Становление авиационной науки в России

Развитие воздухоплавания и идеи полёта в России было тесно связано с созданием и становлением авиационной науки. Российские учёные и изобретатели изучали движение тел в пространстве. Аэродинамики как науки тогда ещё не существовало. Исследователи и изобретатели приходили к определённым выводам опытным путём. Назревшая потребность в этой области знаний побудила учёных того времени заняться исследованием проблем аэродинамики.

В XVIII веке вопросами воздухоплавания начал заниматься М.В. Ломоносов (17111-1765). Работы М.В.Ломоносова были связаны с исследованием воздушных явлений. Он построил метеорологическую обсерваторию с самопишущими приборами. Изучая движение воздуха во время работы ветрогонной машины в Саксонских рудниках в Германии, Ломоносов обратил внимание на циркуляцию свободного воздуха в шахте в зависимости от наружной температуры. Свои выводы по этому вопросу он доложил конференции Академии наук 21 января 1745 г. Доклад имел название «О вольном движении воздуха, в рудниках примеченном». В своём исследовании учёный пришёл к выводу о наличии нисходящих и восходящих потоков воздуха. Для проверки этой идеи учёный спроектировал и построил геликоптер для подъёма вверх прибора метеорологических изменений.

Лопасти винта геликоптера сильно напоминали лопасти «ветрогонной машины», применявшейся на рудниках.

Ломоносов, создавая основы метеорологии (существование которой также необходимо для нормального развития авиации), одновременно с этим разрабатывал основы аэродинамики, возникшей как наука только в конце XIX столетия.

Михаил Александрович Рыкачёв (1840/41-1919), моряк по профессии, академик и директор Главной физической обсерватории, заинтересовался проблемой летания в конце 60-х гг. XIX века. В 1869 г. он поднимался на воздушном шаре для метеорологических наблюдений.

В 1870-1871 гг. М.А.Рыкачёв провёл опыты с пластинками с помощью специального сконструированного им прибора. Цель его исследования была установить мощность, потребную для вращения винта определённых размеров, и определить вес груза, который можно поднять в воздух с помощью такого винта. Он вёл эти исследования для того, чтобы построить вертолёт, на котором можно было бы, изменяя наклон винта, передвигаться в воздухе в желаемом направлении. Учёный тщательно проанализировал все сделанные до него опыты и расчёты, касающиеся сопротивления воздуха. Он указал на существование угла атаки, при котором будет «наиболее выгодное отношение поднимаемого груза к силе машины». Позже такой угол был назван «наивыгоднейшим» углом атаки и определению его величины было посвящено много работ российских и зарубежных исследователей.

Рыкачев в 1871 г. опубликовал статью « Первые опыты над подъёмной силою винта, вращаемого в воздухе». Он нашёл способ определения подъёмной силы вращающего винта. Ученый был одним из инициаторов создания VII (воздухоплавательного) отдела Русского технического общества и первым председателем этого общества (1881-1884 гг.) По инициативе Михаила Александровича русские воздухоплаватели в содружестве с учёными других стран приняли участие в международных наблюдениях за движением облаков (проводившихся в 1896-1897 гг.), позволивших сделать ряд интересных выводов. Рыкачёвым в 1898 г. были осуществлены подъёмы змеев с анемографом собственной конструкции. Михаил Александрович совместно с Валенном вычислил также средние температуры зимних месяцев для Европейской России. М.А. Рыкачёв один из первых русских учёных серьёзно изучал сопротивление воздуха с целью построения геликоптера (вертолёта) для подъёма человека. Об этом он сделал доклад в сентябре 1904 г. на физико-математическом отделении Академии наук.

Как и Ломоносов, Рыкачёв одновременно занимался и проблемой поднятия человека в воздух, и проблемой исследования атмосферы. Однако если Ломоносов пытался построить летательный аппарат для изучения свойств атмосферы, то Рыкачёв уже больше склонялся к мысли о том, что метеорология должна быть поставлены на службу авиации, «…вовремя предупреждая воздухоплавателей о возможности и невозможности полётов…».

Одновременно с М.А.Рыкачёвым аэродинамическими исследованиями занимался Дмитрий Иванович Менделеев (1834-1907). Учёный придавал большое значение эксперименту, и в особенности опытам в искусственном потоке воздуха. В одной из его записных книжек, датированной 1876 г., удалось обнаружить набросок схемы аэродинамической трубы.

В конце 70-х – начале 80-х гг. Дмитрий Иванович совместно с другими исследователями (М.Л. Гроссманом и П.Д. Кузьминским) провёл опыты по измерению сопротивления падающих тел, в результате которых подтвердилось положение Ньютона о пропорциональности сопротивления падающего тела квадрату скорости.

Менделеев установил, что физические свойства газов изменяются в зависимости от температуры и различного давления. В 1880 г. издал  
книгу «О сопротивлении жидкостей и воздухоплавании». Он пришёл к выводу, что трение жидкостей – важный элемент сопротивления. Им детально были разработаны вопросы сопротивления среды в условиях падения тел.

В 1887 г. ученый поднялся один на воздушном шаре до высоты 3350 м для наблюдения солнечного затмения.

Дмитрий Иванович не ограничился изучением аэродинамики. Он верил в конечную победу аэропланов, считая, что они имеют «наибольшую будущность». Менделеев внимательно изучал структуру птичьего крыла и делал наброски его остова. В январе 1877 г. в качестве члена предварительной комиссии он участвовал в рассмотрении предложенного А.Ф. Можайским аэроплана. В мае 1877 г. дал заключение Военному министерству о летательном аппарате доктора Арендта. В 1895 г. Дмитрий Иванович заинтересовался опытами с летающими моделями В.В. Котова и даже написал предисловие к его книге. Однако эта книга так и не вышла в свет.

Д.И. Менделеев был глубоко убеждён, что изобретение летательного аппарата тяжелее воздуха «составит эпоху, с которой начнётся новейшая история образованности».

В 80-х гг. XIX века над проблемой полёта в России работали изобретатель подводных лодок Степан Карлович Джевецкий (1843-1938) и металлург Дмитрий Константинович Чернов (1839-1921).

В 1885 г. С.К. Джевецкий опубликовал статью «О сопротивлении воздуха в применении к полёту птиц», в которой пытался объяснить секрет полёта птиц и аэропланов, разработал основные условия аэропланов.

Большой заслугой учёного было установление наивыгоднейшего угла атаки аэроплана, определённого или в 1°50¢¢. Диапазон угла атаки крыла, установленный его предшественниками (Рыкачёвым (Россия), дю Тамплем (Франция)) колебался в пределах от 15° до 30°. Джевецкий подробно разработал теорию воздушного винта. Позже он построил опытный самолёт и был первым переводчиком Н.Е. Жуковского на французский язык.

Д.К. Чернов теоретически исследовал силы, действующие на крыло, и пришёл к правильному выводу, что подъёмная сила возрастает пропорционально квадрату скорости, а работа – пропорционально кубу скорости. При построении своей теории учёный исходил из того, что при движении крыла воздух отбрасывался вниз, и в результате инерции частиц воздуха на крыло создаётся подъемная сила. Он доказал расчётным путём, что подъёмная сила возрастает с увеличением вогнутости и вывел формулу для определения подъёмной силы. Полученные теоретические результаты Чернов проверил с помощью исследований на ротативной машине в 1889-1890 гг. Его опыты подтвердили выводы теории о том, что подъёмная сила пластинки с изогнутым профилем больше, чем плоской.

Исследуя пути увеличения подъёмной силы, Чернов впервые в мире пришёл к идее создания разрезных крыльев. Он показал, что разрезное крыло создаёт ту же подъёмную силу, что сплошное при одной и той же площади, при меньшей затрате мощности двигателя. Значительно позже к такому же выводу пришёл Х. Максим (Англия). В 1895 г. Е.С. Фёдоров также указывал на целесообразность использования разрезанных крыльев.

Огромный вклад в теорию полёта внёс гениальный русский учёный Николай Егорович Жуковский (1847-1921) – основоположник отечественной аэродинамики. В 1889 г. он организовал при кабинете прикладной механики Московского университета аэродинамическую лабораторию, в которой начал проводить опыты с моделями птиц и летательных аппаратов, а так же телами различной формы. Учёный исследовал задачи об обратимости движения, о форме судов, о парении птиц, об устойчивости движения самолёта, об аэродинамических силах, действующих на самолёт, о методах аэродинамического эксперимента. В 1890-1891 гг. Жуковский установил основные формы продольных движений самолёта. Придавая большое значение изучению вопроса об устойчивости самолёта, он особое внимание обратил на определение положения центра давления крыла при различных углах атаки.

Жуковский спроектировал приборы, с помощью которых проводились опыты. Одним из приборов применялся для испытания моделей на естественном ветре (1890-1891 гг.), другой – при опытах на вагоне движущегося поезда (1891 г.) и при движении модели по наклонной плоскости (1892 г.).

В 1890 г., выступая на съезде естествоиспытателей с докладом «К теории летания» и говоря о летающих птицах, Н.Е. Жуковский отмечал: «Неужели для нас нет возможности подражать этим существам? Правда, человек не имеет крыльев и по отношению веса своего тела к весу мускулов он в 72 раза слабее птицы; правда, он в 800 раз тяжела воздуха, тогда как птица тяжелее воздухе в 200 раз. Но я думаю, что он полетит, опираясь не на силу своих мускулов, а на силу своего разума».

В 1902 г. Жуковский построил аэродинамическую трубу. Исследования в ней позволили установить весьма рациональный профиль крыла с высокими аэродинамическими качествами. Этот профиль известен в мире и сейчас под названием «профиль Жуковского». Он разработал схему комплексного развития авиации на базе организованного объединения научных исследований и опытного конструирования летательных аппаратов в рамках единого авиационного научного центра. Учёный обращался к российскому правительству с предложением о постройке такого центра, но правительство отклонило его предложение. Заключив соглашение с миллионером Рябушинским, Жуковский основал в Кучино в 1904 г. Аэродинамический институт, труды которого вскоре получили заслуженное признание среди учёных Европы. (По образцу Кучинского института в 1909 г. была создана аэродинамическая лаборатория в Германии, а затем – во Франции).

Особая заслуга Н.Е. Жуковского состоит в том, что он сумел опытные наблюдения соединить с математической разработкой точной теории, введя понятие «присоединённых вихрей» (т.е. вихрей, которыми можно заменить тело, находящееся в потоке жидкости), учёный смог объяснить причину возникновения подъёмной силы крыла. В своей работе «о присоединённых вихрях» (1906 г.) Жуковский открыл принцип образования подъёмной силы крыла и вывел теорию, дающую количественную её оценку. Сущность этой теории, лежащей в основе всех успехов современной аэродинамики, состоит в то, что на верхней поверхности крыла встречный поток воздуха ускоряется сильнее, чем на нижней, и это создаёт разность давлений, определяющую поддерживающую силу. На встречный поток воздуха как бы накладывается циркуляционное движение, огибающее крыло. Интенсивность этого движения определяет подъёмную силу (Y), которая равна произведению плотности воздуха (p) на скорость движения (V) и на циркуляцию вокруг крыла (Г), т.е. Y=p·V·Г.

Возникновение аэродинамики как науки и теории авиации принято считать со времени открытия Жуковским закона о подъёмной силе (1904-1906 гг.).

Талантливым учёным были рассчитаны различные фигуры полёта, в том числе «мёртвая петля». П.Н. Нестеров перед выполнением «мёртвой петли» советовался с ним.

Н.Е. Жуковский занимался проблемами устойчивости и управляемости самолёта, его способности самостоятельно возвращаться из выведенного положения в заданный режим полёта.

С осени 1909 г. он начал читать в Московском высшем техническом училище систематический специальный курс по воздухоплаванию «Теоретические основы воздухоплавания». Это было началом широкой пропаганды авиационных знаний среди учащейся молодёжи, способствовало возникновению авиационной специализации в вузах, обучению лётчиков и инженеров теории авиации. По предложению учёного в 1918 г. был организован Центральный аэрогидродинамический институт (ЦАГИ). Впервые в истории не только отечественной, но и мировой науки Н.Е. Жуковским вместе с его учениками был организован научно-исследовательский институт, который должен был сочетать фундаментальный научный поиск, разработку рекомендаций для конструкторских организаций, конкретное проектирование и постройку самолётов.

В 1919 г. по инициативе Николая Егоровича в Москве был создан авиационный техникум. В сентябре 1920 г. техникум был реорганизован в Институт инженеров Красного Воздушного Флота им. Н.Е. Жуковского. Позднее на его базе была учреждена Военно-воздушная академия (затем Военно-воздушная инженерная академия), носящая имя Н.Е. Жуковского.

Деятельность великого русского учёного, посвятившего свою жизнь исследованию вопросов теории авиации, была очень высоко оценена советским правительством. Специальным постановлением СНК от 3 декабря 1920 г., в котором Н.Е. Жуковский именовался «отцом русской авиации», он был освобождён от обязательного чтения лекций и получил право объявлять курсы более важного научного содержания». Ученому устанавливался месячный оклад. Тем же постановлением учреждалась премия Н.Е. Жуковского за выдающиеся труды в области математики и механики, так же было принято решение об издании трудов учёного.

В конце XIX века вместе с Жуковским начал работать его ученик Сергей Алексеевич Чаплыгин (1869-1942), внёсший серьёзный вклад в российскую школу аэродинамики. В 1897г. он опубликовал работу «О некоторых случаях движения твёрдого тела в жидкости», в которой доказал, что воздух можно рассматривать несжимаемым, если скорость движения предмета в нём выше скорости звука.

В 1902 г. Чаплыгин написал работу «О газовых струях», которую в 1903 г. защитил как докторскую диссертацию. В ней он обосновал законы, управляющие скоростным полётом. Однако она осталась незамеченной. Только через 30 лет, когда авиация стала подходить к скоростям полёта, близким к звуковым, было раскрыто и оценено значение этой работы. Оказалось, что многочисленные попытки изучения газовых потоков, сделанные в это время, были основаны на методах, которые давали меньшие результаты, чем методы Чаплыгина, развитые или ещё в начале столетия.

С.А. Чаплыгин, как и Жуковский, исследовал закономерности обтекания крыла воздушным потоком, что позволило ему внести дополнения в исследования Жуковского и в его формулу подъёмной силы крыла.

В 1940 г. ученики Чаплыгина, исходя из основных положений его диссертации, создали законченную теорию воздушного винта. С.А. Чаплыгина разработал теорию щелевого крыла и сделал ряд открытий, заслуженно создавших ему имя мирового учёного.

Необходимо отметить вклад Константина Эдуардовича Циолковского (1853-1935) в авиационную науку. Талантливый исследователь не получил специального образования, но смог успешно защитить диплом на звание учителя. Свою работу учителем он совмещал с научной деятельностью.

В 1892 г. Циолковский разработал проект дирижабля с металлической оболочкой, научное и техническое обоснование которого было дано в работе «Аэростат металлический управляемый». В 1904г. выдвинул идею постройки аэроплана с металлическим каркасом, который по своему виду и аэродинамической компоновке предвосхищал конструкции самолётов, появившихся через 15-18 лет.

В 1897 г. К.Э. Циолковский построил первую в России аэродинамическую трубу с открытой рабочей частью, а также разработал методику эксперимента в ней. В 1900 г. на субсидию Академии наук сделал продувки простейших моделей и определил коэффициент сопротивления шара, плоской пластинки, цилиндра, конуса и других тел. В 1905 г. он предложил ромбовидный и клиновидный профили крыла для аппаратов со сверхзвуковыми скоростями полёта.

Циолковский много и плодотворно работал над созданием теории полёта реактивных самолётов, изобрёл свою схему газотрубного двигателя. Талантливого исследователя увлекла идея освоения космического пространства. Он стал основоположником новой науки о полётах – ракетодинамики. Циолковский пришёл к решению новых проблем механики тел переменной массы. Им впервые была решена задача посадки космического аппарата на поверхность планет, лишённых атмосферы. В 1926-1929 гг. Циолковский разработал теорию многоступенчатых ракет, он первым решил задачу о движении ракеты в неоднородном поле тяготения и рассмотрел (приближенно) влияние атмосферы на полёт ракеты, а также вычислил необходимые запасы топлива для преодоления сил сопротивления воздушной оболочки Земли.