Так что Н. Е. Жуковскому не пришлось начинать на пустом месте. У него были славные предшественники.
Трудные формулы, без которых еще труднее
Жуковский познакомился с Лилиенталем в 1895 году. Стоя у подножия холма в Гросслихтерфельде, он внимательно следил за всеми движениями парящего, словно птица, спортсмена. Потом Лилиенталь повел российского профессора в специальный ангар, где он держал многочисленные аппараты из ивовых прутьев и парусины — результат долгого наблюдения и инженерного искусства, — и подарил один из них собеседнику. Пусть и в России знают, что человек уже начал покорение воздуха. Скоро он начнет летать свободно и непринужденно, словно птица.
Жуковский принял подарок и по дороге домой долго его рассматривал, время от времени задумчиво покачивая головой. Какие-то не очень веселые мысли одолевали ученого.
— Стоящая громадных денег трехсотсильная машина Максима с ее могучими винтовыми пропеллерами отступает перед скромным ивовым аппаратом немецкого инженера, — сказал он, демонстрируя подарок на одном из заседаний российского Общества любителей естествознания, где было и отделение воздухоплавания. — Потому что первая, несмотря на огромную подъемную силу, не имеет точного управления; вторая же построена на основе опыта и расчетов. Наука позволяет предвидеть будущие неудачи...
У сожалению, ученый несколько преувеличил возможности тогдашних расчетов. Как показала практика, ивовые аппараты все же были еще очень хрупки, чтобы противостоять натиску стихии. Сильный порыв ветра, как мы знаем, сбил Лилиенталя на землю внезапным ударом невидимого воздушного кулака...
Жуковский понимал: стихия потока описана учеными еще недостаточно. Нужно продолжать работу, начатую другими. Нужно объединить законы, ныне еще зачастую порознь описывающие поведение струй воды и потоков воздуха. Надо закладывать фундамент новой, общей науки — гидроаэродинамики.
Н.Е. Жуковский экспериментирует не только с потоками воды, как это делал Бернулли. В 1902 году он сооружает первую в России аэродинамическую трубу. Что ж из того, что эта установка поместилась в лаборатории профессора. Она уже имела все те части, что и нынешние аэродинамические гиганты. (К слову, одна из установок, которую мне довелось видеть в подмосковном городе Жуковском, имеет размеры пятиэтажного дома.)
Вид современной аэродинамической трубы
Итак, первая труба Жуковского представляла собой длинный короб прямоугольного сечения, имевший на одном конце мощный вентилятор, а на другом раструб для всасывания воздуха. Посредине короба сбоку было сделано отверстие, через которое внутрь можно было вводить исследуемый предмет, и оконце для наблюдения. Когда вентилятор начинал работать, воздух по трубе проносился и обтекал твердое тело, как если бы оно неслось в атмосфере с такой же скоростью в неподвижном воздухе.
Схема аэродинамической трубы Жуковского
С помощью этой установки ученый и попытался разобраться в явлениях, которые в свое время интересовали еще гимназиста Жуковского.
Одно из них заключалось в следующем. В юности будущий исследователь, как и многие мальчики, любил запускать воздушных змеев. И еще тогда он обратил внимание, что бумага, даже наклеенная на каркас, под напором ветра непременно выгибается горбом, подобно тому как это делает парус на мачте корабля. Но с парусом все понятно — его заставляет выгибаться кинетическая сила дующего ветра. А вот со змеем деле несколько сложнее.
Чтобы он устойчиво стоял в воздухе, его плоскость должна быть не только выгнута, но еще и расположена под некоторым углом к набегающему потоку. Зачем?
Второй опыт и того проще. Если взять полоску плотной бумаги, поднять ее на уровень собственного роста и выпустить из рук, она очень часто падает вниз, быстро крутясь вокруг продольной оси. Причем падение ее не будет отвесным: какая-то неведомая сила непременно относит вращающуюся полоску в сторону. Какая именно?
Еще вопрос из окружающей жизни. Всем известно, что при порыве ветра зонтик, чтобы его не вывернуло, не поломало, нужно направлять навстречу воздушному потоку, а еще лучше — сразу сложить. Но при какой форме парусность того или иного тела при одинаковой площади будет наибольшей? А при какой наименьшей?
В общем, вопросам несть числа. И вскоре Николай Егорович понимает: чтобы ответить на них, одной трубы в его лаборатории маловато. Нужна более солидная экспериментальная база. Но где взять денег на ее строительство?
И тут ему повезло, если хотите. Один из его студентов, происходивших из известной семьи купцов и предпринимателей Рябушинских, получил большое наследство. И не пожалел выделить из него 100 тыс. рублей — весьма солидную по тем временам сумму — на строительство Аэродинамического института в Кучине. Теперь профессор мог вести исследования уже не в одиночку, а с целым штатом сотрудников. Еще больше появляется добровольных помощников — из числа тех же студентов.
Вот так, всеобщими усилиями, и было выяснено, что шар обладает меньшим сопротивлением, чем куб, а чемпионом обтекаемости является веретено... Что если пластинку поставить под углом к набегаемому потоку, то часть воздушной струи отклонится вниз, подталкивая, согласно закону Ньютона, саму пластинку вверх. Что эта подъемная сила многократно увеличится, если пластинку изогнуть «горбом» кверху, а еще лучше — придать ей особую форму; поперечное сечение такой пластинки становится очень похоже на тело рыбы. И примерно такое же сечение должно иметь лопасти пропеллера, вращающегося в воздушном потоке...
А главное, все эти наблюдения тут же описывались языком формул, учитывающих и удельный вес воздуха, и скорость потока, и площадь пластины... Аэродинамика становилась точной наукой.
Постулаты Чаплыгина
Не надо думать, что на то время, пока ученые размышляют в тиши кабинетов и лабораторий над той или иной проблемой, жизнь в округе замирает. Пока Жуковский разрабатывал основы теории аэродинамики, конструкторы на свой страх и риск, по собственному разумению продолжали строить аэропланы. «Фарманы», «блерио» и другие аппараты, называемые зачастую по фамилии их конструкторов, один за другим продолжают подниматься в небо. И... падать, порою по непонятным для конструктора причинам.
И потому, когда появлялась та или иная научная подсказка, она тут же проверялась на практике. «Статьи прямо-таки рвут из рук», — иногда жаловался Жуковский. Хорошо еще, что появились способные ученики, с которыми можно обсудить те или иные идеи, выявить возможные ошибки исследования раньше, чем его результаты появятся в печати.
Одним из любимых учеников Жуковского был Сергей Алексеевич Чаплыгин, сочетавший в себе острый ум математика с практической сметкой конструктора. И его подход — «рыть туннель быстрее всего с двух концов» — зачастую приносил успех раньше, чем любой другой.
Когда Чаплыгин познакомился с работой Жуковского «О присоединенных вихрях», он тут же обратил внимание на огромные математические трудности, которые ждали каждого, кто хотел бы подсчитать циркуляцию скорости этих самых вихрей вокруг реального крыла. Получался как бы замкнутый круг: чтобы спроектировать хорошее крыло, нужно знать распределение скоростей обтекания вокруг него; узнать же эти скорости проще всего оказывалось, продув в трубе уже готовое крыло...
Чаплыгин предложил поступить так. Во-первых, создать в результате продувок некий типовой набор профилей для крыльев того или иного размера, скорости полета и т. д. и рекомендовать их конструкторам в качестве основы. А с другой стороны, постарался максимально упростить математический аппарат расчетов, приспособив их для конкретных нужд конструктора. Благодаря такому подходу к 1911 году идея создания самолета, способного подняться в воздух, перестала быть неким чудом.
Более того, Чаплыгин сумел рассчитать и те ограничения скорости, угла атаки, нарушать которые было уже опасно: самолет переставал лететь, а начинал просто падать.
Профиль крыла и картина его обтекания воздушным потоком при резных условиях
А на практике порой случалось так. Очередной «фарман» заходит на посадку. Летчик снижает обороты двигателя, скорость полета уменьшается, летательный аппарат начинает проваливаться вниз. Стремясь удержать машину, летчик «брал ручку на себя», то есть с помощью рычага управления задирал нос самолета, подставляя его крылья под большим углом к потоку (именно этот угол и называется углом атаки). Самолет действительно даже как бы приподнимался, словно взбираясь на крутую горку. А потом вдруг сваливался на хвост, как катится назад неумелый лыжник, взбирающийся на подъем.
