Техника в ее историческом развитии

Раздел: Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

Развитие авиационной техники неразрывно связано с разработкой теоретических основ полета аппаратов тяжелее воздуха, и здесь важнейшая роль принадлежит аэродинамике.

Аэродинамика — наука о движении воздуха и его воздействии на обтекаемые им тела — начала зарождаться в связи с первыми попытками создания летательных аппаратов. Она возникла и формировалась на основе использования теоретических положений классической гидродинамики, а также результатов аэродинамических экспериментов.

В постановке и решении ряда задач аэродинамики, в частности для схематизации движения воздуха и его действия на тела, немаловажную роль .сыграли различные гидродинамические модели [26] При этом большую роль сыграли ударная теория сопротивления И. Ньютона (1686 г.), теория идеальной несжимаемой жидкости, разработанная Д. Бернулли (1738 г.) и Л. Эйлером (1769 г.), теория вязкой несжимаемой жидкости, созданная А. Навье (1822 г.) и Дж. Г. Стоксом (1845 г.), теория струйного обтекания тел, развитая Г. Гельмгольцем (1868 г.), Г. Кирхгофом (1869 г.), а в дальнейшем Рэлеем (1876 г.), Д. К. Бобылевым (1881 г.), Н. Е. Жуковским (1890 г.), Дж. Мичеллом (1890 г.), А. Лявом (1891 г.). Особое значение для становления аэродинамики имели работы Г. Гельмгольца, заложившего основы теории вихревого движения жидкости (1858 г.). В начале XIX в. появились понятия подъемной силы (Дж. Кейли) и центра давления. Дж. Кейли впервые попытался сформулировать основную задачу расчета полета аппарата тяжелее воздуха как определение размеров несущей поверхности для заданной подъемной силы [27, с. 8]. В его статье «О воздушном плавании» (1809 г.) предложена схема работы плоского крыла в потоке воздуха, установлена связь между углом атаки, подъемной силой и сопротивлением, отмечена роль профиля крыла и хвостового оперения в обеспечении продольной устойчивости летательного аппарата и т. п. [28]. Кейли также занимался экспериментами на ротативной машине. Однако его исследования не были замечены современниками и не получили практического использования.

С начала 70-х годов XIX в. в связи с первыми попытками постройки различных летательных аппаратов тяжелее воздуха были предприняты работы по изучению аэродинамических сил, действующих на элементы конструкции. Возникла проблема определения величины подъемной силы крыла в зависимости от различных углов атаки. Ее решали, главным образом проводя эксперименты с пластинками различной формы. Подобные работы! были выполнены в ряде стран: в России М. А. Рыкачевым [29], С. К. Джевецким [30, 31], Д. И. Менделеевым [32], во Франции — А. Пено [33, 34], в Англии — Ф. Уэнхемом, в Германии — О. Лилиенталем [19].

М. А. Рыкачев одним из первых (1870—1871 гг.) опытным путем изучал подъемную силу пластинок, предвосхитив на несколько десятков лет некоторые результаты Г. Эйфеля, полученные им в 1910 г. В частности, в 1871 г. он определил зависимость от угла атаки отношения подъемной силы к силе сопротивления плоского крыла — пластинки, т. е. исследовал так называемое «аэродинамическое качество» крыла. Пено ввел в практику исследований понятия коэффициентов подъемной силы и сопротивления (1873 г.). Годом ранее он же пришел к выводу, что для устойчивости полета азроплан должен иметь хвостовое оперение.

Лилиенталь определил составляющие полной аэродинамической силы и установил вид зависимости подъемной силы от угла атаки, предложив, способ представления опытных данных в виде поляр (поляра Лилиенталя). В результате многолетнего изучения явления парения птиц он впервые поставил опыты с вогнутыми пластинками и доказал их аэродинамическое преимущество перед плоскими. Все эти результаты были изложены им в работе «Полет птиц как основа искусства летать» (1889 г.) [19]. Джевец- кий в 1885—1891 гг. опубликовал ряд работ, посвященных исследованию полета птиц («О сопротивлении воздуха в применении к полету птиц и аэропланов», 1885 г.; «Азропланы в природе. Опыт новой теории полета», 1887 г.; «Теоретическое решение вопроса о парении птиц», 1891 г.). Однако наибольшее значение для развития авиации имела разработанная им в 1892 г. теория элемента лопасти винта [30], уточненная автором в 1910 г. [31].

Существенный вклад в развитие авиационной науки и техники в России внесли труды Д. И. Менделеева. От изучения свойств паров и газов он перешел к проблемам воздухоплавания, а затем к задачам аэродинамики. В 1880 г. Менделеев опубликовал монографию «О сопротивлении жидкостей и о воздухоплавании» [32], где были проанализированы важнейшие работы по вопросам сопротивления движению тел в жидкостях и газах. Менделеев показал, что существующие гидродинамические теории и модели не адекватны аэродинамическим процессам и явлениям. Для построения научной базы конструирования летательных аппаратов необходимо было широкое экспериментирование. Эти выводы Менделеева имели большое значение для создания в России специальных аэродинамических лабораторий и строительства аэродинамических труб.

Работы с аэродинамическими трубами позволили получить на основании единой методики новые научные результаты по аэродинамике, в том числе аэродинамические характеристики крыла и винта. В последней трети XIX в.— начале XX в. аэродинамические трубы были созданы в России В. А. Пашкевичем, К. Э. Циолковским, Н. Е. Жуковским; на Западе — Ф. Узнхемом, Г. Филлипсом, Л. Махом, X. Максимом, братьями В. и О. Райт, Г. Эйфелем, Л. Прандтлем и др. В аэродинамических трубах, построенных в 90-х годах XIX в., были достигнуты скорости воздушного потока в диапазоне 4—18 м/с [27].

Многие вопросы аэродинамики были впервые поставлены и решены К. Э. Циолковским. Крупнейшей заслугой его перед авиацией является теоретическая разработка проекта цельнометаллического моноплана со свободнонесущим толстым изогнутым крылом, описанного в статье «Аэроллап, или птицеподобная (авиационная) летательная машина» (1894 г.) [35]. В этой работе Циолковский впервые изложил элементы аэродинамического расчета основных летных характеристик азроплана. Он подчеркнул, что «давление на крылья встречного воздуха пропорционально синусу угла отклонения их от направления воздушного потока» [35, с. 45]. В рукописи «К вопросу о летании посредством крыльев» (1890 г.), изданной частично в 1891 г. под названием «Давление жидкости на равномерно движущуюся в ней плоскость» [36], Циолковский впервые в мире получил зависимость полной аэродинамической силы от чшродолговатости» (по современной терминологии — удлинения) крыла, подтвержденную им экспериментально. Одним из первых еще в 1897—1898 гг., а затем в 1900— 1901 гг. он провел комплекс экспериментальных исследований по продувке моделей элементов летательных аппаратов на изобретенной и изготовленной им «лопастной воздуходувке» при скорости потока воздуха около 5 м/с. При зтом определяли коэффициенты подъемной силы и сопротивления плоских пластинок различного удлинения и при различных углах атаки, сопротивление тел в виде призм, цилиндров с круглым и эллиптическим основанием, многогранников, шаров, продолговатых тел вращения; проводили опыты но определению поверхностного трения; сравнивали сопротивления тел приблизительно одной длины, но разной формы и продолговатости и т. д. Полученные данные были опубликованы в 1898 [37] и 1902 гг. [38], к сожалению, только частично.

К концу XIX в. в результате главным образом экспериментальных исследований пластинок различной формы было установлено влияние вогнутости и удлинения на увеличение подъемной силы, были получены первые данные о целесообразности использования разрезных крыльев. Предпринимались попытки теоретически решить задачу о подъемной силе крыла (Д.К.Чернов, 1883—1893 гг.; Ф. Ланчестер, 1891—1894 гг.). К 80—90 годам относятся разработки конструкций и летные испытания первых самолетов: в России (А. Ф. Можайский, 1882 г.), в Англии (Г. Фил- липс, 1892 г.; X. Максим, 1898 г.), во Франции (К. Адер, 1897 г.).

Крупнейший вклад в построение аэродинамики как науки внес Жуковский. Его первые работы, с которых ведет начало современная аэродинамика, относятся к 1890—1898 гг. («К теории летания», 1890 г.; «0 парении птиц», 1891 г.; «О наивыгоднейшем угле наклона аэропланов»,

1897 г.; «О крылатых пропеллерах», 1898 г. и др.). В этих работах Жуковский раскрывает и обсуждает целый комплекс вопросов, связанных с решением задачи полета на аппаратах тяжелее воздуха. Он впервые высказывает гипотезу о связи подъемной силы с некоторым вихревым движением,, обусловленным вязкостью воздуха, ставит и решает плоскую задачу о возможности осуществления различных движений самолета в воздухе,, в том числе «мертвой петли», исследует вопрос о положении центра давления аэродинамических сил и обращает внимапие на важность изучения проблемы устойчивости самолета; рассматривает вопрос о тяге винта и дает метод вычисления наивыгоднейшего угла атаки крыла.

Н. Е. Жуковскому принадлежат и важнейшие достижения по экспериментальной аэродинамике. В 1890—1891 гг. он проводит эксперименты с пластинками, вращающимися в потоке воздуха, а также изучает закон изменения положения центра давления в зависимости от угла атаки. В 1902 г. под его руководством в Московском университете создается аэродинамическая лаборатория, в которой была построена одна из первых в мире аэродинамических труб, отличающаяся равномерным потоком, и разработан прибор для испытаний самолетных винтов. В 1904 г. но идее и при непосредственном участии Жуковского был организован первый в России и один из первых в Европе Аэродинамический институт (пос.Ку- чино под Москвой), оборудованный новейшими по тому времени установками и приборами. В 1905 и в 1909 гг. по инициативе ученого сооружаются новые аэродинамические трубы в Московском университете, а в 1910 г. он организует аэродинамическую лабораторию при Московском высшем техническом училище (МВТУ). Эти учреждения превратились в центры экспериментальных и теоретических исследований по аэродинамике, в результате проведения которых Россия вышла на одно из первых мест в мире в этой отрасли науки.

Первое десятилетие XX в. характеризуется широким развитием экспериментальных исследований плоских и изогнутых пластинок в аэродинамических трубах и использованием полученных результатов для определения аэродинамических характеристик крыльев первых самолетов, совершивших успешные полеты. Создается ряд аэродинамических лабораторий и специализированных научных организаций на Западе: Аэродинамический институт в Риме (Г. ФинцииН. Сольдати), аэродинамическая лаборатория при Национальной физической лаборатории в Англии (NPL); строится ряд аэродинамических труб в Германии, Канаде, США. Основное внимание при экспериментальных исследованиях и теоретических разработках в этот период уделяется подъемной силе крыла. В Англии, Италии, Канаде, Франции и США преобладал эмпирический путь в определении аэродинамических характеристик крыла. Наоборот, в России и несколько позже в Германии основное внимание обращали на теоретическое решение вопроса, при котором эксперимент играл вспомогательную роль [27].

В связи с полетами первых самолетов, изготовленных конструкторами преимущественно эмпирическим путем, методом проб и ошибок, перед наукой возникла непосредственная задача выяснить причину происхождения подъемной силы, создать теорию ее расчета. В своей основополагающей работе «О присоединенных вихрях» (1906 г.) Жуковский открыл «механизм» возникновения подъемной силы и доказал знаменитую теорему («теорема Жуковского»), согласно которой величина этой силы равна про

изведению плотности воздуха, циркуляции скорости потока вокруг обтекаемого тела и скорости движения тела [39]. Жуковский показал возможность замены крыла при вычислении подъемной силы «присоединенным вихрем», создающим в окружающей среде такую же циркуляцию скорости, как крыло. Справедливость теоремы была экспериментально подтверждена в 1905—1906 гг. в Ку- чинском институте при экспериментах с падающими в воздухе вращающимися продолговатыми пластинками (Н. Е. Жуковский. «О падении в воздухе легких продолговатых тел, вращающихся около своей продольной оси», 1906 г.). Теорема Жуковского о подъемной силе имела фундаментальное значение в теории крыла и винта.

С начала второго десятилетия XX в. в связи с необходимостью решения конкретных задач, выдвигаемых авиацией, перед теоретической и экспериментальной аэродинамикой наиболее остро встали две основные проблемы: изучение влияния удлинения и формы крыла в плане на аэродинамические характеристики крыла и исследование аэродинамических свойств профилей. Одновременно практика самолетостроения требовала создания методов аэродинамического расчета самолета и проектирования винтов.

Отсутствие метода определения циркуляции скорости вокруг крыла затрудняло использование формулы Жуковского для практических расчетов. Эту принципиально важную задачу решил ученик и последователь Жуковского С. А. Чаплыгин [40] и почти одновременно с ним В. Кутта 141]. Начиная с 1910 г. Чаплыгин проводит цикл работ по теории крыла. В статье «О давлении плоско-параллельного потока на преграждающие тела (к теории аэроплана)» (1910 г.) Чаплыгин сформулировал положение (постулат Чаплыгина — Жуковского»), согласно которому при безотрывном обтекании профиля крыла потоком идеальной жидкости хвостовая точка профиля (точка заострения) является точкой схода потока с верхней и нижней поверхностей крыла. Этот постулат позволил вычислить циркуляцию скорости по замкнутому контуру, охватывающему профиль крыла, и тем самым определить подъемную силу по формуле Жуковского. В этой работе Чаплыгин изложил основы плоской задачи аэродинамики и дал формулы для расчета сил давления потока на различные профили крыла. Он впервые вывел общие формулы для силы и аэродинамического момента; указал на наличие значительного опрокидывающего .момента, действующего на самолет, и вследствие этого опасность потери устойчивости;

показал, что при нулевом угле атаки подъемная сила изогнутой пластинки зависит от стрелы прогиба и не зависит от величины ее хорды. Общие формулы для силы и момента, действующего на профиль, независимо от Чаплыгина получил и Г. Блазиус [42]

Таким образом были заложены основы аэродинамики крыла бесконечного размаха. Почти одновременно с разработкой этой теории были предприняты исследования в теории крыла конечного размаха. Одной из первых работ, в которой для построения течения около крыла использовалась вихревая схема, был трактат Ф. Ланчестера, опубликованный в 1907 г, [43]. В 1910 г . Чаплыгин предложил вихревую схему крыла, а в 1913 г. на основе замены крыла П-образным вихрем дал метод расчета индуктивного сопротивления крыла. Аналогичная идея была использована Л. Прандтлем, опубликовавшим теорию «несущей линии» [44], пригодную для расчета индуктивного сопротивления крыла достаточно большого удлинения. Ему же принадлежат важные для последующего развития аэродинамики результаты в теории пограничного слоя (1904 г.), в том числе объяснение сопротивления формы при обтекании тела с отрывом пограничного слоя от его поверхности [45].

В конце первого — начале второго десятилетия XX в. создаются новые аэродинамические лаборатории с усовершенствованными старыми и вновь разработанными аэродинамическими трубами при Национальной физической лаборатории в Теддингтоне, в Геттингене, при Московском техническом училище, позднее в Петербургском Политехническом институте и Институте инженеров путей сообщения, в лаборатории Г. Эйфеля и А. Ра- то в Париже, Аэротехническом институте в Сен-Сире и др. [27]. Для экспериментальных работ рассматриваемого периода характерен переход от испытаний пластинок к исследованию моделей крыльев с аэродинамическим профилем. Предпринимают попытки эмпирическим путем определить рациональные формы крыла и его профиля.

В эти годы появились новые работы Жуковского, имеющие важное значение для самолетостроения: «О контурах поддерживающих поверхностей аэропланов» (1910 г.) и «Определение давления плоско-параллельного потока жидкости на контур, который в пределе переходит в отрезок прямой» (1911 г.). Ученый предложил ряд теоретических профилей крыльев и рулей (рули Жуковского, крылья типа инверсии параболы, крылья типа Антуанетт) и дал расчетные формулы для определения подъемной силы и линии ее действия для этих профилей. Профили, полученные инверсией параболы, были независимо исследованы Чаплыгиным, вследствие чего они названы профилями Жуковского — Чаплыгина.

В 1910—1911 гг. ученики Жуковского Г. X. Сабинин и Б. Н. Юрьев развили теорию винта, предложенную Джевецким, и разработали методику расчета, хорошо оправдавшуюся на практике. В период 1912—1918 гг. Жуковский выполнил серию работ по вихревой теории гребного винта 146], доведенной им и его учеником В. П. Ветчинкиным до практических приложений. Значение этой теории состоит в том, что едиными зависимостями охдачены все разновидности винтов: пропеллер, геликоптерный винт, лопасти турбин, ветряного двигателя и вентилятора.

Непосредственно перед первой мировой войной и в военные годы Жуковский выполнил ряд работ, прямо отвечающих практическим задачам самолетостроения и авиации. Кроме введенного в 1912—1916 гг. в инже

нерную практику аэродинамического расчета самолетов, использовавшегося главным образом при конструировании тяжелых бомбардировщиков, Жуковский предложил расчет самолета на устойчивость и управляемость (1913—1916 гг.) [47], а также изложил (1916 г.) основы теории бомбометания [48]. Огромную работу провел он по подготовке авиационных кадров: конструкторов самолетов и пилотов. При его непосредственном участии был создан в 1918 г. Центральный аэрогидродинамический институт (ЦАГИ), ставший впоследствии мировым центром исследований в области гидроаэромеханики.

В рассматриваемый период в практику конструирования самолетов стали проникать методы подобия и моделирования. Теорема о механическом подобии впервые сформулирована Ныотономв1687г.и использована им для разработки ударной теории сопротивления. В 1883 г. О. Рейнольде установил для случая несжимаемой вязкой жидкости закон гидродинамического подобия [49], согласно которому коэффициент сопротивления тел зависит от параметра, названного в 1908 г. А. Зоммерфельдом числом Рейнольдса. Основную теорему теории подобия и размерностей, так называемую л-теорему, использовали в экспериментальных работах Ку- чинского института, начиная с 1909 г. [50, с. 32].

Из результатов экспериментов, полученных в различных аэродинамических лабораториях, следовало, что опытные данные для геометрических подобных моделей необходимо сравнивать при одних и тех же значениях числа Рейнольдса. Кроме того, переход от опытных данных для модели к натурным условиям также должен осуществляться при соблюдении подобия по числу Рейнольдса. Последнее условие было особенно важно, так как при проектировании самолетов стали все шире пользоваться результатами продувок моделей конструкций в целом и их элементов в аэродинамических трубах (например, при создании гидросамолетов Д. П. Григоровича и тяжелого самолета В. А. Слесарева в России, аэродинамическом расчете Л. Прандтлем самолетов в Германии, проектировании самолетов Г. Эйфелем во Франции [51—53]).

Особое значение для будущего развития аэродинамики имели работы С. А. Чаплыгина (1902 г.), а позднее О. Янцена (1913 г.) и Рэлея (1916 г.), в которых было обращено внимание на необходимость учета сжимаемости воздуха при определении его сопротивления движению тел при скоростях, близких к скорости звука. В работе «О газовых струях» [54]. опередившей свое время примерно иа три десятилетия, Чаплыгин исследовал струйные течения газа при любых дозвуковых скоростях, внеся значительный вклад в новое направление механики сплошной среды — газовую динамику.

Таким образом, в начале XX в. завершилось формирование аэродинамики как самостоятельной науки. Значительная часть полученных в первые два десятилетия результатов связана с деятельностью двух ведущих научных школ: московской школы Н. Е. Жуковского и С. А. Чаплыгина и геттингенской школы Л. Прандтля. Становление этой фундаментальной науки происходило под непосредственным воздействием практических задач, и прежде всего запросов авиации. На базе теоретической аэродинамики возникла и соответствующая ей прикладная (техническая) аэродинамика, занимающаяся решением конкретных инженерных задач по расчету летательных аппаратов тяжелее воздуха.

Авиация. Изобретение самолета. Первые самолеты

Положения о лицензировании разработки, производства, ремонта и испытаний авиационной техники, в том числе авиационной техники двойного назначения...

Авиация

Однако уровень техники того времени не позволил великому итальянцу осуществить свои замыслы, и со … Однако, несмотря на все это, собственной авиационной промышленности в...

...гражданской авиации. Обязательной аттестации подлежит авиационный...

1. Обязательной сертификации подлежат юридические лица - разработчики и изготовители воздушных судов и другой авиационной техники...

Первые самолеты. СОЗДАНИЕ САМОЛЕТА

Достижения машиностроения быстро становились широким достоянием технической мысли, что, разумеется, не могло не сказаться на развитии авиационной техники.

Лицензирование деятельности в области авиации. Выдача...

Положения о лицензировании разработки, производства, ремонта и испытаний авиационной техники, в том числе авиационной техники двойного назначения...

Воздухоплавание и авиация. Дирижабли, самолеты, бипланы...

К концу 90-х гг. мировое дирижаблестроение превратилось в особую отрасль техники. … В развитии мировой авиационной техники можно выделить несколько этапов.

Гражданская авиация. Авиация, используемая в целях обеспечения...

См. Федеральную целевую программу "Развитие гражданской авиационной техники России на 2002 - 2010 годы и на период до 2015 года"...

Сертификация гражданских воздушных судов, авиационных двигателей...

...авиационных двигателей и воздушных винтов, а также разработчику авиационной техники информацию о техническом состоянии авиационной техники и об особенностях ее...

Международные полеты и их регулирование. Регулярные международные...

Эта цель достигается путем разработки мер, касающихся технической надежности авиационной техники, аэропортов и других средств, используемых в международной аэронавигации...

›Международное право›

Экспериментальная авиация. Использование экспериментальной авиации...

1. Авиация, используемая для проведения опытно-конструкторских, экспериментальных, научно-исследовательских работ, а также испытаний авиационной и другой техники...

СЕРГЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ ИЛЬЮШИН. Биография самолеты Ильюшина

В 1944 г. коллектив ОКБ Ильюшина приступает к созданию принципиально новой авиационной техники — реактивной.

Война на Халхин-Голе. Воздушные бои с японцами. Первый таран - 1939...

осваивались летчиками. Японская авиация располагалась на хорошо оборудованных аэродромах в. … авиационной техники.

Навигационные приборы. Навигация

Энциклопедический словарь юного техника. Навигационные приборы. … Важную роль играет навигационная техника в авиации, помогая водить самолеты.

АЭРОДРОМ. Базовые аэродромы служат для постоянного базирования...

Энциклопедия современной техники строительство. … На аэродромах спец. применения базируются самолеты, выполняющие авиационно-химические работы, аэросев...

ТЕХНИКА. Техника в ее историческом развитии

Глава IX зарождение и начальный период развития авиационной техники 1. возникновение научных и технических предпосылок.

Аэродромы и аэропорты. Аэродром - участок земли или поверхности воды...

...мер, касающихся технической надежности авиационной техники, аэропортов и других средств … Служба управления воздушным движением; Приложение 14. Аэродромы.

Боевые действия советских вооруженных сил на военных фронтах. Итоги...

Кроме того, в войсках было большое количество устаревшей бронетанковой и авиационной техники, ВМФ имели 276 боевых кораблей основных классов, в том числе 212 подводных лодок.

›История России›

 Международная специализация и ее сущность. Система международной...

Например, производителями и поставщиками авиационной техники являются в основном США, Англия, Франция, ФРГ, Италия...

›Международные экономические›

Страхование ответственности авиаперевозчика. Ответственность...

...на один полет, на период времени, связанный с регулярными полетами или специальными полетами (например, демонстрация авиационной техники).

Черный ящик

Термин заимствован из авиационной техники, где он появился в 1940-е гг. и означал различные элементы оборудования самолета.