В мае 1899 г. Уилбур написал в Смитсоновский институт с просьбой прислать ему список технических книг по авиации; он уверял адресата, что автор письма «энтузиаст, но не чудак». В ответ он получил целый ящик журналов и газет, собранных Ричардом Рэтбоном, ученым секретарем института. Среди газет были и статьи американского инженера Октава Шанюта, который позже стал горячим сторонником работы братьев.
Прочитав присланные материалы, братья решили, что знают, что погубило Лилиенталя и Пилчера. Оба изобретателя разрабатывали планеры, которые должны были по определению летать стабильно. Вследствие этого ни один из них не предусмотрел на своем аппарате какой-либо системы реального управления полетом.
Райты понимали, что такой подход неверен, потому что хорошо разбирались в велосипедах. Они знали, что чем быстрее едешь на велосипеде, тем более стабильным становится его движение, но стоит остановиться, и сразу же упадешь. Велосипеды неустойчивы, но в движении они очень чутко отзываются на малейшие движения седока. Прорыв Райтов заключался в том, что их аэроплан, подобно велосипеду, не должен был сохранять стабильность в полете сам по себе; он должен был чутко отзываться на движения пилота.
Подобно Отто Лилиенталю и множеству других первопроходцев до них, братья часами наблюдали за полетом птиц. Один из выводов, сделанных ими в результате этих наблюдений, оказался поистине ключом к успеху. Они обратили внимание на то, как птица канюк справляется с неожиданно налетевшим порывом ветра, изгибая кончики крыльев. Чтобы сохранить устойчивость в полете, птица поднимала кончик одного крыла и опускала кончик второго. Легенда гласит, что однажды в июле 1899 г. Уилбур вертел в руках пустую коробку из-под велосипедных камер и вдруг заметил: если немного повернуть края картонки, один из углов поднимается вверх, а другой опускается. Представив картонку летящей в потоке воздуха, Уилбур понял, что таким образом можно наклонять ее в полете, в точности как это делает канюк. Перед его мысленным взором была уже не коробка, а крыло; а в руках он держал первую в мире управляющую плоскость аэроплана!
Этот момент нуждается в некотором разъяснении, как это обычно и бывает с моментами прозрения. Для начала мне, пожалуй, стоит объяснить, как работает крыло в горизонтальном полете, каким образом оно удерживает тело — будь то самолет или птица — в воздухе.
Надуйте и плотно завяжите воздушный шарик. А теперь попробуйте сжать его. Воздух внутри сопротивляется вашим усилиям. Чем больше вы сжимаете шарик, тем сильнее его приходится сжимать. Дело в том, что вы повышаете давление воздуха внутри шарика. До сих пор все очевидно — и вам даже простительно думать, что при подобном сжатии жидкости давление всегда увеличивается. Но из этого правила есть одно очень серьезное исключение, которое описал в 1738 г. голландский математик Даниил Бернулли, и именно благодаря этому исключению птицы — и самолеты — умудряются держаться в воздухе.
Исключение Бернулли имеет отношение к текучей среде, и проще всего продемонстрировать его не на воздухе, а на воде. (Поясним: хотя вода намного плотнее воздуха, и то и другое — текучие среды: и воздух, и вода подчиняются одним и тем же физическим законам.) Итак, включите на даче воду и возьмите шланг для полива. Теперь выберите место на шланге и начинайте потихоньку сжимать. На этот раз: чем сильнее сдавлен шланг, тем проще сжимать его дальше!
Вот что здесь происходит. Нечто — в данном случае насос, поддерживающий давление в вашем шланге, — придает воде энергию, необходимую для прохода через шланг. Часть этой энергии тратится на движение вперед, а часть толкает воду на стенки шланга и создает давление. (Если проткнуть шланг, вода начнет фонтанировать через отверстие.) Расход воды постоянен: в любом месте шланга через его поперечное сечение в единицу времени пытается пройти равное количество воды. Если вы начинаете сжимать шланг, воде приходится двигаться быстрее, чтобы миновать узкое место. На движение вперед используется больше энергии воды — а значит, на расталкивание стенок шланга ее остается меньше. Сожмите шланг, и давление воды на его стенки уменьшится.
Предлагаю не вдаваться в дальнейшие подробности, а сразу рассмотреть сечение крыла. (Это может быть крыло самолета или птицы — неважно: они оба работают одинаково.) Воздух, проходящий на диаграмме слева направо, натыкается на крыло. Крыло сжимает воздух, который проходит над ним. Воздух движется быстрее, чтобы скомпенсировать сжатие, и давление на верхнюю поверхность крыла падает. Самолеты и птиц засасывает в воздух.
Крыло во время движения как бы подсасывает груз — с некоторой помощью Даниила Бернулли и его принципа, впервые опубликованного в 1738 г.Ну и хватит о горизонтальном полете в безветренный день. Что происходит, если дует порывистый ветер? Что, если воздух над левым крылом дует сильнее, чем над правым? Как мы остаемся на ровном киле в условиях реального, непредсказуемого, постоянно движущегося воздуха? Понять это поможет картонка Уилбура.
Если вы будете постепенно загибать переднюю кромку вашего крыла вниз, воздух над крылом будет сжиматься все больше; давление на крыло будет падать, а крыло станет подниматься. Если в то же время вы постепенно поднимете переднюю кромку второго крыла, оно будет меньше сжимать воздух над ним, и крыло пойдет вниз. Орвилл и Уилбур доказали это теоретическое положение, прикрепив к коробчатому воздушному змею фалы, позволяющие изгибать его как изгибал Уилбур ту памятную картонную коробку. Все получилось. Потянув за фал можно было заставить змея переворачиваться на ту или иную сторону. Позже технология «крутки крыла» в сочетании с подвижным вертикальным рулем позволила машинам Райтов поворачивать в воздухе с изяществом и невероятной легкостью… Но я забегаю вперед.
Эволюция машин: на этой схеме отражены четыре десятилетия развития конструкции крылаОпыты с воздушными змеями братья начали в 1899 г., но им вечно не хватало ветра. Уилбур написал в Метеобюро США и получил ответ: лучше всего перенести эксперименты на Китти-Хоук — узкий песчаный остров, протянувшийся вдоль побережья Северной Каролины.
В конце сентября 1900 г. Орвилл Райт написал сестре: «Мы, конечно, не можем жаловаться на здешние условия. Мы приехали сюда в поисках ветра и песка, и мы их получили». Вместе с ветром и песком братья получили полчища комаров. Приезд на остров «стал началом самого ужасного существования, какое мне когда-либо приходилось терпеть, — жаловался Орвилл. — Они жрут нас прямо сквозь белье и носки. По всему моему телу вспухли следы от укусов, размером с куриные яйца». Но этого мало. На острове почти не было домов, и ни в одном из имеющихся им не удалось снять жилье, так что братья жили в палатках.
Сначала братья пробовали запускать свои крылья с четырехметровой лебедки, но ветра на острове оказались такими сильными и порывистыми, что вскоре они забросили башню с лебедкой и стали управлять крыльями прямо с земли, как обычными воздушными змеями. К концу 1902 г. Орвилл и Уилбур стали умелыми и опытными пилотами своего планера-прототипа. Оба они неоднократно взлетали на нем с верхушки ближайшего небольшого холма под названием Биг-Килл — Девил-Хилл, и каждый раз планер уносил их на сотню метров. Пора было добавлять мотор.
Братья Райт — Орвилл (впереди) и Уилбур запускают воздушный змей на Китти-ХоукБратья решили построить собственный сверхлегкий двигатель и поручили эту задачу Чарльзу Тейлору, молодому механику из их велосипедной мастерской. Тейлор прекрасно справился. Он снял с машины все, что можно было снять, до последней унции. Позже он вспоминал: «Я выточил коленчатый вал из цельной стальной болванки весом больше ста фунтов (45 кг). Когда я закончил, готовая деталь весила около девятнадцати фунтов (8,6 кг)». Четырехцилиндровый двигатель Тейлора передавал движение на два винта противоположного вращения при помощи велосипедных цепей. Райты подсчитали, что два медленно вращающихся винта будут эффективнее одного быстро вращающегося; кроме того, они сделали так, чтобы винты вращались в противоположных направлениях и не заставляли крутиться раму.
Пока Тейлор работал над созданием двигателя, братья занимались винтами. Сделать их оказалось гораздо сложнее, чем представлялось. Братья считали, что можно будет взять готовые расчеты и чертежи судовых винтов и приспособить их таким образом, чтобы получился идеальный винт для воздуха. Однако выяснилось, что никто никогда не занимался анализом формы винтов; они просто эволюционировали за десятки лет использования! Райтам ничего не оставалось, кроме как самим приняться за расчеты.
