Начальный этап развития летательных аппаратов тяжелее воздуха с фиксированным крылом: Конец XVIII - первое десятилетие XX вв. тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 07.00.10, кандидат исторических наук Тихомиров, Дмитрий Михайлович

• Тихомиров, Дмитрий Михайлович
• кандидат исторических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат исторических наук Тихомиров, Дмитрий Михайлович

Введение.

Глава 1. Предпосылки формирования научных основ проектирования летательных аппаратов.

1.1. Генезис концепции крылатого летательного аппарата тяжелее воздуха: орнитоптеры-мускулолеты.

1.2. Развитие идеи летательного аппарата с фиксированным крылом.

1.3. Формирование концептуальных основ крылатого летательного аппарата с вращающимися несущими плоскостями.

Глава 2. Поиск методов и средств обеспечения устойчивости и управляемости летательных аппаратов тяжелее воздуха с фиксированным крылом.

2.1. Начало научного этапа в развитии самолета.

2.2. Развитие исследований с летающими моделями во второй половине XIX столетия.

2.3. Роль планера в изучении принципов обеспечения устойчивости и управляемости.

2.4. Вклад Эдварда Чалмерса Хуффэкера в развитие авиации.

Глава 3. Начало экспериментальных аэродинамических исследований.

3.1. Динамика становления теории сопротивления среды.

3.2. Роль теоретических и экспериментальных аэродинамических исследований в формировании основ авиационной науки.

3.3. Зарождение аэродинамики.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Начальный этап развития летательных аппаратов тяжелее воздуха с фиксированным крылом: Конец XVIII - первое десятилетие XX вв.»

Актуальность темы исследования.

Начальный этап развития авиации хранит богатый опыт и знания и представляет собой большую историческую и практическую ценность, т.к. именно в этот период были заложены теоретические и экспериментальные основы, которые в дальнейшем способствовали успешному развитию летательных аппаратов (JIA). Сейчас можно с уверенностью утверждать, что самолетостроение представляет собой одно из самых молодых и наиболее сложных и динамичных направлений в развитии техники. В конструкции са-Ф молетов всегда воплощались новейшие достижения научно-технической мысли. Никакой другой вид транспортной техники не характеризуется такими стремительными темпами развития.

Все это объясняет большой интерес к истории развития самолетов, и в частности, к ее начальному этапу, который охватывает около ста лет.

Изучение начального этапа позволяет обобщить богатый опыт, накопленный исследователями различных стран, выявить главные вопросы и проблемы, которые ставились и решались в этот период, извлечь уроки, понять тенденции и направления развития исследовательской и практической деятельности ученых и изобретателей по созданию JIA тяжелее воздуха.

Часто творцами летательных машин были совершенно неизвестные в научном мире люди, практики, новаторы свого дела. Разрушая старые традиции и убеждения, они смело вели научный поиск, вступая в противоречие с данными официальной науки. Их взаимное сотрудничество с видными авиационными деятелями своего времени позволило создать замечательные образцы инженерного искусства. Однако их деятельность остается малоизученной и теряется в тени более маститых предшественников.

В настоящее время, в разных странах, по данной области исследования накоплено большое количество материалов. Множество исторически ценных • рукописей, статей, патентов, газет, журналов, архивов переведено в электронный вид и стало доступным широкому кругу исследователей. Однако весь этот материал носит разрозненный характер. Его изучение и систематизация позволят глубже исследовать начальный этап создания самолета.

Еще одной причиной обращения к теме данного диссертационного исследования послужило современное состояние гражданской авиации России, переживающей не простой этап своего развития. Россия, традиционно считавшая себя мировой аэрокосмической державой, в настоящее время потеряла часть важнейших позиций в авиационном производстве и может столкнуться с реальной перспективой утраты научно-технической базы авиастроения и рынков авиаперевозок.

Гигантский производственный механизм из-за десятилетнего простоя 1990-х годов, связанного с экономическими переменами и переходом от государственной к частной и акционерной собственности, был разрегулирован и частично разукомплектован. Чтобы запустить сегодня в серийное производство новый тип авиационной техники потребуются большие инвестиции и длительное время. Тем не менее, потенциал авиационной отрасли России велик, однако его реализация - сложная задача, результат которой, по мнению большинства специалистов, зависит во многом от действий государства, его политической воли.

Некоторые схожие аспекты данной ситуации можно обнаружить и на начальном этапе развития самолетов. Причиной сравнительно позднего развития авиации в царской России был не недостаток трудолюбивых и талантливых людей, а отсутствие необходимой помощи со стороны правительства изобретателям летательных аппаратов, что тормозило их деятельность. Поэтому взгляд в прошлое позволит еще раз указать на важность государственной поддержки в области развития авиации и является актуальным в свете выработки правильной и современной политической и экономической концепции развития авиационной отрасли.

Степень научной разработанности проблемы.

История создания самолета привлекала и привлекает внимание отечест-^ венных и зарубежных исследователей. Однако менее исследованным является начальный этап развития летательных аппаратов тяжелее воздуха с фиксированным крылом.

В историографии данной проблемы можно выделить три периода. Первый период охватывает время со второй половины XIX в. по первую треть XX в. Он включает в себя работы современников изучаемого периода: С.П. Ленгли, Н.А. Арендта, Ф. Фербера, А. Форрейтера, М.А. Франка, А.В. Эвальда и др. Их труды были основаны главным образом на эмпириче-® ских знаниях, полученных самими авторами и другими исследователями1. л

Книга О. Шанюта является одной из наиболее интересных публикаций данного периода. В ней ученый рассмотрел практически все основные вопросы создания самолета и обобщил имевшиеся тогда сведения о летательных аппаратах тяжелее воздуха. Однако в его работе нет информации об исследованиях и деятельности русских ученых и изобретателей.

Среди публикаций конца XIX в. начала XX в. особо следует выделить работы российских ученых Д.И. Менделеева и Н.Е. Жуковского. Дмитрий Иванович Менделеев не только дал глубокий критический анализ существовавших теорий сопротивления, но и высказал весьма важные положения о ф механизме сопротивления движению тел в жидкости и воздухе3. В изданном в

1912 г. курсе лекций Н.Е. Жуковский уделял большое внимание экспериментальным аэродинамическим исследованиям, проводившимся в различных

1 Langley S.P. Story of experiments in mechanical flight // http://invention.psvchology.msstate.edu; Арендт Н.А. К вопросу о воздухоплавании // Знание. - 1874. №9;

Арендт Н.А. О воздухоплавании, основанном на парении птиц. - Симферополь, 1888;

Фербер Ф. Авиация, ее начало и развитие. - Киев, 1910;

Форрейтер А. Аэропланы, критика различных конструкций. - Спб., 1910;

Франк М.А. Воздухоплавание. - М., 1911;

Эвальд А.В. История воздухоплавания и его настоящее положение//3аписки PTO. - 1883, вып.2. гл.11.

2 Chanute О. Progress in Flying Machines. - New York, 1894. http://invention.psvchology.msstate.edu/inventors.

3 Менделеев Д.И. О сопротивлении жидкостей и воздухоплавании. // СПб. 1880. странах, а также рассматривал вопросы обеспечения устойчивости и управляемости4.

Ф Ко второму периоду относятся публикации с середины XX в. по начало

1980-х годов. Они посвящены анализу, как общих проблем истории авиации, так и отдельным вопросам развития основных направлений авиационной науки: аэродинамики, динамики полета, устойчивости и управляемости. Однако большая часть этих работ либо вообще не рассматривает историю развития изучаемых проблем, либо представляет лишь краткий исторический обзор5.

Следует отметить исследования Ю.И. Новокшенова, Р.И. Виноградова и А.В. Минаева, B.C. Пышнова, Е.В. Ольмана, в которых затронуты истори-® ческие аспекты развития исследований по устойчивости и управляемости летательных аппаратов в различные периоды развития авиации6. В работе Ю.И. Новокшенова показана эволюция методов расчета устойчивости и управляемости, произведен количественный анализ функционального совершенства некоторых планеров конца XIX в.

Наиболее интересные сведения о начальном этапе развития теоретической и экспериментальной аэродинамики представлены в исследовании Н.М. Меркуловой . Главная ценность проделанной Н.М. Меркуловой работы заключается в том, что она детально проанализировала литературу, опубликованную по изучаемой проблеме, и определила основные тенденции и на-# правления развития экспериментальных аэродинамических исследований крыльев самолетов в начальный период. Ценность этой работы определяется так же и тем, что в ней использовано многочисленное количество первоисточников, материалов фондов отечественных государственных архивов, а также труды зарубежных исследователей.

4 Жуковский Н.Е. Теоретические основы воздухоплавания//Лекции, 1912.

5 Аржаников Н.С., Мальцев В.Н. Аэродинамика. - М., изд.2., 1956.

6 Новокшонов Ю.И. Развитие исследований и методов расчета устойчивости и управляемости самолетов (к анализу процесса передачи функций человека техническим средствам): Дис.канд. тех. наук. М.,1969;

Виноградов Р. И. Минаев А. В. Краткий очерк развития самолетов в СССР. - М.,1956;

Пышнов B.C. Устойчивость и управляемость самолета. - М.: ВВИА им. проф. Н.Е.Жуковского, 1953; а Ольман Е.В., Соловьев Я.И., Токарев В.П. Автопилоты. - М., 1946.

7 Меркулова Н.М. Развитие экспериментальных аэродинамических исследований крыльев самолетов: Дис. . канд. тех. наук. М.,1962.

В 1940-х годах вышла в свет книга В.А. Попова, в которой были обобщены материалы по истории отечественного воздухоплавания и авиации до первой мировой войны 1914-1918 гг. В книге дан анализ социально-экономических условий, в которых протекала деятельность отечественных ученых, конструкторов и изобретателей, и убедительно показана прямая зависимость развития воздухоплавания и авиации в России от общего технико-экономического уровня страны8.

Из наиболее значимых зарубежных публикаций необходимо отметить работы, изданные ведущим английским историком авиации Ч. Гиббс-Смитом, который в 1950-х- 1960-х гг., работая в Музее Науки в Лондоне, ввел в научный оборот объемный массив новых архивных материалов. В своих работах он уделил основное внимание изучению начального этапа развития летательных аппаратов, а также деятельности Д. Кейли, Леонардо да Винчи и других пионеров авиации9. Однако в его трудах практически нет никакой информации о достижениях русских ученых и изобретателей. >

К третьему периоду относятся работы современных исследователей10, опубликованные с конца 1980-х годов по настоящее время, среди которых следует выделить труды Д.А. Соболева. Он основательно обобщил материалы по отдельным вопросам авиации, дал подробный и достоверный анализ истории технического развития самолета, с объективных позиций показал вклад многих стран в эволюцию авиационной техники. В своих трудах помимо самолетов "классической" схемы он подробно рассматривает развитие самолетов нетрадиционных схем, таких как "бесхвостка" (и ее дальнейшее развитие

8 Попов В.А. История воздухоплавания и авиации в СССР. - М.: Оборонгиз, 1944.

9 Gibbs-Smith С. A history of flying. - London, 1953;

Gibbs-Smith С. Aviation. An historical survey from its origins to the end of World War II. - London, 1970; Gibbs-Smith C.H. Sir George Cayley's Aeronautics 1796-1855.-London, 1962; Gibbs-Smith C. Leonardo da Vinci's aeronautics. - London, 1967;

Gibbs-Smith C. The aeroplane. An historical survey of its origins and development. - London, 1960; Gibbs-Smith C. A directory and nomenclature of the first aeroplanes 1809 to 1909. - London, 1966; Gibbs-Smith C. Clement Ader His flight-claims and his place in history. - London, 1968.

10 Ульянин Ю.А. Пионер русской авиации. - M.: Пик, 2001; Михеев В. Р. Рождение вертолета. - М.: МАИ, 1993;

Дузь П.Д. История воздухоплавания и авиации в России. - М.: Воздушный транспорт, 1989.

- "летающее крыло") и "утка"11, а также деятельность отечественных и зару

19 бежных исследователей .

Книга Д.А. Соболева "История самолетов. Начальный период" является наиболее полным в отечественной и мировой литературе исследованием истории начального этапа развития самолетов мира, начиная с момента зарождения идеи полета вплоть до окончания первой мировой войны13. Одним из несомненных достоинств этой книги, как и других его работ, является широкое использование материалов отечественных и целого ряда зарубежных архивов, что позволило автору обогатить свое исследование уникальными историческими документами и фактами, фотографиями первых летательных аппаратов, а также подробно проследить историю появления самолетов в США, Германии, Франции и других странах.

Анализ историографии позволяет сделать вывод о том, что многие из отечественных и изданных за границей трудов односторонне освещают вопрос начального этапа развития авиации, и, как правило, носят общий характер. Ни один из авторов не определяет границы начального этапа; не показывает предпосылки формирования научных основ проектирования ДА; не рассматривает в достаточном объеме основные проблемы начального этапа развития летательных аппаратов с фиксированным крылом, а так же пути и способы их решения. Изданная за рубежом литература во многих случаях страдает недостаточной объективностью, превознося заслуги своих ученых. В ней зачастую забывают упоминать о достижениях исследователей других стран, в том числе и России.

Объект диссертационного исследования - история становления и развития концепции летательного аппарата тяжелее воздуха с фиксированным крылом.

11 Соболев Д.А. Столетняя история "Летающего крыла". - М.:РУСАВИА, 1998; Соболев Д.А. Самолеты особых схем. - М.: Машиностроение, 1985.

12 Соболев Д.А., Хазанов Д.Б. Немецкий след в истории отечественной авиации. - М.: Русавиа, 2000; Соболев Д.А. Наши соотечественники в зарубежном авиастроении. - М.: Либри, 1996.

13 Соболев Д. А. История самолетов. Начальный период. - М.: РОССПЭН, 1995.

Предметом настоящего исследования является начальный этап развития летательных аппаратов тяжелее воздуха с фиксированным крылом.

Цель диссертационного исследования состоит в выявлении на основе исторического и технического анализа содержания и динамики научных исследований по созданию самолета в начальный период.

Для достижения этой цели предлагается последовательное решение следующих задач:

• обобщить и систематизировать обширный архивный и историко-научный материал о начальном этапе развития летательных аппаратов тяжелее воздуха с фиксированным крылом;

• определить временные границы начального этапа развития самолета;

• изучить предпосылки формирования научных основ проектирования летательных аппаратов тяжелее воздуха и выделить ведущие направления исследований;

• на основе анализа архивных материалов и научных публикаций выявить основные проблемы, возникшие на начальном этапе развития ДА с фиксированным крылом, а также пути и способы их решения;

• дать исторический анализ неизвестным ранее фактам, которые представляют научную и историческую ценность для изучения начального этапа развития самолета.

Хронологические рамки исследуемой проблемы охватывают период с конца XVIII в. по первое десятилетие XX в.

Теоретико-методологическая основа исследования определяется целью и задачами диссертации. Теоретическую основу составили положения и выводы исторических и научно-технических работ, посвященных рассмотрению проблем создания самолета в начальный период. Методологической основой диссертационной работы послужили принципы историзма, научности и объективности. Сложность и многоаспектность исследуемой проблемы потребовали комплексного, историко-технического анализа, позволившего раскрыть исторические предпосылки и технические аспекты содержания и динамики научных исследований по созданию летательных аппаратов тяжелее воздуха с фиксированным крылом.

В данной работе применяется сравнительно-исторический метод в целях анализа первоисточников, а также сопоставления направлений и уровня исследований в изучаемый период. Кроме того, использован ряд общелогических методов: анализ и синтез, восхождение от абстрактного к конкретному, сочетание логического, исторического и технического анализа.

Источниковая база исследования.

Использованные в диссертации источники делятся на следующие группы: материалы архивов; фонды научного мемориального музея; научно-исследовательские работы, патенты отечественных и зарубежных авторов изучаемого периода; мемуарная литература; переписка; материалы периодических изданий.

Основополагающее значение для изучения темы имели архивные материалы. Автор стремился вовлечь в поле исследования в первую очередь документы, которые содержат новую научную информацию. Изучены фонды Российского Государственного военно-исторического архива (РГВИА): (ф.401) военно-учетного комитета (1804-1903 гг.); (ф.802) главного военно-технического управления (1859-1923 гг.); (ф.803) инженерного комитета главного военно-технического управления (1860-1917 гг.); (ф.808) комиссии по применению воздухоплавания к военным целям главного инженерного управления (1871-1891 гг.).

Всего изучено и проанализировано более 1000 единиц хранения. В них представлены документы, касающиеся различных проблем становления авиации в России, проекты летательных аппаратов, содержатся сведения о деятельности российских ученых и изобретателей по созданию самолетов в начальный период.

Ценная информация о деятельности американских конструкторов (Э.Ч. Хуффэкер, бр. Райт и др.) получена из материалов архива Смитсониан-Ф ского университета.

Архивные материалы дали возможность определить содержание основных направлений исследований в процессе создания первых проектов J1A тяжелее воздуха и формировании научной концепции самолета.

Следующую группу источников составляют фонды научно-мемориального музея Н.Е. Жуковского, в которых имеются ценные данные о планерных экспериментах С.С. Неждановского, и опубликованные сборники архивных документов14. ® Особой группой первоисточников являются работы отечественных и зарубежных авторов изучаемого периода (Д. Кейли, К.Э. Циолковского, X. Максима, О. Лилиенталя и др.) и патенты, в которых представлены первые проекты летательных аппаратов и рассматриваются основные вопросы, связанные с разрешением проблемы полета.

В мемуарной литературе, прежде всего, в воспоминаниях академика Л.С. Лейбензона о Н.Е. Жуковском содержатся ценные сведения по проблемам становления аэродинамики как науки и деятельности Жуковского в этом направлении.

Важным источником для исследования является переписка братьев Райт # с О. Шанютом, Э.Ч. Хуффэкера с С.П. Ленгли и других исследователей, которая помогает составить объективное представление о подготовке первого полета самолета.

В процессе работы над диссертацией изучались как отечественные, так и зарубежные периодические издания, издававшиеся в изучаемый период: журналы ("Записки русского технического общества", "Инженерный журнал", "Scientific American", "Aeronautical Journal" и др.) и газеты (The Chicago Tribune, The Chicago Times-herald, The Chicago Record и др.). В них представ

14 Воздухоплавание и авиации в России до 1907 г. Сборник документов и материалов / под. ред. В.А.Попова. -М., 1956. лены исторически ценные материалы и факты, раскрывающие различные стороны деятельности и творчества ученых и изобретателей, занимавшихся проблемами создания летательных аппаратов.

Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:

• в диссертации впервые вводятся в научный оборот материалы и документы, не публиковавшиеся ранее и представляющие большую ценность для исследования избранной темы15;

• определены хронологические рамки начального этапа развития JIA тяжелее воздуха с фиксированным крылом;

• выявлены и изучены предпосылки формирования научных основ проектирования самолетов; выделены три направления исследований в развитии идеи крылатого ДА тяжелее воздуха;

• впервые изучена история становления концепции летательного аппарата тяжелее воздуха с фиксированным крылом;

• определены основные проблемы, возникшие в рассматриваемый период и сдерживавшие появление первых самолетов; рассмотрены пути и способы их решения;

• показан вклад экспериментатора и изобретателя Э.Ч. Хуффэкера в создание самолета. Следует подчеркнуть, что в современной отечественной историографии не уделяется внимания вкладу этого талантливого исследователя в развитие авиации, что является существенным пробелом в создании логической концепции исторического развития авиационной техники.

Основные положения, выносимые на защиту.

• В результате проведенного исследования было выявлено, что начальный этап развития ДА тяжелее воздуха с фиксированным крылом охватывает период с конца XVIII по начало XX вв. Начальная граница характеризуется становлением научного подхода

15 При этом необходимо отметить, что перевод некоторых документов с иностранных языков осуществлен в данной работе с сохранением стилистических особенностей языка, присущих эпохе оригинала. к проектированию летательных аппаратов тяжелее воздуха, который был заложен английским ученым Д. Кейли. Конечная граница определяется началом систематических научных исследований аэродинамических свойств крыла и методов обеспечения устойчивости и управляемости ДА тяжелее воздуха, становлением аэродинамики как науки.

Начальному этапу предшествовал период, в течение которого были заложены предпосылки формирования научных основ проектирования JIA тяжелее воздуха, выделено три направления развития идеи крылатого летательного аппарата: машущее крыло, фиксированное крыло и вращающиеся несущие плоскости. Главной проблемой на пути реализации пилотируемого полета вплоть до конца XVIII в. являлось отсутствие развитых научных связей и научного подхода к проектированию самолета, что не позволяло накапливать опыт создания JIA тяжелее воздуха. Многие конструктивные идеи в то время были получены из наблюдений за полетами птиц или заимствованы в различных областях техники. Начальный этап ознаменовался становлением научного подхода к решению задачи полета. В этот период произошел переход от метода копирования природы к научно-экспериментальному методу проектирования летательных аппаратов. Основными проблемами, препятствовавшими осуществлению полета на ДА тяжелее воздуха, были: 1) отсутствие знаний о методах и средствах обеспечения устойчивости и управляемости ДА тяжелее воздуха с фиксированным крылом; 2) необходимость решения задачи о возникновении аэродинамической подъемной силы, определение ее количественных и качественных характеристик. Эдвард Чалмерс Хуффэкер был одним из первых в США, кто применил принцип Бернулли для объяснения причины возникновения подъемной силы. Сотрудничество Э.Ч. Хуффэкера с С.П. Ленгли, О. Шанютом и братьями Райт создало предпосылки для осуществления первого в мире полета на моторном летательном аппарате тяжелее воздуха с фиксированным крылом.

Теоретическая и практическая значимость диссертационной работы заключаются в том, что основные ее идеи и выводы дополняют теоретические разработки по проблемам исследования начального этапа развития летательных аппаратов тяжелее воздуха с фиксированным крылом.

Материалы диссертации могут быть использованы для дальнейших исследований по проблемам истории становления и развития аэродинамики, создания самолета, зарождения авиации.

Практическая значимость работы заключается в возможности использования ее основных положений при написании учебных пособий, чтении курсов и спецкурсов в авиационных высших и средних учебных заведениях по истории авиации, истории науки и техники, введению в специальность.

Апробация результатов исследования.

Основные положения диссертации были доложены автором на следующих научных конференциях:

• Всероссийской научно-технической конференции "Новые материалы и технологии НМТ-2002" (2002 г., Москва);

• Второй региональной межвузовской научной конференции (2002 г., Москва);

• Всероссийской научной конференции "Мир науки и искусства" (2003 г., Иркутск);

• Международной молодежной научной конференции "XXIX Гага-ринские чтения" 2003 г., Москва);

• Международной научно-технической конференции "Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества" (2003 г., Москва).

Диссертация обсуждена на кафедре гуманитарных и социально-политических наук Московского государственного технического университета гражданской авиации.

По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ общих объемом 5,7 п.л.

Структура и основное содержание диссертаций.

Структура и объем работы определяются задачами и логикой диссертационного исследования, состоящего из введения, трех глав, заключения, приложения и библиографии.

Заключение диссертации по теме «История науки и техники», Тихомиров, Дмитрий Михайлович

Основные выводы этой работы и результаты аэродинамических исследований Циолковского помогли ему в разработке рациональной схемы летательного аппарата и в создании основ его аэродинамического расчета [112].

Работы по теории аэроплана и дирижабля со всей очевидностью показали Циолковскому, что серьезным тормозом дальнейшего развития теории является почти полное отсутствие сколько-нибудь надежных, проверенных опытом данных о сопротивлении среды.

В 1897 г. Циолковский построил свою первую аэродинамическую трубу открытого типа. Результаты своих исследований в аэродинамической трубе Циолковский опубликовал в 1898 г. в исторической статье "Давление воздуха на поверхности, введенные в искусственный воздушный поток" [113], которая положила начало современной экспериментальной аэродинамике. В этой работе Циолковский впервые в истории науки выполнил при помощи оригинальных приборов и оригинальной методики опыта систематическое экспериментальное исследование лобового сопротивления и подъемной силы тел разной геометрической формы, в том числе моделей крыльев и корпусов дирижаблей. Из опытов с квадратной пластинкой он получил, что полная сила изменяется пропорционально а только при а<15°, затем при увеличении а до 20° несколько быстрее, а далее медленнее, достигая максимума при а=50°.

В результате этого исследования ученым был установлен ряд важнейших законов аэродинамики, относящихся к влиянию геометрических параметров тела и критериев динамического подобия на сопротивление среды (влияние продолговатости тела вращения на его сопротивление, влияние удлинения крыла на его аэродинамические характеристики, зависимость силы трения от размеров поверхности тела и скорости потока и многие другие).

Несмотря на несовершенство аэродинамической трубы, малые скорости потока и утомительный труд, сопряженный с опытами, Циолковский сумел с поразительной точностью определить такую малую величину, какой является сила трения воздуха о поверхность модели, и сумел установить основные закономерности которым она следует [113].

Экспериментальное искусство Циолковского и его интуиция сказались и в обработке опытов. Выбрав степенные законы для зависимости силы трения от скорости потока и размеров модели, он установил, что в формулу для коэффициента трения скорость и размер модели входят с одним и тем же показателем степени, как это и должно быть согласно теории динамического подобия.

Следует отметить, что известный английский исследователь В. Фруд, экспериментировавший в лучших условиях, чем Циолковский, пришел к выводам относительно силы трения при движении в воде, противоречащим теории подобия.

В последнем десятилетии, с целью исследования условий обтекания различных тел, получили распространение опыты по определению гидро- и аэродинамических спектров: JI. Мах в Австрии (1893 г.), Э. Марей во Франции (1899 г.), Г. Уэлнер (1902 г.) и др. Эти спектры получались в аэродинамических трубах и специальных приспособлениях с помощью подкрашенной жидкости, смешанного с дымом воздуха, шелковых нитей, блесток.

Рассмотрение гидро- и аэродинамических спектров позволило подтвердить теоретические выводы о том, что при больших углах атаки и угле атаки равном 90° спереди пластинки существует стройный поток без разрывов и без вихрей, и частицы жидкости доходят до самой пластинки, на которой в определенном месте получается критическая точка со скоростью, равной нулю. К потоку, натекающему на пластинку, за пластинкой присоединяется другой поток, совсем иного характера, с направлением струй несоответствующим направлению главного потока: частицы в нем по отношению к пластинке движутся по замкнутым линиям, вследствие чего сзади пластинки образуется вихревое кольцо из одних и тех же частиц (Приложение 3, рис.ЗЛОа).

Так же было установлено, что точка раздела потоков при а=90° находится в центре пластинки, а при уменьшении угла атаки от 90° до 0° перемещается по направлению к переднему краю пластинки (Марей) (Приложение 3, рис.3.106). Вихри сзади пластинки изменяют свое положение: вихрь переднего края сдвигается назад, а вихрь заднего края - вперед. При очень малых углах наклона к направлению потока вихревые массы полностью пропадают.

Были получены спектры обтекания нескольких расположенных вертикально одна над другой наклонных пластинок. Из рисунка З.Юв (Приложение 3) видно, что нижнее крыло обтекается более плавно, чем верхнее, над выпуклой стороной верхней пластинки образуются вихри более энергичные и определенные, чем над нижней пластинкой. Благодаря этому верхняя пластинка держит несколько большую нагрузку на единицу поверхности, чем нижняя.

В первой половине XIX в. английский ученый Д. Кейли разработал теоретические основы полета на примере полета птиц. Он разложил силу, действующую на крыло летательного аппарата, на две составляющие: одну перпендикулярную направлению движения и уравновешивающую вес аппарата - подъемную силу, другую параллельную направлению движения - силу сопротивления, которая преодолевается тягой двигателя. Кейли использовал модели планеров и ротативную машину для проведения аэродинамических экспериментов. Это были первые аэродинамические эксперименты направленные на разрешение проблем авиации. Он предположил, что изогнутая поверхность создает большую подъемную силу, чем плоская, а также указывал на наличие зоны разряжения на верхней поверхности крыла. Однако сама идея полета на летательных аппаратах тяжелее воздуха была неясной и совершенно утопической, поэтому, выводы ученого попали на неподготовленную почву и дали плодов.

Основные экспериментальные исследования по аэродинамике развернулись во второй половине XIX в. когда во многих странах были созданы первые научные общества, которые способствовали дальнейшему развитию работ по экспериментальной аэродинамике. Основным способом определения величины аэродинамических сил, действующих на крыло, были опыты с пластинками.

Опытные данные об аэродинамических свойствах крыла, полученные в XIX в., были крайне бессистемны и разрозненны. Однако уже на основе этих первых опытных данных были сделаны первые важные выводы. В середине XIX в. было установлено, что плоское крыло создает подъемную силу в несколько раз большую, чем сопротивление при небольших углах атаки. Многими исследователями высказывалась мысль о преимуществе вогнутых пластинок перед плоским, которая была доказана в последней трети XIX в. Ли-лиенталем, Филлипсом, Черновым и др. Значительное влияние удлинения на аэродинамические характеристики пластинок было доказано теоретическими и практическими исследованиями К.Э. Циолковского, С.П. Ленгли. Также были получены некоторые данные о перемещении центра давления при изменении угла атаки.

Впервые русскими учеными Черновым и Федоровым было указано на целесообразность применения разрезных крыльев. Позже эта же идея была высказана за рубежом (Филлипс, Максим).

В результате своих экспериментов многими учеными были выведены формулы для определения полной аэродинамической силы. Большая часть исследователей склонялась к тому, что полная аэродинамическая сила пропорциональна sin а и квадрату скорости.

В результате развития идеи вогнутого крыла, исследователи пришли к выводу, что подъемная сила образуется вследствие создания разряжения на верхней поверхности крыла и давления на нижней (Лилиентль, Чернов, Фил-липс и др.).

В начале 90-х годов Н.Е. Жуковский проводил эксперименты по исследованию механизма взаимодействия вращательного и поступательного движений. Он считал, что причиной возникновения подъемной силы является некое вихревое движение.

В это же время К.Э. Циолковский посвятил много работ аэродинамическим исследованиям. В своей работе "Аэроплан или (авиационная) птицеподобная летательная машина" он впервые изложил элементы аэродинамического расчета самолета.

Использование результатов аэродинамических исследований над пластинками хорошо прослеживается в проектах самолетов многих исследователей (А.Ф. Можайского, X. Максима, К.Э. Циолковского и др.), в которых предлагалось применение удлиненных и, во многих случаях, вогнутых крыльев.

К концу XIX в. уже были получены некоторые данные о влиянии угла атаки и геометрических характеристик пластинок на аэродинамические силы. Однако в связи с разными условиями проведения экспериментов, значения опытных данных у разных исследователей отличались друг от друга. Поэтому в последнем десятилетии XIX в. многие исследователи начинают проводить свои эксперименты в аэродинамических трубах, которые в дальнейшем получили большое развитие.

Необходимо отметить, что в это время стали появляться эксперименты по исследованию аэрогидродинамических спектров обтекания тел. Были получены спектры обтекания плоской и изогнутой пластинок, а также нескольких расположенных вертикально одна над другой наклонных пластинок. Этот метод исследования обладал хорошей наглядность и получил дальнейшее распространение в конце первого десятилетия XX в.

Несмотря на все эти достижения и разрозненные результаты опытов, по-прежнему оставалась необходимость в глубоком изучении аэродинамических сил действующих на летательный аппарат. Помимо этого оставался не выясненным вопрос о причинах появления подъемной силы, и не была найдена точная формула для ее определения.

3.3. Зарождение аэродинамики

В конце XIX начале XX вв. особенно остро стала ощущаться необходимость научного объяснения механизма возникновения подъемной силы крыла, рождавшихся в эти годы летательных аппаратов. Эта проблема привлекла внимание многих ученых в Европе и Америке, понимавших необходимость вооружить создателей планеров, а затем и конструкторов аэропланов данными для рациональной конструкции летательных аппаратов. В это время появляются наиболее полные экспериментальные исследования аэродинамических свойств плоских и особенно изогнутых пластинок.

Эксперименты с пластинками начала XX в. проводились по-прежнему различными методами, однако все больше исследователей склонялись к проведению испытаний в аэродинамической трубе. Начало таким исследованиям в России было положено К.Э. Циолковским.

При материальной поддержке Академии наук весь 1900 г. Циолковский занимался постройкой новой аэродинамической трубы, значительно больших размеров, чем первая (8^=0,44 м ). Здесь он впервые применил решетку, состоящую из ориентируемых перегородок для создания равномерного и имеющего везде одинаковое направление воздушного потока. Для того чтобы исключить влияние границ потока, он испытывал модели, поперечные размеры которых были в 15 раз меньше поперечных размеров струи. В 19001901 гг. он провел большую программу экспериментов с плоскими и вогнутыми пластинками и в декабре 1901 года представил в Академию отчет о сделанных опытах, состоящий из 80 писчих листов текста и 58 таблиц и чертежей [60].

В отчете, так и не изданном в дореволюционной России, были изложены следующие важнейшие соотношения, установленные Циолковским [60]: экспериментально подтвержденная зависимость силы давления на пластинку от ее удлинения: Y=A+BlogwX, где F-сопротивление, А и В - постоянные, Х- удлинение; предложена формула для вычисления зависимости полной аэродинамической силы, действующей на плоскую пластинку, при 2<о:<15: R = KSV2a, где К- коэффициент, зависящий от удлинения пластинки, который выбирается из составленной Циолковским таблицы; доказана зависимость сопротивления цилиндра от его удлинения, угла наклона к потоку, размеров и скорости потока; проанализированы и построены графики зависимости подъемной силы и силы сопротивления крыльев от угла атаки для различной вогнутости пластинок; представлена формула для определения наименьшей работы аэроплана, с неподвижными крыльями, имеющим наивыгоднейшие

Гр наклон, удлинение и вогнутость: r = 0,414PJ— , где S -площадь

V s крыльев, Т - работа тяги в килограммометрах, Р - полный вес летательного аппарата; и многое другое.

В этом же отчете Циолковский, разрабатывая основы аэродинамического расчета самолета, устанавливает, что потребная мощность двигателей пропорциональна коэффициенту лобового сопротивления и обратно пропорциональна коэффициенту подъемной силы в степени с показателем 3/2. Здесь же ученый, основываясь на своих опытах с поверхностями, имеющими большую длину вдоль потока, дал основные зависимости турбулентного трения. В этом отчете и в последующей своей работе "Сопротивление воздуха и воздухоплавание" [118], в которой даны наиболее важные выводы из отчета, Циолковский показывает, что коэффициент сопротивления всех тел зависит не только от их формы, но также от размеров тела и скорости потока. Данные выводы показывали неосновательность общепринятой теории, согласно которой сопротивление пропорционально только квадрату скорости потока и площади проекции тела на плоскость перпендикулярную к потоку. Здесь же Циолковский сделал принципиально важный вывод о неправильности господствующих взглядов на природу сопротивления среды и способы теоретического определения величины сопротивления. Он пишет: "Фундаментом для определения сопротивления какой-либо формы принималось давление на наклонную плоскость. Поверхность всякого тела можно представить себе состоящей из множества плоских граней. Произведя двойное интегрирование, получим полную силу давления на тело. Первое заблуждение состояло в том, что не принимали в расчет трение, т.к. всегда оказывалось, что с удлинением тела сопротивление среды уменьшается безгранично, что на опыте никогда не оправдывается. Далее, есть много формул, определяющих давление на наклонную элементарную площадку. Из последствий применения тех и других формул видно, что прием общепринятый вообще никуда не годен и составляет второе заблуждение: нужны новые взгляды на явление сопротивления и опыты, которые только и могут проверить верность этих новых взглядов" [118, с.229].

В этом же отчете он произвел глубокий анализ сравнения результатов своих исследований с опытными данными других ученых и обосновал несостоятельность некоторых суждений.

В начале XX в. не прекращаются экспериментальные исследования и в западных странах.

В США, после проведенных в 1900 - 1901 гг. испытаний планера, построенного на основании опытных данных Лилинталя, братья Райт, будучи неудовлетворенными полученными результатами, приступили к постройке аэродинамической трубы. К концу 1901 г. ими был выполнен ряд экспериментов с пластинками с изогнутым профилем по определению их аэродинамических характеристик. В результате ими были получены зависимости подъемной силы и силы сопротивления от угла атаки, и было установлено влияние удлинения крыла на эти характеристики. Они так же отмечали, что полная аэродинамическая сила у пластинок с изогнутым профилем при малых углах атаки перемещается не вперед, как у плоских пластинок, а несколько назад. Результаты своих экспериментов они применили на построенном ими в 1902 г. планере, испытания которого прошли с успехом. В 1903 г. они собрали самолет на базе планера 1902 года, на котором 17 декабря 1903 г. совершили полет.

В это же время, в связи с необходимостью глубокого изучения аэродинамических свойств и характеристик пластинок, крыльев самолетов, пропеллеров, а также условий обтекаемости объектов во многих странах создаются аэродинамические лаборатории и появляются аэродинамические институты, однако многие исследователи ведут свои работы самостоятельно.

В 1903 г. в Англии при национальной физической лаборатории появляется аэродинамическая лаборатория в которой проводит свои опыты с пластинками в аэродинамической трубе Т. Стэнтон; во Франции опыты с падением тел с башни ставит Г. Эйфель (1903-1906 гг.). В Риме в 1903 г. создается аэродинамический институт, основной задачей которого является получение данных, необходимых для проектирования военного управляемого аэростата. Сотрудники этого института Г. Финци и Н. Сольдати проводят исследования по определению сил, действующих на модели в аэродинамической трубе этого института. Однако ввиду сильной неравномерности и завихренности потока в трубе, они отказались от этого метода исследования и приступили к экспериментам на ротативной машине. Эксперименты с пластинками также имели место в США, Канаде и др. странах. Основные результаты их исследований приведены в таблице 4 [60; 50]. Необходимо подчеркнуть, что все отмеченные выше исследования, проведенные в начале XX в., носили эмпирический характер.

В России, помимо работ К.Э. Циолковского в аэродинамической трубе, ученые старались решить задачу о силах, действующих на летательный аппарат в общем виде, эксперимент при этом играл вспомогательную роль. Это направление, возглавляемое Н.Е. Жуковским, являлось основным в области аэродинамики в России.

В 1904 году был основан первый в России Аэродинамический институт. Из воспоминаний ученика Н.Е. Жуковского - академика JI.C. Лейбензона следует, что "Весной 1904 г. к Николю Егоровичу обратился его ученик по Московской практической академии коммерческих наук Д.П. Рябушинский, который мечтал заняться устройством аэроплана и предложил значительные денежные средства для осуществления этой цели. Для постройки аэроплана необходимо было собрать надлежащие опытные данные, так как исследования Н.Е. Жуковского в тогдашней университетской лаборатории не давали материалов, достаточных для проектирования. Поэтому с лета 1904 г. по указаниям Н.Е. Жуковского была построена в поселке Кучино (Московско-Нижегородской ж/д) специальная аэродинамическая лаборатория" [46, с.38]. Основная цель института, как отмечал Рябушинский, ".заключается в установлении точных данных для практического осуществления динамического способа летания, т.е. устройства летательных аппаратов более тяжелых, нежели воздух" [78, с.7].

Одним из пунктов намеченной исследовательской программы являлось ". изучение сопротивления воздуха (определение коэффициентов сопротивления, подъемной силы и центра давления различных тел, характеристик воздушных винтов, устойчивости тел при движении в воздушной среде); практическое применение законов сопротивления воздуха." [78, с.8]. В этой же

Основные экспериментальные исследования пластинок в начале XX в. Таблица 4

Автор Год Метод исследования Объект исследования Основные результаты

1. К.Э. Циолко вский (Россия) 19001901 Аэродинамичес кая труба Плоские пластинки, вогнутые пластинки различных форм и размеров. 1. Исследовал влияние удлинения пластинок Я на их сопротивлние и установил: X = /(log10 Я), при Я < 25 . 2. Предложил формулу для определения полной аэродин. силы при а <10°-15°: R = kSV2a, где к — коэф. зависящий от Я (выбирается из таблицы). 3. Получил эмпирические кривые зависимости подъемной силы, силы сопротивления и качества от угла атаки для различных значений вогнутости. 4. Показал, что сопротивление всех тел зависит не только от формы, но также от размеров тела и скорости потока.

2. Братья Райт (США) 19001901 Аэродинамичес кая труба Плоские и вогнутые пластинки различных форм. 1. Получили зависимости подъемной силы и силы сопротивления от угла атаки. 2.Указал и, что при малых углах атаки кривая подъемной силы изменяется почти по прямолинейному закону и достигает максимума при угле атаки, величина которого зависит от удлинения крыла. 3. Сделали вывод, что наиболее выгодное удлинение для моноплана равное 6, а для биплана равное 4. 4. Установили, что при малых углах атаки центр давления вогнутых пластинок при уменьшении угла атаки перемещается не вперед, как у плоских пластинок, а назад.

3. Т. Стэнтон (Англия) 1903, 1908 Аэродинамичес кая труба, естественный ветер Плоские пластинки различной формы и размеров. 1 .Получил различные значения коэффициента сопротивления для больших (2,25 м2 - 9 м2) и маленьких (0,001 м2 и 0,0019 м2) пластинок. 2. Пришел к выводу о влиянии размера пластинки на величину ее сопротивления.

4. Г. Эйфель (Франция) 19031906 Опыты над падением тел (пластинок)с башни. Плоские пластинки различной формы и размеров. 1. Обнаружил, что коэффициент сопротивления пластинки немного возрастает с увеличением размеров и почти не зависит от ее формы. 2. Указал на незначительное увеличение коэффициента сопротивления при увеличении скорости. 3. Представил функцию зависимости полной аэродинамической силы от угла атаки.

Продолжение табл. 4.

Автор Год Метод исследования Объект исследования Основные результаты

5. Г. Финци и Н. Сольдати (Италия) 1903 Ротативная машина Плоские и вогнутые пластинки различных удлинений. 1. Установили, что при различных значениях угла атаки, характер распределения давления на верхней поверхности изменяется в зависимости от удлинения модели, а на нижней почти не зависел от удлинения. 2. Установили, что для пластинок с большим удлинением критический угол атаки, при котором значения сил давления (на нижней поверхности) и разряжения (на верхней поверхности) являются максимальными, был меньше, чем для пластинок с малым удлинением. 3. Установили, что положение центра давления определяется в основном характером кривой разряжения.

6. М. Селлерс (США) 1903, 19071908 Аэродинамичес кая труба Плоские и вогнутые пластинки 1. Установил, что коэффициент сопротивления пластинки увеличивается при изменении ее размеров. 2. Определил, что коэффициент подъемной силы увеличивается с увеличением вогнутости пластинки 3. Пришел к выводу, что значение максимального угла атаки, при котором достигается максимальное значение подъемной силы, увеличивается по мере увеличения вогнутости пластинки. 4. Из сравнения кривых качества пластинок, сделал вывод, что при малых углах атаки (а <5°) более выгодны плоские крылья, а при больших (5°< а <20°) -вогнутые.

7. В. Тарнбэл (Канада) 19051906 Аэродинамичес кая труба Плоские, вогнутые и S-образные пластинки. (Цель исследований - изучение зависимости перемещения центра давления от изогнутости пластинки) 1. Указал, что при углах атаки до 20°, при уменьшении угла атаки центр давления вогнутых пластинок перемещался по направлению к задней кромке, а для S-образных пластинок центр давления перемещается по направлению к передней кромке. 2. Указывал на сравнительно большой коэффициент подъемной силы и малый коэффициент сопротивления у S-образных пластинок по сравнению с плоскими. 3. Основываясь на первом выводе, он указал на большее преимущество S-образных поверхностей в обеспечении продольной устойчивости по сравнению с вогнутыми и плоскими. статье далее отмечалось, что под руководством Н.Е. Жуковского будут вестись теоретические разработки опытных данных, полученных в институте и повторяться в более широком масштабе некоторые из работ студентов, выполненных в механическом кабинете университета. Таким образом, устанавливалась тесная связь между механическим кабинетом Московского университета и Аэродинамическим институтом [78, с. 10-16].

В 1905-1906 гг. в институте были проведены работы по исследованию поля аэродинамической трубы и обеспечению его равномерности; изучалось влияние стенок трубы и размеров моделей пластинок на их обтекание потоком, исследовались силы, действующие на пластинки, решетки и др.

Необходимо отметить, что еще в 1890-1891 гг. Жуковский пытался объяснить причины появления подъемной силы и уже тогда он поставил опыты с пластинкой, которая начинала вращаться после помещения ее в поток воздуха, Опыты внесли серьезный вклад в выяснение причин появления подъемной силы. Большое значение при изучении данного вопроса имели опыты с телами, которые находятся одновременно в поступательном и вращательном движении, проведенные Мангусом (1852 г.), Муйаром (1881 г.), Коленом (1901 г.), а также теоретические исследования о сопротивлении среды, и, в частности теория Гельмгольца о вихрях (1858 г.) [50, с.59].

Идея Н.Е. Жуковского о присоединенных вихрях, т.е. вихрях, которыми можно заменить тело, находящееся в потоке жидкости, в значительной степени базировалась на указанных выше исследованиях. Впервые эта мысль возникла у талантливого ученого в 1904 г., академик JI.C. Лейбензон вспоминал: "Лето и осень 1904 года Николай Егорович продолжал усиленно думать о причинах возникновения подъемной силы. Приехав однажды в Ку-чинскую аэродинамическую лабораторию в праздничный день 1 октября и, гуляя в поле, он пришел к гениальной и простой идее о присоединенных вихрях, объясняющей причину возникновения подъемной силы крыла самолета. Однако идея была так оригинальна, что не сразу великий автор смог развить ее. Только через год, 15 ноября 1905 года, он прочел в Математическом обществе свой доклад "О присоединенных вихрях", а опубликовал эту работу в 1906 году" [46, с.45].

В этой работе Н.Е. Жуковский открыл принцип образования подъемной силы крыла и вывел теорему, дающую количественную ее оценку. Сущность этой теоремы, лежащей в основе всех успехов современной аэродинамики, состоит в том, что на верхней поверхности крыла встречный поток воздуха ускоряется сильнее, чем на нижней, и это создает разность давлений, определяющую поддерживающую силу. На встречный поток воздуха как бы накладывается циркуляционное движение, огибающее крыло. Интенсивность этого движения определяет подъемную силу (У), которая равна произведению плотности воздуха (р) на скорость движения (V) и на циркуляцию вокруг крыла (Г), т.е. Y = p-V-Y [31].

Интересно отметить, что сам Жуковский, открыв, что наличие циркуляции вызывает подъемную силу, в своей работе 1906 г. ни слова не сказал об отношении этой теоремы к теории крыла самолета и указал только на применение ее к движению тел в воздухе с вращением, которое, по его мнению, могло явиться причиной появления циркуляции. Это было первое применение теоремы Жуковского, и он посвятил ему несколько работ, в которых дал объяснение отклонению от падения по вертикали вращающихся пластинок. Однако в то время еще не было понятно, каким образом следует приложить эту теорему к вычислению подъемной силы крыла. Потребовалось еще много упорного труда, чтобы применить эту теорему к полному объяснению и количественному определению подъемной силы крыла.

Основной трудностью для окончательного объяснения подъемной силы был вопрос о возникновении циркуляции на крыле и способе ее теоретического определения. Большую роль в окончательном выяснении вопроса о подъемной силе сыграли исследования знаменитого сподвижника Н.Е. Жуковского, его ученика С.А. Чаплыгина.

Следует отметить, что первый пример циркуляционного обтекания был построен В. Кутта. В 1902 г. он опубликовал в Германии небольшую работу, в которой приводилась формула для определения величины подъемной силы пластинки, имеющей форму дуги круга, при угле атаки, равном нулю.

Однако Кутта теоретически решил задачу о подъемной силе только для одного частного случая. Общее решение проблемы о подъемной силе было дано Н.Е.Жуковским в 1905 г., а Чаплыгин первым представил способ построения потока, обтекающего крыло в форме дуги круга при любых углах атаки. В феврале 1910 г. С.А. Чаплыгин выступил с докладом на заседании Московского математического общества, в котором выдвинул положение, позволяющее определить циркуляционное обтекание крыльевого профиля, и это было тем существенным дополнением к теореме Жуковского, которое утвердило ее как основной принцип, объясняющий подъемную силу крыльевого профиля. Выдвинутое С.А. Чаплыгиным положение состояло в том, что при обтекании потоком профиля с острой задней кромкой точка схода струи совпадает с острием. Это позволяло вполне однозначно определить циркуляционное течение около крыльевого профиля. Указанный Чаплыгиным принцип известен сейчас как "основная гипотеза Жуковского".

В 1910 г. почти одновременно появились статьи Чаплыгина "О давлении плоскопараллельного потока на преграждающие тела" и Жуковского "О контурах поддерживающих поверхностей аэропланов", в которых впервые были даны способы количественного определения подъемной силы крыльевых профилей. Работы Чаплыгина и Жуковского окончательно утвердили принципы аэродинамики и легли в основу всего дальнейшего ее развития. М.В. Келдыш указывал, что "именно это время нужно считать началом создания аэродинамики как науки" [39].

Таким образом, в начале XX в. исследователи продолжали проводить опыты с пластинками, с целью определения причин возникновения аэродинамических сил. Основным объектом исследования на протяжении всего первого десятилетия XX в. оставались плоские и изогнутые пластинки.

Во многих странах были созданы аэродинамические лаборатории и институты, неизменным атрибутом которых являлись аэродинамические трубы. Однако ввиду несовершенства некоторых из них, исследователи вновь возвращались к экспериментам на открытом воздухе или ротативной машине (Италия).

В США, после первых полетов братьев Райт 1903 года, успешному осуществлению которых в значительной мере способствовали экспериментальные аэродинамические исследования, казалось, должны были бы начаться широкие исследования по изучению аэродинамических характеристик летательных аппаратов, однако, известны лишь опыты М. Селлерса с пластинками, которые проводились им в 1903 г. и 1907-1908 гг.

Можно констатировать, что для исследований проводимых в США, Канаде и европейских странах был характерен экспериментальный путь развития. Основное внимание в своих опытах по изучению аэродинамических свойств пластинок исследователи уделяли влиянию удлинения и изогнутости пластинок на аэродинамические силы. В результате этих исследований было указано на существование критического угла атаки, при котором полная аэродинамическая сила достигает максимума, и зависимость этого угла от удлинения и вогнутости (Италия). Помимо этого, практически повсеместно проводились исследования по перемещению центра давления от изменения угла атаки. Было отмечено, что у плоских пластинок при увеличении угла атаки центр давления перемещается по направлению к заднему краю, а у изогнутых пластинок он сначала перемещается по направлению к переднему краю (при небольшом увеличении угла атаки), а затем, после достижения определенного значения угла атаки, он перемещается по направлению к задней кромке. В это же время не прекращались попытки найти ответ на вопрос о причинах возникновения подъемной силы.

В России основные исследования развернулись под руководством Н.Е. Жуковского в лаборатории Московского университета и, созданного в 1904 г., Аэродинамического института в поселке Кучино.

В отличие от европейских и американских исследователей в России пытались решить вопрос о возникновении подъемной силы в общем виде и эксперимент при этом играл вспомогательную роль.

В 1906 г. в своей работе "О присоединенных вихрях" Н.Е. Жуковский открыл механизм возникновения подъемной силы крыла и вывел теорему, о связи подъемной силы с циркуляцией, дающую ее количественную оценку. Тем не менее, оставался нерешенным вопрос о том, каким образом определять величину циркуляции. Еще в 1902 г. В. Кутта дал решение задачи об обтекании с циркуляцией профиля, имеющего форму дуги круга, но его решение относилось только к случаю нулевого угла атаки. Решающий шаг в этом направлении был сделан С.А.Чаплыгиным, который в 1910г. первым дал способ построения потока, обтекающего крыло в форме дуги круга при любых углах атаки. В этом же году Н.Е. Жуковским и С.А. Чаплыгиным были даны первые теоретические формы профилей крыла и таким образом были окончательно заложены основы аэродинамики как науки.

Заключение

Начальный этап развития летательных аппаратов с фиксированным крылом охватывает промежуток времени с конца XVIII в. по первое десятилетие XX в. Начальная граница этого этапа характеризуется становлением научного подхода к проектированию самолетов, который был заложен в конце XVIII в. английским ученым Д. Кейли. Конец XVIII в. ознаменовался началом промышленного переворота в наиболее развитых странах (Англия, США), который стал возможен благодаря научно-техническому прогрессу, заключающемуся во взаимном стимулировании развития науки и техники и ускорении темпов этого развития. Технические знания стали приобретать теоретический характер, наступило время окончательного формирования научно-технического знания и обобщения его в форме научной теории. Конечная граница определяется началом систематических научных исследований аэродинамических свойств крыла и методов обеспечения устойчивости и управляемости.

Начальному этапу предшествовал подготовительный период (с момента зарождения идеи полета до конца XVIII в.), в течение которого были заложены предпосылки к формированию научных основ проектирования летательных аппаратов тяжелее воздуха.

В результате проведенного исследования выявлено три направления развития идеи JTA тяжелее воздуха в подготовительный период: машущее крыло, вращающиеся плоскости и фиксированное крыло. Основным движущим фактором этого периода являлась идея полета, основанная на наблюдениях за полетом птиц, поэтому в проектах большинства исследователей предлагалось создание летательного аппарата с машущим крылом. В XVII в. Р. Гуком Д. Борелли была доказана бесперспективность использования машущего крыла в качестве средства создания пропульсивной и подъемной силы, и в связи с этим наблюдалась некоторая тенденция к замене машущего крыла фиксированным, идея которого также была заимствована из природы (парение птиц).

Третий тип летательных аппаратов тяжелее воздуха, который не имел прообраза в природе, основывался на использовании вращающихся плоскостей. Именно по этому типу в 1754г. М.В.Ломоносовым была построена первая в истории модель летательного аппарата тяжелее воздуха.

Однако безуспешные многовековые попытки создания летательного аппарата с машущим крылом полностью дискредитировали идею летательного аппарата тяжелее воздуха, и перспективная мысль об использовании неподвижного крыла для полета не была воспринята всерьез. В связи с этим первые исследования в области гидроаэродинамики были направлены на разрешение вопросов кораблестроения, баллистики и воздухоплавания (на летательных аппаратах легче воздуха).

В 1726 г. И. Ньютон опубликовал свою "ударную теорию" сопротивления среды, которая положила начало всем дальнейшим гидроаэродинамическим исследованиям. Целью этих исследований являлось - определение силы сопротивления, оказываемой жидкостью движущимся в ней телам и отыскание наиболее правильной теории сопротивления среды. Для "подготовительного" периода характерно производство многочисленных опытов по определению сопротивления различных тел (шар, цилиндр, пластинка и т.д.) в соответствии с положениями предлагаемых авторами теорий. Было установлено, что развитие теории сопротивления среды шло по пути учета различных ее свойств, таких как трение, вязкость, сжимаемость.

Одним из главных достижений этого периода являлось доказательство неприменимости "ударной теории" Ньютона, в соответствии с которой сила сопротивления была пропорциональна sin2а, для определения сопротивления тел.

В XVIII в. работами российских академиков Л. Эйлером и Д. Бернулли была подготовлена почва для становления аэродинамики как науки. Л. Эйлер создал теорию движения так называемой идеальной жидкости, а

Д. Бернулли вывел основное уравнение аэродинамики, дающее простое физическое объяснение образования подъемной силы. Однако проблемы, выдвинутые русскими учеными, оставались неразработанными до середины XIX в. из-за слабого уровня развития производительных сил, которые не ставили перед наукой таких вопросов, без которых промышленность не могла бы развиваться дальше, удовлетворяясь различного рода эмпирическими зависимостями и коэффициентами.

Таким образом, главным фактором, сдерживающим развитие летательных аппаратов с фиксированным крылом на данном подготовительном этапе, явилось отсутствие научного подхода к проектированию летательных аппаратов и преемственности в работах исследователей.

Научный подход к решению проблемы полета, ознаменовавший начальный этап развития летательных аппаратов тяжелее воздуха, позволил выделить из всего множества вопросов две главные проблемы, без решения которых было бы невозможно дальнейшее развитие летательных аппаратов с фиксированным крылом:

1) поиск методов и средств обеспечения устойчивости и управляемости летательного аппарата;

2) создание аэродинамической подъемной силы с помощью фиксированного крыла.

Единственным рациональным средством исследования первой проблемы в начале XIX в. стали эксперименты с летающими моделями. На протяжении этого столетия были предложены и прошли испытания модели летательных аппаратов с различными типами двигателей. В результате экспериментов с моделями были выработаны методы и средства для достижения устойчивости J1A с фиксированным крылом, изучены свойства аппаратов различных конструктивно-силовых и аэродинамических схем, разработаны рекомендации для проектирования полноразмерных JIA. Однако проблемы управления самолетом могли быть исследованы только в процессе испытаний аппаратов с человеком на борту. Наилучшим аппаратом для этих целей являлся - пилотируемый планер.

Анализ деятельности конструкторов и изобретателей различных стран показывает, что к концу XIX в. проблема обеспечения устойчивости и управляемости аппаратов тяжелее воздуха стояла на первом месте в их творческой деятельности. В это время осуществление самолета тормозилось не из-за отсутствия подходящего авиадвигателя, а из-за неумения обеспечить устойчивость и управляемость создаваемых JIA в полете. Именно эта проблема явилась причиной неудач первых летательных аппаратов X. Максима, К. Адера, В. Кресса, А.Ф. Можайского и др.

В связи с этим, основной задачей планерных испытаний было обеспечение устойчивого и управляемого полета с человеком на борту.

В результате планерных испытаний, были разработаны средства балансировки и управления при полетах, выявлена взаимосвязь движения крена и рыскания и доказана необходимость поперечного управления, которое отсутствовало в большинстве предыдущих проектов. Летная практика способствовала тщательному изучению особенностей основных этапов полета (взлет, планирование, посадка), исследованию достоинств и недостатков различных форм и конструктивно-силовых схем летательного аппарата. На основе накопленного опыта и последних результатов планерных и аэродинамических экспериментов, в начале XX в. братьями Райт была произведена успешная попытка преобразования планера в самолет.

Решение второй главной проблемы - создание подъемной силы с помощью фиксированного крыла - было напрямую связано с проведением экспериментальных аэродинамических исследований, в результате которых возникла наука - аэродинамика. Впервые такого рода эксперименты, направленные на разрешение вопросов авиации были проведены Д. Кейли в самом начале XIX в.

Основным вопросом на протяжении всего этого этапа являлся вопрос о природе возникновения полной аэродинамической и подъемной силах крыла, а также об их качественных и количественных характеристиках. В качестве объектов исследования использовались плоские и вогнутые пластинки.

Опытные данные, полученные в результате проведенных аэродинамических исследований на протяжении XIX в., были весьма разрозненны и бессистемны. Это объясняется различными условиями проведения экспериментов (на ротативной машине, на открытом воздухе, эксперименты с падением тел и т.д.) и различными формулами для вычисления полной аэродинамической или подъемной силы. Однако к концу XIX в. проведенные экспериментальные исследования помогли выяснить преимущества вогнутых пластинок перед плоскими, исследовать зависимости аэродинамических сил, действующих на пластинки, от угла атаки и собрать необходимые данные для построения графиков (Лилиенталь). В результате теоретических и экспериментальных исследований К.Э. Циолковского в России и С.П. Ленгли в США было доказано значительное влияние удлинения на аэродинамические характеристики пластинок, исследован вопрос о перемещении центра давления плоских и вогнутых пластинок.

В конце XIX - начале XX вв. Россия благодаря работам таких выдающихся ученых как Д.И. Менделеев, Н.Е. Жуковский, М.А. Рыкачев, К.Э. Циолковский, С.А. Чаплыгин и др., опередила все остальные страны в области аэродинамических исследований. В России и многих других странах появляются аэродинамические институты и лаборатории, и наблюдается переход многих исследователей к проведению экспериментов в аэродинамических трубах.

В отличие от других стран в России в начале XX в. не прекращались попытки решить вопрос о возникновении подъемной силы в общем виде. В 1905-1906 гг. Н.Е.Жуковский впервые раскрыл механизм возникновения подъемной силы и дал ее количественную оценку. Несколько лет спустя, Жуковский вместе со своим учеником С.А. Чаплыгиным указали способ для однозначного определения неизвестной циркуляции вокруг профиля, окончательно заложив своими фундаментальными работами основы аэродинамики.

В целях дальнейшего изучения начального этапа развития летательных аппаратов, на наш взгляд, необходимо рассмотреть влияние динамики совершенствования двигателей на развитие летательных аппаратов тяжелее воздуха с фиксированным крылом. Исследовать проблему становления концепции двигателя для J1A тяжелее воздуха. В этой связи проанализировать имеющиеся в архивах первые проекты двигателей, показать их положительные стороны, выявить проблемы и трудности, возникшие в ходе создания двигательных конструкций. Это позволит ввести в научный оборот ранее неизвестные архивные материалы, более глубоко изучить историю начального этапа развития самолета, вывести из забвения новые имена российских и зарубежных изобретателей и конструкторов авиадвигателей, дать сравнительные характеристики их первых проектов, обогатить историю авиации.

Список литературы диссертационного исследования кандидат исторических наук Тихомиров, Дмитрий Михайлович, 2006 год

1. Авиация в России: Справочник/ М.В. Келдыш, Г.П.Свищев и др. 2-е изд., М.: Машиностроение, 1988. - 368 с.

2. Адасинский С.А. Развитие технологии самолетостроения 1918 года // Тр. ИИЕТ. т. 21.-М., 1959.

3. Алымов И. К вопросу о воздухоплавании // Кронштадтский вестник, №134. 1878.-с. 2.

4. Арендт Н.А. К вопросу о воздухоплавании // Знание. 1874. №9. -с. 1-28.

5. Арендт Н.А. О воздухоплавании, основанном на парении птиц. Симферополь, 1888. - 96 с.

6. Аржаников Н.С., Мальцев В.Н. Аэродинамика. М., изд.2., 1956. - 483 с.

7. Архив Научно-мемориального музея Н.Е. Жуковского.

8. Асеев Г. Современное состояние воздухоплавания // Всемирное техническое обозрение. 1909, № 127.

9. Болховитинов В.Ф. Пути развития летательных аппаратов. М.: Оборон-гиз, 1962.-131 с.

10. Ботезат Г. Введение в изучение устойчивости аэропланов. М., 1912.

11. Вейгелин К.Е. Завоевание воздушного океана. История и современное состояние воздухоплавания. Спб., 1912. - 168 с.

12. Вейгелин К.Е. Очерки по истории летного дела. М.: Оборонгиз, 1940. -458 с.

13. Вейль А.Р. Бесхвостые самолеты. М.: БНТ, 1946. - 99 с.

14. Вельнер Г. Летательные машины. Теория и практика. Расчет аэропланов и геликоптеров. Спб.: Общественная польза, 1910. - 159 с.

15. Верн Ж. Воздушный корабль. СПб.: Просвещение, 1910. - 230 с.

16. Винклер А. Воздушный корабль // Записки ИРТО. 1882, вып.2. - с. 123138.

17. Виноградов Р.И., Минаев А.В. Краткий очерк развития самолетов в СССР. М.: Воениздат, 1956. - 256 с.

18. Воздухоплавание и авиация в России до 1907г. Сборник документов и материалов / под. ред. В.А. Попова. М., 1956. - 952 с.

19. Волков Ю.Г. Диссертация: Подготовка, защита, оформление: Практическое пособие / под. Ред. Н.И. Загузова. М.: Гардарики, 2002. - 160 с.

20. Воробьев Б.Н. Работы Е.С. Федорова в области авиации // Известия АН СССР. 1951. №9. - с. 1375-1389.

21. Гончаренко В.В. Как люди научились летать. М.: 1997. - 154 с.

22. Джевецкий С.К. Дополнения к сообщению А.В. Эвальда "О воздухоплавании" // Записки ИРТО. 1883. вып.2. с. 163-165.

23. Джевецкий С.К. Аэропланы в природе. Спб, 1887. - 51 с.

24. Джевецкий С.К. О сопротивлении воздуха в применении к полету птиц и аэропланов // Записки РТО. 1885, вып.7 и 8. - с. 17-42.25,2627,2829,30