Работы Н.Е. Жуковского по технической аэродинамике

Научная деятельность Н. Е. Жуковского неотделима от развития русской техники. Авиационную технику в нашей стране в значительной степени создавали ученики и последователи Жуковского. С отеческим вниманием и заботой относился Николай Егорович к творческой инициативе студентов, изобретателей, русской интеллигенции, стремившихся помочь развитию авиационной техники в России. Жуковский тщательно изучал все попытки строить летательные аппараты, выявляя закономерности новых явлений механического движения, создавая теоретические основы авиации, ускоряя развитие нового направления технического прогресса.

Когда на Ходынском аэродроме в 1912 году была открыта школа авиации для обучения военных летчиков, Н. Е. Жуковского пригласили туда основным лектором по динамике аэропланов. Для уяснения офицерами-летчиками законов аэродинамики Жуковский организует дополнительные циклы лекций с показом лабораторных работ в Московском университете и Техническом училище.

По инициативе Жуковского для консолидации сил в области авиации и воздухоплавания Московское общество воздухоплавания устраивает Всероссийские воздухоплавательные съезды. Первый съезд был организован в 1911 году в Петербурге, второй— в 1912 году в Москве и третий — в 1914 году снова в Петербурге. На втором съезде под непосредственным руководством и наблюдением Н. Е. Жуковского в здании манежа организуется большая воздухоплавательная выставка. Жуковский председательствует на всех съездах, он признанный руководитель русской аэродинамической школы; главные доклады на съездах читает сам Николай Егорович и его ученики.

В результате занятий Жуковского прикладными вопросами авиации появились его выдающиеся работы по технической аэродинамике. Жуковский вводит в научно-техническую литературу новую дисциплину — аэродинамический расчет аэропланов. Содержание этой научно-технической дисциплины, связывающей теоретическую и экспериментальную аэродинамику с запросами авиационных конструкторов, можно пояснить следующим образом.

Представим себе конструкцию некоторого самолета. При полете самолета в воздухе на него будут действовать сила тяжести, сила тяги винта (или реактивной тяги, если самолет имеет реактивный двигатель), сила лобового сопротивления и подъемная сила. Все эти силы зависят от конструктивных данных самолета. Если эти основные силы изменяются, то изменяются и летные свойства (летные характеристики) самолета. Определение летных характеристик самолета с учетом его конструктивных данных и составляет задачу аэродинамического расчета. При создании нового самолета в первую очередь интересуются, какие скорости будет он иметь при горизонтальном полете на различных высотах, как быстро набирает он высоту, т. е. какова скороподъемность данного самолета, сколько потребуется времени для того, чтобы самолет набрал заданную высоту, и какова максимальная высота подъема. В задачу аэродинамического расчета самолета входит определение дальности полета при заданном запасе горючего, а также продолжительности полета; существенное значение имеют вопросы, относящиеся к движению самолета при выключенном моторе, — так называемые характеристики планирования.

Для характеристики поведения самолета по отношению к траектории центра тяжести приходится изучать его устойчивость, управляемость и маневренность.

Следует отметить, что в настоящее время аэродинамический расчет становится важнейшим методом, при помощи которого конструктор стремится предугадать новые конструктивные формы проектируемого самолета, которые наилучшим способом будут удовлетворять поставленной задаче.

На примере аэродинамического расчета самолета можно реально видеть, что дают механика и аэродинамика для творческой интуиции авиационного инженера. Без науки и научного анализа, приводящего к вполне определенным характеристическим величинам для изучаемого явления, всякая интуитивная догадка повисает в воздухе или требует трудоемкой проверки натурным экспериментом. Когда-то Пушкин абсолютно верно сказал в «Борисе Годунове»:

Учись, мой сын: наука сокращает нам

опыты быстротекущей жизни

В новых областях техники (такой и была авиация в конце XIX и начале XX столетия), когда еще не были созданы научные основы технического проектирования, всякий новый образец разрабатывался ощупью, путем длительных натурных испытаний. Каждый выдвигаемый конструктором вариант проходил натурные экспериментальные испытания, во время которых вносилось много исправлений, нередко столь кардинальных, что от первоначально задуманного оставалась лишь память в виде чертежей или деталей конструкции. Такое проектирование очень дорого, чрезвычайно медлительно, и у создающего проект никогда нет уверенности, что полученная конструкция является оптимальной (наивыгоднейшей).

Научные основы проектирования представляют конденсацию, обобщение большого опыта развивающегося человеческого общества. Если такие основы созданы, то дело проектирования новых образцов становится более уверенным, более надежным, более быстрым и более дешевым. Отсюда и вытекает величайшее общественное значение науки. В развитии техники всегда будет идти впереди та страна, которая имеет научные кадры, способные к широким обобщениям технического опыта. Мы называем теперь такие внутренние возможности страны ее научным потенциалом.

Изучение истории науки нашей Родины, изучение работ великого русского ученого-механика Николая Егоровича Жуковского наглядно показывает, что русский народ, будучи одной из наиболее одаренных наций мира, создавал научные основы ряда важнейших областей техники значительно раньше других народов. Даже в таких труднейших условиях научного творчества, как в царской России, идейно-теоретическое богатство русской науки во многих случаях превосходило богатства зарубежных стран. Так, например:
Жуковский создал научные основы авиационной техники;
Мещерский и Циолковский создали научные основы ракетной техники;
Майевский создал научные основы артиллерийской техники, разработав теорию полета продолговатого вращающегося снаряда;
Чаплыгин заложил теоретические основы аэромеханики больших скоростей;
Крылов — один из создателей современной теории корабля. И это только в областях, близких к механике.

Число великих мужей русской науки в других областях человеческого знания также значительно.

Колоссальный рост научных кадров в нашей стране после Великой Октябрьской социалистической революции существенно повысил научный потенциал нашей страны. Мы стали работать над новыми вопросами организованнее, быстрее и значительно умнее, чем работали наши предшественники в эпоху капиталистического периода развития России. Новый общественный строй неизмеримо поднял качество научного мышления.

Важная роль в развитии авиационной техники в нашей стране принадлежит Жуковскому и его ученикам. Создав теоретическую и экспериментальную аэродинамику, Н. Е. Жуковский заложил надежные основы аэродинамического расчета самолета, указав методы определения летных качеств самолета. В своих лекциях для офицеров-летчиков Николай Егорович устанавливает исходные положения аэродинамического расчета. Он пишет:
«В основу аэродинамического расчета кладутся данные испытаний отдельных частей аэроплана в аэродинамических трубах... Располагая всеми необходимыми опытными данными, приступают непосредственно к расчету, который состоит из следующих частей:
1) определение угла заклинения пропеллера;
2) построение полярной кривой (поляры) Лилиенталя;
3) построение сетки необходимой тяги винта при различных режимах полета;
4) построение сетки полезных мощностей, необходимых для различных режимов;
5) построение сетки мощностей, исправленных на коэффициент полезного действия винта;
6) построение баланса мощностей в зависимости от режима полета при полной мощности мотора;
7) определение высоты потолка аэроплана;
8) построение барограммы подъема аппарата».

Следует отметить, что до наших дней в содержание аэродинамического расчета самолета входят все пункты, впервые указанные Жуковским.

Исследуя вопросы аэродинамического расчета самолетов, Н. Е. Жуковский дал методы первостепенной важности, прочно вошедшие в практику современных конструкторских бюро. Особо нужно отметить методы Жуковского для построения кривых потребных тяг и мощностей. Совершенно неправильно в нашей научно-технической литературе кривые потребных тяг Жуковского иногда называются кривыми Пэно. Даже во Франции (родина Пэно) кривые потребных тяг не носят имени Пэно.

Для построения сетки кривых потребных тяг Жуковский исходит из совершенно ясной идеи геометрической статики. В самом деле, если мы сложим подъемную силу и силу лобового сопротивления и обозначим результирующую силу буквой R, то для случая установившегося движения самолета сила тяги винта Ф и вес самолета G должны уравновешивать силу R, т. е., иначе говоря, три силы R, Ф и G образуют замкнутый силовой треугольник. Жуковский в своей работе пишет: «Основная идея, лежащая в построении этой сетки (сетки кривых потребных тяг), состоит в сложении тяги винта с силой сопротивления воздуха и в поворачивании кривой Лилиенталя так, чтобы равнодействующая этих двух сил пошла по вертикальному направлению, причем скорость поступательного движения направится к горизонту под углом поворота».

 Кривая потребных тяг для горизонтального полета, построенная по методу Н. Е. Жуковского

Кривая потребных тяг для горизонтального полета, построенная по методу Н. Е. Жуковского

Рассмотрим построение кривой потребных тяг для простейшего случая горизонтального полета. При горизонтальном полете с постоянной скоростью в любой момент движения тяга винта будет равняться лобовому сопротивлению, а вес самолета— подъемной силе. Если записать математически эти условия, то легко получить, что тяга винта будет равняться весу самолета, разделенному на качество самолета. Качество самолета определяется как отношение подъемной силы к силе сопротивления. При изменении угла атаки самолета качество изменяется, а следовательно, при заданном весе изменяется и тяга, потребная для поддержания горизонтального полета. Зная вес самолета и зависимость подъемной силы от скорости, можно найти, какую потребную скорость должен иметь самолет при горизонтальном полете при данном угле атаки. Зависимость потребной тяги, необходимой для поддержания горизонтального полета самолета, от потребной скорости дает некоторую кривую, которую Жуковский назвал кривой потребных тяг. На рисунке вверху представлена кривая потребных тяг для горизонтального полета.

Аналогичные кривые, но расположенные несколько выше изображенной на рисунке, будут давать зависимость потребных тяг от потребных скоростей в случае набора высоты.

Сетка кривых потребных мощностей строится Жуковским по сетке потребных тяг, так как по определению мощности

2015-06-07 15-14-06 Скриншот экранаВ формуле N—потребная мощность в л. с., Ф — тяга в кГ и U — скорость полета самолета в м/сек.

Построив сетку кривых потребных мощностей, можно усмотреть характерные режимы полета самолета. Так, полет при минимальной мощности называют обычно экономическим режимом полета. Легко понять, что при минимальной потребной мощности самолет продержится в воздухе при заданном запасе топлива наибольшее время. В самом деле, запас имеющегося в баках горючего эквивалентен некоторой полезной работе. Эта работа будет равна произведению мощности на время полета, и, следовательно, когда один из множителей наименьший, второй (время) будет наибольшим. На сетке потребных тяг следует отметить режим, соответствующий полету при минимальной тяге. Этот режим полета самолета называют наивыгоднейшим. Если выдерживать скорость полета, соответствующую минимальной потребной тяге, тогда самолет пролетит максимальное расстояние. В самом деле, полезную работу, величина которой определена запасом горючего, можно записать в виде произведения потребной тяги на пройденный путь. Если тяга минимальна, то путь будет наибольшим. Скорость полета самолета, при которой потребная мощность равна мощности, даваемой винтомоторной группой, называется максимальной скоростью. Вообще говоря, самолет может развивать и большие скорости, но только при потере высоты. Максимальные скорости горизонтального полета всегда определяют из условия равенства потребной и располагаемой мощностей.

В задачу аэродинамического расчета Жуковский ввел не только изучение поступательных движений самолета, но и изучение движения самолета около его центра тяжести. Большой круг решенных задач, связанных с изучением движения самолета около центра тяжести, позволил разъяснить продольную и поперечную устойчивость самолета, его маневренность и управляемость. Весьма простой анализ этих важнейших динамических свойств самолета был дан Жуковским.

В своих лекциях Николай Егорович исследовал фигурные полеты самолета: скольжение на крыло, виражи и «мертвые петли». Для характеристики стиля изложения Жуковского мы приведем здесь его постановку задачи об устойчивости аэроплана. Он пишет: «Когда от случайных причин аэроплан выведен из своего нормального горизонтального полета, тогда он совершает колебания около центра своей тяжести под эффектом пар, моменты которых, как было указано в конце первой лекции, зависят от угла отклонения аэроплана от положения его нормального полета, или от угловой скорости аэроплана.

Пары первого рода называются восстанавливающими, если они стремятся вернуть аэроплан к своему первоначальному положению, и отклоняющими, когда они отклоняют его от положения нормального полета. Пары второго рода всегда препятствуют движению аэроплана; мы будем называть их затушающими парами. При хорошем устройстве аэроплана можно достигнуть того, что он, выведенный из положения равновесия, устремляется к положению своего нормального полета, даже не совершая колебаний. Разумеется, для этого прежде всего необходимо, чтобы пары, зависящие от угла поворота, были восстанавливающие пары. С другой стороны, момент затушающей пары должен быть настолько велик, чтобы не развивалось периодических колебаний аэроплана. Различают два рода устойчивости аэроплана: продольную и поперечную. В первом случае рассматривается вращение аэроплана около оси, проходящей через центр его тяжести перпендикулярно к вертикальной плоскости симметрии аэроплана, причем вместе с этим вращением совершается перемещение центра тяжести аэроплана в упомянутой плоскости симметрии. Во втором случае речь идет о вращении аэроплана около горизонтальной оси, проходящей через его центр тяжести и направленной по его полету, и около вертикальной оси, проходящей через центр тяжести, причем центр тяжести одновременно с этим смещается в горизонтальной плоскости».

В годы первой мировой войны Н. Е. Жуковский со своими сотрудниками по Высшему техническому училищу впервые в России начал аэродинамические исследования авиационных бомб. В статье «Бомбометание с аэропланов» Николай Егорович дает описание установки аэродинамической лаборатории Технического училища для определения коэффициентов сопротивления корпусов бомб, указывает метод определения траекторий и приводит описание первых бомбардировочных прицелов конструкции Толмачева и Стечкина. Этой работой можно датировать начало теории бомбометания с аэропланов. В этой статье поражает кристальная ясность мысли, целеустремленность в постановке и решении задачи.

«Для бомб, — пишет Жуковский, — существует скорость падения, больше которой они не могут получить, какова бы ни была высота сбрасывания. Эта скорость называется предельной скоростью; она зависит от нагрузки, приходящейся на единицу площади миделевого сечения, и от коэффициента сопротивления формы падающего тела».

При скоростях полета аэропланов времен первой мировой войны Жуковский правильно утверждает, что «траектория бомб имеет сначала вид параболы», «при очень большой высоте бросания вследствие влияния сопротивления воздуха эта траектория постепенно переходит в вертикальную прямую»; «бомба в вертикальном направлении будет двигаться так, как будто бы она ниспадала по вертикальной линии». При высотах бомбометания до двух километров (а именно такие высоты и были тогда интересны) оказалось возможным пренебречь изменением плотности воздуха с высотой, причем ошибка в вычислении скоростей бомбы не превосходила 4 м/сек.

«От бомбы требуется, — писал Жуковский, — чтобы она, подлетая к земле, имела возможно большую скорость и подлетала к земле, расположившись своей осью по вертикальной линии; при этом, для того чтобы ветер меньше влиял на верность попадания, желательно иметь как можно большую предельную скорость бомбы».

В этой статье Жуковский получил весьма простые формулы для учета влияния на прицельный прибор передвижения поражаемого предмета и скорости ветра.

Работы по технической аэродинамике требовали большого количества вычислений и трудоемких экспериментов. С 1 июля 1916 года Н. Е. Жуковский совместно со своим учеником В. П. Ветчинкиным организуют при аэродинамической лаборатории Технического училища «Расчетно-испытательное бюро». Однако в условиях царской России широко развернуть работу бюро не удалось. В своих воспоминаниях профессор Ветчинкин с горечью пишет: «В 1916 году Бюро подало в Управление воздушного флота записку с ходатайством об отпуске средств для организации конструкторского бюро и опытного завода, но в этом было отказано. Мы учились, как надо строить самолеты, но строить их не могли, хотя и проделали огромную по объему и размаху работу».

Только после Великой Октябрьской социалистической революции Н. Е. Жуковский получил широкие возможности для развертывания работ по технической аэродинамике. В сентябре 1919 года был организован Авиационный техникум с трехгодичным сроком обучения, а затем в 1920 году техникум был реорганизован в Институт инженеров Красного Воздушного Флота имени Н. Е. Жуковского. Первым выборным ректором этого института был Н. Е. Жуковский. В 1922 году институт был преобразован в Академию Воздушного Флота имени Н. Е. Жуковского.

В Московском высшем техническом училище была организована специализация по самолетостроению. Первыми выпускниками МВТУ были Б. С. Стечкин (1918), А. Н. Туполев (1918), а затем В. П. Ветчинкин, А. А. Архангельский, А. И. Путилов и многие другие авиационные инженеры, хорошо известные в нашей авиационной промышленности.

После организации ЦАГИ коллектив учеников Жуковского получил возможность развернуть работы по практическому строительству самолетов оригинальных конструкций. Эти работы возглавил А. Н. Туполев.

Так настойчивая систематическая работа Н. Е. Жуковского по технической аэродинамике заложила прочные научные основы советской авиационной техники.