Длительные наблюдения убедили Александра Фёдоровича Можайского в том, что птицу поддерживают преимущественно восходящие потоки воздуха. Таким образом, она скользит по наклонной траектории. Этот спуск незаметен только потому, что самый воздух, окружающий птицу, поднимается, стремится вверх. Восходящий поток бывает так велик, что птица не только не снижается, а увлекается вверх. Что же при таком условии мешает человеку парить на крыльях? Ведь нет нужды работать мускулами, и двигатель как бы не нужен. Надо только построить лёгкие крылья и научиться ими пользоваться.
Изобретатель исследует форму крыла птицы, обращает внимание на его кривизну в поперечном направлении. Может быть, эта кривизна играет роль в полёте? И он ставит множество опытов, последовательно изучая в совершенно одинаковых условиях подъёмную силу крыла плоского и изогнутого. В результате своих опытов учёный делает первое элементарное исследование аэродинамики крыла птицы.
Далее Можайский устанавливает, что «при достаточной скорости в горизонтальном направлении частицы воздуха, находящиеся непосредственно под птицей, не успевают подаваться вниз под действием её тяжести и поддерживают птицу почти так же хорошо, как в состоянии это делать какое-либо твёрдое тело».[1]
Затем Можайский делает вывод, что «тело, движущееся в воздухе, в состоянии свободно управлять своим полётом лишь в том случае, если оно обладает сравнительно большим удельным весом».
Изобретатель анализировал и машущий и парящий полёты, тщательно взвешивал птиц и определял площадь их крыльев. Он ещё в те годы установил такое понятие, как удельная нагрузка (нагрузка на единицу площади крыла), пользуясь им для оценки способности той или иной птицы к парящему полёту.
Можайский сделал подробные чертежи голубя, на которых показаны его размеры, площади крыльев и хвоста, центр и величина тяжести живого голубя. Так исследователь подошёл к усвоению закона парения птиц.
«Возникновение идеи воздухоплавательного аппарата, — указывал впоследствии сын изобретателя Александр Александрович Можайский, — покойный Александр Фёдорович относил к 1855 году, приписывая её своим наблюдениям за птицами».[2]
Характеристики качеств крыла, сделанные Можайским, глубоко обоснованы. Именно русским изобретателем впервые были разработаны элементарные расчёты, характеризующие качество крыла, те самые расчёты, которые выражают зависимость между подъёмной силой и лобовым сопротивлением при различных углах атаки. Теперь достоверно известно, что русский изобретатель А. Ф. Можайский разработал эти расчёты за семнадцать лет до немецкого исследователя Отто Лилиенталя.
Русский изобретатель впервые исследовал условия, необходимые для осуществления горизонтального полёта, рассмотрел поведение птицы в полёте в некоторых его стадиях, дал объяснение тому, как птица поднимается в воздух без затраты мускульной энергии, и разобрал виды парения. В результате исследований он пришёл к выводу, что величина поверхности, угол атаки и работа мышц птицы изменяются в полёте в строгой зависимости от законов сопротивления воздуха. Соответственно этому изменяется и скорость полёта.
Поступательное движение летательному аппарату сообщает главным образом задняя упругая полоса крыла, действующая наподобие гребного винта. Чтобы аппарат мог подняться с земли, ему необходимо развить известную скорость, которой птица достигает разбегом по земле или падением с высокого места.
Обобщая в своём знаменитом труде «О парении птиц» исследования русских учёных в области авиации и воздухоплавания и основываясь на этих выводах, прославленный русский учёный профессор Н. Е. Жуковский разработал и создал стройную, исчерпывающую теорию о парении, подтвердив правильность исканий Можайского в области элементарной аэродинамики.
* * *
Решающей датой в творческой деятельности Можайского следует считать 1876 год. В этом году, создав оригинальную конструкцию воздушного змея и полетев на нём, он обратил на себя внимание широких кругов учёных и инженеров как на одного из виднейших исследователей в области авиации и воздухоплавания.
Изобретателю во время плаваний на море неоднократно приходилось наблюдать, как воздушные змеи использовались для спасательных целей. Можайский решил построить змей с большой подъёмной поверхностью. Он испробовал различные конструкции змеев. После многочисленных попыток увеличить подъёмную площадь Можайский пришёл к мысли построить коробчатый змей прямоугольной формы. Каркас змея он соорудил из прямослойной сосны, а обтяжку — из шёлковой материи. Чтобы придать поверхности большую жёсткость, Можайский сделал распорки из тонких сосновых реек. Из крепкой верёвки он изготовил «уздечку»— крепление змея к буксиру. Самое важное при этом было найти правильный угол наклона. Из наблюдений над полётами птиц изобретатель установил, что наивыгоднейший угол для птиц меньше 15°, и сделал угол, равный 10°.
Когда простейший летательный аппарат — змей — был готов, исследователь сам поднялся на нём в воздух. Опыт этот был проделан так: буксирную верёвку одним концом прочно привязали к телеге, а другим — к уздечке змея. В телегу впрягли тройку лошадей. Лошади бежали, тянули верёвку, и змей, врезаясь в воздух, поднимался всё выше и выше. По свидетельству современников, изобретатель поднимался не раз и «летал с комфортом».[3]
Так Можайским была одержана первая победа в его стремлении создать аппарат, который мог бы поднимать человека в воздух. Этими опытами русский изобретатель опередил зарубежных исследователей на 10–12 лет. В сущности, Можайским впервые в мире были заложены основы буксирного планеризма.
Первые опыты и многочисленные эксперименты прославили имя А. Ф. Можайского. Ему удалось найти исходные данные для постройки летательного аппарата.
Изобретатель нашёл размеры подъёмной поверхности аппарата, которая может удержать в воздухе человека. Теперь он поставил перед собой другую задачу: освободиться от верёвки, связывающей змея с землёй. Надо найти способ создавать тягу аппарату, взмахи крыльев птицы заменить силовой установкой. Можайский анализировал путь развития морской техники. Паруса заменялись на судах сначала вёслами, затем колёсами, приводимыми во вращение машиной, позднее колесо заменили винтом.
В России в то время изучением проблем воздухоплавания занимались такие деятели, как М. А. Рыкачёв, В. Д. Спицин, Барановский, Д. Печковский и другие. Руководил их работой знаменитый русский учёный Д. И. Менделеев. Их опыт, дружеские советы помогали в работе А. Ф. Можайскому. Д. И. Менделеев, внимательно наблюдавший за опытами Можайского и ободрявший его, постоянно требовал, чтобы изобретатель как можно больше экспериментировал и сам проверял каждый свой шаг.
Но какую необходимо придать тягу, чтобы обеспечить нужную для полёта скорость? В этом Можайскому помогли глубокие теоретические знания и опыт постройки морских судов.
Скорость эта, несомненно, находится в зависимости от величины несущей поверхности, «ибо птицы, имеющие большую площадь крыльев при лёгком корпусе, парят лучше, чем птицы сравнительно тяжелее, с небольшими крыльями». Так утверждал изобретатель в те дни. Чтобы решить практически эту задачу, нужны дополнительные опыты. Изобретатель приступает к новым изысканиям, к новым опытам.
Исследования работы гребных винтов на паровых судах привели Можайского к мысли, что в качестве двигательной установки на летательном аппарате можно применить паровую машину. Гребной винт изобретатель нашёл возможным использовать как агрегат, создающий тягу летательному аппарату. Приобретённые им знания и практический опыт по расчёту и постройке морских судов позволили ему выбрать наиболее рациональную конструкцию летательного аппарата. Задуманный аппарат должен иметь форму лодки с крыльями, т. е. за образец была взята парящая птица с распростёртыми крыльями. Но чтобы построить аппарат, требовалось ещё вложить много труда на дополнительные опыты и теоретические расчёты, потому что никаких научных данных по этому вопросу в то время не было.
Учёный решился на смелый шаг: он оставил казённую службу и полностью посвятил себя созданию аппарата тяжелее воздуха: «Я желал быть полезным Отечеству и решил заняться разработкой моего проекта, — пишет изобретатель. — Для чего я оставил место своего служения, отказался от другого, тоже выгодного по содержанию и карьере».
Прежде чем приступить к исследованию вопросов воздухоплавания и авиации, Можайскому привелось строить шхуну «Хеда» и один из первых винтовых клипперов, «Всадник». Вооружённый знаниями и опытом конструкторской деятельности в области кораблестроения, опытный конструктор подходил к решению своей задачи с изумляющей планомерностью и последовательностью.