4. 9. 064 Аэродинамика и теория авиации Жуковского

4.9 Авиация

4.9.064 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 службы с сохранением жалования. Затем разрешение продлевали еще несколько раз.

«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 избегания ударной волны и предохранения водопровода 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 дать 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 т.ч. 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 эту проблему. Жуковский решил прежде установить физическую картину появления подъемной силы, а затем уже рассчитать 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).