Лев Гумилевский - Русские инженеры

Как только были совершены первые робкие полеты на аппаратах тяжелее воздуха, тотчас же перед наукой стал вопрос, выдвинутый практической авиацией: откуда берется подъемная сила у крыла и, главное, каким теоретическим способом можно ее вычислить?

Насколько Жуковский был готов ответить на этот основной вопрос, видно из того, что уже в 1906 году он дал в своей работе «О присоединенных вихрях» и правильный ответ на вопрос и формулу, позволяющую произвести расчет сил, действующих на крыло.

Статья эта появилась в результате сделанного Жуковским замечательного открытия. Он открыл, что, кроме всех известных типов течений газа или жидкости, есть еще один тип, при котором образуется особенная сила, получившая название «сила Жуковского». Благодаря этому открытию стали понятными все явления, происходящие в воздухе близ летящего тела, была создана полная теория крыла моноплана, началось строительство современных самолетов, имеющих толстое крыло с острой задней кромкой, и авиация получила то развитие и то значение, которые теперь всем известны.

Жуковский показал, что механизм образования подъемной силы у хорошо обтекаемой «дужки», какою является крыло, не сводится к сопротивлению. Наличие подъемной силы обусловлено тут не сопротивлением, как у змея, а разностью скоростей под крылом и над крылом, или, как говорят, «циркуляцией» воздушных струй вокруг крыла.

Это открытие Жуковского и до сих пор остается предметом величавшего внимания аэродинамиков во всем мире.

А. А. Микулин, вспоминая о Н. Е. Жуковском в двадцатую годовщину его смерти, писал в заключение:

Листок из записной книжки первого русского военного летчика Нестерова. Схема «петли Нестерова» (мертвой петли), сделанной Нестеровым 27 августа (9 сентября) 1913 года. Автограф летчика.

«Имя Н. Е. Жуковского известно во всем мире. Помню, однажды в 1935 году мы приехали с комиссией осматривать лабораторию Кембриджского университета в Англии. В большой аэродинамической трубе гудел ветер, английские инженеры и профессора вели наблюдения за приборами и вели записи в протоколах. По окончании эксперимента мы спросили, что они изучают? С уважением к великому имени нам ответили: „Дужку Жуковского!“»[37]

Ученик и ближайший сотрудник Жуковского академик Л. С. Лейбензон вспоминает, что впервые мысль о роли циркуляционных потоков в образовании давления, которое испытывают обтекаемые воздухом крылообразные тела, возникла у Жуковского осенью 1904 года, при наблюдении полетов воздушного змея. За этим наблюдением последовала догадка, проверке которой Жуковский посвятил два года. После многих опытов и размышлений Жуковский установил тот закон, который получил во всем мире его имя.

Закон этот гласит:

«Подъемная сила равна по величине произведению плотности воздуха, циркуляции и скорости потока, а направление ее получается поворотом скорости потока на прямой угол в сторону, обратную циркуляции».

До открытия Жуковского единственным источником подъемной силы приходилось считать, при отсутствии трения, образование срывов при отрыве струй от поверхности обтекаемого тела. Жуковский указал другой возможный источник образования силы — присутствие добавочного циркуляционного движения вокруг обтекаемого тела. Он открыл, таким образом, совершенно новый тип течений — течений, плавно обтекающих тело, но с присоединенным «циркуляционным» вихревым потоком.

Понадобилось, однако, еще много времени, труда, опытов и размышлений для того, чтобы ответить на вопрос, откуда берется этот добавочный циркуляционный поток и как определить величину циркуляции вокруг крыла.

Только в 1910 году удалось Н. Е. Жуковскому ответить с предельной ясностью на этот вопрос. Известный под названием «основной гипотезы Жуковского» ответ этот практически сводится к тому, что циркуляция образуется при наличии у обтекаемого тела острых кромок. Так как при плавном обтекании, согласно открытому Жуковским закону, подъемная Сила возникает только благодаря добавочному циркуляционному потоку, то для крыла необходима острая кромка. Таким образом, теоретически удалось выяснить, что наивыгоднейшей формой крыльев в авиации будут крылья с острой кромкой.

Такие крылья и стали применяться конструкторами.

После всех этих открытий Жуковского в авиации стали пользоваться исключительно течениями с циркуляцией, так как при прочих равных условиях подъемная сила, возникающая благодаря добавочному циркуляционному потоку, намного больше, чем подъемная сила, возникающая при срыве струй.

При малых углах атаки крыло самолета как раз и находится в воздушном потоке с циркуляцией.

После всех этих теоретических открытий оказалось возможным не только создать полную циркуляционную теорию крыла, но и чисто теоретическим путем рассчитать его подъемную силу.

Метод расчета, как мы увидим дальше, разработал первый ученик Жуковского — Сергей Алексеевич Чаплыгин.

Предоставив своим русским ученикам и иностранным последователям дальнейшую разработку теории крыла, Жуковский сам обратился к более частному случаю винтового пропеллера. Надо заметить, что лопасть винта также представляет собой крыло, с той разницей, что крыло при движении самолета перемещается только поступательно, в то время как лопасть винта совершает гораздо более сложное движение, одновременно вращаясь около оси винта и перемещаясь вместе с самолетом.

Фотографии одного исследователя, работавшего над корабельными гребными винтами, побудили Николая Егоровича заняться головоломной задачей о движении винта. Жуковский заметил, что на фотографиях работающих винтов видны светлые полоски, имеющие вид винтовых линий, сбегающих с концов лопастей. По мнению Жуковского, эти полоски указывали направление осей тех вихрей, которые сбегали с лопастей винта. Высказав эту гениальную догадку, он обратился к проверке своей Мигели и в результате в 1912 году опубликовал знаменитую «Вихревую теорию гребного винта».

Николай Егорович Жуковский

(1847–1921).

Вихревая теория позволила сразу же вывести формулы для расчета силы тяги винта и мощности двигателя, который необходим для его вращения. Оказалось также возможным теоретически указать наиболее выгодную форму винта. Такие винты получили в честь Н. Е. Жуковского название винтов «НЕЖ».

Вихревая теория гребного винта, конечно, может быть распространена и на крыло. Она рассматривает различные схемы вихрей, образующихся за лопастью, и изучает влияние этих вихрей на распределение скоростей в потоке. В ней рассматривается также сила лобового сопротивления, которая получается за счет образования определенного вида вихрей. Это последнее, так называемое индуктивное, сопротивление, сложенное с сопротивлением от трения и различных побочных вихре-образований, и дает то общее лобовое сопротивление, которое встречает движущееся в воздухе крыло.