Вертолёт, 2005 № 04

Геликоптер Леонардо да Винчи

Рис. 1. Эскиз машины со спиралевидным винтом

«Птица — действующий по математическим законам инструмент, сделать который в человеческой власти со всеми движениями его, но не со столькими же возможностями. Имеет перевес она только в отношении возможности поддерживать равновесие. Поэтому скажем, что этому построенному человеком инструменту не хватает души птицы, которая должна быть скопирована с души человека. Душа в членах птицы будет, без сомнения, лучше отвечать их запросам, чем это сделала бы обособленная от них душа человека, в особенности при движениях почти неуловимого балансирования». Мистический налет этих записей Леонардо является отражением противоречия между безграничным могуществом разума и реальными возможностями человека. Здесь же приоткрывается сам Леонардо с его стремлением проникнуть в «члены птицы», но и сегодня при всех достижениях современной авиационной, электронной, компьютерной, биологической и иной техники даже самый умелый конструктор летательных аппаратов сделать этого не может.

Научным исследованием механизма летания птиц Леонардо да Винчи начал заниматься в зрелом возрасте, но проникнуть в тайну этого процесса он мечтал всегда. Леонардо оставил потомкам многочисленные зарисовки отдельных моментов птичьего полета, эскизы придуманных им механических птиц, рассуждения о природе и способах летания.

Занятия гидротехникой и гидродинамикой, изучение законов движения воды, которым так много занимался Леонардо еще во флорентийский период, дали ему ключ к пониманию основных законов движения в воздухе. «Движется воздух, как река, и увлекает с собой облака так же, как текущая вода увлекает с собой все вещи, которые держатся на ней», — пишет да Винчи.

Обычно Леонардо в своих работах был сдержан в чувствах, но в заметках о летании не смог удержаться от проявления эмоций: «Большая птица первый начнет полет, наполняя Вселенную изумлением, наполняя молвой о себе все писания — вечной славой гнезду, где она родилась».

Летательные «аппараты» человек начал изобретать с того момента, как освободил руки от необходимости опираться на землю при хождении. Брошенный рукой или с помощью пращи камень, летящее копье, бумеранг и воздушный змей появились еще до нашей эры. В 14 веке нашей эры на воздушных змеях уже летали люди, правда, «летчиками» становились осужденные на смерть преступники. Воздушный волчок, представляющий собой раскручиваемый руками пропеллер, появился в Китае еще в начале нашей эры.

В Древней Греции родился романтический миф о крыльях Дедала. За два столетия до Леонардо о летательной машине с машущими крыльями писал английский ученый Р. Бэкон.

Леонардо стал первым человеком, выполнившим обширное научное исследование проблемы механического летания. Он оставил письменные свидетельства своих рассуждений, чертежи и рисунки изобретенных им летательных аппаратов с машущими крыльями — орнитоптеров. Это дает основание считать Леонардо да Винчи родоначальником авиационной науки и автором нескольких типов летательных аппаратов. В датированной 1488–1489 гг. рукописи содержится эскиз машины со спиралевидным винтом (рис. 1), который сопровождается следующим текстом:

«Наружный край винта должен быть из проволоки толщиной в веревку, и от окружности до середины должно быть восемь локтей. Я говорю, что когда прибор этот сделан хорошо, то есть из полотна, поры которого прокрахмалены, и быстро приводится во вращение, то названный винт ввинчивается в воздух и поднимается вверх…».

Леонардо снабдил вал винта рукоятками: он предполагал, что этот винт будут вращать четыре человека (по числу рукояток), идущие по платформе. Намотанный на нижний конец вала трос (бухта) — альтернативный способ приведения вала во вращение.

Леонардо дал схему летательного аппарата, способного поднять человека в воздух за счет источника энергии, расположенного на самом аппарате. Этим аппарат Леонардо концептуально отличается от воздушного волчка, запускаемого в воздух посредством внешнего импульса.

Природу подъемной силы Леонардо видит в сопротивлении воздуха: «Муха при остановке в воздухе ударяет свои крылья с большой скоростью и шумом, выводя их из положения равенства и поднимая их вверх на длину этого крыла; и, поднимая, ставит крыло вперед под наклоном так, что оно ударяет о воздух почти ребром; а при опускании ударяет воздух плашмя…». И еще: «С такой же силой действует предмет на воздух, с какой и воздух на предмет». Возможно, Леонардо делал какие-то расчеты силы воздушного сопротивления. В пользу такого предположения говорит тот факт, что диаметр винта, указанный им, составляет около 7 метров: таким же он был и у первых вертолетов, которые человеку удалось поднять в воздух.

Отдельный вопрос — механизм привода Архимедова винта во вращение. Идущие от винта к платформе расчалки означают, что винт с валом, ферма крепления вала к платформе и сама платформа механически представляют собой единое целое. Стоящий на платформе человек, упираясь руками о рукоятку, пытается вращать вал винта. Но при этом он упирается ногами в платформу, которая получает импульс в противоположном направлении. Если платформа и винт связаны жестко, силы действия и противодействия остаются внутренними силами механической системы, они уравновешиваются и аппарат остается недвижим. В этом случае приходится признать, что предполагаемый механизм привода винта неработоспособен.

Здесь возможны два объяснения. Первое состоит в том, что закон равенства сил действия и противодействия Ньютон открыл два столетия спустя и Леонардо не мог его учесть. С другой стороны, Леонардо мог вообще не задумываться об этой проблеме, поскольку единственно важным для него было показать принципиальную возможность полета путем «ввинчивания» в воздух подобно тому, как обычный винт ввинчивается в дерево.

Рис. 2. Конструкция платформы геликоптера Леонардо да Винчи

Действительно, закон о равенстве действия и противодействия Ньютон сформулировал лишь в 1687 году. Вместе с тем, суждения Леонардо ясно показывают, что он интуитивно шел к пониманию этого закона: «Столько силы, сколько затратишь на натягивание своего лука, столько же выявится, когда лук будет спущен, и столько же возникнет в предмете, который приведет он в движение…». Действие силы реактивной отдачи Леонардо наблюдал сам, когда находился на службе у миланского герцога Альберто Моро и среди прочего занимался бомбардами и метательными орудиями.

Обратимся теперь к заметкам Леонардо, где он говорит о модели своего аппарата: «Можно сделать себе маленькую модель из бумаги, ось которой из тонкого листового железа, закручиваемая с силой, и которая, будучи отпущена, приводит во вращение винт».

Для развлечения придворных герцога Леонардо мастерил множество причудливых летающих игрушек. Среди них мог быть и Архимедов винт. Чтобы он взлетел, достаточно было закрутить металлическую ось с помощью изображенного Леонардо на эскизе ворота и отпустить модель. Тогда накопленная в металлической оси энергия упругости привела бы в противоположное и взаимно уравновешенное инерционными силами вращение винт и рукоятки ворота с нужным аэродинамическим эффектом. В нижней своей части рисунок Леонардо нечеток и допускает различные толкования. Одно из таких толкований представлено на рис. 2.

В показанной конструкции нет жесткой связи нижней части вала и платформы, которая выполнена не в виде диска, а в виде кольца. По внутренней поверхности кольца скользят лопатки, прикрепленные к нижнему концу вала. При этом рукоятки служат для закручивания упругого вала, который жестко закреплен на верхней опоре фермы. Люди, стоящие на платформе, или какая-то внешняя сила закручивают рукоятками вал настолько, насколько позволяет его прочность. При отпускании рукояток вал начинает раскручиваться. Расположенные на конце вала лопатки силами инерции и силами аэродинамического сопротивления замедляют скорость вращения вала. Аппарат с частью вала, расположенной выше точки его заделки на ферме, приобретает вращение в направлении, противоположном вращению скрученного вала с лопатками на его нижнем конце.

В действительности полет аппарата, имеющего две противоположно вращающиеся части, состоялся через 300 лет после рождения эскиза геликоптера Леонардо. Успех сопутствовал французским ученым Лануа и Бьенвеню. Два расположенных на одной оси двухлопастных винта они соединили упругой рессорой. Отсутствие фюзеляжа позволило сделать модель предельно легкой, с массой менее 100 грамм. За одну секунду она поднималась на три метра.

Изображенная на нашем рисунке конструкция платформы геликоптера Леонардо позволяет также идущим по поверхности кольца людям вращать винт Архимеда, не используя энергию закрученной оси. Находясь в воздухе, такая система с вращающимися вокруг одной оси навстречу друг другу частями, одна из которых — винт Архимеда, может создавать подъемную силу. Конечно, поднять человека в воздух геликоптер Леонардо не смог бы по энергетическим причинам. Даже в наше время не удается сделать винтокрылый мускулолет.

Геликоптер Леонардо обладает осевой симметрией. Это роднит его с современной схемой несущей системы соосного вертолета. Наличие только одного несущего винта заставляет отнести его к семейству одновинтовых. Впрочем, может быть, этот проект следует отнести к особому, пока еще не реализованному типу винтокрылых аппаратов.

…Если окинуть взглядом огромное пространство направлений науки и человеческих знаний, к которым прикоснулась мысль Леонардо, то станет ясно, что не огромное количество открытий и даже не то, что многие из них на годы опередили время, сделали его бессмертным. Главным в его творчестве остается то, что его гений в науке — это зарождение эпохи опыта. Все окружающее было для него гигантской лабораторией, где исследовались мысль и чувство.

Юрий САВИНСКИЙ, заместитель начальника отделения логистики фирмы «Камов»

Ш К О Л А