил изучение инженерного дела в Париже. В 1907 г. он возвратился в Киевский политехнический институт. Игорь Сикорский вернулся к своей идее летательного аппарата, который бы поднимался в воздух вертикально с помощью вращающегося пропеллера. Во время путешествия по Германии Сикорский производил в гостиничных номерах расчеты, необходимые для запуска вертолетного пропеллера диаметром 120 см. Благодаря финансовой поддержке сестры Сикорский возвратился в Париж для изучения аэродинамики и приобретения необходимых компонентов для создания своего первого вертолета.

В 1909 г. Сикорский вернулся в Киев с трехцилиндровым двигателем от мотоцикла «Анзани» мощностью 25 л. с. и на его основе создал вертолет с двумя одновременно вращающимися винтами. Конструкция была довольно неудобна для пилота, в кабине везде торчали провода, приводившие в движения лопасти пропеллера. Однако Сикорский добился главного: он решил проблему вибрации и продемонстрировал способность своей машины подняться в воздух посредством «роторных крыльев». По расчетам инженера, его вертолет мог подниматься в воздух с грузом в 140 кг.

Конструкция была еще очень несовершенна, и Сикорский отказался от своей первой модели. В октябре 1909 г. он вернулся в Париж для изучения уже имеющихся к тому времени моделей аэропланов.

После приезда в Россию молодой изобретатель в феврале 1910-го использовал моторы для создания второй, вновь неудачной, модели вертолета. Маленький биплан «S-1» так и не взлетел. Биплан «S-2» и большая модель «S-3» смогли лишь ненадолго подняться в воздух. А модель «S-5» с мощностью двигателя 50 л. с. в мае 1911 г. не только поднялась в воздух, но и продемонстрировала свою способность летать. Игорю Сикорскому Российским Императорским аэроклубом была выдана лицензия на изобретение.

Еще в конце XIX в. было предложено несколько схем вертолета: одновинтовая, соосная, поперечная и продольная схема расположения винтов.

Недостатком одновинтовой схемы был реактивный момент, возникающий при вращении винта. Он заставлял вращаться не столько сам винт, сколько гондолу вертолета. Для его компенсации предлагалось устанавливать рулевые винты или применять двухвинтовую соосную схему. Для обеспечения поступательного движения вертолета предлагалось применять пропеллеры или наклон оси вращающегося винта. Были также предложения использовать машущие крылья, гребные колеса, наземные буксиры и парус.

Особую роль в истории мирового вертолетостроения занимает работа в 1908–1914 гг. студента Московского технического училища Б. Н. Юрьева. Он возглавлял группу студентов, членов комиссии по геликоптерам при Воздухоплавательном кружке МТУ. В 1911 г. Юрьев разработал проект одновинтового вертолета с хвостовым рулевым винтом. В этом проекте Юрьев смог решить проблему уравновешивания реактивного момента, действующего на гондолу. Для этого он применил рулевой винт, установленный на хвосте вертолета и приводимый в движение передачей от двигателя. Поскольку у силы, создаваемой хвостовым винтом, было большое плечо относительно центра тяжести вертолета, ее действие уравновешивало реактивный момент. Для поворота вертолета Юрьев предложил делать шаг лопастей хвостового винта изменяемым. При увеличении тяги этого винта можно было преодолевать реактивный момент главного винта и разворачивать машину в нужном направлении.

Чтобы обеспечить управляемость вертолета относительно продольной и поперечной осей, можно было поставить сбоку и спереди машины по одному винту. Боковой винт управлял бы креном вертолета, а передний регулировал высоту полета аппарата. Однако такая схема была очень сложной и делала вертолет неустойчивым. Поэтому Юрьев сконструировал несущий винт таким образом, что тот самостоятельно создавал оба момента, необходимые для управления вертолетом. С этой целью изобретатель создал аппарат перекоса. Принцип его работы состоял в том, что управление полетом осуществлялось путем изменения угла наклона лопастей к плоскости вращения, что достигалось подвижностью лопастей относительно их продольных осей. Если разные участки описываемого круга лопасть проходила с различными углами установки, то это приводило к увеличению или уменьшению тяги на этих участках. В результате несущий винт поворачивался в соответствующую сторону.

Необходимую установку лопастей и обеспечивал автомат. Он состоял из двух колец, связанных жесткой скользящей связью и подвешенных на кардане на неподвижной опоре. Внутреннее, подвижное, кольцо было связано тягами с рычагами, поворачивающими лопасти, и вращалось вместе с валом винта. Внешнее, неподвижное, кольцо было связано с тягами продольного и поперечного управления. Оно передавало усилие от этих тяг на подвижное кольцо, изменяя при этом угол наклона последнего. Наклоняясь, подвижное кольцо вызывало изменение углов установки лопастей относительно продольной оси и появление горизонтальной составляющей тяги несущего винта. Эта составляющая сообщала вертолету поступательное движение и наклоняла его в сторону движения. Для поворота было необходимо направить в нужную сторону внешнее кольцо.

Для вертикального перемещения вертолета служила система управления общим шагом винта. Оно достигалось одновременным увеличением или уменьшением углов установки всех лопастей несущего винта путем поднимания или опускания скользящего кардана автомата перекоса. Одновременно увеличивалась или уменьшалась тяга двигателя.

В 1912 г. вертолет Юрьева был выставлен на Международной выставке воздухоплавания в Москве. Работа была отмечена Малой золотой медалью. После замены макетных деталей настоящими были проведены испытания для получения характеристик несущего винта. Они были прерваны из-за плохой работы двигателя и поломки вала винта. Дальнейшей работе помешала мировая война.

Бурное развитие самолетостроения привело к тому, что конструкторы на время оставили вертолет без внимания. Лишь в 1923 г. испанец Пескара создал вертолет, который десять минут парил в воздухе на высоте трех метров и пролетел в общей сложности 300 м.

В 1924 г. француз Эмишен построил вертолет, который поднялся и пролетел на высоте полтора метра около 120 м. Управлял им сам Эмишен. Эта машина умела зависать в воздухе, разворачиваться на месте и лететь задним ходом.

Надежно действующий вертолет удалось создать группе сотрудников Центрального аэрогидродинамического института под руководством Юрьева. Это был одноместный 1-ЭА с одним несущим и двумя рулевыми винтами. На нем была достигнута высота 605 м. В 1938 г. под руководством Братухина был создан вертолет 11-ЭА, на котором была применена поперечная схема.

Аналогичную схему использовал в 30-е годы и немецкий конструктор Фокке. В 1937 г. его машина FW-61 установила мировые рекорды скорости – 123 км/ч и высоты – 2439 м. В 1941 г. FW-223 был выпущен небольшой серией.

Свою детскую мечту И. Сикорскому удалось реализовать. В 1919 г. он эмигрировал в США, где создал свою фирму «Сикорский». В 1939 г. изобретатель создал свой первый вертолет S-46. Он отказался от полных расчетов машины и вносил изменения прямо в ходе испытаний. Вертолет имел простую конструкцию: фюзеляж представлял собой ферму из стальных труб, кресло пилота было открытым и находилось впереди двигателя мощностью 65 л. с. Вращение посредством ременной передачи передавалось на редуктор, приводящий в движение трехлопастный несущий винт. Рулевой однолопастный винт устанавливался в хвосте на коробкообразной балке.

Испытания показали несовершенство конструкции. Из-за неправильного расчета плохо работал автомат перекоса. Это привело к плохой управляемости вертолета. При одном испытании он опрокинулся и разбился. После этого Сикорский применил схему с тремя рулевыми винтами. Эта машина хорошо управлялась, и в мае 1940 г. Сикорский показал ее летчикам. Вертолет свободно перемещался в разные стороны, зависал неподвижно и разворачивался на месте, но при этом не летел вперед. После определения и устранения недостатка летные качества машины значительно улучшились. Два года Сикорский менял конструкцию, используя различные системы управления. Это помогло ему в создании новых вертолетов.

В 1941 г. Сикорский получил военный заказ на вертолет, предназначенный для корректировки артиллерийского огня и связи. На этой модели был вновь применен автомат перекоса, рассчитанный более тщательно. В апреле 1942 г. машину показали военным. Во время полета S-47 продемонстрировал свои огромные возможности, перемещаясь в разные стороны, зависая на месте. В зависший вертолет поднимался пассажир.

После запуска в серийное производство S-47 получил название XR-4. Свое боевое крещение он получил в джунглях Юго-Восточной Азии, где стал единственным средством снабжения армии. Позже был сконструирован XR-5, на который установили специальный вертолетный двигатель. В дальнейшем вертолеты Сикорского получили распространение в различных отраслях хозяйства.

После войны в СССР были созданы конструкторские бюро М. Л. Миля и Н. С. Камова. В первом разрабатывались одновинтовые вертолеты, во втором – вертолеты, работающие по двухвинтовой соосной схеме. Кроме них вертолетами занималось КБ А. С. Яковлева. Первым советским серийным вертолетом стал Ми-1, выпуск которого начался в 1951 году.

На современных вертолетах устанавливают поршневые и воздушно-реактивные двигатели. Для кратковременного увеличения мощности при взлете и посадке вертолета может применяться ракетный двигатель. На некоторых вертолетах применяли самолетные одновальные турбовинтовые двигатели и двухвальные турбовинтовые двигатели со свободной турбиной. Возможен также реактивный привод несущего винта, в котором окружное усилие создается автономными реактивными двигателями, расположенными на лопастях несущего винта, или истечением газа из сопловых отверстий, расположенных на концах лопастей.