Крылья Родины

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.

Сопротивление при несимметрическом обтекании.

При таких условиях Чаплыгину уже не стоило труда вывести правило подсчета циркуляции воздуха математическим путем. Подставляя вычисленную величину в формулу Жуковского, он получил возможность вычислить подъемную силу крыла, не прибегая к длительным, сложным и громоздким опытам.

Таким образом, благодаря аналитическому уму Чаплыгина вместе с теоремой Жуковского о величине подъемной силы явился и законченный метод определения подъемной силы крыла заданного профиля.

Этот метод вошел в мировую практику, и им пользуется самолетостроение до сегодняшнего дня.

Чаплыгин доложил о своем исследовании вопроса в том же Математическом обществе, а затем опубликовал работу в мемуаре «О давлении плоско-параллельного потока на преграждающие тела».

Идея, положенная Чаплыгиным в решение задачи об определении величины циркуляции, восходит к некоторым соображениям, приведенным в его докторской диссертации «О газовых струях», где он высказал положение, что при реальном течении ни в какой точке скорости не могут быть бесконечно большими, в то время как теоретическая наука считала, что скорость потока, обтекающего острые углы контуров, бесконечно велика.

Умозрительные заключения Чаплыгина тем и замечательны, что они неизменно совпадали с реальной действительностью и потому указывали путь к практическим приложениям.

Так Жуковский и Чаплыгин ответили с предельной ясностью на весь вопрос. Известный под названием «основной гипотезы Жуковского», ответ этот практически сводится к тому, что циркуляция образуется при наличии у обтекаемого тела острых кромок. Так как при плавном обтекании, согласно открытому Жуковским закону, подъемная сила возникает только от наличия добавочного, циркуляционного потока, то для крыла необходима острая кромка. Таким образом, теоретически удалось выяснить, что наивыгоднейшей формой крыльев в авиации будут крылья с острой задней и закругленной передней кромкой.

Профили теоретических крыльев Жуковского — Чаплыгина.

Такие крылья и стали применяться конструкторами.

После всех этих теоретических находок оказалось возможным не только создать полную циркуляционную теорию крыла, но чисто теоретически строить поток.

Благодаря великому открытию Жуковского стали понятными явления, происходящие в воздухе в области летающего тела, была создана полная теория крыла моноплана, началось строительство современных самолетов, имеющих толстое крыло с острой задней кромкой.

А. А. Микулин, вспоминая о Жуковском в двадцатую годовщину его смерти, писал:

«Имя Н. Е. Жуковского известно во всем мире. Помню, однажды в 1935 году мы приехали с комиссией осматривать лабораторию Кембриджского университета в Англии. В большой аэродинамической трубе гудел ветер, английские инженеры и профессора вели наблюдения за приборами и вели записи в протоколах. По окончании эксперимента мы спросили, что они изучают. С уважением к великому имени нам ответили: „Дужку Жуковского!“»

Как ни полно использовали авиационная техника и аэродинамическая наука учение Жуковского о присоединенных вихрях, оказалось, что инженерные возможности теории не исчерпываются все же одной областью. В 1924 году инженер Флетнер применил «силу Жуковского» для оригинального «роторного судна». Флетнер, исходя из того, что можно создать циркуляционное движение воздуха искусственно, вращая, например, круглый цилиндр, построил оригинальные «роторы» и поставил их на судно взамен парусов. Роторы Флетнера представляют собой легкие, полые гладкие цилиндры, приводимые в движение электромоторами.

Благодаря действию вязкости воздуха вокруг таких вращающихся роторов появляется циркуляционный поток и при наличии хотя бы легкого ветра образуется, согласно теории Жуковского, некоторая действующая на цилиндр сила. Эта сила и движет судно.

Хотя при замене обычных парусов роторами Флетнера судно и выигрывает во многих отношениях, будучи хорошо управляемым и легко перенося бури и шторм, оно, конечно, не могло конкурировать с паровыми судами и широкого распространения не получило.

Однако с научно-технической точки зрения роторное судно представляет большой интерес. Оно, во всяком случае, показало всю сложность и все своеобразие аэродинамических явлений и всю широту инженерных возможностей на их основе.