23 ГАЗОВАЯ ДИНАМИКА
23
ГАЗОВАЯ ДИНАМИКА
Гениальный человек производит на вас впечатление совершенно особенного рода, какого не производят самые умные, самые даровитые из других людей: вы видите в нем такой ум, которому ясны самые трудные вопросы, который даже не понимает, что в них трудного; когда он говорит, и для вас становится ясно и просто все.
Чернышевский
Первые удачные полеты самолетов поставили перед ученым миром задачу о воздействии воздуха на крыло и винт самолета. Никакой помощи тогдашняя аэрогидродинамика ученым и конструкторам оказать не могла. Но запросы техники побудили ученый мир в лице Н. Е. Жуковского и С. А. Чаплыгина полностью раскрыть физическую картину и законы обтекания твердого тела потоком.
В классическом исследовании С. А. Чаплыгина «О газовых струях» было показано, что характер задачи самым существенным образом связан со скоростью потока.
Вопрос об учете сжимаемости жидкости при ее движении лишь за последние годы приобрел исключительную важность в связи с громадным ростом авиационной техники. Дело в том, что при увеличении мощности современных моторов окружная скорость пропеллера превышает звуковую. Проблемы овладения стратосферой, а затем и космосом также выдвинули вопрос об увеличении скоростей, а все это вместе взятое заставило аэродинамиков изучать проблемы движения с большими скоростями, что необходимо влечет за собой учет сжимаемости среды.
В этом отношении докторская работа С. А. Чаплыгина является фундаментальной, непревзойденной работой по этому вопросу, значительно опередившей мировую науку.
В 1932 году в докладах Французской академии было опубликовано изложение этого исследования русского ученого и отмечены содержащиеся в нем ценнейшие научные выводы, впервые так четко и обоснованно сформулированные.
В 1935 году, с 30 сентября по 6 октября, в Вечном городе — Риме происходил Всемирный конгресс, посвященный вопросам больших скоростей в авиации. Конгресс был созван Академией наук Италии, основанной знаменитым Александром Вольта. С докладами выступали видные европейские ученые, в том числе Прандтль, Карман, Тейлор, Феррари, Пистоле и многие другие.
И в Риме исследования Чаплыгина были признаны крупнейшим вкладом в мировую науку, и без ссылок на работу русского ученого не обходился ни один докладчик.
И в последующие годы внимание к диссертации русского ученого не уменьшалось. В 1944 году, во время войны, в связи с появлением реактивных двигателей и ракетного оружия, в Соединенных Штатах Америки специальный журнал «Технические записки» полностью опубликовал работу Чаплыгина на английском языке.
В Советском Союзе, как и за рубежом, многие работы посвящались решению задач на обтекание газом с дозвуковыми и сверхзвуковыми скоростями.
Затем стали приобретать большое значение и вопросы, связанные с движением тел в воздухе со скоростями, превышающими границу, указанную С. А. Чаплыгиным. Для исследования движений со скоростями, приближающимися к скорости звука, требуются уже совершенно иные методы, относящиеся к области так называемой газовой динамики.
В условиях, когда на крыле и других частях самолета появляются зоны сверхзвуковых скоростей, при наличии в других местах поверхности самолета скоростей дозвуковых, мы имеем дело с так называемой смешанной задачей. Методы решения основных дифференциальных уравнений газовой динамики, применяемые для дозвуковых скоростей, не годятся для сверхзвуковых скоростей, и наоборот.
Понадобилось проникнуть в характер обтекания газового потока на больших скоростях, потребовалось решить ряд задач, определяющих движение воздушного потока при таких скоростях.
Задачи эти начал решать на глазах Чаплыгина академик Сергей Алексеевич Христианович.
Представитель нового поколения русских аэродинамиков, С. А. Христианович окончил лишь в 1929 году физико-математический факультет Ленинградского университета. Некоторое время он работал в различных областях прикладной математики и по гидравлике открытых русел. В этой области им решены очень важные для техники задачи. С рукописью статьи «Волны в тоннеле» в 1936 году молодой ученый пришел в президиум Академии наук СССР и, разыскав кабинет члена президиума С. А. Чаплыгина, несмело постучал в дверь, а затем, услышав ответ, едва слышный из-за двери, вошел.
За большим столом, прямо против двери, наклоняясь очень близко к столу, с пером в руке, перед ворохом бумаг сидел величественный и суровый человек. У Сергея Алексеевича были разные глаза, я когда он писал, то усаживался за столом не как все, а принимая свою особенную позу, позволявшую ему видеть разными глазами без очков, как одинаковыми. Эта особая, не как у всех, поза за столом, как и своеобразно прекрасное лицо его, создавали неповторимую внешность и величественность.
Чаплыгин заговорил с посетителем просто, лаконично и твердо. Так вступают в разговор руководители больших учреждений, имеющие дело со множеством людей неодинаковых положений, разного возраста, противоположных характеров.
Молодой ученый, почти благоговейно приблизившийся к столу, с некоторой торопливостью назвал себя я положил на стол рукопись.
— Не сочтете ли вы возможным представить мою работу для опубликования в «Известиях Академии наук»?
Сергей Алексеевич молча взял рукопись и, быстро просмотрев несколько страниц спереди, в середине и в конце, ответил:
— Толково сделано. Представлю.
И начал расспрашивать о ленинградцах, которых знал, о намерениях молодого ученого в будущем, спросил, что тот собирается делать. Когда Христианович назвал несколько тем, интересующих его, Чаплыгин напомнил:
— Только те работы имеют смысл, которые проясяяют явления природы. Механика — это философия природы!
Статья Христиановича появилась в «Известиях Академии наук» и обратила на себя внимание инженерных кругов. Простые и точные решения и методы расчета, предложенные Христиановичем, приняли строители гидростанций. В частности, они легли в основу расчетов при проектировании таких гидростанций, как Ангарская, Иртышская, Куйбышевская…
Через год молодой ученый по приглашению Чаплыгина вошел в коллектив аэродинамиков ЦАГИ и начал работать в области газовой динамики. Докторская диссертация Чаплыгина «О газовых струях» стала настольной книгой ученого. Он видел, что в этой удивительной работе автор указывает методы изучения газовых течений со скоростями, близкими к звуковым. Развитие заложенных в работе Сергея Алексеевича идей позволило Христиановичу решить основные вопросы, связанные с расчетом крыла при дозвуковых скоростях, граничащих с звуковыми.
Человек быстрого и смелого ума, исследователь с прирожденной способностью шагать через затруднения, Христианович уже первой своей работой по газовой динамике оставил позади все сделанные до него попытки решить задачу об обтекании тела газовым потоком при большой дозвуковой скорости. Он полностью решил задачу для крыла самолета и создал теорию скоростного полета, имеющую огромное практическое значение.
За эту работу комиссия под председательством С. А. Чаплыгина присудила С. А. Христиановичу вторую премию имени Н. Е. Жуковского.
Работа молодого советского ученого была опубликована годом позже, в 1940 году, под названием «Обтекание тел газом при больших дозвуковых скоростях». С. А. Христианович дал вывод новых дифференциальных уравнений движения газа, близко примыкающих по типу к уравнениям Чаплыгина, но более простых и удобных для практического использования. В этой статье Христианович показал, как с помощью выведенных им уравнений можно рассчитывать плоский дозвуковой газовый поток вокруг крыла и симметрично-осевой поток около тела вращения, такого, как фюзеляж, снаряд. Для авиации это было очень важно.
Не ограничиваясь исследованием дозвуковых скоростей, Христианович стал изучать и практический режим перехода от дозвуковых скоростей к сверхзвуковым при обтекании крыла. При скоростях, близких к звуковым, на крыле самолета появляются воздушные потоки, в которых скорость будет уже сверхзвуковой, и весь характер явления обтекания меняется.
В результате оригинальной трактовки всего явления в целом Христианович дал метод расчета лобового сопротивления, которое данное крыло испытывает в воздухе при больших скоростях, и скорости, достижимой для самолета.
Правильность теории подтвердилась экспериментальной проверкой, и теоретические результаты немедленно и прочно вошли в практику. Заметим, что работа Христиановича имела еще и ряд других практических следствий. В частности, она позволила обосновать новые нормы прочности самолетостроения больших скоростей.
Метод, разработанный С. А. Хрястиановичем, был немедленно использован в работах научного коллектива ЦАГИ для изучения обтекания применяемых в самолетостроении авиационных профилей при больших скоростях.
Христианович был прилежнейшим участником знаменитых семинаров общетеоретической группы, проводившихся С. А. Чаплыгиным. Вспоминая об этих семинарах на вечере, посвященном столетию учителя, М. В. Келдыш говорил:
— Семинары, происходившие раз в неделю в определенные часы, были центром советской механики. Руководитель был полон идей, его доклады давали импульсы для развития науки. Речь его, вежливая, внимательная, исполненная достоинства, поражала ясностью. Он был чужд снобизма теоретиков и ценил гения во всех областях жизни одинаково…
Достаточно назвать поименно участников чаплыгинских семинаров, чтобы составить ясное представление о том, какое научное наследство оставил нам математический гений Чаплыгина. Леонид Самуилович Лейбензон, Николай Николаевич Лузин, Александр Иванович Некрасов, Владимир Васильевич Голубев, Сергей Алексеевич Христианович, Мстислав Всеволодович Келдыш, Леонид Иванович Седов, Леонид Николаевич Сретенский, Михаил Александрович Лаврентьев — всё это люди, которым Чаплыгин помог найти свое место в науке, ученые, находившиеся под влиянием его математических откровений, исследователи, шедшие проложенными им путями. Нынешним выражением успехов этих ученых в развитии теоретической и прикладной механики являются всемирно известные достижения советской науки и техники во многих областях, в том числе в космической технике.
Докладывая на общем собрании Академии наук СССР в январе 1946 года «О современном состоянии теории движения газа», академик А. И. Некрасов справедливо указывал, что «наши ученые, именно, точнее, московские ученые, внесли настолько существенный вклад в развитие аэродинамики, что целесообразно все их работы соединить в одну группу: тогда можно яснее почувствовать значение работ наших ученых для новой области знаний, каковою является газовая динамика».
Чрезвычайно существенно, что уже в докторской своей диссертации «О газовых струях» Чаплыгин указал на возможность перехода от задачи на движение несжимаемой жидкости к такой же задаче на движение газа.
Применяя свой метод, Чаплыгин решил плоскопараллельную задачу об истечении газа под давлением из сосуда и об ударе плоскопараллельного потока на поставленную перпендикулярно пластинку. Чаплыгин же дал и приближенный метод для решения таких задач, так как точный метод слишком громоздок.
Диссертация Чаплыгина была первой работой, в которой были строго разрешены конкретные задачи на движение газа.
На семинарах, проводившихся Чаплыгиным, Сергей Алексеевич высказывался в том смысле, что происхождение подъемной силы для контура, погруженного в газ, должно быть тем же самым, как и для контура, погруженного в жидкость, и можно ожидать с большой долей вероятности, что теорема Жуковского распространяется и на случай газа.
Строгое доказательство возможности такого распространения впервые было дано М. В. Келдышем, а во всей общности эту теорему, как мы уже говорили, доказал С. А. Христианович.
В области газовой динамики самому А. И. Некрасову принадлежит решение ряда вопросов, связанных с обтеканием тел потоком сжимаемого газа.
Г. А. Озеров.
Л. И. Седов.
Мемориальная доска на доме, где жил С. А. Чаплыгин.
Скульптурный портрет С. А. Чаплыгина.
Наряду с построенном общей теории конформных отображений, позволивших решить трудные задачи в этой области, М: А. Лаврентьев дал ее приложения к задачам газовой динамики.
Метод приближенного решения задач на течение газа с дозвуковыми скоростями дал Л. Н. Сретенский. В своей работе «Обтекание плоских контуров газовым потоком» Леонид Николаевич показывает, что при переходе от несжимаемой жидкости к газу происходит искажение контура: так, при переходе от обтекания окружности к обтеканию газом контур уже не будет окружностью, хотя и будет близок к ней.
Большая часть работ по газовой динамике при жизни Чаплыгина решала задачи на установившееся движение газа, которые в то время являлись наиболее важными. Переход к задачам для неустановившегося движения газа начинается с интересной работы Л. И. Седова «О некоторых неустановившихся движениях сжимаемой жидкости».
В последующие годы число решенных задач на газовые струи и на обтекание контуров газом быстро стало расти.
Заседания Проблемной комиссии по газовой динамике Сергей Алексеевич вел с октября 1940 года и вплоть до вероломного нападения фашистской Германии на Советский Союз.
На этих заседаниях, так же как и на семинарах, руководимых им, где докладывались работы и по аэродинамике и другим разделам механики, Сергей Алексеевич сиживал, как бы дремля и вдруг поражая присутствующих неожиданным советом или замечанием. Почти всегда они опережали состояние и потребности бурно развивающейся мировой авиационной техники и промышленности. Даже высоким специалистам с трудом: удавалось догадываться, почему ставится данная задача, какие проблемы науки или техники привели Сергея Алексеевича к ее выдвижению. Сам он обычно, как во всех своих работах, считал излишним говорить о мотивах, побудивших заняться тем или иным вопросом.
Профессор А. А. Космодемьянский дает исчерпывающую характеристику своеобразного стиля Чаплыгина в его научных изысканиях:
«Необычайная отточенность предложений, сжатость и, можно даже сказать, скупость вывода, строгая постановка и формулировка проблем с выставлением на вид всех ограничивающих предложений, затем профессионально математическое исследование. Никаких отступлений и рассуждений по аналогии; все в рамках строгой, логической последовательности суждений. Почти никаких утверждений о важности и актуальности поставленной и решенной задачи, столь излюбленных и пространных у большинства современных авторов. Геометрические образы носят вспомогательный характер. Большинство геометрических построений не приводится в фигурах и чертежах, излагаются лишь пути их построений в виде сжатых рецептов, расшифровка которых требует больших усилий и напряженного внимания. Обзоры результатов предшественников даются в отчеканенной, изящной трактовке, где в немногих словах содержится все наиболее существенное».
Теми же самыми словами можно характеризовать и стиль выступлений Чаплыгина по научным вопросам на семинарах и заседаниях Проблемной комиссии по газовой динамике.
Любопытно заметить, что Проблемная комиссия по газовой динамике работала в дни сорокалетия докторской диссертации Чаплыгина «О газовых струях» и пятидесятилетия его научной деятельности.
В Центральном доме Гражданского воздушного флота 3 февраля 1941 года состоялось организованное Наркоматом авиационной промышленности СССР, Академией наук СССР и Центральным аэрогидродинамическим институтом имени профессора Н, Е. Жуковского торжественное заседание, посвященное 50-летию научной, педагогической и общественной деятельности академика С. А. Чаплыгина.
Чествовать академика пришли видные ученые, авиационные конструкторы, инженеры. Торжество открыл заместитель наркома авиационной промышленности Герой Социалистического Труда А. С. Яковлев. С докладом о научной деятельности академика Чаплыгина выступил член-корреспондент Академии наук СССР профессор В. В. Голубев.
Юбиляра приветствовали заместитель начальника Центрального аэрогидродинамического института заслуженный деятель науки и техники профессор Б. Н. Юрьев, вице-президент Академии наук СССР академик О. 10. Шмидт и другие.
На этом вечере народный комиссар авиационной промышленности СССР А. Шахурин огласил Указ Президиума Верховного Совета СССР:
«За выдающиеся научные достижения в области аэродинамики, открывшие широкие возможности для серьезного повышения скоростей боевых самолетов, заслуженному деятелю науки, профессору ЦАГИ, руководителю советской школы теоретической аэродинамики академику Чаплыгину Сергею Алексеевичу, ранее награжденному орденами Ленина и Трудового Красного Знамени, в день пятидесятилетнего юбилея его научной деятельности присвоить звание Героя Социалистического Труда и вручить орден Ленина и Золотую медаль „Серп и Молот“.
Председатель Президиума Верховного Совета СССР
М. КАЛИНИН
Секретарь Президиума Верховного Совета СССР
А. ГОРКИН
Москва, Кремль, 1 февраля 1941 года».
Это был первый случай присвоения звания Героя Социалистического Труда советскому ученому, к тому же теоретику. До того высокое звание было присвоено только выдающимся конструкторам, практически использовавшим в своей работе теоретическую мысль ученых.
Ответом на знаменательный Указ была овация, устроенная первому среди ученых Герою Социалистического Труда.
Искренняя радость, энтузиазм, бурные овации собравшихся ученых, конструкторов самолетов и моторов, летчиков и ((рабочих авиационных заводов еще лишний раз продемонстрировали огромное уважение и любовь, которые внушал Сергей Алексеевич всем, кто с ним работал и общался.
Данный текст является ознакомительным фрагментом.