Фабрика аэродинамических шедевров

Самолет Т-4 («100»). К созданию этой сверхзвуковой (М = 3) тяжелой (120–125 т) машины ЦАГИ совместно с ОКБ П.О. Сухого приступило в 1962 г. Первый полет совершил 22 августа 1972 г. В 1974 г. финансирование работ было прекращено.
Источник: Г.С.Бюшгенс, Е.Л.Бедржицкий, В.Г.Дмитриев. «Центр авиационной науки», М., 2004 г.

Конечно, Николай Егорович Жуковский - это уникальный ученый!

Он заложил фундамент всех авиационных наук - аэродинамика, прочность, приборы, бомбометание.

17 января исполнилось 160 лет со дня рождения выдающегося русского ученого Николая Егоровича Жуковского. «Отец современной аэродинамики» – так чаще всего определяют значение для мировой науки работ этого исследователя. Об исторических основаниях отечественной школы аэродинамики и перспективах развития этой отрасли науки мы попросили рассказать академика, советника дирекции Центрального аэрогидродинамического института имени профессора Н.Е.Жуковского, известного специалиста в области аэродинамики Георгия Бюшгенса.

– Георгий Сергеевич, я знаю, что вы увлекаетесь историей науки и естествознания. С этой точки зрения: как бы вы могли охарактеризовать роль Николая Егоровича Жуковского в становлении современной аэродинамики?

– Конечно, Николай Егорович Жуковский – это уникальный ученый! Механик очень широкого профиля.

Прежде всего надо сказать, что он, пожалуй, первый перешел от абстрактной классической механики к конкретным задачам, которые диктовались развитием техники в России. Впрочем, и не только в России. Он заложил основы целого ряда направлений в области механики. Даже такая крупная отрасль механики, как судостроение, не осталась без его внимания. Работы Жуковского касались определения форм судов, их профилировки┘

– Значит, что он в каком-то смысле стал предшественником другого нашего великого ученого – академика Александра Крылова?

– Я как раз хотел его и упомянуть. Лет через 15–20 после первых работ Жуковского Александр Николаевич Крылов принял эстафету и возглавил эту отрасль науки, стал ее расширять и развивать.

То же самое можно сказать и о таком очень специальном разделе механики, как гидрология, то есть вопросы, связанные с фильтрацией подземных вод. Кстати, Жуковский прославился на весь мир благодаря своим работам, посвященным изучению гидроудара – в водопроводных трубах, например. Мало кто знает, что он очень много сделал для строительства московского водопровода. Там чисто механические задачи возникали – гидродинамика в канале. Трубы лопались под действием гидравлического удара. Жуковский дал теорию этого явления, и, таким образом, были преодолены очень неприятные препятствия.

Строительная механика и прочность – целый ряд работ Жуковского заложили основу для развития и этого направления.

И, конечно, авиация. Интересно, что это была не только аэродинамика. У него есть работы, которые составляют теоретический фундамент изучения вопросов прочности самолета, устойчивости и управляемости. Скажем, его докторская диссертация была посвящена «прочности движения»; именно «прочности», а не устойчивости. Эта работа опередила лет на десять фундаментальную работу другого известного русского ученого, академика Александра Ляпунова по теории устойчивости.

Таким образом, второе, что надо отметить, Жуковский, по существу, заложил фундамент всех авиационных наук – аэродинамика, прочность, приборы, бомбометание и так далее. Он был абсолютным энтузиастом развития авиации.

В-третьих. Николай Егорович создал экспериментальную базу в области аэродинамики. Он придерживался такой точки зрения: прежде чем материализовать какую-то задачу, нужно изучить физику этого явления, понять, что там происходит. В связи с этим свои исследования в области аэродинамики он начал с того, что создал целый ряд аэродинамических труб.

Первая труба, она была, пожалуй, одной из первых в мире, построена в 1902 году в Московском университете. В 1904 году он вместе с профессором Дмитрием Рябушинским – одним из членов семьи известного предпринимателя России – создал в Кучине, под Москвой, первый в мире аэродинамический институт. Наконец, в 1918 году Жуковский стал инициатором и организатором Центрального аэрогидродинамического института, ЦАГИ, который сейчас и носит его имя.

Имя Жуковского действительно в аэродинамике звучит основательно. Он первый сформулировал и объяснил образования подъемной силы. В основу объяснения была положена очень простая мысль: при обтекании профиля крыла, на острой задней кромке потоки сверху и снизу должны иметь одинаковую скорость и одинаковое давление. Физическая идея очень простая, казалось бы. Но это положение – потом его назвали «постулат Жуковского–Кутта» (Кутт – немецкий ученый, который независимо от Жуковского пришел к этому же заключению) – дало возможность определить циркуляцию потока. На верхней поверхности крыла скорость должна быть больше, чем на нижней. Отсюда – разность давлений и возникновение подъемной силы. Вообще наследие Жуковского огромно: его собрание сочинений составляет 10 томов.

– А если перейти от истории к современному состоянию, как вы ощущаете: существуют какие-то особенности отечественной школы аэродинамики? Ведь, наверное, не случайно ее считают лучшей в мире?

– Я, конечно, не рискую утверждать, что мы в этой области самые-самые в мире┘ Но после Жуковского появился целый ряд крупных ученых, которые сильно продвинули эту науку: академики Мстислав Келдыш, Леонид Седов (оба, кстати, работали в том числе и в ЦАГИ), Сергей Чаплыгин, который возглавил всю теоретическую школу аэродинамики после Жуковского; Сергей Христианович, работы которого обеспечили колоссальный рывок в изучении вопросов аэродинамики больших скоростей, приближающихся к реактивной авиации. Конечно, это далеко не полный список выдающихся отечественных ученых-механиков.

Если посмотреть историю, то даже создание космических спутников, создание баллистических ракет в значительной степени начиналось в ЦАГИ┘

– Хотя, казалось бы, есть институт – и не один! – которые занимаются вопросами развития космической и ракетной техники┘

– Вы правы. Но, например, известный институт ЦНИИМаш – он тоже формировался под влиянием ЦАГИ. Все первые генеральные конструкторы ракетно-космической техники – Сергей Павлович Королев, 100-летие со дня рождения которого мы отмечали 12 января, Владимир Николаевич Челомей – использовали результаты исследований, проведенных в ЦАГИ. Контуры, аэродинамика ракет – все это изучалось здесь. Формы спутников тоже отрабатывались и исследовались в ЦАГИ: на какой форме остановится, какая из них будет оптимальной со всех позиций┘

– Это очень интересный аспект, несомненно. Тем более сейчас, когда идет разговор о разработке самолетов 7-го и 8-го поколений┘

– Пока мы работаем над 5-м поколением и проводим предварительные исследования следующего, 6-го поколения. А летает – четвертое поколение самолетов – МиГ-29, Су-27┘

– Тем не менее уже и самолеты четвертого поколения – это аэродинамические шедевры. Но зачем это надо: задача боевой машины – долететь до цели и отбомбиться; магистральному пассажирскому лайнеру «изменяемая стреловидность крыла» – ни к чему вроде бы┘

– Тем не менее даже истребители четвертого поколения в наших руках сделали гигантский скачок. Казалось бы, МиГ-29 стали летать в начале 1980-х годов, чуть позже, спустя 3,5 года, – Су-27. Что тут можно усовершенствовать?

Но вот такая деталь: в месте сочленения крыла с фюзеляжем учеными ЦАГИ было предложено сделать своеобразный «наплыв» с острой передней кромкой. Оказалось, что этот наплыв индуцирует мощнейший вихрь, который создает дополнительное разряжение на верхней поверхности крыла. И это, в свою очередь, увеличивает подъемную силу в полтора раза! Все это позволяет получить значительные преимущества нашим самолетам по такому параметру, который мы называем перегрузка – отношение подъемной силы к весу. А в итоге – более крутые развороты, существенные преимущества в маневре истребителя.

Характерный пример. Командующий ВВС США вынужден был признать, что никакие преимущества в области электроники не компенсируют американским истребителям тех недостатков, которые они имеют по сравнению с русскими в летных данных. Именно после этого американцы стали делать новый истребитель пятого поколения, F-22.

Теперь давайте посмотрим, что с пассажирскими магистральными самолетами.

То, что мы сделали и для последних – Ил-96, Ту-204, Ан-124 (военно-транспортный самолет)┘ В этих типах машин тоже реализована принципиально очень интересная аэродинамическая разработка.

На этих самолетах, крылья – большого удлинения. Мы это используем, чтобы получить большое аэродинамическое качество (отношение подъемной силы к сопротивлению). Это дает возможность самолету улететь, как можно дальше и расходовать, как можно меньше топлива. Это – дозвуковые машины, с показателем числа Маха примерно 0,8.

– И что же вы придумали на этом новом поколении лайнеров?

– Это очень интересная идея. Мы разработали новый профиль крыла. На задней кромке мы отогнули профиль, сделали некую «вмятину» на нижней поверхности. А на верхней поверхности крыла за счет этого уменьшается разгон потока. Это ведет к уменьшению влияния сжимаемости, то есть мы как бы позволяем продвинуться этому профилю до больших чисел Маха без увеличения сопротивления. Но делается это не для того, чтобы летать на скоростях, все больше и больше приближающихся к звуковым, а для того, чтобы увеличить относительную толщину профиля. То есть запас в скорости за счет изменения поверхности мы трансформировали в увеличение толщины крыла. А это позволило нам увеличить размах и удлинение крыла. Таким образом, мы увеличили аэродинамическое качество – возможность лететь дальше – примерно на 30%. За это, кстати, коллективу разработчиков выдали Государственную премию РФ.

– В связи с этим, Георгий Сергеевич, вот какой вопрос. Конечно, базовая теорема Жуковского, сложная система уравнений потока и т.д. – все это чрезвычайно важно при создании самолета. Но мне приходилось не раз слышать мнение, что проектирование планера – это скорее искусство, интуиция, чем строгий расчет. По крайней мере это в большей мере экспериментальная наука, чем фундаментальная.

– Ни в коем случае не могу согласиться с этим! Посмотрите, что из себя представляет исследование в аэродинамической трубе. Это сложнейший эксперимент, в котором меряется распределение давления по поверхности, меряются силы, моменты. Это целая наука, основы которой были заложены Николаем Егоровичем Жуковским. Он создавал насадки для измерения скоростей, идею измерения распределения по поверхности при помощи специальных приспособлений тоже он предложил. Я уж не говорю о больших скоростях, где начинает значительную роль играть и температура. Что, кстати, показала наша работа над отечественным космическим челноком «Буран»: аэродинамику, теплозащиту – все это подпирали работы ЦАГИ. Были построены специальные корпуса, чтобы обследовать все температурные режимы.

Но все эти сложнейшие экспериментальные исследования контролировались и шли параллельно с развитием теории. Если вы ничего не можете посчитать, то, получив экспериментальные данные, вы не можете сказать: можно этому верить или нет. С одной стороны, я должен провести эксперимент и понять, а что же там происходит физически; затем построить какие-то допущения и создать теорию; потом провести количественные измерения и дальше, сопоставляя теорию с экспериментом, двигаться в конструкцию.

– И есть куда двигаться?

– Конечно. Нас сейчас очень интересуют большие скорости. Ведутся интенсивные разработки и исследования в области скоростей с показателем чисел Маха от 3 до 7. Это – гиперзвуковые скорости. Тут как раз появляются температурные эффекты, усложняются процессы в самой газодинамике. Но надо сказать, что и успехи в этих работах у нас уже есть.