Механика от античности до наших дней - Ашот Григорьян

Жуковский изучает также вопрос о тяге винта. Он рассматривает вопрос о возможности создания летательных аппаратов тяжелее воздуха с машущими крыльями, о целесообразности применения многовинтовых геликоптеров, о прочности гребных винтов («К теории летания» — 1890, «О крылатых пропеллерах» — 1898, «О полезном грузе, поднимаемом геликоптером» —1904). Он определяет условия наиболее экономичного полета самолета и в 1897 г. дает метод вычисления наивыгоднейшего угла атаки («О наивыгоднейшем угле наклона аэроплана»).

Жуковский придавал большое значение постановке опытов в аэродинамических трубах. В его университетской лаборатории в 1902 г., а затем в 1905—1906 гг. были построены аэродинамические трубы. В 1904 г. по идее Жуковского был основан Аэродинамический институт в Кучино, оборудованный новейшими по тому времени приборами.

Наблюдения над полетом моделей самолетов и змеев, многосторонние экспериментальные исследования аэродинамических сил, действующих на простейшее крыло — пластинку, изучение динамики взаимодействия поступательного и вращательного движений тела и, конечно, глубокие изыскания в области классической гидродинамики позволили Жуковскому в 1905 г. дать исчерпывающее решение задачи о подъемной силе. В замечательной работе «О присоединенных вихрях» (1906) он установил, что подъемная сила возникает в результате обтекания потоком неподвижного присоединенного вихря или системы вихрей, которыми можно заменить тело, находящееся в потоке жидкости. Основываясь на этом, Жуковский доказал знаменитую теорему, позволяющую вычислить величину подъемной силы. По формуле Жуковского, величина подъемной силы равняется произведению плотности воздуха, циркуляции скорости потока вокруг обтекаемого тела и скорости движения тела. Правильность теоремы была подтверждена на основе экспериментов с вращающимися в потоке воздуха продолговатыми пластинками, поставленных по идее Жуковского в 1905—1906 гг. в аэродинамической лаборатории Кучинского института.

Однако применить теорему Жуковского к решению задачи о подъемной силе крыла сразу не удалось, так как еще неизвестно было, как определять величину циркуляции скорости по замкнутому контуру, охватывающему тело, входящую в формулу Жуковского.

В 1910 г. Н.Е. Жуковским и С.А. Чаплыгиным была решена задача о силах, действующих на крыло бесконечного размаха.

Введение Жуковским и Чаплыгиным постулата о сходе с задней кромки струй от верхней и нижней поверхностей крыла, так называемого постулата Жуковского — Чаплыгина, позволило полностью решить задачу о подъемной силе крыла, определить момент этой силы, разработать профиль для крыльев самолетов (профили Жуковского—Чаплыгина). Вместе с тем Жуковский впервые исследовал вопрос о профильном сопротивлении крыла и установил, что существует сопротивление, обусловленное сбеганием вихрей с острой передней кромки крыла.

Этим исследованиям крыла бесконечного размаха посвящен ряд работ Жуковского 1910—1911 гг.: «О контурах поддерживающих поверхностей аэропланов», «Геометрические исследования о течении Кутта», «О поддерживающих планах типа Антуанетт», «Определение давления плоскопараллельного потока жидкости на контур, который в пределе переходит в отрезок прямой».

Исследования Н.Е. Жуковского о подъемной силе составляют основу современной аэродинамики, его теорема о подъемной силе имеет фундаментальное значение для теории крыла.

В связи с развитием работ по аэродинамике по инициативе Жуковского создаются новые лаборатории, расширяются старые. В 1910 г. была основана аэродинамическая лаборатория в Московском техническом училище, где появился, в частности, новый тип труб с плоским потоком, широко применяемый ныне; расширена аэродинамическая лаборатория в Московском университете, в которой была построена новая труба, создан прибор для исследования гребных винтов, а также установка для изучения законов истечения газа. Необходимость изучать течение сжимаемой жидкости была ясна Жуковскому еще в начале его деятельности. Уже в работе «Кинематика жидкого тела» (1876) он разбирал одновременно свойства сжимаемой и несжимаемой жидкости.

В 1908 г. Жуковский обратил внимание на то, что коэффициент сопротивления начинает быстро возрастать при приближении скорости потока к скорости звука. На установке для изучения истечения газа по его идее проводились опыты для определения скорости истечения и силы удара вытекающей струи на маленькие тела.

В области аэродинамики больших скоростей Жуковский написал ряд статей: «Аналогия между движением тяжелой жидкости в узком канале и движением газа в трубе с большой скоростью» (1912); «О движении воды в открытом канале и о движении газов в трубах» (1917); «Движение волны со скоростью, большей скорости звука» (1919) и др. В последней работе Жуковский изложил теорию распространения плоской и сферической волн при больших скоростях и показал возможность применения ее к определению сопротивления снарядов.

В аэродинамических лабораториях Московского университета и Московского технического училища в 1910—1911 гг. были поставлены эксперименты с целью проверки результатов теоретических исследований Жуковского об аэродинамических профилях. С той точностью, какую мог дать в то время эксперимент, теория Жуковского была подтверждена. Вместе с этим опыты с профилями Жуковского позволили установить их ценные аэродинамические свойства, указать направление, в котором должны проводиться изыскания при проектировании различных профилей.

Мысль Жуковского о присоединенных вихрях послужила основой для дальнейшего развития теории крыла и создания вихревой теории винта. Возможность перехода от схемы присоединенного вихря крыла бесконечного размаха к вихревой системе крыла конечного размера и лопасти винта была логически обоснована Жуковским с помощью теоретических исследований Гельмгольца о вихрях, а также на основании экспериментальных данных об образовании вихрей за винтом. Идея замены крыла конечного размаха вихревой схемой лежит в основе исследований С.А. Чаплыгина о подъемной силе и сопротивлении крыла конечного размаха (1913).

Жуковский, предполагая, что лопасть винта эквивалентна П-образному вихрю, создал вихревую теорию винта. Эта теория была опубликована в четырех статьях в 1912, 1913, 1915 и 1918 гг. под одним и тем же названием: «Вихревая теория гребного винта». Теория Жуковского позволяет проектировать и строить воздушные винты всех типов: самолетные винты, вентиляторы аэродинамических труб, несущие винты геликоптеров и т. д. На основе этой теории были построены винты Жуковского — «винты НЕЖ», которые имели значительно лучшие характеристики, чем винты, построенные в то время за границей.

Разработка теории винта является одним из вопросов того широкого круга задач в области аэродинамики и авиации, которым занимался Жуковский. В поле зрения Жуковского были все основные вопросы, выдвигавшиеся быстро развивающейся авиацией, а также вопросы, перспективность развития которых он предвидел.

Придавая большое значение исследованию сопротивления среды, Жуковский уже в 1907—1908 гг. поставил ряд опытов по определению сопротивления шара при малых скоростях и установил, что коэффициент сопротивления шара изменяется в зависимости от величины скорости — результат, позднее полученный А. Эйфелем (1832— 1923), Л. Прандтлем (1875—1953) и др. Причины этого изменения Жуковский на основе анализа спектров обтекания шара объяснил изменением характера обтекания шара при увеличении скорости.

Жуковский считал, что причиной сопротивления тел, движущихся в жидкости, являются «убегающие» с поверхности тела вихри. Поэтому, когда в 1911—1913 гг. появилась теория Кармана — Прандтля, в которой определение сопротивления тел основывалось на рассмотрении вихревой картины, образующейся за обтекаемым телом, Жуковский посвятил ей свое сообщение, сделанное в 1913 г. в Отделении физических наук Общества любителей естествознания («Вихревая теория лобового сопротивления, данная проф. Карманом», 1914).

Особое значение придавал Жуковский изучению устойчивости самолета. Читая в Московском техническом училище лекции по теории авиации, Жуковский в 1912 г. касался вопросов статической продольной устойчивости самолета, в 1913 г. офицерам-летчикам прочел специальную лекцию по динамике самолета «Динамика аэропланов в элементарном изложении (статья первая)», а в 1916 г. под тем же названием была опубликована вторая статья Жуковского. В этих лекциях рассматривается продольная и поперечная устойчивость, дается расчет различных фигур: виража, «мертвой петли» и др., изложены также методы аэродинамического расчета.

Жуковский создал первые научно обоснованные и точные методы аэродинамического расчета самолетов. В 1910—1912 гг. он разработал теорию, в которой имелись основные элементы графоаналитических методов аэродинамического расчета самолета по кривым располагаемых и потребных тяг и мощности (теория глиссад). В 1915—1917 гг. Жуковский развил разработанные им методы аэродинамического расчета самолетов и ввел новые диаграммы, впоследствии получившие название сеток Жуковского.