Глава II. Зародження АВІАЦІЇ І АВІАЦІЙНОЇ НАУКИ
Розвиток повітроплавання і ідеї польоту в Росії було тісно пов'язане зі створенням і становленням авіаційної науки. Російські вчені і винахідники вивчали рух тіл в просторі. Аеродинаміки як науки тоді ще не існувало. Дослідники і винахідники приходили до певних висновків дослідним шляхом. Назріла потреба в цій області знань спонукала вчених того часу зайнятися дослідженням проблем аеродинаміки.
Лопаті гвинта гелікоптера сильно нагадували лопаті «вітрогонів машини», яку застосовували на рудниках.
Ломоносов, створюючи основи метеорології (існування якої також необхідно для нормального розвитку авіації), одночасно з цим розробляв основи аеродинаміки, що виникла як наука тільки в кінці XIX століття.
Михайло Олександрович Рикачев (1840 / 41-1919), моряк за професією, академік і директор Головної фізичної обсерваторії, зацікавився проблемою літання в кінці 60-х рр. XIX століття. У 1869 р він піднімався на повітряній кулі для метеорологічних спостережень.
У 1870-1871 рр. М.А.Рикачёв провів досліди з пластинками з допомогою спеціального сконструйованого ним приладу. Мета його дослідження була встановити потужність, потрібну для обертання гвинта певних розмірів, і визначити вагу вантажу, який можна підняти в повітря за допомогою такого гвинта. Він вів ці дослідження для того, щоб побудувати вертоліт, на якому можна було б, змінюючи нахил гвинта, пересуватися в повітрі в бажаному напрямку. Вчений ретельно проаналізував всі зроблені до нього досліди і розрахунки, що стосуються опору повітря. Він вказав на існування кута атаки, при якому буде «найбільш вигідне відношення вантажу, що піднімається до сили машини». Пізніше такий кут був названий «найвигіднішим» кутом атаки і визначенню його величини було присвячено багато робіт російських і зарубіжних дослідників.
Як і Ломоносов, Рикачев одночасно займався і проблемою підняття людини в повітря, і проблемою дослідження атмосфери. Однак якщо Ломоносов намагався побудувати літальний апарат для вивчення властивостей атмосфери, то Рикачев вже більше схилявся до думки про те, що метеорологія повинна бути поставлені на службу авіації, «... вчасно попереджаючи повітроплавців про можливість і неможливість польотів ...».
Одночасно з М.А.Рикачёвим аеродинамічними дослідженнями займався Дмитро Іванович Менделєєв (1834-1907). Вчений надавав великого значення експерименту, і особливо дослідам в штучному потоці повітря. В одній з його записників, датованій 1876 р вдалося виявити начерк схеми аеродинамічної труби.
В кінці 70-х - початку 80-х рр. Дмитро Іванович разом з іншими дослідниками (М. Гроссман і П.Д. Кузьмінським) провів досліди з вимірювання опору падаючих тіл, в результаті яких підтвердилося положення Ньютона про пропорційність опору падаючого тіла квадрату швидкості.
Менделєєв встановив, що фізичні властивості газів змінюються в залежності від температури і різного тиску. У 1880 році видав книгу «Про опір рідин і повітроплавання». Він прийшов до висновку, що тертя рідин - важливий елемент опору. Їм детально були розроблені питання опору середовища в умовах падіння тел.
У 1887 р вчений піднявся один на повітряній кулі до висоти 3350 м для спостереження сонячного затемнення.
Д.І. Менделєєв був глибоко переконаний, що винахід літального апарату важче повітря «складе епоху, з якої почнеться новітня історія освіченості».
У 80-х рр. XIX століття над проблемою польоту в Росії працювали винахідник підводних човнів Степан Карлович Джевецький (1843-1938) і металург Дмитро Костянтинович Чернов (1839-1921).
Великою заслугою вченого було встановлення найвигіднішого кута атаки аероплана, певного або в 1 ° 50 ¢¢. Діапазон кута атаки крила, встановлений його попередниками (Рикачев (Росія), дю Тампль (Франція)) коливався в межах від 15 ° до 30 °. Джевецький детально розробив теорію повітряного гвинта. Пізніше він побудував досвідчений літак і був першим перекладачем Н.Є. Жуковського на французьку мову.
Д.К. Чернов теоретично досліджував сили, що діють на крило, і прийшов до правильного висновку, що підйомна сила зростає пропорційно квадрату швидкості, а робота - пропорційно кубу швидкості. При побудові своєї теорії вчений виходив з того, що при русі крила повітря відкидався вниз, і в результаті інерції частинок повітря на крило створюється підйомна сила. Він довів розрахунковим шляхом, що підйомна сила зростає зі збільшенням угнутості і вивів формулу для визначення підйомної сили. Отримані теоретичні результати Чернов перевірив за допомогою досліджень на ротативних машині в 1889-1890 рр. Його досліди підтвердили висновки теорії про те, що підйомна сила пластинки із зігнутим профілем більше, ніж плоскою.
Досліджуючи шляхи збільшення підйомної сили, Чернов вперше в світі прийшов до ідеї створення розрізних крил. Він показав, що розрізне крило створює ту ж підйомну силу, що суцільне при одній і тій же площі, при меншій витраті потужності двигуна. Значно пізніше до такого ж висновку прийшов Х. Максим (Англія). У 1895 р Е.С. Федоров також вказував на доцільність використання розрізаних крил.
Величезний внесок в теорію польоту вніс геніальний російський вчений Микола Єгорович Жуковський (1847-1921) - основоположник вітчизняної аеродинаміки. У 1889 р він організував при кабінеті прикладної механіки Московського університету аеродинамічну лабораторію, в якій почав проводити досліди з моделями птахів і літальних апаратів, а так само тілами різної форми. Вчений досліджував завдання про оборотності руху, про форму судів, про ширяння птиць, про стійкість руху літака, про аеродинамічні сили, що діють на літак, про методи аеродинамічного експерименту. У 1890-1891 рр. Жуковський встановив основні форми поздовжніх рухів літака. Надаючи великого значення вивченню питання про стійкість літака, він особливу увагу звернув на визначення положення центру тиску крила при різних кутах атаки.
Жуковський спроектував прилади, за допомогою яких проводилися досліди. Одним з приладів застосовувався для випробування моделей на природному вітрі (1890-1891 рр.), Другий - при дослідах на вагоні потяга (1891 г.) і при русі моделі по похилій площині (1892 г.).
У 1890 р виступаючи на з'їзді натуралістів з доповіддю «До теорії літання» і кажучи про літаючі птахів, Н.Є. Жуковський зазначав: «Невже для нас немає можливості наслідувати цим істотам? Правда, людина не має крил і по відношенню ваги свого тіла до ваги м'язів він у 72 рази слабкіше птиці; правда, він в 800 разів важка повітря, тоді як птах важче повітрі в 200 разів. Але я думаю, що він полетить, спираючись не на силу своїх м'язів, а на силу свого розуму ».
У 1902 р Жуковський побудував аеродинамічну трубу. Дослідження в ній дозволили встановити досить раціональний профіль крила з високими аеродинамічними якостями. Профіль цього відомий в світі і зараз під назвою «профіль Жуковського». Він розробив схему комплексного розвитку авіації на базі організованого об'єднання наукових досліджень і досвідченого конструювання літальних апаратів в рамках єдиного авіаційного наукового центру. Вчений звертався до російського уряду з пропозицією про будівництво такого центру, але уряд відхилив його пропозицію. Уклавши угоду з мільйонером Рябушинським, Жуковський заснував в Кучино в 1904 р Аеродинамічний інститут, праці якого незабаром отримали заслужене визнання серед вчених Європи. (За зразком Кучинського інституту в 1909 році була створена аеродинамічна лабораторія в Німеччині, а потім - у Франції).
Особлива заслуга Н.Є. Жуковського полягає в тому, що він зумів досвідчені спостереження з'єднати з математичної розробкою точної теорії, ввівши поняття «приєднаних вихрів» (тобто вихорів, якими можна замінити тіло, що знаходиться в потоці рідини), вчений зміг пояснити причину виникнення підйомної сили крила. У своїй роботі «про приєднані вихори» (1906 г.) Жуковський відкрив принцип освіти підйомної сили крила і вивів теорію, що дає кількісну її оцінку. Сутність цієї теорії, що лежить в основі всіх успіхів сучасної аеродинаміки, полягає в те, що на верхній поверхні крила зустрічний потік повітря прискорюється сильніше, ніж на нижній, і це створює різницю тисків, визначальну підтримуючу силу. На зустрічний потік повітря як би накладається циркуляційний рух, огибающее крило. Інтенсивність цього руху визначає підйомну силу (Y), яка дорівнює добутку щільності повітря (p) на швидкість руху (V) і на циркуляцію навколо крила (Г), тобто Y = p · V · Г.
Виникнення аеродинаміки як науки і теорії авіації прийнято вважати з часу відкриття Жуковським закону про підйомної силі (1904-1906 рр.).
Талановитим вченим були розраховані різні фігури польоту, в тому числі «мертва петля». П.Н. Нестеров перед виконанням «мертвої петлі» радився з ним.
Н.Є. Жуковський займався проблемами стійкості і керованості літака, його здатності самостійно повертатися з виведеного положення в заданий режим польоту.
У 1902 р Чаплигін написав роботу «Про газові струмені», яку в 1903 році захистив як докторську дисертацію. У ній він обґрунтував закони, що керують швидкісним польотом. Однак вона залишилася непоміченою. Тільки через 30 років, коли авіація стала підходити до швидкостей польоту, близьким до звукових, було розкрито і оцінено значення цієї роботи. Виявилося, що численні спроби вивчення газових потоків, зроблені в цей час, були засновані на методах, які давали менші результати, ніж методи Чаплигіна, розвинені або ще на початку століття.
С.А. Чаплигін, як і Жуковський, досліджував закономірності обтікання крила повітряним потоком, що дозволило йому внести доповнення в дослідження Жуковського і в його формулу підйомної сили крила.
У 1940 р учні Чаплигіна, виходячи з основних положень його дисертації, створили закінчену теорію повітряного гвинта. С.А. Чаплигіна розробив теорію щілинного крила і зробив ряд відкриттів, заслужено створили йому ім'я світового вченого.
Необхідно відзначити внесок Костянтина Едуардовича Ціолковського (1853-1935) в авіаційну науку. Талановитий дослідник не отримав спеціальної освіти, але зміг успішно захистити диплом на звання вчителя. Свою роботу вчителем він поєднував з науковою діяльністю.
У 1892 р Ціолковський розробив проект дирижабля з металевою оболонкою, наукове і технічне обгрунтування якого було дано в роботі «Аеростат металевий керований». У 1904р. висунув ідею побудови аероплана з металевим каркасом, який за своїм виглядом і аеродинамічній компоновці передбачав конструкції літаків, що з'явилися через 15-18 років.
У 1897 р К.Е. Ціолковський побудував першу в Росії аеродинамічну трубу з відкритою робочою частиною, а також розробив методику експерименту в ній. У 1900 р на субсидію Академії наук зробив продувки найпростіших моделей і визначив коефіцієнт опору кулі, пласкою платівки, циліндра, конуса і інших тіл. У 1905 році він запропонував ромбоподібний і клиновидний профілі крила для апаратів з надзвуковими швидкостями польоту.
Ціолковський багато і плідно працював над створенням теорії польоту реактивних літаків, винайшов свою схему Газотрубна двигуна. Талановитого дослідника захопила ідея освоєння космічного простору. Він став основоположником нової науки про польоти - ракетодинамики. Ціолковський прийшов до вирішення нових проблем механіки тіл змінної маси. Їм вперше була вирішена задача посадки космічного апарату на поверхню планет, позбавлених атмосфери. У 1926-1929 рр. Ціолковський розробив теорію багатоступеневих ракет, він першим вирішив задачу про рух ракети в неоднорідному полі тяжіння і розглянув (приблизно) вплив атмосфери на політ ракети, а також обчислив необхідні запаси палива для подолання сил опору повітряної оболонки Землі.
Ціолковський є основоположником теорії міжпланетних повідомлень. Його дослідження вперше показали можливість досягнення космічних швидкостей. Здійсненність міжпланетних польотів і освоєння людиною космічного простору. Його праці в значній мірі сприяли розвитку ракетної та космічної техніки в СРСР.
За особливі заслуги в області винаходів, що мають величезне значення для економічної моці й оборони країни, Ціолковський в 1939 був нагороджений орденом Трудового Червоного Прапора. У зв'язку зі 100-річчям від дня народження вченого в 1954 р АН СРСР заснувала Золоту медаль ім К.Е. Ціолковського «За видатні роботи в області міжпланетних повідомлень». У Калузі і в Москві споруджено пам'ятники вченому; створено меморіальний будинок-музей в Калузі, названий кратер на Місяці. Його ім'я присвоєно Московському авіаційно-технологічного інституту, Російської академії космонавтики, Державному музею історії космонавтики.
Великий внесок у розвиток авіаційної науки внесли О.М. Туполєв, В.П. Ветчинкин, Б.С. Стечкин, Б.Н. Юр'єв, В.В. Голубєв, М.В. Келдиш, С.А. Христианович, Г.П. Свищев, П.П. Фарбарів і багато інших вітчизняних вчені.