Крылья Родины

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.

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.