Крылья Родины

Предоставив своим русским ученикам и иностранным последователям дальнейшую разработку теории крыла, Жуковский обратился к более сложному случаю — к винтовому пропеллеру. Надо заметить, что лопасть винта представляет собой также крыло, с той разницей, что крыло при движении самолета движется поступательно, в то время как лопасть винта совершает гораздо более сложное движение, одновременно вращаясь около оси винта и перемещаясь вместе с самолетом.

Новым вопросом Николая Егоровича заставили заняться фотографии одного исследователя, работавшего над корабельными гребными винтами. Жуковский обратил внимание, что на фотографиях работающих винтов видны пузырьки воздуха, имеющие вид винтовых линий, сбегающих с концов лопастей. По мнению Жуковского, эти пузырьки указывали направление осей вихрей, сбегающих с лопастей винта. Имея в своих руках наблюдение и догадку, он обратился к проверке их и в результате в 1912 году дал свою знаменитую вихревую теорию гребного винта.

Фотографии гребных винтов, послужившие Жуковскому отправной точкой для создания вихревой теории гребного винта.

Вихревая теория позволила вывести формулы для расчета силы тяги винта и мощности двигателя, который необходим для его вращения. Оказалось возможным найти особую форму винта. Такие винты получили в честь Н. Е. Жуковского название «НЕЖ».

Первые винты «НЕЖ», теоретически найденные Жуковским и применявшиеся на практике в 1915 году.

Вихревая теория гребного винта, конечно, может быть распространена и на крыло. Она рассматривает различные схемы вихрей, образующихся за лопастью, и находит влияние этих вихрей на распределение скоростей в потоке, а также и те силы лобового сопротивления, которые получаются за счет образования определенного вида вихрей. Это последнее сопротивление, так называемое индуктивное сопротивление, сложенное с сопротивлением от трения и различных побочных вихреобразований, и дает то общее лобовое сопротивление, которое наблюдается у движущегося в воздухе крыла.

Как истинный гений, Жуковский рассыпал вокруг себя идеи, не заботясь о том, кому они будут приписаны. За всю свою жизнь он не запатентовал ни одного своего изобретения, а когда однажды, по настоянию своих учеников, согласился было это сделать, то сам же и лишил себя права на патент, не отменив опубликования изобретения до выдачи привилегии.

«Не отвлекаясь ничем преходящим, лишь в меру неизбежной необходимости отдавая дань потребностям жизни, он все свои гигантские силы посвящал научной работе. Его цельная натура была беззаветно посвящена этому труду», — говорит о нем его первый ученик С. А. Чаплыгин.

С. А. Чаплыгин

Если Жуковский был учителем во всей благородной полноте этого слова, то Чаплыгина надо назвать его истинным учеником и товарищем.

В своей речи «Механика в Московском университете за 50 лет», произнесенной Н. Е. Жуковским на торжественном заседании, посвященном сорокалетнему юбилею его научной деятельности, Николай Егорович говорил, переходя к задаче о движении по инерции твердого тела внутри несжимаемой жидкости:

«Эта задача ввиду богатства форм допускаемых движений живо заинтересовала меня, когда в качестве приват-доцента я начал свои лекции в Московском университете чтением специального курса гидродинамики. При напечатании этого курса я высказал некоторые соображения о постановке этой задачи с геометрической точки зрения. За разрешение этой задачи взялся тогда еще начинающий свою ученую деятельность С. А. Чаплыгин и в двух своих прекрасных работах показал, какой силой могут обладать остроумно поставленные геометрические методы исследования. Мой дорогой товарищ С. А. Чаплыгин пополнил исследования своего учителя еще другой работой. Ему удалось метод исследования струй распространить на газовые струи. При современных условиях воздухоплавания исследования С. А. Чаплыгина получают выдающееся значение».

Еще в конце 80-х годов прошлого века Жуковский выделил студента физико-математического факультета Московского университета Сергея Чаплыгина в число лиц, подготовляющихся к профессуре. Учитель привил своему ученику любовь к науке, заинтересовал его вопросами аэродинамики и гидродинамики, поставил перед ним проблемы авиации.

В истории науки не много найдется примеров такой духовной преемственности и связанности, пронесенных обоими через всю их долгую жизнь, какой являют собой Жуковский и Чаплыгин.

С. А. Чаплыгин.

Сергей Алексеевич Чаплыгин родился в 1869 году в Раненбурге, в той же Рязанской губернии, где так много было сделано русскими людьми попыток воздушного летания. Он учился в воронежской гимназии, а в 1890 году окончил Московский университет. Через четыре года он занял здесь кафедру прикладной математики.

Так же как жизнь Жуковского, история жизни Чаплыгина есть история его научных работ, дальнейшая история русской аэродинамической школы.

Одна за другой научные работы Чаплыгина приносили ему ученые степени, премии, медали, известность. Работы Чаплыгина по общим вопросам динамики системы и динамики твердого тела относятся к области чистой математики, и изложение их в доступной форме весьма затруднительно. Работы второй группы, представляющие ценнейший вклад в аэродинамику, лежат на пути от научной авиации к практической и в большей или меньшей степени доступны общему пониманию.

Явления, происходящие при обтекании газовым потоком — а воздушный поток ведь есть, вообще говоря, газовый поток, — какого-нибудь тела — скажем, крыла самолета, носят различный характер в зависимости от скорости набегающего потока на движущееся тело. Если скорости тут значительно меньше скоростей распространения звука в газе, то-есть примерно 600–700 километров в час, то обтекание идет совершенно так, как оно шло бы, если бы тело двигалось в какой-нибудь несжимаемой жидкости — скажем, в воде.

Задачи, относящиеся к такому движению тела, в большинстве случаев были решены Жуковским.

Совершенно иной характер носят явления, происходящие в газовом потоке, если движущееся в нем тело имеет скорость, приближающуюся к звуковой, так называемую критическую скорость. В этом случае возникает критический режим, когда часть газа движется со сверхзвуковой скоростью, а часть — со значительно меньшей. А когда скорость движущегося тела превышает звуковую, все явления, происходящие в газе, резко изменяются и подчиняются совсем иным законам.

Чаплыгин писал свою диссертацию «О газовых струях» летом 1901 года и ставил целью разработать метод для решения задач на обтекание тел газовым потоком с образованием срыва струй. В решении такого рода задач в те времена техника почти не нуждалась. Вопросы сопротивления воздуха, представляющего частный случай газового потока, практиков не интересовали. Их скорее могли бы интересовать вопросы сопротивления жидкостей, но и в этой области сделано было очень мало.

Как известно, многие физические законы общи для газов и жидкостей, но всякий газ, в том числе и воздух, можно сжать, например, движением поршня в цилиндре, как это и делается в двигателях Дизеля. Вода же несжимаема, и на этом свойстве ее строится целый ряд гидравлических машин. Д. И. Менделеев первый пришел к выводу, что данные для сопротивления жидкостей можно применять и к воздушной среде, что «опыты с водою дополняют и дополняются опытами с воздухом». Но он предвидел, как мы читали уже, и то, что с достижением некоторой «критической скорости» движения тела в жидкой среде «сопротивление всякой жидкости будет возрастать быстрее, чем до этого», то-есть законы сопротивления за пределами этой «критической скорости» окажутся иными.