Текст книги "100 великих научных достижений России"

Авиация

Самолет Можайского

Моряк, ученый, конструктор, по чертежам которого в Стране восходящего солнца в середине XIX в. было построено первое японское килевое судно, контр-адмирал в отставке, Александр Федорович Можайский (1825–1890) стал изобретателем первого в истории человечества летательного аппарата тяжелее воздуха, названного им «Жар-Птица». Летные испытания аэроплана с человеком на борту были осуществлены 20 июля 1882 г., за 21 год до полетов братьев Райт (США), которым во многих странах мира отдана пальма первенства в этом вопросе.

Сразу же расставим точки над «i». Братья Райт не были первыми, кто построил и совершил полет на самолете, они первыми управляли полетом в воздухе.

Изобретателем, создавшим аэроплан со всеми его основными частями (крылом, корпусом, взлетно-посадочным устройством, хвостовым оперением, подвижными рулями крена и поворота, шасси), стал русский морской офицер Александр Федорович Можайский. Дело в том, что самолет братьев Райт не имел корпуса, взлетно-посадочного устройства и рулевого управления. Взлетал самолет с помощью катапульты, а управлялся только хвостовым оперением. И – что еще немаловажно – в отличие от самолета Можайского, имевшего два толкающих и один главный тянущий винт, расположенный спереди, аэроплан братьев Райт имел только два толкающих винта, расположенные сзади крыльев. Сегодня практически все винтомоторные самолеты имеют именно тянущие винты. Говорят еще, что чертежи Можайского были украдены и ими воспользовались американцы, но не станем углубляться в этот вопрос.

Воздухоплавание издавна привлекало людей. Крылья, крылатые сандалии, ковры-самолеты – непременный атрибут многих мифов, легенд, сказаний. Не отставали от сказочных персонажей, владевших средствами передвижения по воздуху, деятели науки и техники, в том числе и русские.

М.В. Ломоносов в 1754 г. построил модель аэродромической машины, работавшей по принципу вертолета с соосными винтами. Спустя 100 лет предложил создать самолет с неподвижными крыльями и паровым двигателем адмирал Н.М. Соковнин, изобретатель жесткого дирижабля. Гениальный артиллерийский офицер Н.А. Телешов создал проект самолета на 120 мест с крылом треугольной формы и воздушно-реактивным двигателем к нему – «Система воздухоплавания» и проект «Дельта» с воздушно-реактивным пульсирующим двигателем – «теплородным духометом», ставшим прототипом современных реактивных двигателей. Известно также о проектах летательных аппаратов русских ученых А.Н. Лодыгина (электролет, цикложир), С.С. Микунина (самолет, орнитоптер), многих других изобретателей. Все замыслы оказались невоплощенными – либо по причине научной и технической невозможности реализовать авторскую идею, либо по нежеланию чиновников и властей вникать в эти «эфирные прожекты» и выделять на них необходимые средства.

Модель самолета А.Ф. Можайского в Центральном доме авиации и космонавтики

Зарубежные изобретатели (Д. Кейли, У. Хенсон, Д. Стрингфеллоу, Ф. дю Тампль, А. Пено и др.), продвинувшись в изучении летающих моделей, в вопросах устойчивости и в разработке компоновок самолета, также были далеки от реализации своих проектов.

К тому же в 1870–1880 гг. еще не было аэродинамики Жуковского, газодинамики Чаплыгина, легких и прочных конструктивных материалов, винтов нужного профиля, мощных легких двигателей. Как и не было механиков-авиаторов, имеющих хотя бы один час «налёта» и умеющих управлять аэропланом в полете.

В результате до 1890 г. в мире не было построено и испытано ни одного летательного аппарата тяжелее воздуха в натуральную величину, кроме самолета Можайского.

К своему детищу Можайский шел четверть века. Еще в 1856 г. лейтенант, заинтересовавшись полетом птиц, исследовал их крылья и определял удельные нагрузки на них. Многие годы он занимался аэродинамическими исследованиями винтов и воздушных змеев, устанавливал основные аэродинамические характеристики металлических пластинок и моделей крыльев птиц. Несколько раз сам с риском для жизни поднимался в воздух на построенном им воздушном змее.

Перейдя от воздушных змеев к летающим моделям, инженер несколько раз благополучно демонстрировал их полеты. Ободренный успехом, Можайский в 1876 г. обратился в Военное министерство с ходатайством о выделении ему средств (около 19 000 рублей) для дальнейших опытов. Особая комиссия министерства одобрила проект, но отпустила изобретателю только 3000 рублей.

В своих экспериментах Можайский нашел оптимальную форму винтов и модели самолета, установил зависимость между подъемной силой и лобовым сопротивлением при различных углах атаки, изучил влияние неведомых тогда никому «маленьких площадей на задней части крыльев на повороты аппарата». Так наш первый авиационный конструктор впервые (за 31 год до француза Фармана, якобы изобретшего их) обратил внимание на органы управления – элероны, без которых немыслимы поперечная устойчивость и управляемость самолета. (К слову сказать, братья Райт не имели об элеронах никакого представления.)

Можайский явился первооткрывателем характеристических углов атаки, знание которых предшествует аэродинамическому расчету самолета; сформулировал (за 11 лет до опубликования подобных работ Э.Ж. Марея и О. Лилиенталя и за 27 лет до математического обоснования возникновения подъемной силы Н.Е. Жуковским) один из важнейших законов аэродинамики: «Для возможности парения в воздухе существует некоторое отношение между тяжестью, скоростью и величиной площади или плоскости, и несомненно то, что чем больше скорость движения, тем большую тяжесть может нести та же площадь»; нашел формулы для расчета подъемной силы и силы сопротивления самолета.

Конструктор подробно описал технику взлета своего самолета и предусмотрел установку на нем аэронавигационного оборудования: компаса, измерителя скорости, барометра-высотомера, двух термометров, трех кренометров и прицела для производства бомбометания.

Через два года Александр Федорович уже готов был приступить к созданию полномасштабного аппарата, способного поднять человека. Поданная военному министру докладная записка с чертежами и расчетами на сей раз была отклонена комиссией, посоветовавшей изобретателю переключиться на другую модель – с машущими крыльями (орнитоптер).

Однако Можайский не пожелал отступать. Он добился заграничной командировки и ассигнования 2500 рублей, заказал в Англии два паровых двигателя в 20 и 10 л. с. и в 1881 г. получил привилегию на свой «Воздухолетательный снаряд». После этого инженер подал министру новую докладную записку с ходатайством об отпуске ему 5000 рублей на постройку самолета. На этот раз просьба была отклонена Александром III.

Делать было нечего, Александр Федорович продал все, что мог продать, и на вырученные деньги начал постройку отдельных частей самолета на Балтийском заводе. Сборку «прибора» капитан I ранга осуществлял в Красном Селе на военном поле, где военное ведомство отвело ему участок.

Далее дадим слово очевидцу строительства первого самолета Н.Н. Мясоедову: «Моноплан представлял собой лодку с деревянными ребрами, обтянутыми материей. К бортам лодки прикреплены были прямоугольные крылья, слегка выгнутые, выпуклостью вверх. Все обтянуто тонкой шелковой желтой материей, пропитанной лаком. Переплеты крыльев деревянные (сосновые). Все эти бруски выделаны в виде углового железа. Аппарат стоял на подставках с колесами. Крылья приходились приблизительно на сажень (с небольшим) от земли. В лодке две мачты. Крылья удерживались проволочными веревками, натянутыми к мачтам и к подставкам. Двигателей два, расположены в передней части лодки: больший немного выдвинут от середины лодки, меньший еще ближе к носу. Устройство этих двигателей и составляло секрет г. Можайского. Винтов было три, о четырех лопастях каждый, два в прорезах крыльев, против большего двигателя, третий на носу лодки, на валу от меньшего двигателя. Рамки винтов деревянные, обшитые тонкими дощечками. Шов проволочный. Винты покрыты серым лаком. Рулей два – вертикальный и горизонтальный, прикреплены к корме и приводились в движение проволочными канатами и лебедками, помещенными около кормы. Работы шли очень медленно по случаю безденежья, чего г. Можайский и не скрывал. Никто и не интересовался его работами, и помощи ниоткуда не было».

Тем не менее Можайский закончил сборку самолета. 20 июля 1882 г. в присутствии немногочисленных представителей военного ведомства и Русского технического общества самолет отделился от земли, но после взлета накренился на бок и поломал крыло. Все сообщения той поры однотипны: «Так произошло событие большого исторического значения – самолет с человеком на борту впервые в мире совершил взлет. Подробности этого события, как и фамилия испытателя, к сожалению, неизвестны».

Повреждения самолета были невелики. Можайский несколько раз обращался в Военное министерство с ходатайством о денежной поддержке, но ему всякий раз отказывали.

Александр Федорович продолжал опыты, на свои ничтожные средства заказал новые, более мощные двигатели, но, увы, не успел довести свое детище до ума. До последних дней офицер не терял надежды, что Отчизне понадобится самолет как самое мощное военное оружие.

После кончины изобретателя самолет его оказался заброшенным. Через несколько лет аэроплан перевезли в имение Можайских и там разобрали. О русском ученом и изобретателе вспомнили только через 20 лет, когда в мире начался авиационный бум и конструкторы взяли за основу фюзеляжный тип самолета Можайского.

Аэродинамика и теория авиации Жуковского

Математик, механик, популяризатор науки, основатель научной школы, профессор Московского университета и Императорского технического училища (МВТУ), член-корреспондент Императорской и Российской АН, один из создателей Аэродинамического института, организатор и первый руководитель Центрального аэрогидродинамического института (ЦАГИ), Николай Егорович Жуковский (1847–1921) прославился своими исследованиями по математике и механике твердого тела, прикладной и небесной механике, гидродинамике и гидравлике, теории упругости и теории горения… Знаменитым во всем мире ученый стал благодаря своим основополагающим трудам по аэродинамике и теории авиации.

В научном наследии Жуковского, насчитывающем 194 работы по самым разным направлениям – от сантехнического до астрономического, исследования по аэромеханике и теории авиации стоят особняком – и по важности, и по времени их создания. Николай Егорович занялся ими буквально «на пенсии», после 25 лет служебной деятельности, когда по тогдашним правилам должна была следовать отставка. Однако у Жуковского были такие огромные заслуги перед наукой и Отечеством, что ему высочайше разрешили 5 лет не оставлять службу с сохранением жалованья. Затем разрешение продлевали еще несколько раз.

Памятник Н.Е. Жуковскому в Москве. Скульптор Г.В. Нерода

«Сантехнические» исследования упомянуты без всякой иронии. Дело в том, что они принесли Жуковскому широкую известность. Они же послужили и отправным пунктом его занятий вопросами авиации в опытно-теоретическом аспекте. Эта работа наглядно проиллюстрировала плодотворность инженерного подхода математика к самым насущным вопросам нашего бытия.

Занявшись нахождением причин многочисленных разрывов магистральных труб московского водопровода, Жуковский опытным путем выявил физическую сущность открытого им явления гидравлического удара (скачкообразного повышения давления при слишком быстром закрытии задвижки) и, составив уравнения, описывающие это явление, и решив их, предложил способ избежать ударной волны и предохранить водопровод от повреждений.

Работа «О гидравлическом ударе в водопроводных трубах» (1899) была переведена на Западе и стала руководством всех коммунальных служб. Любой диспетчер мог, не дожидаясь выхода воды на мостовую, рассчитать время, необходимое для безопасного закрытия труб, и определить место разрыва. Жуковскому эти исследования позволили создать еще и теорию гидравлического тарана – водоподъемного устройства, в котором вода подается пульсацией давления, вызываемого периодическими гидравлическими ударами. Всего по гидромеханике и гидравлике ученый написал 46 работ.

Но перейдем к аэродинамике и к теории авиации. Эта область человеческого знания впервые и наиболее полно была описана именно Жуковским и его учениками, потому, заявляя о ней как о великом научном достижении России, мы неизбежно говорим о Жуковском как ее творце. Собственно, в работах русского механика были развиты все основные идеи, на которых строится современная авиационная наука, а все его научные достижения стали достижениями воздухоплавания вообще.

У Николая Егоровича началось все со статей «К теории летания» (1890) и «О парении птиц» (1891), в которых ученый впервые рассмотрел режимы планирующего полета (парения), в том числе и «мертвую петлю», осуществленную в 1913 г. летчиком П.Н. Нестеровым, а также заложил основание для исследований т. н. фугоидальных движений самолета.

Чтобы взлететь на аппарате «тяжелее воздуха», надо было определить подъемную силу крыла. Многочисленные эксперименты ученых не решали этой проблемы. Жуковский прежде установил физическую картину появления подъемной силы, а затем уже рассчитал ее. В работах «О присоединенных вихрях» (1906) и «Падение в воздухе легких продолговатых тел, вращающихся около своей продольной оси» (1906) ученый установил, что подъемная сила возникает в результате различия скоростей обтекания крыла потоком воздуха сверху крыла и снизу. Основываясь на этом, он доказал теорему, позволяющую вычислить величину подъемной силы по соответствующей формуле. Правильность теоремы была подтверждена экспериментами с вращающимися в потоке воздуха продолговатыми пластинками, поставленными тогда же в аэродинамической лаборатории. Теорема о подъемной силе крыла аэроплана и формула стали основой для всех аэродинамических расчетов самолетов.

Жуковский также обогатил теоретическую аэродинамику теорией крыла, гипотезой Жуковского – Чаплыгина об определении циркуляции для заданного профиля крыла, методом округления Жуковского, расчетами влияния толщины и изогнутости профиля на величину его подъемной силы и т. д. Пригодилась для исследования устойчивости аэропланов в воздухе и докторская диссертация Жуковского «О прочности движения», написанная еще в 1879 г. Теоретические профили, открытые Жуковским, назвали по его имени – «профилями НЕЖ», «обобщенными профилями НЕЖ» и «рулями НЕЖ».

Блестящие работы Жуковского по вихревой теории гребного и воздушного винта – пропеллера (названной его коллегами «совершенной») – были тотчас приняты на вооружение конструкторами судов и летательных аппаратов. Предложенная ученым наивыгоднейшая геометрическая форма лопасти винта также получила название «винта НЕЖ». На основе этой теории проектируются и строятся пропеллеры современных самолетов.

Жуковский был основателем экспериментальной аэродинамики в России. В 1902 г. при механическом кабинете Московского университета он вместе с большой группой учеников построил первую в России и вторую в мире аэродинамическую трубу, в которой был установлен спроектированный Жуковским прибор для испытания пропеллеров и проводились многочисленные испытания. Большая часть учеников профессора – С.А. Чаплыгин, А.И. Некрасов, В.П. Ветчинкин, А.Н. Туполев и др. – стали потом видными учеными. Они все любили учителя за удивительное сочетание грандиозности его таланта с человеческой мягкостью. По воспоминаниям, Николай Егорович «был очень добродушным экзаменатором. Ставил удовлетворительные оценки, сам ответив на экзаменационный вопрос». В те же годы Жуковский участвовал в создании первого в Европе аэродинамического института в поселке Кучино под Москвой, в котором затем плодотворно занимался исследованием воздушных винтов и разработкой методики математического расчета летательного аппарата.

«Теоретические основы воздухоплавания», прочитанные Жуковским в МВТУ в 1910 г., «впервые в мировой литературе содержали систематическое изложение теории подъемной силы крыла, основанной на учете циркуляции скорости».

В годы Первой мировой войны в аэродинамической лаборатории и в расчетно-испытательном бюро при МВТУ профессор с учениками разрабатывал методы аэродинамического расчета самолетных конструкций и расчета на прочность, занимался теорией бомбометания.

В 1918 г. ученый возглавил вновь учрежденный Центральный аэрогидродинамический институт (ЦАГИ), в котором продолжил свои исследования по вопросам прочности самолета. Из нескольких опубликованных работ этапной стала «Исследование устойчивости конструкции аэропланов».

Кончина Жуковского в 1920 г. не прервала работ по развитию аэродинамической теории и теории авиации. Идеи Н.Е. Жуковского нашли дальнейшее развитие в работах его многочисленных учеников и последователей. Недаром за Николаем Егоровичем закрепилось звание «отец русской авиации» (В.И. Ленин).

Газодинамика Чаплыгина

Физик, механик, математик; профессор Технического училища (ныне МГТУ им. Н.Э. Баумана), Московских высших женских курсов и Московского университета; академик, председатель группы техники, председатель Комиссии по гидромеханике и аэродинамике АН СССР; организатор и директор (ректор) Московских высших женских курсов (2-го МГУ); создатель (совместно с Н.Е. Жуковским) Центрального аэрогидродинамического института (ЦАГИ) и его филиала в Новосибирске; председатель коллегии и проблемной комиссии ЦАГИ по газовой динамике; главный научный руководитель, директор-начальник ЦАГИ; президент Московского механического общества; руководитель Управления домами ученых; кавалер двух орденов Ленина, двух орденов Трудового Красного Знамени, Большой золотой медали Петербургской АН, лауреат Премии им. H.E. Жуковского; заслуженный деятель науки и техники РСФСР; первый в стране Герой Социалистического Труда, Сергей Алексеевич Чаплыгин (1869–1942) является основоположником (вместе с Н.Е. Жуковским) теории крыла, а также автором работ, связанных с механизацией крыла, родоначальником науки о профилях, теории обтекания решеток циркуляционным потоком, новой отрасли механики – газовой динамики.

До Первой мировой войны самолетостроением занимался кто угодно: от гимназистов до академиков. Авиация развивалась на ощупь, аэропланы летали, как получится, черепашьим ходом. Число упавших на землю самолетов часто равнялось числу взлетевших в небо. Хорошо, что число это было сравнительно небольшим. Конструкторами двигала интуиция, авиаторами – любовь к риску. Как правило, конструктор и пилот совмещались в одном лице. Никаких расчетов, проектов, экспериментов, аэродинамических труб не было и в помине. Слова «подъемная сила» воспринимались как заклинание либо как сила небесная.

С.А. Чаплыгин

И вот в этих почти пещерных (для авиации) условиях в 1902 г., когда самолет Можайского был полузабыт, а до первых полетов Сикорского было еще 8 лет, механик С.А. Чаплыгин, увлеченный разработкой струйных течений газа при любых дозвуковых скоростях, представил в Московский университет к защите докторскую диссертацию «О газовых струях». Этой работой (написанной во время пребывания в крымском санатории) Сергей Алексеевич упредил всех ученых-аэромехаников как минимум на 30 лет и открыл ею новую область аэродинамики – газовую динамику. Рассмотренные в работе околозвуковые скорости (331 м/с) даже спустя 10 лет казались фантастическими, так как первые аэропланы летали со скоростью голубя-сизаря (20 м/с). Работа была успешно защищена на физико-математическом факультете университета, и Чаплыгин получил профессорскую степень. Диссертацию тогда мало кто понял даже из маститых ученых. Какое-то время она была практически не востребована. (Справедливости ради стоит сказать, что и сам Чаплыгин не стал развивать свои идеи ввиду их малой перспективности в те годы.)

Когда же в начале 1930-х гг. понадобилось предугадать поведение крыла самолета при околозвуковых скоростях, многие западные математики с удивлением обнаружили, что все это уже было давно предсказано на Востоке – еще в царской России Сергеем Алексеевичем Чаплыгиным, причем в удивительно красивой по математическим меркам, афористичной работе. К слову сказать, и сегодня, открывая многие другие работы русского ученого, можно найти понятия и идеи, которые понадобятся только в будущем.

Метод Чаплыгина был подхвачен и растиражирован во всех авиационных проектах, а в КБ стал настольным справочником. Не было ни одной работы без ссылки на труд русского ученого, ставший фундаментом всех расчетов самолетов, осваивающих большие дозвуковые скорости.

В 1935 г. в Риме под эгидой Итальянской АН проходил Научный конгресс им. Вольта. Рассматривая вопросы скоростной авиации, столпы мировой аэродинамики Л. Прандтль, Дж. И. Тейлор, Т. Карман, А. Буземан ссылались на диссертацию Чаплыгина, недавно «открытую» ими, как на работу, позволившую решить дотоле не разрешимые задачи.

Суть достижения в следующем. При перемещении тела в потоке воздуха, оно испытывает аэродинамическое сопротивление. При скорости движения меньшей 100 м/с аэродинамическое сопротивление пропорционально квадрату этой скорости; а при возрастании скорости до скорости звука сопротивление увеличивается еще на некоторую величину, зависящую от сжимаемости газа. Этот «довесок» можно получить, решив дифференциальное уравнение, которое предложил Чаплыгин и которое теперь называется его именем.

Само уравнение было получено Чаплыгиным «остроумным приемом» (Н.Е. Жуковский). Предположив, что воздух при дозвуковых скоростях является несжимаемой жидкостью, ученый сначала решил задачу для потока несжимаемой жидкости, а затем по аналогии – для газа. При этом он применил хорошо разработанные методы теории функций комплексного переменного.

Чаплыгин вообще «отличался удивительной способностью выдвигать и разрешать теоретически те задачи, которые еще не были сформулированы авиационной техникой, но оказывались ей необходимыми значительно позднее». Как редко кто другой из ученых, Сергей Алексеевич умел использовать математику для решения технических проблем авиации на 100 %.

Так, во время Первой мировой войны Чаплыгин развил теорию крыла Жуковского и в докладе «О давлении плоскопараллельного потока на преграждающие тела» (1910) предложил метод определения величины, направления и точки приложения равнодействующей сил давления потока воздуха на крыло. На Западе эти соотношения были получены позднее и названы «формулами Блязиуса».

Развивая теорию крыла до классического вида, Чаплыгин опубликовал две работы по теории решетчатого самолетного крыла, послужившие затем основой теории лопаточных машин, базой для расчета винтов и турбин. Ученый получил парадоксальные результаты: подъемная сила решетчатого крыла была больше, чем обычного со сплошной кромкой («Теория решетчатого крыла», 1914 г.). При этом разрезное крыло отличалось большей устойчивостью в полете. Для предотвращения срыва воздушного потока с крыла и для увеличения подъемной силы (в два и более раза) Чаплыгин предложил устанавливать предкрылки и закрылки, применяемые с тех пор на кромках крыльев всех самолетов. Разрезное крыло Чаплыгина стало основанием всех тормозных приспособлений, закрылков, щитков, предкрылков и других элементов механизированного крыла.

В работе «К общей теории крыла моноплана» Чаплыгин создал науку о профилях и предложил профили с высокими аэродинамическими свойствами и хорошими качествами при больших скоростях полета.

Решив ранее считавшуюся неразрешимой трехмерную задачу о крыле конечного размаха, математик развил теорию индуктивного сопротивления, ставшую позднее основой теории устойчивости и изучения полетных качеств самолета.

Для неустановившегося движения крыла – на взлете и посадке – Чаплыгин впервые получил формулы, без которых также не может обходиться практическая аэродинамика.

И хотя Чаплыгин опередил время многими своими теориями, фортуна была к нему благоприятна. Еще при жизни ученого все его формулы и открытия были востребованы наукой и техникой, стали фундаментом мирового авиастроения, а газовая динамика заняла свое место среди прочих классических наук.