Теория авиации

Полет великого разума

Теорема невозможного

На основании данных науки своего времени и произведя массу расчетов, крупнейший американский астроном XIX — начала XX века, профессор С. Ньюком утверждал, что механизмы тяжелее воздуха не смогут оторваться от земли. Позднее, после полетов Александра Можайского и братьев Райт, он заявил, что быть может, летательный аппарат построить удастся, «но и пилота, и пассажира он не подымет».

Когда полет самолетов стал вполне обыденным делом и встал вопрос об их проектировании, инженерам и физикам пришлось искать теоретическое объяснение. Проще всего было объяснить способность аппарата тяжелее воздуха летать существованием у крыла некоей подъемной силы. Эта идея довольно быстро нашла признание, хотя и не имела физического обоснования. Теоретической аэродинамики как самостоятельной науки тогда не существовало. Попытки ученых разных стран объяснить этот феномен в соответствии с результатами экспериментов не приводили к цели.

Решающий вклад в изучение подъемной силы крыла внес выдающийся уроженец Владимирской губернии Российской империи Николай Егорович Жуковский. Ставший, по сути, первым в мире настоящим авиаконструктором, ученый как-то сказал:

«Человек не имеет крыльев, а по отношению веса своего тела к весу мускулов он в 72 раза слабее птицы. Но я думаю, что полетит он, опираясь не на силу своих мускулов, а на силу своего разума!»

И оказался прав.

Первый доклад – «К теории летания», связанный с вопросами авиации, Жуковский сделал в январе 1890 года на 8-м съезде русских естествоиспытателей и врачей. В этой работе он рассуждал о происхождении подъемной силы.

Через год ученый обнародовал сообщение «О парении птиц», в котором содержались основы динамики полета самолета, а также впервые в истории рассматривались принципы расчета траекторий полета птиц и воздушных судов.

Жуковский продемонстрировал решение задачи о парении в спокойной и неспокойной атмосфере, в горизонтальной плоскости, со снижением и набором высоты. Все это он проиллюстрировал возможными траекториями. По сути, ученый обосновал возможность сложных движений самолета в воздухе, в том числе мертвой петли. Спустя 22 года знаменитый русский летчик Петр Нестеров воплотил теорию в жизнь: на самолете «Ньюпор-4» выполнил замкнутую петлю в вертикальной плоскости – первую в мире фигуру высшего пилотажа, которую назвали «петлей Нестерова».

И вот 28 ноября 1905 года Жуковский прочел в Математическом обществе доклад «О присоединенных вихрях», чем положил начало современной авиации, основам теории крыла и воздушного винта. Докладу предшествовало формулирование и доказательство теоремы того же содержания, получившей затем имя Жуковского. Она легла в основу для всех аэродинамических расчетов - крыльев, компрессоров, воздушных винтов, винтокрылых аппаратов и многих других машин. Итоговая формула Жуковского звучит так:

«Подъемная сила, развиваемая крылом произвольной формы, равна произведению массовой плотности воздуха на скорость потока вдали от крыла, на циркуляцию скорости добавочного течения вокруг крыльев и на размах крыла».

Из чего следует, что для полета самолета или аэроплана важна плотность воздуха, скорость его встречного потока и то, насколько опирающееся на воздух крыло длинное и широкое.

Ему же принадлежит и определение подъемной силы крыла самолета:

«Сила, перпендикулярная вектору скорости движения центра тяжести тела, возникающая вследствие несимметрии обтекания тела потоком жидкости (газа)».

По-простому же это означает, что на самолет летящий горизонтально, окружающий его воздух, давит снизу больше, чем сверху, не позволяя упасть.

В 1907 году Жуковский сделал следующий шаг в своей работе. В своей «Вихревой теории гребного винта с множеством лопастей» он вывел формулы для определения мощности и тяги пропеллера и геликоптерного винта – основные положения для будущего создания вертолетов.

Практическая теория

Еще в 1889 году при своем кабинете прикладной механики в Московском университете Жуковский создал небольшую лабораторию, а в 1902-м вместе со своими учениками открыл одну из первых в мире аэродинамических труб закрытого типа для проведения различных экспериментов.

Спустя два года в подмосковном Кучино под руководством Жуковского был основан первый в мире аэродинамический институт. Исследователи работали на уникальном оборудовании: на большой аэродинамической трубе диаметром 1,2 метра, на разнообразных приборах - для испытания винтов больших диаметров, изучения ветряных двигателей, исследования лобового сопротивления, влияния вязкости среды, измерения силы тяги и так далее.

Опыты, проведенные Жуковским, позволили ему создать общую авиационную теорию, потребность в которой в то время ощущалась очень остро. Летательные аппараты строились в буквальном смысле на глаз, что часто приводило к катастрофам. Было ясно, что на воздушные суда во время полета воздействует целый комплекс сил, из которых была хорошо изучена лишь одна - сила тяжести. Остальные исследовались методом проб и ошибок, без уравнений и формул. Благодаря же Жуковскому авиаконструкторы получили не просто точную теоретическую базу, но и ее практическое обоснование.

Уже позже, в 1911 году, ученый смог определить центр давления равнодействующей всех сил на крыло и предложил наиболее «правильные» формы для его профиля. С 1912 по 1918 год он написал еще несколько работ по свей «Вихревой теории гребного винта», которые опирались на его исследования и опыты с формой крыла. На основе этого открытия по сей день строятся воздушные винты всех летательных аппаратов в мире.

Формулы «Вихревой теории» подходят ко всем типам винтов - как пропеллеров, так и ветряных двигателей, судовых винтов и так далее. Открытие ученого дало возможность создать изделия, превосходящие по характеристикам европейские аналоги. «Винты НЕЖ» (по инициалам и первой букве фамилии ученого) в короткие сроки завоевали доверие авиаторов, вытеснив кустарные конструкции иностранного производства. Вихревая теория Жуковского была продолжена в работах физиков и авиаконструкторов как России, так и всего мира.

Высоты будущего

Сегодня существует несколько иное, более точное объяснение феномену полета на крыле, нежели его давал Жуковский. Так, в словаре по физике сказано:

«Подъемная сила крыла самолета создается разной геометрией его верхней и нижней поверхностей и подбором определенного угла атаки набегающего воздушного потока».

Так что же все-таки удерживает летящий самолет в воздухе от падения?

Для ответа на этот вопрос надо обратиться к другому примеру перемещения физического тела — в более плотной, чем воздух, среде. Если мы ступаем скажем на асфальт, он удерживает его из-за своей высокой плотности. Молекулы этой поверхности не отрываются друг от друга, раздвигаясь под стопой. Когда же человек встает на водные лыжи, вода его удержать не может, межмолекулярные связи распадаются, и он проваливается в нее. Но если начать двигаться на них вперед по поверхности воды и набрать достаточную скорость (примерно 25–30 км/ч), то лыжи станут скользить по ее поверхности.

Важно отметить, что никакой подъемной силы при этом не возникает. Оставаться на поверхности позволяет увеличение плотности воды под лыжами, возникающее во время быстрого скольжения. Ее молекулы попросту не успевают расступиться и уплотняются под тяжестью лыжника. В результате под поверхностью лыжи образуется своеобразная «водная подушка». В целом человек может скользить по поверхности воды даже без лыж, буквально на пятках, опираясь на нее меньшей площадью соприкосновения. Однако для этого его скорость должна быть еще выше — где-то 50–70 км/ч.

Возвращаясь к самолетам, можно сказать, что описанная причина лежит и в основе полета. Однако плотность воздуха намного меньше, чем у воды, а потому для достижения эффекта полета самолет должен набрать более высокую скорость. Уже при скорости 200–300 км/ч воздух под крыльями самолета не успевает рассеяться. Вязкость молекул воздуха, а также действие, похожее на удар большого и быстрого давления на него всего веса самолета, не позволяют ему быстро разойтись. Это приводит к образованию уже «воздушной подушки» — опираясь на которую самолет остается в воздухе. При дальнейшем увеличении скорости самолета воздух под его крыльями уплотняется еще больше, что позволяет удерживать в состоянии полета все более и более тяжелые воздушные суда.

Итак, объяснение другое, но принцип ровно тот же, что первым в мире понял и сформулировал наш соотечественник, обладатель уникального интеллекта Николай Жуковский. На основе его работ была построена вся мировая авиаконструкторская деятельность и, как следствие, глобальная авиационная промышленность и авиатранспортное обеспечение всей планеты.

Стоит только задуматься о том, что наш ученый мог, например, никогда не заинтересоваться полетами, оставив свои интересы в сфере гидродинамики и водоснабжения, с которой он и начинал свою деятельность. Расстояния, которые мы можем преодолеть на самолете за несколько часов, по самым оптимистичным подсчетам покрывались бы за дни и дни пути, а основные магистрали между континентами до сих пор пролегали бы по глади морей и океанов. Благодаря разработкам Жуковского человечество совершило первые осознанные полеты в земной атмосфере, а затем покорило гравитацию окончательно, покинув ее.

Поскольку принципы аэродинамики самолетов лежат и во основе проектирования космических ракет и шаттлов, можно без тени сомнения утверждать, что Николай Жуковский стал дедушкой аэрокосмической отрасли нашей страны, в которой русские люди совершили больше открытий и рекордов, чем все остальные суммарно. Он был человеком, воплотившим мечту о полете и научившим летать человечество.