Три года жил Циолковский в Москве, а затем, вернувшись домой к отцу, стал давать частные уроки гимназистам. Несомненные педагогические способности и успех частных уроков для неуспевающих гимназистов решили вопрос о выборе профессии. Осенью 1879 года Константин Эдуардович сдал экстерном экзамен на звание учителя народного училища, а месяца через четыре он был назначен на должность учителя арифметики и геометрии в Боровское уездное училище Московской губернии.
В своей квартире в Боровске Циолковский устроил маленькую лабораторию. У него в доме сверкали электрические молнии, гремели громы, звонили колокольчики, загорались огни, вертелись колёса и блистали иллюминации. «Я предлагал,— писал Циолковский,— желающим попробовать ложкой невидимого варенья. Соблазнявшиеся угощением получали электрический удар. Посетители любовались и дивились также на электрического осьминога, который хватал всякого своими ногами за нос или за пальцы, и тогда у попавшего к нему в «лапы» волосы становились дыбом и выскакивали искры из любой части тела».
В 1881 году двадцатичетырёхлетний Циолковский самостоятельно разработал основы кинетической теории газов. Работу он послал в Петербургское физико-химическое общество, где она получила одобрение видных членов общества, в том числе и гениального русского химика Менделеева. Однако важные открытия, сделанные Циолковским в глухом провинциальном городке, не представляли новости для науки; аналогичные открытия были сделаны и опубликованы несколько раньше. За вторую научную работу, названную «Механика животного организма» *. Циолковского единогласно избирают членом Физико-химического общества. Эту моральную поддержку своим первым научным исследованиям Циолковский вспоминал с благодарностью всю свою жизнь. В 1883 году Константин Эдуардович написал работу «Свободное пространство», в которой он анализировал протекание известных физических процессов и поведение человека в среде без действия сил.
Эти первые самостоятельные шаги в науке характерны для творчества Циолковского лишь в том отношении, что в них виден будущий методический приём: возникшая идея не проверяется по изданной научной литературе, а выполняется от начала и до логического конца самостоятельно, в полной уверенности, что она нова и никем не исследована. По-видимому, Константин Эдуардович считал, что такой подход к научному творчеству позволяет сохранить оригинальность и полную самостоятельность.
«Сначала я делал, — писал Циолковский, — открытия давно известные, потом не так давно, а затем и совсем новые». Совпадение найденных результатов с открытиями других учёных лишь убеждало Константина Эдуардовича в собственных силах, собственном таланте.
С 1885 года Циолковский начал усердно заниматься вопросами воздухоплавания. Он обратил внимание на весьма существенные недостатки дирижаблей с баллонами из прорезиненной ткани. Такие оболочки быстро изнашивались, обладали весьма незначительной прочностью и, вследствие проницаемости ткани, наполняющий их газ (в те годы — водород) скоро терялся. Результатом исследовательской работы Циолковского было объёмистое сочинение — «Теория и опыт аэростата». В этом сочинении дано теоретическое обоснование конструкции дирижабля с металлической оболочкой (из жести или латуни), к работе были приложены чертежи, поясняющие детали конструкции.
Дирижабль Циолковского (рис. 2) имел свои характерные особенности. Во-первых, это был дирижабль переменного объема, что позволяло сохранять постоянную подъёмную силу при различных температурах и различных высотах. В проекте Циолковского металлическая оболочка может изменять объём благодаря особой стягивающей системе и наличию гофрированных боковин.
Рис. 2. а – схема металлического дирижабля К.Э. Циолковского; б – система блочного стягивания оболочки.
Во-вторых, Циолковский предусмотрел возможность подогревания наполняющего оболочку водорода путём использования отработанных газов моторов. Продукты сгорания по тонкостенной металлической трубе проходят внутри оболочки, отдают тепло подъёмному газу и выходят в атмосферу. Необходимость регулировать температуру газа вытекала из условия сохранения относительного равновесия аэростата на заданной высоте при всех изменениях температурного режима атмосферы. Третья особенность конструкции состояла в том, что гребни волн гофра оболочки располагались перпендикулярно к оси дирижабля. По расчётам Циолковского, подобное расположение волн гофра представляет преимущества для увеличения прочности и устойчивости оболочки. Современные исследования в больших аэродинамических трубах показывают, что аэродинамические свойства корпуса дирижабля Циолковского из гофрированного металла значительно хуже, чем дирижабля с гладкой оболочкой.
Исследовательская работа Циолковского над совершенно новой технической идеей металлического аэростата (слово «дирижабль» привилось в литературе позднее) без специальной научной литературы, вдали от научной общественности, требовала невероятного напряжения и колоссальной энергии. «Работал я два года почти непрерывно, — писал Циолковский. — Я был всегда страстным учителем и приходил из училища сильно утомлённым, так как большую часть сил оставлял там. Только к вечеру я мог приняться за свои вычисления и опыты. Как же быть? Времени было мало, да и сил также, и я придумал вставать чуть свет и, уже поработавши над своим сочинением, отправляться в училище. После этого двухлетнего напряжения сил у меня целый год чувствовалась тяжесть в голове».
Официальная организация царской России по проблемам развития воздухоплавания — 7-й воздухоплавательный отдел Русского технического общества занимался проектом Циолковского. Рассмотрению проекта Циолковского было посвящено специальное заседание 7-го отдела. И хотя на этом заседании и докладчик, и выступающие не могли найти каких-либо существенных ошибок в представленном проекте, всё же 7-й отдел поддержал мнение основного докладчика, которое сводилось к следующему: «Простые теоретические соображения и многолетний опыт доказывают неоспоримо, что какой бы ни были формы аэростаты и из какого бы ни были они сделаны материала, всё же они вечно, силою вещей, обречены быть игрушкою ветров».
Письмо, направленное Циолковскому, как решение 7-го отдела, полностью похоронило проект Константина Эдуардовича. В этом письме официальные представители науки царской России писали:
«Милостивый государь!
VII отдел императорского Русского технического общества в заседании своём от 23 октября 1891 года подробно рассмотрел представленный вами через профессора Менделеева проект «Построение металлического аэростата, способного изменять свой объём» и постановил что проект этот не может иметь большого практического значения, почему просьбу вашу о субсидии на постройку модели — отклонил».
Результаты своих научных изысканий о цельнометаллическом дирижабле Циолковский издаёт в 1892 году с помощью друзей на свои скудные средства. Ни научные общества, ни правительственные организации не помогли тогда выдающемуся учёному-самородку. Печатный труд «Аэростат металлический управляемый» получил некоторое число сочувственных отзывов, и этим дело ограничилось.
Странной и непонятной казалась жизнь Циолковского обывателем Боровска, а затем Калуги, где жил и работал учёный. Его работа, творчество не встречали поддержки и сочувствия среди благонамеренных городских обывателей. Константин Эдуардович, увлечённый идеей воздухоплавания, построил большую летающую птицу — ястреба — с размахом крыльев около 70 сантиметров. Этот ястреб прекрасно летал. Дети и взрослые толпой шли глядеть, как Циолковский запускал на улице своего ястреба. Ночью Циолковский заставлял летать ястреба с фонарем. Обыватели видели быстро движущуюся звезду и спорили: «Что это: звезда или чудак-учитель пускает свою птицу с огнем?»
Погруженный в свои размышления, чему, несомненно, способствовала и глухота, учёный часто не замечал на улице знакомых, начальства. Был рассеян и нередко забывал различные вещи и книги.
«Однажды я поздно возвращался от знакомого. Это было накануне солнечного затмения в 1887 году. На улице, по которой я шёл, стоял колодец. Около него что-то блестело. Подхожу и вижу, в первый раз, ярко светящиеся большие гнилушки! Набрал их полный подол и пошёл домой. Раздробил гнилушки на кусочки и разбросал их по комнате. В темноте было впечатление звездного неба... А утром ищу зонтик, чтобы выйти на улицу, а его нет. Потом уже вспомнил, что зонт оставил у колодца. За него получил гнилушки и звёздное небо» — сквозь улыбку замечает Константин Эдуардович в своей автобиографии.
Ученый был полон идей. Страшно деятелен и энергичен, хотя внешне казался спокойным и уравновешенным. Выше среднего роста с длинными чёрными волосами и чёрными немного печальными глазами он был неловок и застенчив в обществе. У него было немного друзей. В Боровске он близко сошёлся с коллегой по школе Е. С. Еремеевым, в Калуге ему много помогали В. И. Ассонов, П. П. Каннинг и позднее С. В. Щербаков. Однако при защите своих идей ученый был решителен и настойчив, мало считаясь с пересудами коллег и обывателей.
Зима. Изумлённые боровские жители видят, как на коньках по замёрзшей реке мчится учитель уездного училища Циолковский. Он воспользовался сильным ветром и, распустив зонт, катится со скоростью курьерского поезда, влекомый силою ветра. «Всегда я что-нибудь затевал. Вздумал я сделать сани с колесом так, чтобы все сидели и качали рычаги. Сани должны были мчаться по льду. Потом я заменил это сооружение особым парусным креслом. По реке ездили крестьяне. Лошади пугались мчащегося паруса, проезжие ругались. Но по глухоте я долго об этом не догадывался. Потом уже, завидя лошадь, поспешно убирал парус».
Циолковский был настоящим естествоиспытателем. Наблюдения, мечты, вычисления и размышления соединялись у него с постановкой опытов и моделированием.
В рождественские каникулы 1890—1891 гг. он пишет работу «К вопросу о летании посредством крыльев». Выдержка из этой рукописи, опубликованная при содействии знаменитого физика профессора Московского университета А. Г. Столетова в трудах Общества любителей естествознания в 1891 году, явилась первой напечатанной работой Циолковского. В ней он первый в международной научной литературе указал на значение продолговатости крыла, дал математический анализ явления и подтвердил его экспериментально с помощью изобретённого им прибора. В дальнейшем, в процессе борьбы за идеи своего дирижабля, желая получить точные коэфициенты сопротивления воздуха для тел различной формы, Циолковский в 1897 году сооружает в Калуге первую в России аэродинамическую трубу и в следующем году опубликовывает её описание и результаты первых опытов с выводами. Эту свою работу он представляет в Российскую академию наук, которая в 1899 году, по докладу академика М. А. Рыкачева, признаёт его опыты ценными и заслуживающими поддержки и ассигновывает ему 470 рублей на расширение и продолжение опытов по сопротивлению воздуха.
Это была первая и единственная материальная поддержка, полученная Циолковским в дореволюционное время от правительственного учреждения **.
Местная интеллигенция считала Циолковского неисправимым фантазёром и утопистом. Более злые называли его дилетантом и кустарём. Идеи Циолковского казались обывателям невероятными. «Он думает, что железный шар поднимется в воздух и полетит. Вот чудак!»
Учёный всегда был занят, всегда трудился. Если не читал и не писал, то работал на токарном станке, паял, строгал. Мастерил для своих учеников много действующих моделей. «...Сделал огромный шар... из бумаги,— писал Циолковский.— Спирта достать не смог. Поэтому внизу шара приспособил сетку из тонкой проволоки, на которую клал несколько горящих лучинок. Шар, имевший иногда причудливую форму, подымался вверх, насколько позволяла привязанная к нему нитка. Однажды нитка внизу перегорела, и шар мой умчался в город, роняя искры и горящую лучину! Попал на крышу к сапожнику. Сапожник заарестовал шар».
Обыватели смотрели на все опыты Циолковского, как на курьёзы и баловство, многие, не размышляя, считали его чудаком и «немножко тронутым». Нужны были изумительная энергия и настойчивость, величайшая вера в пути прогресса техники, чтобы в таком окружении и в тяжёлых, почти нищенских условиях ежедневно работать, изобретать, вычислять, двигаясь всё вперёд и вперёд.
Циолковскому принадлежит замечательная идея постройки аэроплана с металлическим остовом (рис. 5). В статье 1895 года «Аэроплан, или птицеподобная (авиационная) летательная машина» дано описание и чертежи моноплана, который по своему внешнему виду очень близко подходит к моноплану Блерио 1909 года, но в главных деталях значительно совершеннее его. В аэроплане Циолковского крылья уже имеют толстый профиль, а фюзеляж — обтекаемую форму. Весьма интересно, что в этой статье Циолковский впервые в истории развития самолётостроения особенно подчёркивает необходимость улучшения обтекаемости аэроплана для получения больших скоростей. Конструктивные очертания аэроплана Циолковского были несравненно более совершенными, нежели более поздние конструкции братьев Райт, Сантос-Дюмона, Вуазена и других изобретателей. Для оправдания своих расчётов Циолковский писал: «При получении этих чисел я принял самые благоприятные, идеальные условия сопротивления корпуса и крыльев; в моём аэроплане нет выдающихся частей, кроме крыльев; всё закрыто общей плавной оболочкой, даже пассажиры».
Рис. 5. Схематическое изображение аэроплана 1895 года, сделанное К. Э. Циолковским. Верхний рисунок даёт на основе схематических чертежей изобретателя общее представление о внешнем виде самолёта
Циолковский хорошо предвидит значение бензиновых двигателей внутреннего сгорания. Вот его слова, показывающие полное понимание устремлений технического прогресса: «Однако у меня есть теоретическое основание верить в возможность построения чрезвычайно лёгких и в то же время чрезвычайно сильных бензиновых двигателей, вполне удовлетворяющих задаче летания». Константин Эдуардович предсказывал, что со временем маленький аэроплан будет успешно конкурировать с автомобилем. Но и эта идея Циолковского не получила признания среди большинства учёных. На дальнейшие изыскания по аэроплану не было ни средств, ни даже моральной поддержки. Об этом периоде своей жизни ученый писал с горечью: «При своих опытах я сделал много-много новых выводов, но новые выводы встречаются учёными недоверчиво. Эти выводы могут подтвердиться повторением моих трудов каким-нибудь экспериментом, но когда же это будет? Тяжело работать в одиночку многие годы при неблагоприятных условиях и не видеть ниоткуда ни просвета, ни поддержки».
Над разработкой идеи цельнометаллического дирижабля и новой теории полёта аппарата тяжелее воздуха (теория аэроплана) учёный работал почти всё время с 1885 по 1898 год. В области дирижаблестроения он выдвинул ряд совершенно новых мыслей. В сущности говоря, он был зачинателем металлических управляемых аэростатов. Его .техническая интуиция значительно опередила уровень промышленного развития 90-х годов прошлого столетия.
Целесообразность своих предложений он обосновал подробными вычислениями и схемами. Осуществление цельнометаллического воздушного корабля, как всякая большая и новая техническая проблема, затрагивало широкий комплекс совершенно неразработанных в науке и технике задач. Решить их силами одного человека было, конечно, невозможно. Ведь здесь были и вопросы аэродинамики, и вопросы устойчивости гофрированных оболочек, и задачи прочности, газонепроницаемости, и задачи герметической пайки металлических листов, и т. д. Сейчас приходится изумляться, как далеко удалось продвинуть Циолковскому, кроме общей идеи, отдельные технические и научные вопросы.
Константин Эдуардович разработал метод так называемых гидростатических испытаний дирижаблей. Для определения прочности тонких оболочек, какими являются оболочки цельнометаллических дирижаблей, он рекомендовал наполнять их опытные модели водой. Этот метод применяется сейчас во всём мире не только для проверки прочности корпусов дирижаблей, но и вообще для изучения прочности и устойчивости тонкостенных сосудов и оболочек. Он же создал прибор, позволяющий точно, графически определить форму сечения оболочки дирижабля при заданном сверхдавлении.
Однако невероятно тяжёлые условия жизни и работы, отсутствие коллектива учеников и последователей заставили учёного во многих случаях ограничиться, в сущности, только формулировкой проблем.
Циолковского постигла судьба многих дореволюционных русских учёных и изобретателей. Его идеи ушли на Запад, где были подвергнуты технической доработке и материальному воплощению.
Историки русской науки с возмущением отмечают то забвение и пренебрежение к крупнейшим научным и техническим идеям выдающихся русских самородков, которое было характерным для дореволюционной России. Лишь изредка идеи русских изобретателей находили на родине свое воплощение, хотя, в сущности, все величайшие научные и технические достижения современности имеют истоки в России — стране великого и талантливого народа. Но из-за близорукости и ограниченности подавляющего большинства руководителей царского правительства и значительной отсталости России в экономическом развитии не были реализованы многие из этих великих и прогрессивных идей.
Забвение истинных авторов технических и научных открытий, а порой и прямое присвоение этих открытий получили широкое распространение среди западноевропейских и американских учёных. В ведущих технических журналах за границей считается некультурным и бестактным обойти молчанием даже второстепенного автора своей страны, писавшего когда-либо и что-либо по изучаемой теме, но совсем не осуждается замалчивание и присвоение идей русских учёных и инженеров.
Рис. 6. Проект аэродинамической трубы К. Э. Циолковского
Всем сейчас хорошо известно, что один из фундаментальных законов природы — закон сохранения вещества— был открыт и экспериментально обоснован М. В. Ломоносовым, а приписывается французу Лавуазье. Формулы преобразования объёмных интегралов к интегралам по поверхности в высшей математике были разработаны русским учёным академиком М. В. Остроградским, а приписываются английскому учёному Грину. Вихревая теория гребного винта (пропеллера), созданная гениальным русским механиком Н. Е. Жуковским, присвоена по частям целой группой зарубежных авторов. Профили крыльев типа «Антуаннет» были подробно изучены Н. Е. Жуковским, и работа опубликована на немецком языке; тем не менее через 7 лет появилась работа немецких учёных Кармана и Треффца, где излагались те же результаты, и в дальнейшем немецкие авторы приписывают этим крыльям название «профили Кармана — Треффца». Формулы для подсчёта сил воздействия потока на крыло были получены академиком С. А. Чаплыгиным, а в заграничной литературе эти формулы называются формулами Блазиуса. Число этих примеров колоссально во всех областях науки.
Русские открытия и изобретения только после успеха за границей, получив иностранное клеймо, внедрялись в России.
Прав был известный специалист по ракетной технике А. А. Родных, который в 1933 году писал, что «Циолковскому осталось только философски отмечать в своих новых брошюрах годы рождения своих идей и работ, затем появлявшихся за границей при более счастливых условиях. Если бы правительство царской России само пригласило Циолковского и предоставило ему возможность работать в научной лаборатории, то, не говоря уже о нравственном удовлетворении изобретателя, мы давно имели бы многое своё, нужное для авиации».
Примечания
* Работа получила благоприятный отзыв знаменитого физиолога Сеченова.
** Обширный отчет К. Э. Циолковского Академии наук о проделанных на его средства опытах с большим количеством чертежей и таблиц хранится в его архиве в Академии наук СССР.