Научно-популярная статья В. Смирнягина посвящена деятельности Николая Егоровича Жуковского, основоположника аэродинамики и одного из создателей научных основ авиации. Автор рассказывает о первых исследованиях полёта, изучении подъёмной силы и сопротивления воздуха, работах Отто Лилиенталя и становлении теории летательных аппаратов тяжелее воздуха. Значительное внимание уделено созданию первой всасывающей аэродинамической трубы, позволившей проводить систематические эксперименты и проверять теоретические положения на практике. В статье показано влияние трудов Жуковского и его учеников на развитие авиационной науки, проектирование самолётов и совершенствование методов аэродинамических испытаний. Материал также рассматривает значение аэродинамических труб для современной авиации и перспектив освоения всё более высоких скоростей полёта.
В один из летних дней 1878 года в окрестностях деревни Орехово Владимирской губернии можно было наблюдать необычайное зрелище. По широкому ровному полю на высоком велосипеде, переднее колесо которого достигало почти человеческого роста, ехал солидный бородатый мужчина в городской одежде. Часто перебирая ногами, с большой скоростью вертел он педали.
За спиной велосипедиста были привязаны широкие крылья, сделанные из бамбука и обтянутые красным шёлком. Прохожие бросались в сторону, торопясь уступить дорогу диковинному наезднику.
 |
| На высоком велосипеде быстро мчался бородатый мужчина. За спиной у него были привязаны большие ярко-красные крылья. |
Однако катание на крылатом велосипеде не было простой барской забавой. Таким несколько необычным путём рождалась новая наука — аэродинамика. А крылатый велосипедист был не кто иной, как творец этой науки профессор Московского университета Николай Егорович Жуковский.
Аэродинамика — наука о движении тел в воздухе — зарождалась одновременно с новой отраслью техники — авиацией, открывшей перед человеком возможность завоевать и подчинить себе воздушный океан.
Со времён братьев Монгольфье люди неоднократно поднимались над землёй, и к концу XIX века уже никого нельзя было удивить видом висящего в небе аэростата. Однако воздушные шары были слишком громоздки и неуклюжи.
Чтобы сообщить такому аппарату достаточно большую подъёмную силу, приходилось увеличивать его размеры. Громадные аэростаты становились игрушкой воздушных течений и нередко гибли под ударами ветра. Аэростатика позволила человеку оторваться от земли, но, подняв его вверх, она отдавала его во власть воздушной стихии.
Вот почему всё чаще и чаще обращалась изобретательская мысль к созданию аппаратов тяжелее воздуха, полёт которых был бы основан на другом, аэродинамическом принципе.
Завидным и заманчивым примером освоения воздушного океана был полёт птиц. Ведь тело птицы почти в двести раз тяжелее воздуха. А между тем всякий мог видеть, как легко летают орёл, коршун или ястреб.
Катясь на крылатом велосипеде, Жуковский как раз и хотел разрешить эту задачу. Ему хотелось не только разгадать тайну парения птиц, но и ответить на другой принципиальный вопрос: сможет ли когда-нибудь человек взлететь над землёй, не прибегая к помощи громоздких аэростатов? Жуковский знал, что организм людей мало приспособлен для полётов. Отношение веса мускулов к весу тела у человека в семьдесят два раза меньше, чем у птиц. Кроме того, человеческое тело в восемьсот раз тяжелее воздуха, в то время как тело птицы только в двести раз. Но, несмотря на это, Николай Егорович был глубоко убеждён, что «человек полетит, опираясь не на силу своих мускулов, а на силу разума».
Во время своих велосипедных поездок Жуковский обнаружил две силы, возникающие при быстром движении. Это были так называемое лобовое сопротивление и подъёмная сила. Оказалось, что воздух, который при хождении и даже при беге человека почти не ощущается, становится значительным препятствием для быстро движущегося тела. И это сопротивление колоссально возрастает с увеличением скорости движения.
Николай Егорович заметил также, что как только скорость велосипеда достигала большой величины, его машина становилась легче, начинала терять свой вес. Отсюда следовал вывод, что быстро движущееся в воздухе тело, снабжённое соответственно устроенными плоскостями, может преодолеть силу земного притяжения и подняться вверх.
Однако подъёмная сила и лобовое сопротивление оказались в непримиримой вражде друг с другом. Чем быстрее двигался велосипед, тем большей становилась подъёмная сила; но одновременно с этим возрастало и лобовое сопротивление машины. Приходилось затрачивать громадные усилия, чтобы сохранить высокую скорость. Казалось, сама природа ставила предел скорости движения человека в воздухе, препятствуя созданию самолёта.
А между тем птицы могут не только летать, зачастую они неподвижно парят в высоте. Откуда же в этом случае берётся подъёмная сила и каким образом птицы преодолевают сопротивление воздуха?
Ответить на этот вопрос удалось другому учёному. В 1891 году в окрестностях Берлина известный изобретатель инженер Отто Лилиенталь впервые в истории человечества совершил парящий полёт. С привязанными за спиной крыльями он спрыгнул с крутого холма навстречу ветру и пролетел несколько десятков метров над землёй.
Впоследствии на протяжении ряда лет Лилиенталь неоднократно повторял свои опыты. Он сделал около тысячи полётов, поднимаясь на высоту до 20 метров и пролетая по горизонтали до 1///4 километра. Опыты Лилиенталя объяснили тайну полёта птиц и позволили обнаружить один из замечательных законов аэродинамики. Это был так называемый закон обратимости аэродинамических процессов.
Когда орёл или коршун неподвижно реют в высоте, ветер дует им навстречу и создаёт этим подъёмную силу. Оказалось, что совершенно безразлично, будет ли тело двигаться относительно воздуха или воздух будет двигаться навстречу неподвижно стоящему телу. В обоих случаях при соответственно устроенных плоскостях создаётся подъёмная сила, которая может уравновесить земное притяжение.
Полёты Лилиенталя снова обнаружили и вторую силу, возникающую при движении в воздухе, — лобовое сопротивление. На основании своих опытов отважный пилот составил кривую, которая показывала зависимость лобового сопротивления от скорости полёта.
*
В последние десять лет XIX века в разных странах одна за другой появляются различные модели летательных аппаратов тяжелее воздуха. В 1890 году американец Хирам Максим построил аппарат, который весил 3600 килограммов. Его сверхмощный для того времени двигатель в 300 лошадиных сил оторвал машину от земли. Однако изобретатель не надеялся на устойчивость своего аппарата и не дал ему подняться вверх более чем на десяток сантиметров. Машина Максима показала, что даже большие грузы могут быть подняты с помощью аэродинамических летательных аппаратов.
Проблему устойчивости летательных машин почти разрешил другой изобретатель — профессор Ланглей в Вашингтоне. Его прибор, названный им «аэродромом», приводился в движение паровой машинкой мощностью в 1 лошадиную силу. В мае 1896 года с борта корабля в бухте Потомак близ Вашингтона был произведён полёт «аэродрома». Аппарат пролетел против ветра 160 метров, проделав этот путь в 1 минуту 46 секунд.
Недалеко было время появления первого самолёта братьев Райт.
Однако все эти попытки носили чисто эмпирический характер. Не было теории, обобщающей накопленные сведения и могущей дать основные законы проектирования вполне устойчивых и безопасных самолётов.
Без знания этих законов полёты оставались рискованным делом и всегда могли окончиться трагически. Подобных случаев было немало. В 1874 году голландский механик де-Груф, поднявшись на воздушном шаре, бросился вниз на сконструированном им летательном аппарате, рассчитывая совершить планирующий спуск. Эта смелая попытка окончилась смертью изобретателя.
Пионер парящего полёта Лилиенталь разбился насмерть в 1896 году при очередном воздушном рейсе.
*
Жуковский внимательно следил за первыми шагами авиации. Он был лично знаком с Лилиенталем, которому неоднократно помогал советами и теоретической разработкой некоторых вопросов, связанных с парящим полётом. В качестве знака признательности Николай Егорович получил от отважного пилота один из первых образцов его планера. Этот планер сохранился до сих пор и находится сейчас в Аэрохиммузее в Москве.
Жуковский знал, что только правильный расчёт и научное проектирование самолётов позволят создать достаточно безопасные и совершенные машины, с помощью которых воздушный океан будет окончательно подчинён человеку. Всю силу своего недюжинного математического таланта великий русский учёный решил применить к разработке проблем авиации, к исследованию процессов полёта.
В 1892 году появляется большая работа Жуковского «О парении птиц». Пользуясь найденной Лилиенталем кривой зависимости лобового сопротивления от скорости полёта, учёный аналитически исследует процесс взаимодействия между крылом птицы и потоком воздуха. Разбирая различные условия направления потока, скорости ветра и угла наклона крыльев, Жуковский предсказывает возможность мёртвой петли, блестяще осуществлённой впоследствии русским лётчиком Нестеровым. Жуковский предвосхищает идею и ряда других фигур высшего пилотажа.
Это было прекрасное теоретическое исследование. Однако в процессе дальнейших работ встал вопрос о практической проверке ряда положений. Кривая Лилиенталя была сугубо эмпирической, а его наблюдения несистематичны и в значительной степени случайны. Жуковский предпринимает в лаборатории Московского университета ряд исследований, связанных с изучением сопротивления воздуха. Каково будет это сопротивление для тел различной формы, объёма и веса?
Первые опыты и аппаратура для них были весьма примитивны. В вестибюле нового здания университета был большой проем, проходящий через все три этажа. Над этим проёмом наверху было установлено колесо, которое охватывалось бесконечным шнуром. Шнур спускался вниз, где охватывал другое такое же колесо. По конструкции прибор напоминал известную машину Атвуда, применяемую при механических исследованиях. К шнуру привязывали модели летательных аппаратов и сбрасывали их вниз. Измеряя скорость движения модели, можно было определить, насколько сопротивление воздуха тормозит её падение, а это, в свою очередь, позволяло установить зависимость лобового сопротивления от формы тела.
 |
| В вестибюле нового здания университета проводились первые опыты по аэродинамике. |
Однако этот прибор не давал возможности изменять условия эксперимента. Движение всех моделей совершалось под действием силы тяжести и не могло превысить определённой скорости, равной падению тел в пустоте. Кроме того, подобным прибором можно было определять только величину лобового сопротивления, но нельзя было зафиксировать подъёмную силу.
Как же измерить эти силы, возникающие при движении тел в воздухе? Ведь летательных аппаратов, на которых можно было бы производить полёты и исследовать процессы, происходящие при этом, ещё не было. Но даже если бы и удалось создать такой достаточно совершенный аппарат, всё внимание пилота было бы обращено на сохранение устойчивости и равновесия машины, у него не оставалось бы ни времени, ни возможности проводить исследования во время полёта.
Таким образом, создавался как бы заколдованный круг. Для того чтобы сделать достаточно устойчивый и безопасный летательный аппарат, надо было произвести ряд опытных исследований в полёте, но эти исследования можно было выполнить только на достаточно устойчивом и безопасном самолёте.
Жуковский нашёл выход. Раз нельзя производить исследования на теле, летящем сквозь неподвижный слой воздуха, надо попытаться укрепить тело неподвижно и обдувать его воздушным потоком. Ведь согласно закону обратимости аэродинамических процессов характер происходящих в обоих случаях явлений будет совершенно одинаков.
Так в принципе была решена задача исследования летящего тела. Но практически предстояло ещё преодолеть немало трудностей. В некоторых институтах за границей уже пытались строить специальные галереи, сквозь которые при помощи вентиляторов прогонялся воздух. В них испытывали модели летательных аппаратов. Однако результаты испытаний в таких галереях не соответствовали действительности. Вентилятор, прогонявший воздух сквозь прибор, создавал завихрения, они путали и нарушали всю картину действия аэродинамических сил, приводя к неправильным выводам.
Николай Егорович Жуковский прекрасно знал отрицательные стороны таких воздушных галерей. Но он нашёл способ устранить их главный недостаток. Чтобы создать более равномерный воздушный поток, он заставил вентилятор не нагнетать, а выкачивать воздух из галереи. Таким образом в ней получалось совершенно равномерное движение воздуха, а завихрения, создаваемые крыльями вентилятора, появлялись уже вне прибора и опытам не мешали.
Такая галерея была построена Жуковским в Московском университете. Это была первая в мире всасывающая аэродинамическая труба. По своим качествам она превосходила все существовавшие в то время приборы подобного типа.
Труба Жуковского представляла собой деревянную галерею квадратного сечения шириной в 75 сантиметров. Длина её была около 7 метров. Скорость образуемого в ней воздушного потока достигала 9 метров в секунду, что соответствовало скорости испытываемых моделей летательных аппаратов в 30 километров в час.
Модель, подлежащая испытанию, помещалась в средней части прибора. Здесь стенки трубы были сделаны из стекла. С помощью системы рычагов каждое движение модели, возникающее под действием воздушного потока, передавалось особым весам. Подкладывая на весы гирьки и уравновешивая модель, можно было определять возникающие при опыте силы.
Аэродинамическая труба дала возможность опытным путём проверить многие положения аэродинамики. Так, например, было подтверждено, что сопротивление воздуха в громадной степени зависит от формы тел. При большой скорости воздушного потока тонкий стальной трос, помещённый в трубу, испытывал сильное лобовое сопротивление, но стоило спрятать его в гораздо более толстый, но удобообтекаемый кожух, как это сопротивление падало в несколько раз.
Ученик Жуковского профессор Чаплыгин, ныне академик, Герой Социалистического Труда, теоретическим путём пришёл к выводу, что подъёмная сила самолётного крыла зависит не только от его ширины. Чаплыгин утверждал, что величину подъёмной силы самолёта определяет также и степень вогнутости, так называемая стрела прогиба крыла. Чем она больше, тем больше и подъёмная сила машины при прочих равных условиях. Продувка моделей крыльев в аэродинамической трубе показала правильность положений, выдвинутых Чаплыгиным. Плоскости разной ширины, но с одинаковой стрелой прогиба давали в ряде случаев равную подъёмную силу. Это имело большое значение для проектирования самолётов. Чтобы увеличить грузоподъёмность аэроплана, не надо было обязательно увеличивать ширину его крыльев, часто достаточно было сделать их более вогнутыми.
Аэродинамическая труба Московского университета послужила образцом для целой серии таких приборов, построенных в России и за границей.
Вслед за первым своим детищем Жуковский строит аэродинамические трубы в Высшем техническом училище и в основанной им же аэродинамической лаборатории в Кучине.
В результате многолетних исследований, проведённых с помощью этих приборов, Жуковский создаёт стройную теорию полёта. В 1910 году он начал чтение специального курса — «Теоретические основы воздухоплавания». Этот курс быстро сделался классическим. В нём с исчерпывающей полнотой и небывалой стройностью излагается теория подъёмной силы аэропланного крыла. Заложив основы аэродинамики, Николай Егорович дал последующим поколениям авиаконструкторов науку, с помощью которой можно было рассчитывать и строить совершенные летательные машины.
*
Советское правительство высоко оценило научную деятельность Жуковского. 3 декабря 1920 года, в день пятидесятилетнего юбилея научной деятельности великого учёного, В. И. Ленин подписал в Кремле декрет, в котором отмечались заслуги Жуковского перед русской и мировой авиацией. Во вступительной части декрета Жуковский назван «отцом русской авиации».
17 марта 1941 года исполняется двадцать лет со дня смерти Николая Егоровича. Все эти годы ученики и последователи великого учёного успешно продолжали начатое им дело. Организованное им Авиационное расчётно-испытательное бюро превратилось во всемирно известный Центральный аэрогидродинамический институт. Именем Жуковского названа и организованная им Военно-воздушная академия Красной армии.
С развитием авиации всё больше возрастает значение аэродинамических труб, одним из первых конструкторов которых был Жуковский. Ни один самолёт не сдаётся теперь в производство без того, чтобы его модель не подверглась основательной проверке в аэродинамической трубе. Эти приборы строятся теперь всё более грандиозных размеров. В первой воздушной галерее Московского университета можно было продувать только уменьшенные модели отдельных частей аэроплана, а в современных аэродинамических трубах испытываются целые самолёты.
Скорость полёта современных боевых машин непрерывно растёт.
Самолёты, делающие свыше 600 километров в час, уже приняты на вооружение во многих странах. Но исследование моделей таких машин в небольших аэродинамических трубах затруднительно. Здесь вступает в силу закон подобия, который необходимо соблюдать, чтобы результаты испытаний в трубе соответствовали действительному поведению машины в полёте. Согласно закону подобия, произведение размаха крыльев модели и скорости воздушного потока в трубе должно в точности равняться произведению размаха крыльев настоящего самолёта и его полётной скорости. Таким образом, чем меньше диаметр рабочей части трубы, тем большей должна быть скорость воздушного потока в ней. Вот почему во многих авиационных институтах строятся гигантские по размерам трубы. В них при сравнительно небольшой скорости воздушного потока легко создать условия, близкие к тем, в которых будет протекать действительный полёт машин.
Поперечник рабочей части одной из труб Центрального аэрогидродинамического института равен 6 метрам. Мощный вентилятор приводится в действие мотором в 650 лошадиных сил и совершает 310 оборотов в минуту. Скорость воздушного потока, обдувающего испытываемую в приборе модель, достигает 28 метров в секунду, свыше 100 километров в час.
Дальнейшее развитие авиационной техники потребовало постройки труб с повышенными скоростями воздушного потока. Особенно важно это для современной сверхскоростной стратосферной авиации. Как будет вести себя тело, летящее со скоростью, близкой к скорости звука? Исследования говорят, что в этом случае многие законы аэродинамики, достаточно точные для сравнительно малых скоростей, потребуют существенных поправок.
Для изучения процессов взаимодействия между телом и сверхскоростным потоком воздуха строятся специальные аэродинамические трубы. Так как возникающие здесь нагрузки на модель чрезвычайно велики, они измеряются с помощью весов особенно прочной конструкции.
Практическое изучение сил, возникающих при сверхскоростных полётах, открывает новые широчайшие возможности освоения человеком воздушной стихии. Овладение этими силами позволит ему подняться со дна воздушного океана в беспредельные пространства стратосферы.
*
Советские конструкторы, вооружённые передовой научной теорией и новейшей техникой, создают всё более совершенные летательные машины. На этих машинах советские лётчики, вписавшие уже немало славных страниц в историю авиации и поставившие не один десяток мировых авиационных рекордов, летают всё выше, дальше и быстрее. Благодаря объединённым усилиям поколений отечественных исследователей, конструкторов и лётчиков потолок советской авиации с каждым годом неуклонно повышается.
Комментариев нет:
Отправить комментарий