Крылья Родины

Явления, происходящие при обтекании газовым потоком — а воздушный поток ведь есть, вообще говоря, газовый поток, — какого-нибудь тела — скажем, крыла самолета, носят различный характер в зависимости от скорости набегающего потока на движущееся тело. Если скорости тут значительно меньше скоростей распространения звука в газе, то-есть примерно 600–700 километров в час, то обтекание идет совершенно так, как оно шло бы, если бы тело двигалось в какой-нибудь несжимаемой жидкости — скажем, в воде.

Задачи, относящиеся к такому движению тела, в большинстве случаев были решены Жуковским.

Совершенно иной характер носят явления, происходящие в газовом потоке, если движущееся в нем тело имеет скорость, приближающуюся к звуковой, так называемую критическую скорость. В этом случае возникает критический режим, когда часть газа движется со сверхзвуковой скоростью, а часть — со значительно меньшей. А когда скорость движущегося тела превышает звуковую, все явления, происходящие в газе, резко изменяются и подчиняются совсем иным законам.

Чаплыгин писал свою диссертацию «О газовых струях» летом 1901 года и ставил целью разработать метод для решения задач на обтекание тел газовым потоком с образованием срыва струй. В решении такого рода задач в те времена техника почти не нуждалась. Вопросы сопротивления воздуха, представляющего частный случай газового потока, практиков не интересовали. Их скорее могли бы интересовать вопросы сопротивления жидкостей, но и в этой области сделано было очень мало.

Как известно, многие физические законы общи для газов и жидкостей, но всякий газ, в том числе и воздух, можно сжать, например, движением поршня в цилиндре, как это и делается в двигателях Дизеля. Вода же несжимаема, и на этом свойстве ее строится целый ряд гидравлических машин. Д. И. Менделеев первый пришел к выводу, что данные для сопротивления жидкостей можно применять и к воздушной среде, что «опыты с водою дополняют и дополняются опытами с воздухом». Но он предвидел, как мы читали уже, и то, что с достижением некоторой «критической скорости» движения тела в жидкой среде «сопротивление всякой жидкости будет возрастать быстрее, чем до этого», то-есть законы сопротивления за пределами этой «критической скорости» окажутся иными.

Еще до своей диссертации Чаплыгин показал в статье «О некоторых случаях движения твердого тела в жидкости», что воздух можно рассматривать несжимаемым как жидкость лишь до тех пор, пока скорость движущегося тела будет значительно меньше скорости распространения звука. При скоростях, близких к звуковым, законы сопротивления в газовой среде будут резко отличаться от законов сопротивления в жидкой среде, и сжимаемость воздуха скажется на срыве струй.

Намного раньше других ученых Чаплыгин обратился к исследованию газовых струй и разработал метод решения задач на сопротивление тела в случае потока сжимаемого газа. В своей диссертации он дал гениальное по простоте решение. Оно состоит в том, что если известно решение задачи теории струй для случая несжимаемой жидкости, то решение аналогичной задачи для газа получится в виде такого же ряда, все члены которого получат некоторые дополнительные множители.

До Чаплыгина ученые, занимаясь вопросом обтекания газом тел с большими скоростями, прибегали к большому упрощению явления. Они пренебрегали толщиной изучаемого тела — скажем, крыла или лопасти.

Чаплыгин создал теорию газовых струй для дозвуковых скоростей и начал изучать явление без грубых упрощений в те времена, когда аэропланы имели ничтожную, в сущности, скорость — не более 60 километров в час. Теоретическая авиация, таким образом, шла впереди практической лет на сорок, потому что только теперь, когда скорости стали приближаться к звуковым, практическая авиация столкнулась с вопросами, изучение которых русская аэродинамическая школа начала сорок лет назад!

Плоская аэродинамическая труба в лаборатории Московского университета.

«Научный труд — это не мертвая схема, а луч света для практиков!» — говаривал Чаплыгин.

Так смотрел на науку Жуковский, так смотрел на науку и его первый ученик, хотя, в противоположность своему учителю, Чаплыгин был чистым математиком по складу своего ума.

Работа «О газовых струях» является одной из первых работ, знаменующих переход к новой эпохе в механике. В этой работе Чаплыгин дает решение ряда задач о струйных движениях сжимаемого газа. Основное значение этой работы заключается в том, что в ней даны методы изучения газовых течений со скоростями, близкими к звуковым.

Сейчас, когда в авиации достигнуты скорости, близкие к звуковым, а обтекание происходит при «критическом режиме» и часть воздуха движется со сверхзвуковой скоростью, нет надобности объяснять колоссальное значение работы Чаплыгина. Но кто мог, кроме Жуковского, оценить эту работу сорок лет назад, когда не было ни одной области техники, которая могла бы воспользоваться гениальным решением молодого ученого!