Работы Н.Е. Жуковского по экспериментальной аэродинамике

Николай Егорович Жуковский был основателем экспериментальной аэродинамики в России. Первые аэродинамические лаборатории в нашей стране были построены по прямым указаниям и схемам Жуковского. Систематические опыты над сопротивлением тел различной формы, двигающихся в воздухе, Николай Егорович начал проводить еще в 80-х годах XIX века при кабинете прикладной механики в Московском университете.

Жуковский придавал важное значение эксперименту при создании теоретических основ аэродинамической науки. В ряде его статей и в знаменитой книге «Теоретические основы воздухоплавания» он неоднократно цитирует слова Д. И. Менделеева, который писал: «Нужен настоятельно и будет решать дело разумный и твердый опыт, а молодое и неопытное умственное построение пойдет на поводу и в ту, и в другую сторону, пока приученное опытом к верной дороге само не станет возить за собой или на себе всю сущность опытного знания».

Жуковский стоял у истоков современной аэродинамики, и он глубоко понимал, что невозможно создать надежную теорию, не зная из эксперимента главных особенностей изучаемых явлений. «Опыт, — говорит Жуковский, — позволяет наблюдателю узнать характер изучаемого движения и облегчает мысли, постановку правильного теоретического анализа задачи».

Классического наследства теоретической гидромеханики было явно недостаточно для формулировки законов аэродинамики. Характерной чертой Жуковского, как исследователя и основателя новых разделов механики, было соединение логической строгости, широты и последовательности анализа, свойственных русской школе механиков-аналитиков, с весьма тщательным опытным изучением явлений. Непосредственное наблюдение, разумно поставленный эксперимент приводили к физическим гипотезам, которые принципиально видоизменяли весь ход математического анализа. Умение поставить механическую задачу так, чтобы аналитические трудности не запутывали сущности дела, — вот что принципиально отличает научное творчество Жуковского от работ его учителей и современников. «Механик должен составлять интегрируемые уравнения», — учил Жуковский.

Научное творчество Николая Егоровича было тесно связано с жизнью нашей страны. Он направлял дерзания своего могучего ума на те новые закономерности и факты, которые вырастали на глубокой почве мирового промышленного прогресса. Воздействие Жуковского на развитие русской и мировой культуры огромно. Он был ярким представителем и выразителем той передовой школы русских ученых и инженеров, которая продолжала наиболее прогрессивные устремления русской демократической интеллигенции шестидесятых годов.

Тесная связь с жизнью, связь с техническим творчеством народа, стремление к преобразованию, перестройке этой жизни и создание новых путей развития механики роднят творчество Жуковского с исследованиями гениального механика эпохи Возрождения Галилео Галилея. Как передают современники Жуковского, он с большим удовлетворением цитировал следующие строки из «Бесед и математических доказательств» Галилея (Полное название книги: «Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки, относящихся к механике и местному движению, сеньора Галилео Галилея Линчео»): «Обширное поле для размышления, думается мне, дает пытливым умам постоянная деятельность вашего знаменитого арсенала, сеньоры венецианцы, особенно в области, касающейся механики, потому, что всякого рода инструменты и машины постоянно доставляются туда большим числом мастеров, из которых многие путем наблюдений над созданиями предшественников и размышлениями при изготовлении собственных изделий приобрели большие познания и остроту рассуждения. Я, будучи по природе любознательным, часто ради удовольствия посещаю это место, наблюдая за деятельностью тех, которых по причине их превосходства над остальными мастерами мы называем «первыми»: беседы с ними не один раз помогали мне разобраться в причинах явлений не только изумительных, но и казавшихся сперва совершенно невероятными».

Развивая экспериментальные методы исследования, Жуковский отчетливо понимал значение систематических наблюдений как базы для создания широких теоретических обобщений. Первая аэродинамическая лаборатория была создана Жуковским в Московском университете. Еще в XIX столетии при кабинете прикладной механики Московского университета исследовались летающие игрушки и змеи и выяснились качественные закономерности о силах сопротивления, которые оказывает воздух движущимся в нем телам.

В 1902 году при кабинете прикладной механики Московского университета была построена аэродинамическая труба с закрытой рабочей частью с квадратным сечением 75 см × 75 см. В этой аэродинамической трубе проводились многочисленные испытания. Многие из них имели важное значение для развития экспериментальной аэродинамики в нашей стране.

Студент Московского университета П. П. Соколов на приборе, идея которого принадлежит Н. Е. Жуковскому, поставил исследование по определению центра парусности (центра давления) плоских пластинок. Впервые в научной литературе были проведены измерения по определению положения центра парусности пластинок различных удлинений. Сотрудник Жуковского Г. И. Лукьянов провел в аэродинамической трубе университета, а затем в трубах технического училища исследования по определению коэффициента сопротивления шара при изменении скорости потока в аэродинамической трубе. Этими опытами был установлен весьма парадоксальный факт уменьшения коэффициента сопротивления шара в диапазоне скоростей от 6 до 9 м/сек. Н. Е. Жуковский первым в научной литературе дал объяснение этому факту, указав, что уменьшение сопротивления шара происходит оттого, что с увеличением скорости изменяется место срыва струй с поверхности шара.

Вот что пишет об этих опытах Николай Егорович в своей книге: «...коэффициент сопротивления шара меняется со скоростью жидкости. Это изменение, которое Г. И. Лукьянов установил еще в 1905 году на опытах, произведенных в старой трубе Московского университета и в его вестибюле (опыты с падением шаров), было в дальнейшем подтверждено опытами Эйфеля и Морена. Дальнейшие опыты были произведены в круглой трубе технического училища в Москве при скоростях от 5 до 20 м/сек; для шара диаметром 7, 6 см опыты были продолжены в малой трубе типа Эйфеля (диаметр рабочего сечения 0,30 м) при скоростях от 13 до 43 м/сек. Опыты показали, что коэффициент сопротивления падает с увеличением скоростей потока. Это происходит оттого, что место срыва струй с поверхности шара меняется со скоростью потока» (Н. Е. Жуковский, Теоретические основы воздухоплавания, Поли, собр. сон., вып, I, 1938).

Гораздо позднее (1910) этот факт уменьшения сопротивления шара в некотором диапазоне скоростей воздушного потока (зависящем от диаметра шара) исследовался в лаборатории Эйфеля (Франция) и еще позднее (1914) в лаборатории Прандтля (Германия).

В аэродинамической трубе Московского университета А. И. Морошкиным, впоследствии профессором Московского университета, были также поставлены первые опыты по определению сопротивления трения. Было обнаружено, что сила сопротивления трения увеличивается пропорционально скорости в степени 1,85.

Когда в 1904 году кабинет прикладной механики был переведен в новое здание университета, для аэродинамической трубы Жуковского был поставлен новый мотор и скорость потока была доведена до 11 м/сек. В то же время были начаты экспериментальные исследования над воздушными гребными винтами.

Несколько позднее Жуковским была составлена обширная программа аэродинамических исследований в лаборатории Московского университета. Для осуществления этой программы в 1909 году в вестибюле нового здания университета была построена большая аэродинамическая труба с закрытой рабочей частью диаметром 1,6 м. Скорость потока в этой трубе удалось довести до 20 м/сек, а с помощью специальных насадок — до 35 м/сек.

 Аэродинамическая труба Московского университета, построенная в 1909 году

Аэродинамическая труба Московского университета, построенная в 1909 году

Первоначально аэродинамическая лаборатория пользовалась городским током, но очень скоро Н. Е. Жуковский убедился, что трехфазный переменный ток неудобен для регулирования скорости потока в трубе и торможения мотора. Поэтому в 1907 году в лаборатории Московского университета была установлена маленькая подстанция с умформером, которая преобразует городской ток в постоянный и позволяет весьма удобно регулировать скорость потока в аэродинамической трубе. Реостат позволял менять скорость потока в пределах от 1,5 до 11 м/сек.

В аэродинамической лабораторий университета под руководством Н. Е. Жуковского разрабатывались первые приборы для экспериментальных исследований. В этой лаборатории были созданы простейшие аэродинамические весы, использованные для измерения сопротивления шара. Под непосредственным наблюдением Жуковского был создан прибор для измерения тяги винта на месте. На специальном приборе измерялись силы сопротивления воздуха при движении тел различной формы. Под руководством Жуковского был разработан метод для определения распределения давления по контуру обтекаемого тела — так называемый манометрический метод Жуковского.

Были поставлены весьма интересные опыты по проверке теоремы Чаплыгина для дуговых профилей. Согласно этой теореме подъемная сила дуговых планов при хорде, направленной по скорости, не зависит от глубины их и одинакова для всех планов, имеющих одну и ту же стрелку изгиба. Опыты с пластинками, имеющими вогнутость 1/16, 1/20, 1/33  хорошо подтвердили теорему Чаплыгина.

В 1904 году один из учеников Жуковского по Практической Академии (Коммерческое учебное заведение дореволюционной России), Д. П. Рябушинский, предложил Николаю Егоровичу возглавить проектирование аэродинамической лаборатории в поселке Кучино под Москвой. Н. Е. Жуковский и его ученики спроектировали и построили в Кучино двухэтажное здание аэродинамической лаборатории с пятиэтажной башней на одном конце. По указанию Жуковского его ученик (позднее академик) Л. С. Лейбензон спроектировал и построил аэродинамическое оборудование этой лаборатории. Была построена большая аэродинамическая труба длиной 14,5 м и диаметром 1,2 м. Поток воздуха в этой трубе создавался вентилятором «Сирокко». Для того чтобы получить равномерный, незакрученный поток в аэродинамической трубе, на всасывающем конце трубы был установлен цилиндрический колпак.

В Кучинской лаборатории были поставлены весьма интересные опыты по исследованию спектров обтекания различных тел. Результаты этих опытов не утратили своего научного значения до наших дней. Отчеты Кучинской аэродинамической лаборатории получили мировую известность. Большая труба Кучинской аэродинамической лаборатории была в те годы одной из наиболее совершенных установок во всем мире.

Жуковский недолго был научным руководителем Кучинской лаборатории; вследствие разногласий с Рябушинским он в 1905 году покинул эту лабораторию.

В 1909 году Н. Е. Жуковский возглавил создание аэродинамической лаборатории в Московском высшем техническом училище. Оборудование этой новой аэродинамической лаборатории было достаточно разнообразно. По идее Н. Е. Жуковского и П. П. Соколова была построена прямоугольная аэродинамическая труба с размерами рабочей части 150 x 30 см2. Постройкой этой трубы в Техническом училище руководил А. Н. Туполев ( знаменитый авиационный конструктор нашей страны).

В аэродинамической лаборатории Московского высшего технического училища была построена аэродинамическая труба типа Эйфеля и усовершенствованный аппарат для испытания воздушных винтов на месте. В 1915 году в лаборатории технического училища была построена еще одна аэродинамическая труба.

Прямоугольная аэродинамическая труба в лаборатории Московского высшего технического училища (построена в 1909 г.)

Прямоугольная аэродинамическая труба в лаборатории Московского высшего технического училища (построена в 1909 г.)

Во время первой мировой войны ученики Н. Е. Жуковского спроектировали и начали постройку колоссальной по тому времени аэродинамической трубы с диаметром рабочей части, равным 3 м. В этой аэродинамической трубе предполагалось испытывать модели аэропланов в масштабе до ½ натуральной величины, однако из-за недостатка средств постройка этой трубы не была закончена.

В аэродинамической лаборатории Московского университета Жуковский начал систематические исследования движения газов с весьма большими скоростями. Был построен специальный клепаный котел, в который компрессором нагнетался воздух до давления около 10 атм. Из этого котла через специальные насадки выпускалась тонкая струя воздуха и определялись скорости истечения и силы воздействия на небольшие тела различной формы. Опыты, поставленные Жуковским на этой установке, заложили основы экспериментальной аэродинамики больших скоростей. В 1912 году Жуковский прочитал ряд докладов, посвященных истечению газов под большим напором, и указал на аналогию между движением жидкости в открытом канале и газов в трубе. Как известно, в настоящее время эта аналогия используется весьма широко при исследованиях течений газа со сверхзвуковыми скоростями.

Н. Е. Жуковский был не только искусным и проницательным экспериментатором; он умел извлекать из опытных данных исходные положения для построения широких теорий большой общности и глубины умозаключений. Очень характерным является факт построения вихревой теории гребного винта на основе тщательного изучения фотографий немецкого исследователя О. Фламма.

О. Фламм построил бассейн со стенками и дном из зеркального стекла, длиной 10 м, шириной 0,8 м и глубиной воды 0,6 м. В этом бассейне изучались явления, происходящие в воде около гребного винта. Было получено множество фотографий, проведено большое число измерений, но теории гребного винта Фламму создать не удалось.

Дело здесь заключалось в том, что подлинную глубину циркуляционной теории подъемной силы, которая дает ключ к правильной трактовке результатов опытов Фламма, в те годы мало кто понимал. Жуковский в своем курсе «Теоретические основы воздухоплавания» дал весьма тщательный обзор теорий воздушного винта, основанных на приближенных, чисто качественных соображениях, отметив, что «указанные теории страдают одним недостатком: в них не рассматривается поток воздуха в радиальном направлении, а предполагается, что движущаяся воздушная масса как бы течет в цилиндре, соосном винту».

Когда книга Фламма по судовым гребным винтам попала Жуковскому, он тщательно проанализировал его опыты и сделал следующие весьма важные заключения.
1. «Около винта, как спереди, так и сзади, давление пониженное, наибольшее понижение происходит у самого винта. На фотографиях это доказывается понижением уровня свободной поверхности воды около винта и образованием в ней корытообразного углубления, в котором отражаются воздушные пузырьки.
2. Вода отбрасывается винтом, независимо от его формы, правильной цилиндрической струей, и только довольно далеко от винта эта правильность теряется. На фотографиях виден почти цилиндрический столб воздушных пузырьков и винтовые линии, навитые на цилиндр, чего не могло быть при иной форме отбрасываемой струи.
3. За винтом образуются, по нашему мнению, две системы вихрей: один большой вихрь с осью, составляющей продолжение оси винта, и вихри, расположенные по винтовым линиям, отходящим от края каждой лопасти. Ось этих винтовых линий также совпадает с осью вращения винта, а шаг их равен пути, пройденному водой в движении относительно винта за один оборот последнего».

На фотографиях Фламма, отмечает далее Жуковский, мы вместо центрального вихря наблюдаем воздушную трубу в виде жгута, иногда в несколько метров длиной, а вместо вихрей за лопастями — воздушные винтовые линии.

Из опытов, которые Жуковский ставил ранее в Московском университете, он знал, что находящийся в воде воздушный пузырек двигается в сторону, в которую давление понижается, и не выходит из области, где давление наименьшее. Опыт показывает также, что на осях вихревых шнуров давление минимальное, а поэтому пузырьки воздуха и должны скопляться на осях вихревых шнуров. Жуковский видел в подробном изучении вихревых образований за винтом и распространении на элемент лопасти винта теоремы о подъемной силе ключ к создаваемой вихревой теории воздушного винта.

Анализ фотографий Фламма позволил Жуковскому дать вихревую схему работы не только водяного, но и воздушного гребного винта. Подробное изучение скоростей потока перед винтом и за винтом привело к количественным характеристикам новой теории воздушного винта и вполне объяснило основные закономерности работы винтов.

Вихревая схема работы воздушного гребного винта является в настоящее время общепризнанной и наиболее точной. Развитие этой теории, проведенное в нашей- стране профессором В. П. Ветчинкиным, проф. Н. Н. Поляховым и др., показало гениальную проницательность выводов Жуковского, сумевшего объяснить и сделать подвластным строгому анализу и расчету весьма сложное явление — работу гребного винта.

В докладах и статьях Жуковского многократно подчеркивается важность эксперимента в аэромеханике. «Приближается то время, — говорил Жуковский в 1913 году на XIII съезде русских естествоиспытателей и врачей,— когда направляемая твердым опытом теоретическая мысль сделается хозяином в решении вопросов о сопротивлении жидкостей, когда аэропланы и дирижабли будут строиться с таким же верным расчетом, с каким теперь пароходы и автомобили». «Я думаю, что проблема авиации и сопротивления воздуха, несмотря на блестящие достигнутые успехи в ее разрешении, заключает в себе еще много неизведанного и что счастлива та страна, которая имеет средства для открытия этого неизведанного. У нас в России есть теоретические силы, есть молодые люди, готовые беззаветно отдаться спортивным и научным изучениям способов летания. Но для этих изучений нужны материальные средства». «...Позвольте высказать пожелание, чтобы средства наших аэродинамических лабораторий стали в соответствие с могуществом и творческими силами нашей родины».

Мечтам Жуковского суждено было осуществиться после Великой Октябрьской социалистической революции. 15 декабря 1918 года по указанию В. И. Ленина был создан центр научно-исследовательской работы в области аэродинамики — Центральный аэрогидродинамический институт (ЦАГИ). Первым председателем научной коллегии института становится Н. Е. Жуковский.

Николай Егорович Жуковский — основатель экспериментальной аэродинамики в нашей стране. На заре развития авиационной техники он видел, как велика сложность задач, выдвигаемых этой новой отраслью промышленности, и понимал, какую колоссальную роль играет здесь научно поставленный опыт. Огромный рост ЦАГИ после смерти Жуковского, создание новых аэродинамических лабораторий в Москве, Казани, Ленинграде, Харькове, Новосибирске — лучшее доказательство предвидения Жуковского.