Крылья Родины

Насколько аппаратура и методы наших лабораторий прочности стоят на высоте, можно судить хотя бы по тому факту, что при обследовании немецких самолетов были обнаружены весьма существенные дефекты их в отношении прочности, которые остались неизвестными и выпускающим их заводам и создающим их конструкторам.

Ввод в действие целого ряда столь совершенных лабораторий и аэродинамических установок, какими располагает новый ЦАГИ, позволил ему не только и качественно и количественно повысить свое участие в общем деле обороны, но и углубить разработку огромного научного наследства и научных идей, завещанных Н. Е. Жуковским и С. А. Чаплыгиным созданному ими центру научной авиации.

Авиастроение как наука

Сергей Алексеевич Чаплыгин умер 8 октября 1942 года. За несколько дней до смерти он спокойно и обстоятельно обсуждал различные практические мероприятия по ускорению строительства аэродинамической лаборатории. В березовой роще перед входом в лабораторию и был похоронен первый ученик Жуковского.

С. А. Чаплыгин имел счастье, не часто выпадающее тому, кто пролагает новые пути в науке или искусстве, дожить до того времени, когда даже такая далеко заглядывающая вперед его работа, как докторская диссертация «О газовых струях», получила огромное признание и нашла практическое приложение в авиастроении.

Любопытна судьба этого замечательного сочинения, ознаменовавшего переход к новой эпохе в механике — эпохе технической механики.

Техническая механика начала заниматься вопросами теории полета, но интересы ее распространялись и на все другие области бурно развивающейся техники XX века. Механика из математической науки превратилась в науку, опирающуюся равно и на достижения материалистической мысли и на широкий научный эксперимент. С. А. Чаплыгин, рядом с Н. Е. Жуковским, был одним из сильнейших мыслителей, применивших математическую науку к решению технических задач.

По этому же пути с огромным успехом идет академик С. А. Христианович, достойный их преемник.

В своей докторской диссертации «О газовых струях» С. А. Чаплыгин дал решение ряда задач о струйных движениях сжимаемого газа, каким является и воздух. Основное значение этой работы в том, что она дает методы изучения газовых течений со скоростями, близкими к звуковым. Но методы С. А. Чаплыгина позволяют идти гораздо дальше. Развитие заложенных в работе Чаплыгина идей позволило создать теорию скоростного полета, решить основные вопросы, связанные с расчетом крыла при дозвуковых скоростях, граничащих с звуковыми.

Пока воздух можно было рассматривать как несжимаемую жидкость — скажем, воду, — вопросы обтекания тела набегающим воздушным потоком решались применительно к законам гидродинамики, далеко подвинутой вперед трудами Н. Е. Жуковского. При переходе к большим скоростям вопросы обтекания уже нельзя решать по аналогии с движением тела в жидкости: при скоростях, близких к звуковым, воздух дал знать, что он сжимаем, и повел себя совсем иначе, чем жидкость. Понадобилось решить ряд задач, определяющих движение воздушного потока при таких скоростях.

Большие скорости хотя и существуют в природе, но нашему непосредственному восприятию они не поддаются. Учиться, наблюдая живую природу, тут нельзя, и если техника на ранней поре строилась на подражании природе, то в эпоху больших скоростей она строится только на научном познании природы.

В этом отношении история авиастроения особенно характерна.

Авиация ведь также возникла из подражания живой природе и непосредственного наблюдения. Осенний лист, плавающий в воздухе, — вот первое летающее крыло и несущая плоскость. Все строители крыльев для летания по воздуху учились летать и строить свои аппараты у птиц. Но современное авиастроение возможно только как наука.

С. А. Христианович.

Известно, что на первых самолетах крылья представляли несущие плоскости, неподвижно скрепленные с самолетом и не имевшие ничего общего с тем сложным и гибким механизмом, какой представляет крыло птицы. Современное крыло самолета с его добавочными подвижными частями — предкрылками, закрылками, элеронами и щитками — представляет сложный и гибкий механизм, приближающийся к крылу птицы.

Основы теории механизации крыла даны С. А. Чаплыгиным в его исследовании «Схематическая теория разрезного крыла», а основой всей современной прикладной аэромеханики является работа Н. Е. Жуковского «О присоединенных вихрях».

Чем более авиация приближается к звуковым скоростям полета, тем дальше авиастроение уходит от подражания живым формам природы, тем более оно становится наукой. Только научное познание живой природы могло породить мысль о профиле крыла с острыми углами и для сверхзвуковых скоростей.

Непосредственное наблюдение, каким бы глубоким и тонким оно ни было, таких идей в живой природе почерпнуть не может, потому что нашему непосредственному восприятию доступна лишь природа небольших скоростей и незначительных давлений.

Но современный самолет — не только крыло, фюзеляж, мотор и винт. Он состоит из нескольких тысяч различных деталей. Нынешний боевой самолет — сложнейший физический прибор. Чтобы построить самолет, нужны разнообразнейшие материалы. Авиастроению служат геология и геофизика, математика и механика, все отделы физики и химии, не говоря уже о металлургии и технических науках, которые должны обеспечить осуществление машины.

Самолет, таким образом, — это практическое приложение всех естественных наук.

В авиастроении любой вопрос, каким бы узким он ни казался, какой бы частный случай он ни представлял, может быть разрешен только путем научного исследования.

С каждым шагом вперед на пути к достижению больших скоростей все более и более резко дает себя знать своеобразие самолета как инженерного сооружения, своеобразие условий, в которых ему приходится работать и развиваться.

Попробуем проследить это влияние скорости полета на развитие авиастроения как науки опять-таки на каком-нибудь частном случае — скажем, на воздушном охлаждении авиационных моторов.

В начальном периоде своего развития, когда скорости полета были очень небольшими, авиастроение обеспечивало охлаждение мотора тем, что применяло ротативные моторы. Вращаясь, моторы сами по себе охлаждались, для чего цилиндры их снабжались ребрами, увеличивавшими площадь соприкосновения с воздухом.

В дальнейшем авиастроение стало пользоваться для охлаждения мотора набегающим на самолет встречным потоком, скорость которого быстро возрастала. Появились звездообразные моторы, мощность которых постепенно увеличивалась. Хотя скорость полета возрастала более за счет улучшения аэродинамических форм самолета, чем за счет увеличения мощности моторов, воздушного потока уже не хватало для охлаждения, хотя оребрение моторов и было усилено.

Возникла опасность перегрева мотора при взлете, при максимальной скорости, особенно на больших высотах, где в силу некоторого разрежения воздуха требовался больший его объем для охлаждения. В то же время при увеличении размеров мотора и повышении скорости полета лобовое сопротивление мотора стало заметным и даже отягчающим в общем сопротивлении самолета. Тогда-то и появился капот, позволивший обдувать цилиндр мотора потоком, имеющим скорость, достаточную для охлаждения, но значительно меньшую, чем скорость полета. Получалось, что мотор как бы летит со скоростью меньшей, чем самолет, и его лобовое сопротивление резко снижалось.

Новое улучшение системы охлаждения заключалось в том, что через капот стал прогоняться только тот воздух, который соприкасается с ребрами цилиндров. Масса воздуха, не работавшего на охлаждение, в капот не допускалась. После этого стали регулировать и площадь выхода воздуха из капота, так что на цилиндрах мотора остается лишь перепад давлений, необходимый для охлаждения, и он в несколько раз меньше, чем давление скоростного напора потока, набегающего на самолет.