Теория воздушного винта

Теория воздушного винта

Когда погас фейерверк юбилея, снова возвратились будни. Как и прежде, Жуковский ездит на занятия, читает лекции в Техническом училище и университете, отдает много сил своему любимому детищу — воздухоплавательному кружку.

Еще не получив диплома об окончании училища, удостоверяющего их право на самостоятельность, лучшие из кружковцев напористо входили в науку. С большим удовольствием прочитал Жуковский работу студентов Сабинина и Юрьева. На суд профессору представлено глубокое исследование, новая теория воздушного винта, преобразующего мощность двигателя в тягу винта и скорость самолета.

Уже Леонардо да Винчи увидел в воздушном винте источник подъемной силы, а наш великий соотечественник Михаил Васильевич Ломоносов пытался практически эту силу использовать. Винты приводили в действие первые дирижабли и первые аэропланы. Однако создать законченную теорию винтов долгие годы не удавалось.

Неизученность воздушных винтов тормозила развитие авиации. Отсюда и интерес Жуковского к этой проблеме.

Первое исследование Николая Егоровича в области винтов относится к 1898 году. Он назвал его «О крылатых пропеллерах». Спустя девять лет, в 1907 году, увидела свет «Теория гребного винта с большим числом лопастей», где Жуковский рассматривал возможности винта как источника подъемной силы вертолета и источника тяги для аэроплана.

Новая работа — новый шаг вперед. Ее выводы отнюдь не плод кабинетных размышлений. Верный своему обыкновению искать в опыте почву для выводов, Жуковский не только руководитель, но и непосредственный участник экспериментов, проводившихся в Кучинском аэродинамическом институте. С шумом раскручивается винт, вращаемый электромотором. Гудит отбрасываемый им воздух, ползет вперед стрелка тахометра, отсчитывая нарастающее число оборотов, ползет и стрелка динамометра, измеряющего силу тяги.

В работе исследователя мелочь, незамеченная верхоглядом, может оказаться самородком, подсказывающим путь к золотоносному массиву. Вот почему так старательно вникает во все детали опытов Жуковский, и эта любознательность едва не стоит ему жизни: кусок лопасти, оторвавшийся при испытании, просвистел совсем рядом с головой.

Но разве опасность может отпугнуть настоящего исследователя? Опыты продолжаются. Их результаты подсказывают Жуковскому новые конструкции винтов. Винты совсем не похожи друг на друга ни формой, ни материалами. Но ведь тем и интереснее, тем шире выводы, которые можно сделать из проведенных экспериментов. Уровень исследования 1907 года неизмеримо выше прежних работ по винтам. Однако и новый труд не принес полного удовлетворения. Его результаты еще нельзя использовать для практических инженерных расчетов, а работу, которая не в состоянии служить практике, Жуковскому трудно считать завершенной.

Да и винты продолжали оставаться «белым пятном» на карте авиационных знаний. И тем, кому нужно было их точно рассчитывать, это «белое пятно» приносило много хлопот.

Среди таких людей вскоре оказался один из учеников Жуковского, студент Юрьев, начавший работу над проектом геликоптера.

Существовавшие в ту пору теории привели Юрьева к странному выводу; мощность несущего винта, подсчитанная двумя способами, расходилась ровно вдвое. Который же из полученных ответов правилен? Быть может, оба они в равной степени далеки от истины? Молодой конструктор растерялся и обратился за помощью к своему товарищу по воздухоплавательному кружку — Сабинину.

Сабинин живо откликнулся на просьбу Юрьева. Но не так-то просто оказалось расколоть твердый орешек. Юноши вели долгие и, увы, бесплодные теоретические дискуссии. Не раз в этих спорах принимал участие и Жуковский. Зайдя в лабораторию, он увлекался, забывая обо всем, порой даже о лекции, которую предстояло прочитать.

Но сколь ни горячи споры, чтобы отыскать истину, нужны были новые, дополнительные опыты. С этой целью Сабинин создал простую, но весьма оригинальную установку. Модель винта он посадил на вал маленького электромоторчика. Дым от папиросы, вдуваемый в воздушный поток, проявил движение воздушных струй, сделал их зримыми.

Часами просиживал Сабинин подле своей установки. И его добросовестность принесла плоды. Молодой исследователь обнаружил, что струя воздуха за плоскостью винта сжимается и коэффициент сжатия ее равен двум.

Таким образом, после обработки результатов наблюдений удалось раскрыть причину расхождений, выявленных Юрьевым.

Но правы ли молодые исследователи? Жуковский внимательно просматривал их выкладки:

— Да, результат бесспорен.

Николай Егорович тщательно проверяет расчеты. Он делает обстоятельные пометки и поправки, заменяет некоторые формулы. Теория приобретает все более и более законченный вид.

«Для большей убедительности, — вспоминал потом профессор Г. X. Сабинин, — я снял аэродинамический спектр винта, сделав микроскопический флюгерок. По многу времени мы с Б. Н. Юрьевым наблюдали течение струй за винтом, перенося флюгерок в различные части струи. Иногда к нам присоединялся и Николай Егорович. Мой флюгерок ему очень понравился, и позднее на своих лекциях он рассказывал о моем способе снимать спектр винта, назвав его «манерой Сабинина», чем я очень гордился. Нашей теории гребного винта Николай Егорович посвятил целую главу в своем курсе «Теоретические основы воздухоплавания». В этот курс он включил доклады и других студентов».

Молодые ученые действительно добились успеха. Они блестяще развили мысль, высказанную еще в 1892 году Джевецким, о сходстве лопасти винта с крылом, но даже после этого Жуковский еще не счел работу завершенной.

Причины неудовлетворенности профессора понять не трудно. Ведь если согласиться с тем, что на лопасти винта и крыле возникают сходные аэродинамические силы, то это означает, что к винту можно применить теорию подъемной силы, разработанную для крыла им совместно с Чаплыгиным.

Однако пока этого сделать не удалось не только Сабинину и Юрьеву, но даже самому Николаю Егоровичу Жуковскому.

Сейчас, когда мы оглядываемся назад, многое кажется совершенно простым и ясным. Но не следует забывать, что в те дни, когда Сабинин и Юрьев разработали новую точку зрения на винты, теория подъемной силы крыла Жуковского — Чаплыгина еще не успела выйти из первой фазы своего развития. Она была справедлива лишь для крыльев бесконечного размаха. Неумение рассчитать крыло вполне определенных размеров и было барьером, отделявшим Жуковского от теории гребных винтов, способной полностью удовлетворить запросы практики.

И все же этот трудный барьер был взят. Его помогла преодолеть мелочь, найденная, но незамеченная немецким исследователем О. Фламмом. Фламм проводил опыты с гребными винтами, работавшими в воде. На фотографиях его экспериментов отчетливо выделялись светлые линии, сбегавшие с концов лопастей. Сам Фламм не придал им никакого значения. Для Жуковского же эти линии стали отправным пунктом в новой точке зрения на гребной винт. Разглядывая фотографии, Николай Егорович пришел к твердому убеждению, что светлые линии представляют собой не что иное, как следы вихрей, соскользнувших с концов лопасти.

Так, опираясь на факт, ускользнувший от менее пристального исследователя, Жуковский сумел нарисовать четкую физическую картину явлений, связанных с работой воздушного винта, и затем перейти от нее к точным математическим расчетам. Именно в этом и таился успех винтов НЕЖ[21], сконструированных Жуковским. Подобно крыльевым профилям НЕЖ, винты Жуковского долгое время не имели себе равных.

Работа Николая Егоровича по винтам, которую он вел несколько лет, представляла собой огромный вклад в науку о полете. Хотелось продолжить ее, сделать успехи новой теории достоянием практиков. Этим занялся один из учеников Жуковского по Техническому училищу — Владимир Петрович Ветчинкин. На долгие годы стал он неутомимым помощником Николая Егоровича.

Жуковский с большим уважением относился к своему юному другу, высоко ценил его работы в области вихревой теории гребного винта. Ветчинкин значительно продвинул эту работу вперед, экспериментально проверил правильность теоретических предположений Жуковского, разработал теорию прочности винта и (это было весьма существенным) сумел обосновать ее приложение для вентиляторов и ветродвигателей.

Несколько забегая вперед, скажем, что исследованием винтов Николай Егорович занимался не один год. Известно, что в апреле 1915 года он просил у Леденцовского общества денежной помощи на проведение опытов с судовыми винтами на Москве-реке. Не удовлетворившись этим, Жуковский писал Алексею Николаевичу Крылову:

«Так как моя теория позволяет производить подсчет винтов гидродинамический и на прочность для каждого задания относительно судна и через это, по всей вероятности, увеличить их коэффициент полезного действия и скорость судна, то, ввиду спешности военного времени, я предложил бы, не дожидаясь окончания опытов на Москве-реке, выполнить по моей теории винты сначала для небольшого корабля (миноносца) и, в случае успеха, для больших судов.

С чертежами таких винтов мог бы приехать к Вам мой ученик инженер-механик Владимир Петрович Ветчинкин для исполнения их на судостроительном заводе и затем испытания на судне параллельно с испытаниями прежних винтов судна».

В другом письме к Крылову, написанном два года спустя, мы читаем:

«Владимир Петрович Ветчинкин заедет к Вам и расскажет о «вариационном» винте, который получился, как результат развития моей вихревой теории гребного винта. Надо надеяться, что этот новый тип винта поднимет на несколько процентов коэффициент полезного действия винтов для морских судов».

Но винты были лишь малой толикой той грандиозной работы, которую вел Николай Егорович, стремясь помочь молодой авиации.