Крылья Родины

Движение воздушных струй, встречающих на своем пути пластинку, стоящую под некоторым углом к потоку.

Обыкновенный детский бумажный змей и есть такая пластинка, которую хвост и бечева держат под некоторым углом к набегающему воздушному потоку. Змей поднимается при этом независимо от того, тянет ли его в воздухе за бечеву рука ребенка или, наоборот, на змей набегает ветер, а ребенок стоит неподвижно.

Известный тысячи лет и все-таки загадочный полет змея основывается, таким образом, на свойстве воздушного потока создавать подъемную силу при набегании его на плоскую пластину, поставленную наклонно к потоку. Угол, под которым наклонена пластина по отношению к набегающему на нее потоку, называют «углом атаки».

Вот, примерно, тот круг основных аэрогидродинамических знаний и представлений, какой имелся в мировой науке к началу нынешнего века, ознаменовавшемуся повсеместным строительством самолетов.

Первые самолеты, напоминавшие коробчатый змей, представляли собой слегка вогнутые поверхности, скрепленные стойками, между которыми помещались летчик и мотор с винтом, толкавшим самолет.

Эти самолеты летали с небольшой скоростью, невысоко, держались в воздухе недолго и едва-едва поднимали одного летчика с пассажиром.

В это время Николай Егорович Жуковский и сделал одно из замечательных в мировой науке открытий. Он показал, что механизм образования подъемной силы у хорошо обтекаемого крыла иной, чем при срыве потока. Наличие подъемной силы обусловлено тут не существованием аэродинамической тени за пластинкой, а разностью скоростей под крылом и над крылом, или, как говорят, «циркуляцией потока» вокруг крыла.

Это открытие, поставившее Жуковского на одно из первых мест в мировой науке, и до сих пор остается предметом величайшего внимания аэродинамиков во всем мире.

Творческая история Н. Е. Жуковского

Жуковский родился 17 января 1847 года. Он был сыном инженера, одного из строителей Нижегородской шоссейной дороги, впоследствии скромно занимавшегося сельским хозяйством в своем имении, в деревне Орехово, Владимирской губернии. Мальчик рос в доме исконно дворянском, но совсем не богатом.

Случилось так, что учителем старшего брата оказался не только хорошо воспитанный, но и прекрасно образованный человек, к тому же пылкий фантазер, студент А. X. Репман. Он нашел прилежного слушателя в младшем члене большого семейства и легко привил ему любовь к чтению фантастических романов и повестей о путешествиях и необычайных приключениях на земле, под водой и за облаками.

И вот этот мир приключений, населенный пиратами и разбойниками, мир, где снимали скальпы с живых людей проворнее, чем почтенная хозяйка дома приподнимала крышку с суповой миски, — этот мир заворожил мальчика и пробудил его ум к действию и размышлению.

Говорят, что в 4-й московской гимназии, куда отвезли юного Жуковского, он был первые три года посредственным учеником. Арифметика не давалась мальчику не то из-за рассеянности, не то из-за ничего не говорящих, голых цифр, за которыми не было никакого конкретного содержания.

Скорее всего, однако, по самому складу своего ума Жуковский мог воспринимать мир и понимать отношения в нем, когда они становятся предельно ясными, геометрически обнаженными.

Жуковский не любил цифр и расчетов в их отвлеченном виде, но у учителя, преподававшего геометрию, он оказался лучшим учеником.

Окончив курс гимназии, Жуковский поступил на математический факультет Московского университета, хотя предпочитал бы один из тогдашних политехникумов. Но в университете читали лекции Давыдов, Слудский, Цингер — известные ученые, и юноша нашел здесь свое место.

Уже с первого курса Жуковский стал принимать участие в занятиях математического кружка. Из него потом выросло знаменитое Московское математическое общество.

Жуковский в те годы был типичным русским студентом. Он жил в комнатке, названной товарищами «шкафчиком», и когда причесывался, гребенкой задевал потолок. Он бегал по городу, давая уроки, и издавал литографским способом лекции, им самим аккуратно записанные и имевшие в его редакции большой успех. Уже в этой работе сказывалось характеризующее Жуковского стремление к ясности, к геометрической определенности.

Геометрическую наглядность он вносил во все, чего касался, и отсутствие ее причиняло ему почти физическое страдание.

В 1868 году университетский курс был закончен. Жуковского все еще тянуло в политехникум. Он тяготел к практической деятельности, мечтал сделаться инженером и отправился в Петербург, где поступил в Институт путей сообщения. Но тут профессора занимались не разработкой руководящих научных идей, а простым изложением фактического материала, потребного для повседневной практики. Студентов учили считать и чертить, к чему у Жуковского никогда не лежала душа. Через год он провалился на экзамене по геодезии и понял, что инженера-практика из него не выйдет. Он оставил институт и уехал из Петербурга.

Из-за болезненного состояния он должен был провести целый год в Орехове, а осенью 1870 года вернулся в Москву и стал преподавать физику в женской гимназии. Вскоре ему поручили преподавание математики в Московском высшем техническом училище (МВТУ), которое он не покидал уже до конца жизни.

Оторванному от университета молодому ученому нелегко далась его первая научная работа «Кинематика жидкого тела», которую он представил на соискание ученой степени магистра. Но защитил он ее с блеском.

Это был первый вклад Жуковского в гидродинамику.

Любопытно отметить, что за разработку этой темы Николай Егорович взялся исключительно потому, что до него в этой сложной области не было той ясности и наглядности, к которым он всегда стремился.

Кинематикой жидкого тела он начал заниматься в Орехове — главным образом, чтобы самому себе составить ясное представление об этом деле.

Совет Московского высшего технического училища командировал молодого ученого за границу. Из этого путешествия Жуковский вернулся в Москву с твердо установившимися взглядами и на науку и на самого себя.

По возвращении из-за границы Жуковский был избран профессором по кафедре механики.

Сочинение «О прочности движения» принесло ему ученую степень доктора прикладной механики.

В 1888 году Жуковский занимает кафедру прикладной механики в Московском университете. Он становится деятельнейшим членом всех научных обществ, устраивается на постоянное жительство в Москве с матерью, братьями и сестрами.

Отныне история его жизни становится историей научных работ, историей докладов и сочинений, историей решения сложных задач, выдвигаемых запросами практики, историей теоретических построений, историей лабораторных экспериментов, историей русской аэродинамической школы.

Подобно многим другим великим работникам науки, Николай Егорович как-то очень мало интересовался всем тем, что с наукой не соприкасалось. К тому же он жил в большой, дружной семье, которая избавляла его от всяких житейских дел и забот, предоставляя ему полную возможность заниматься своим прямым делом.

Если гениальный Ломоносов, далеко обогнавший свое время, был не понят современниками и умер, не оставив после себя прямых учеников, то о Жуковском можно сказать, что он родился как раз во-время, для того чтобы первым в мире провозгласить «теоретические основы воздухоплавания», стать во главе созданной им школы русских аэродинамиков, воспитать первых русских авиационных инженеров, конструкторов и летчиков, стать в полном смысле слова «отцом русской авиации».

Замечательно и чрезвычайно характерно при этом, что Жуковский не конструировал и не строил самолетов и никогда не летал, даже в качестве пассажира.

Только раз в жизни, в Париже на Всемирной выставке в 1900 году, во время происходившего там Первого всемирного конгресса воздухоплавания, Николай Егорович поднялся в воздух на привязном аэростате. Однако едва лишь аэростат очутился над землей, Николай Егорович почувствовал себя так плохо, что должен был опуститься на дно корзины и, разумеется, не мог произвести никаких наблюдений.

Этот эпизод остается мало известным. Николай Егорович принял все меры к тому, чтобы скрыть его от родных, так как боялся огорчить свою мать, в глазах которой все грозило ее сыну смертельной опасностью.

Теоретические основы авиации

Жуковский и в раннюю пору своей научной работы не сомневался в возможности осуществления тысячелетней мечты своего народа и всего человечества.

«Птицы летают, почему же человек не может летать?» — говорил он.

Когда ему указывали на бесплодность многих попыток летания на всякого рода аппаратах, вроде крыльев из птичьих перьев, он отвечал, улыбаясь:

«Человек полетит, опираясь не на силу своих мускулов, а на силу своего разума!»

Опираясь на силу своего собственного огромного ума, Жуковский раскрыл миру тайны летающего тела и сделал ясным все, что происходит в воздухе вокруг него.

Правда, Жуковский начал свою ученую деятельность как гидродинамик, он много занимался вопросами чистой математики, вопросами теоретической и прикладной механики, отзываясь на запросы живой практики. Но время от времени он выступал с докладами по авиации и воздухоплаванию. После доклада «К теории летания», состоявшегося в 1890 году, и знаменитой работы «О парении птиц», вышедшей в 1891 году, появляется его статья «О наивыгоднейшем наклоне аэропланов».

В первой из этих работ Жуковский решает вопрос о происхождении силы тяги у тела, которое как бы внутренними силами перемещается в воздухе. Не решая окончательно вопроса о том, трению или срыву струй обязана своим образованием сила тяги, Жуковский склоняется к мнению, что силы тяги возникают вследствие трения.

В статье «О парении птиц» Жуковский дал полное решение задач о скольжении птицы в покойном воздухе и показал, каким образом найденное движение видоизменяется в воздухе, текущем горизонтальными слоями разной скорости, дующем порывами или имеющем легкое восходящее движение. Он установил характерные особенности поведения парящей птицы при всех этих условиях. Здесь же Жуковский обосновывает возможность выполнения «мертвой петли».

Чертеж Н. Е. Жуковского из его статьи «О парении птиц», доказывающей возможность «мертвой петли».

Русский летчик Петр Николаевич Нестеров первый в мире, после долгой и упорной работы, сделал в воздухе эту «мертвую петлю».

Так Жуковским был начат цикл интереснейших работ, из которых ныне создалась важнейшая научная дисциплина «Динамика полета», рассматривающая условия полета, взлета и посадки, различные режимы полета, фигуры и т. д.

Итак, еще задолго до того, как был осуществлен первый динамический полет на самолете, Жуковский уже совершенно отчетливо представлял себе общую картину полета.

Очень интересен для характеристики тонкого понимания всех условий полета, каким обладал Жуковский, и такой факт, рассказанный нам старейшим русским летчиком и учеником Николая Егоровича, заслуженным пилотом Б. И. Россинским.

Листок из записной книжки летчика П. Н. Нестерова со схемой «мертвой петли», совершенной им первым в мире 27 августа (9 сентября) 1913 года.

В том же Денисовском переулке, где Россинский жил и гонял с товарищами голубей, квартировал в то время Жуковский. Гуляя по улице со своей охотничьей собакой, Николай Егорович неизменно останавливался посмотреть на летающих голубей. Ребята завели знакомство с взрослым бородатым человеком, оказавшимся таким же голубятником, как они сами, и он охотно объяснял им, как птицы летают и почему они изгибают края хвоста при повороте.

Случилось, что у одного из голубей ястреб вырвал клок перьев из хвоста. Для того чтобы хвост рос ровно, ребята выщипали у него и остальные перья. К их удивлению, голубь продолжал летать в стае. Естественно, что они обратились за разъяснениями к своему наставнику:

— Вот голубь-то без хвоста, а кружит со всеми, как хвостатый. Почему это?

Жуковский с величайшим любопытством устремил взоры на голубей и тотчас же отличил бесхвостого от остальных. Он не делал плавных кругов, как другие, а, пользуясь крыльями, поворачивался круто, почти под прямым углом. Профессор объяснил ребятам, что перекашиванием концов крыла птица осуществляет крен и поворот при полете. Таким образом, в Денисовском переулке ранней весной 1894 года был решен пионерами воздухоплавания вопрос о повороте аэроплана перекашиванием концов крыла.

К этим воспоминаниям своего раннего детства Б. И. Россинский присоединяет очень интересную догадку о том, что и мысль о возможности «мертвой петли» возникла у Н. Е. Жуковского при наблюдении за полетом знаменитых турманов, составляющих гордость всех голубятников.

Турманы принадлежат к самой замечательной породе домашних голубей, происходящих из Индии, где они культивировались в течение тысячелетий. Как показывает самое их название, турманы отличаются от всех других голубей своеобразным кувырканием на высоком и красивом лёте, и предположение старейшего русского летчика о том, что именно восхитительное кувыркание турманов побудило Жуковского к теоретическому обоснованию «мертвой петли», весьма правдоподобно.

Путь, приводящий к открытию, к установлению закона, не всегда виден в творении ученого. Чаще всего он излагает лишь конечные результаты своей мысли и опыта, ограничиваясь строгим изложением доказательств, удаляя все подмостки, служившие ему для постройки здания, не давая возможности заглянуть в свою творческую лабораторию.

Однако мы знаем, что «почти все великие открытия и изобретения найдены при помощи случая», как говорили раньше, или «при непосредственном участии природы», как следовало бы говорить теперь.

В «Философских тетрадях» В. И. Ленина, представляющих собой гениальный вклад в сокровищницу марксистско-ленинской теории, имеется ряд замечаний, касающихся отношения между природой, наукой и техникой.

Напомним некоторые из них:

«Человек в своей практической деятельности имеет перед собой объективный мир, зависит от него, им определяет свою деятельность».

«Цели человека сначала кажутся чуждыми („иными“) по отношению к природе. Сознание человека, наука („понятие“), отражает сущность, субстанцию природы, но в то же время это сознание есть внешнее по отношению к природе (не сразу не просто совпадающее с ней).

Техника механическая и химическая потому и служит целям человека, что ее характер (суть) состоит в определении ее внешними условиями (законами природы)».

«Жизнь рождает мозг. В мозгу человека отражается природа. Проверяя и применяя в практике своей и в технике правильность этих отражений, человек приходит к объективной истине».

Как человек проверяет и применяет в практике своей и в технике правильность отраженной в мозгу природы? Дерево, упавшее с одного берега ручья на другой, по которому перебираются через ручей животные и человек, запечатлевается в мозгу. Когда же, при нужде, человек сам нарочно валит дерево с берега на берег, чтобы перейти реку, он только применяет в практике своей отраженную в мозгу природу и, проверив правильность этого отражения, приходит к объективно истинной конструкции простейшего, балочного моста.

Легко себе представить, какое бесконечное множество всевозможных отражений запечатлевается в мозгу человека каждый день, каждый час, каждую минуту, и этих отражений тем больше, чем обширнее опыт человека, чем разнообразнее общеприродная среда, его окружающая.

Особое, всем известное свойство запечатленных в мозгу отражений заключается в том, что мы можем произвольно комбинировать их. Природа не может создать крылатого коня — Пегаса, женщину с туловищем рыбы — русалку, а человек, комбинируя имеющиеся в мозгу отражения, создает в своем представлении и Пегаса, и русалку, и романы, и сказки, и мосты, и самолеты, и машины, и механизмы: объективным миром определяет человек свою деятельность, зависит от него, имеет его перед собой в практической деятельности.

Наилучшим примером того, как, проверяя и применяя в практике своей и в технике правильность отражений природы, человек приходит к своей цели, служит, и не только на ранней поре своего развития, история авиации.

Ведь творчество не есть созидание чего-то совершенно нового, не бывшего, не существующего: оно есть только комбинирование уже имеющихся в сознании элементов. Пегас — крылатый конь, русалка — женщина с рыбьим хвостом и тому подобные образцы человеческой фантазии являются свидетельством полной неспособности человека в творческом деле выйти за пределы простого комбинирования имеющихся в его сознании отражений общеприродной среды.

Вот почему чем обильнее, чем разнообразнее запас элементов в творческом сознании, тем шире и острее творческие возможности человека.

Жуковскому, закладывавшему теоретические основы таких совершенно новых наук, как аэромеханика или динамика полета, естественно, приходилось исходить прежде всего из опыта живой природы, которая и была его постоянным учителем. К тому времени, когда живая жизнь предъявила к теоретической авиации свои требования, когда первые полеты состоялись, Жуковский, внимательно следивший за всеми новостями в этом деле, оказался во всеоружии тех знаний, которые нужны были для создания теоретических основ авиации и прежде всего для ответа на вопрос: откуда берется подъемная сила у крыла и каким теоретическим способом можно ее выразить?

Насколько Жуковский был подготовлен к ответу на этот основной вопрос, видно из того, что уже в 1906 году, в замечательнейшей своей работе «О присоединенных вихрях», он дает правильный ответ на вопрос, позволивший затем производить расчет сил, действующих на крыло.

Исследованный Жуковским тип течения воздушной циркуляции можно наблюдать при падении легких продолговатых пластинок в воздухе. Это падение сопровождается интереснейшим явлением, которое хотя и было ранее известно, но не находило себе никакого объяснения.

Если вырезать из картона узкий и длинный прямоугольник и, расположив его горизонтально, сообщить ему легкое вращение около продольной оси, то падение прямоугольника будет медленно совершаться по наклонной поверхности к горизонту, причем вращение около продольной оси будет все время сохраняться.

Первоначально сообщенное пластинке очень легкое вращение образует присоединенный к пластинке вихрь, от действия которого при падении пластинки и развивается сила, направляющая пластинку и поддерживающая ее вращение.

Созданная на основе открытия Жуковского теория крыла получила название циркуляционной теории. Сущность ее заключается в использовании аналогии крыла с вращающимся цилиндром, то-есть набегающий на крыло воздушный поток уподобляется потоку, обтекающему цилиндр.

Ученик и ближайший сотрудник Жуковского, академик Л. С. Лейбензон вспоминает, что впервые мысль о роли циркуляционных потоков при возникновении силы давления воздуха на находящиеся в нем 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, убедившись в правильности своего предположения, Жуковский и установил тот закон, который получил во всем мире его имя.

Закон этот гласит:

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

Сам Николай Егорович, открыв, что наличие циркуляции вызывает подъемную силу, не говорил еще ничего о том, что его теорема «О присоединенных вихрях» имеет отношение к теории крыла. Он указал только на то, что его теорема применима к движению тел в воздухе с вращением которое, по его мнению, было причиной циркуляции. Он и применил свою теорему для объяснения, почему вращающиеся узкие и длинные пластинки при падении отклоняются от вертикали.

Применить теорему Жуковского для крыла удалось гораздо позднее, так как трудно было объяснить, как возникает циркуляция на крыле, и еще труднее было найти способ определения ее величины.

В окончательном выяснении всего вопроса о подъемной силе сыграли большую роль исследования Сергея Алексеевича Чаплыгина. Благодаря этим исследованиям был найден ответ на оба вопроса, и теорема Жуковского получила огромное, решающее значение для авиации.

Стоит рассказать подробнее, как это произошло.

В феврале 1910 года Жуковский делал доклад «О причинах образования подъемной силы крыла самолета» в Московском математическом обществе. На этом докладе присутствовал и Чаплыгин.

Жуковский объяснил, как возникает подъемная сила крыла, и вывел свою формулу, позволяющую рассчитывать силы, действующие на крыло. Но в эту формулу входила «циркуляция скорости» — величина, определить которую, по мнению докладчика, можно было только путем сложных и громоздких экспериментов.

Слушая своего учителя с полузакрытыми, по обыкновению, глазами, Чаплыгин неожиданно пришел к мысли, что эту величину можно вычислить и без экспериментов, не вставая из-за стола, чисто аналитическим путем. Жуковский заинтересовался предложением. Чаплыгин изложил ему ход своей мысли.

Рассуждения его сводились к следующему.

При изучении потока, обтекающего крыло при его движении, было замечено, что скорости частиц воздуха на верхней поверхности крыла больше, а на нижней поверхности крыла соответственно меньше скорости движения самого крыла в потоке. Это является причиной того, что давление воздуха на нижнюю поверхность крыла больше, чем соответственное давление по его верхней поверхности.

Сопротивление при симметрическом обтекании.