По мнению М. М. Богословского, причина удержания лыжницы на поверхности воды лежит и в основе полета самолета
В РУБРИКЕ «ИННОВАЦИЯ ЛЕТАЛА СЕРЕБРИСТОГО МЕТАЛЛА» ПУБЛИКУЮТСЯ МАТЕРИАЛЫ АВТОРОВ, МНЕНИЕ КОТОРЫХ РЕДАКЦИЯ МОЖЕТ НЕ РАЗДЕЛЯТЬ. ПРОВЕРКА ДОСТОВЕРНОСТИ ИЗЛОЖЕННЫХ ФАКТОВ ОСТАЕТСЯ АВТОРСКОЙ ПРЕРОГАТИВОЙ. МАТЕРИАЛЫ МОГУТ НОСИТЬ СПОРНЫЙ ИЛИ ДАЖЕ ПРОВОКАЦИОННЫЙ ХАРАКТЕР. В ДАННОМ СЛУЧАЕ АВТОР ПРЕДЛАГАЕТ ОРИГИНАЛЬНУЮ ТРАКТОВКУ ТЕОРЕМЫ Н.Е. ЖУКОВСКОГО О ПОДЪЕМНОЙ СИЛЕ КРЫЛА
К вопросу о подъемной силе крыла самолета
Автор: Михаил Богословский, академик Российской академии естественных наук, профессор Университета при Межпарламентской Ассамблее ЕврАЗэС
…На основании данных науки своего времени и произведя массу расчетов, крупнейший американский астроном XIX — начала XX века, профессор, руководитель астрономического морского ежегодника США С. Ньюком утверждал, что полет на механизмах тяжелее воздуха настолько невозможен, что они не смогут даже оторваться от земли. Позднее, после полетов А. Можайского и братьев Райт, он заявил, что как средство перевозки людей авиация, безусловно, не годится. Быть может, летательный аппарат построить удастся, «но и пилота, и пассажира он не подымет». А в 1903 году конгресс США законодательно запретил финансировать работы по созданию летательных машин, и в том же году патентное бюро США объявило, что не будет принимать заявки на летающие аппараты.
Когда полет самолетов стал вполне обыденным делом, инженерам и физикам пришлось искать этому объяснение. Проще всего было объяснить способность аппарата тяжелее воздуха летать существованием у крыла подъемной силы. Эта идея довольно быстро нашла признание, хотя она и не имела физического обоснования. Теоретической аэродинамики, как самостоятельной науки, тогда не существовало. Попытки ученых разных стран объяснить возникновение подъемной силы крыла аэроплана в соответствии с результатами экспериментов не приводили к цели.
Решающий вклад в изучение подъемной силы крыла внес русский ученый Н. Е. Жуковский. В 1906 году он опубликовал свою работу «О присоединенных вихрях», в которой вывел формулу для его подъемной силы. Она легла в основу всех аэродинамических расчетов — крыльев, компрессоров, воздушных винтов, винтокрылых аппаратов и многих других машин. Формула Жуковского звучит так: подъемная сила, развиваемая крылом произвольной формы, равна произведению массовой плотности воздуха на скорость потока вдали от крыла, на циркуляцию скорости добавочного течения вокруг крыльев и на размах крыла. Ему же принадлежит и определение подъемной силы крыла самолета — это сила, перпендикулярная вектору скорости движения центра тяжести тела, возникающая вследствие несимметрии обтекания тела потоком жидкости (газа).
Сегодня существует несколько иное объяснение этому феномену. Так, в словаре по физике (Е. С. Платунов с соавторами, 2014 год) сказано, что «подъемная сила (elevating force, lift) крыла самолета создается разной геометрией его верхней и нижней поверхностей и подбором определенного угла атаки набегающего воздушного потока».
Поскольку объяснение, да еще общепризнанное, существует, можно считать его единственно правильным и истинным. Такое объяснение вошло во все учебники мира и почти ни у кого не вызывало сомнений. К тому же в последние годы стали появляться новые методы увеличения подъемной силы крыла. Решающим фактором, препятствующим попытке поставить правильность этой теории под сомнение, является то, что она является базовой для строительства самолетов во всем мире.
Однако мысль человеческая все время пробует «на зуб» не только новые и непонятные факты и явления природы, но и ищет все новые подтверждения правильности объяснения уже известных фактов и феноменов. Одним из поводов для проверки правильности любой теории является извечное разногласие между объяснением какого-то явления и умением им пользоваться. Примером здесь может служить расхождение между разными объяснениями сути электрического тока и его практического использования — мы научились им пользоваться, можем даже рассчитать разные его параметры, но что это такое, до конца не понимаем. Или другой пример: мы пользуемся атомной энергией как в мирных, так и военных целях, но что это такое, понимаем пока очень плохо.
Одним из базовых положений существующей аэродинамической теории является основная теорема аэродинамики (теорема Кутта-Жуковского) о подъемной силе несущего профиля крыла. В статье старшего научного сотрудника Центрального научно-исследовательского института военно-воздушных сил Минобороны России Г. И. Карачевского (2019 год) представлено аргументированное обоснование возможности и целесообразности существенно уточнить аналитические формулы подъемной силы и аэродинамического сопротивления несущего крыла, выражающие эту теорему. Выведенные новые формулы, в частности, подтверждают, что индуктивное сопротивление, связанное с подъемной силой, создают все несущие крылья как конечного, так и бесконечного размахов. Известная аэродинамическая теория принципиально отрицает наличие подобного сопротивления у всех несущих крыльев бесконечного размаха
В нашем случае, несмотря на распространенность и общепризнанность теории подъемной силы крыла самолета, существует и критика, в частности, указывающая на ее несовершенство. Так, Г. И. Карачевскому удалось теоретически выявить и экспериментально подтвердить, что существующая теория не обеспечивает возможность с необходимой точностью моделировать и определять картину и параметры потока воздуха около обтекаемых им любых материальных тел практически во всем дозвуковом диапазоне относительных скоростей. В силу этой особенности являются несогласованными с практикой и фундаментальными законами механики те интегральные характеристики, которые выражают силовое взаимодействие воздушного потока с обтекаемыми им телами.
Помимо несовершенства обсуждаемой теории, обнаруживается и ее полная ошибочность. Чтобы убедиться в ее ошибочности, надо вернуться к причине полета самолета. Что удерживает летящий самолет в воздухе от падения? Для ответа на этот вопрос надо обратиться к другому случаю перемещения физического тела — в более плотной, чем воздух, среде, например, в воде.
Когда человек ступает на землю, она удерживает его на себе потому, что она плотная, и молекулы этой поверхности не отрываются друг от друга. Когда человек вступает на воду или встает на водные лыжи, вода его не удерживает на поверхности, межмолекулярные связи распадаются, и он проваливается в нее. Но если человек, стоя на водных лыжах, с помощью внешней силы (на буксире) начинает двигаться по поверхности воды и наберет достаточную скорость (примерно 25–30 км/ч), то проваливаться в воду он уже не будет — лыжи станут скользить по ее поверхности.
Важно отметить, что никакой подъемной силы при этом не возникает, не она удерживает его на поверхности воды. Объяснить это можно только тем, что оставаться на поверхности воды позволяет увеличение плотности воды под лыжами, возникающее во время быстрого их движения. Лыжник не проваливается в толщу воды, так как ее молекулы, обладая известной инертностью, не успевают расступиться и под тяжестью лыжника уплотняются, в результате чего под лыжами образуется своеобразная «водная подушка». Натренировавшись, человек может скользить по поверхности воды даже без лыж, буквально на пятках. Однако для этого скорость буксировки должна быть еще выше — примерно 50–70 км/ч.
Исследования состояния воды при воздействии на нее значительного кратковременного давления, проведенные в нашей стране в течение последних десятилетий, подтвердили это предположение. Как оказалось, при кратковременном сильном давлении на воду происходит не только ее уплотнение, но даже затвердение.
А теперь можно вернуться к полету самолета. Описанная причина удержания лыжника на поверхности воды лежит и в основе полета самолета. Но, в отличие от воды, плотность воздуха весьма мала, поэтому для достижения эффекта полета самолет должен набрать бóльшую скорость — примерно на один порядок. Уже при скорости 200–300 км/ч воздух под крыльями самолета не успевает рассеяться. Известная инертность молекул воздуха, называемая его вязкостью, а также действие, похожее на удар большого и быстрого давления на него всего веса самолета, не позволяют им быстро разойтись. Это приводит к уплотнению — образованию «воздушной подушки» — и позволяет, опираясь на нее, лететь. При дальнейшем увеличении скорости самолета воздух под его крыльями уплотняется настолько, что надежно удерживает самолет от падения. Но как только скорость самолета уменьшается, плотность воздуха под ним снижается, «подушка» становится очень тонкой, в связи с чем теряет свою поддерживающую способность, и самолет начинает падать. Особенно быстро, когда его крылья отклоняются от горизонтали.
При частичном нарушении этой «подушки», вызванном турбулентным состоянием атмосферы, самолет подвергается встряске («болтанке»). Продолжительная и значительная по силе турбулентность, разрушающая его «подушку», может даже привести к падению самолета.
Таким образом, как и в примере с водным лыжником, при полете самолета под его крыльями никакая подъемная сила не возникает. Подъемная сила, якобы возникающая при полете самолета и обеспечивающая его полет, представляет всего лишь ошибочную интерпретацию удержания самолета в воздушной среде.
Доказательство отсутствия подъемной силы крыла можно получить, наблюдая за полетом и парением птицы или планера. Оба они парят в воздухе потому, что опираются на воздух своими крыльями. Чтобы птица могла взлететь, ей приходится часто махать крыльями, что позволяет ей опираться на воздушную подушку, которая образуется под крыльями, и отталкиваться от нее. Точно таким же образом мы поднимаемся по лестнице, опираясь на ступеньки и отталкиваясь от них.
Набравший скорость с помощью внешней силы — буксировочного самолета — планер может продолжать полет самостоятельно, опираясь на воздушную подушку, которая образовалась под его крыльями. Таким образом, для полета птицы и планера нужны два условия — достаточная скорость перемещения и крылья, под которыми во время набора скорости образуется воздушная подушка. Эти же условия для полета необходимы и самолету.
Теперь понятна ошибка Н. Е. Жуковского, содержащаяся в его статье «О присоединенных вихрях», в которой он дал ошибочное объяснение разности давления воздуха под и над крылом самолета. Он считал, что там, где скорость движения «частичек воздуха» больше, давление уменьшается, а в тех местах, где скорость частичек меньше, давление увеличивается. Исходя из этого, он полагал, что при движении крыла в воздухе на верхней его поверхности будет давление пониженное (разрежение), а на нижней поверхности — повышенное (сгущение). А в действительности эта разность давлений возникает потому, что самолет всем своим весом давит на воздух, что создает временное его уплотнение, а над ним создается временное разряжение. С увеличением высоты плотность воздуха уменьшается, поэтому для образования воздушной подушки под крыльями, обеспечивающей его полет, самолет должен лететь с бóльшей скоростью.
Итак, для полета самолета нужны три условия: необходимая площадь крыльев, достаточно большая скорость и наличие достаточной концентрации воздуха (его плотности). Самолет может летать и без крыльев, но тогда ему нужна очень большая скорость, которую может обеспечить только реактивный двигатель. Но это будет уже не самолет, а ракета.
Из представленных рассуждений следует один важный вывод: лететь может все, что угодно — камень, ракета и т. д., для этого нужно всего лишь придать телу надлежащее ускорение, а для того, чтобы мог лететь самолет, имеющий относительно небольшую скорость, ему нужно иметь крылья, которыми он опирается о воздух. Под влиянием общепринятой теории полета самолета — наличия подъемной силы крыльев, современные самолеты имеют относительно узкие крылья, поэтому нуждаются в большом количестве энергии (в виде топлива). Если же площадь крыльев увеличить, то ему понадобится меньше энергии, что очень важно для снижения стоимости полета.
Увеличение площади крыльев может быть достигнуто за счет нового вида крыла, охватывающего почти весь фюзеляж самолета за исключением его головной части. Конструкторы военных самолетов уже это поняли и стали снабжать истребители более широкими крыльями. Осталось это понять и конструкторам гражданских самолетов.
Для дополнительной экономии топлива можно использовать доказавшие свою эффективность законцовки крыльев — винглеты. Выглядят они как маленькие крылышки (winglet означает крылышко). Основная функция винглетов — погашение концевого вихря, приводящее к снижению расхода топлива. Кроме того, законцовки способствуют снижению индуктивного сопротивления и увеличивают длину крыла, практически не влияя на его размах. Впервые законцовки были использованы в 1985 году на самолетах Boeing 747–400, что позволило снизить расход топлива сразу на 5%. А в 1990 году Луи Гратцером было изобретено blended winglet (сопряженное крылышко), позволившие сократить расход топлива на 7%.
Следование догме о подъемной силе крыла приведет к тому, что в ближайшем будущем общим трендом самолетостроения будет переход на узкий фюзеляж вместимостью более 110 кресел. Между тем узкий фюзеляж снизит площадь опоры на воздух и потребует больше топлива, чем фюзеляж широкий.
В связи с этим, еще одним средством снижения стоимости расхода топлива является изменение контура фюзеляжа самолета. Его днище должно быть не выпуклым, как у современных самолетов, а плоским, что может создать бóльшую площадь давления на воздух. Такое днище будет действовать как еще одно крыло и помогать крыльям удерживать самолет в воздухе во время полета. И, тем самым, снижать расход топлива.
Кроме использования широких, обтекающих корпус фюзеляжа, крыльев и плоского днища в конструкциях пассажирских и военных самолетов, эти изменения будут весьма полезны и для строительства планеров, существенно удлиняя время их нахождения в воздухе.
Для экономии топлива нужно использовать самолеты с широкими крыльями и летать на небольших высотах — 3–6 тысяч метров, учитывая, что плотность воздуха там относительно большая. Для дополнительной экономии топлива скорость самолета должна быть сравнительно небольшой — 500–600 км/ч.
Помимо интересов к конструированию крыльев самолетов, Н. Е. Жуковского увлекала и проблема усовершенствования воздушного винта — пропеллера. Начиная с 1912 года, появляются его статьи по вихревой теории гребного винта (пропеллера). Для объяснения действия воздушного винта Н. Е. Жуковский применил вихревую теорию, которую он уже использовал в работах по определению подъемной силы крыла самолета. Он полагал, что каждую лопасть воздушного винта можно рассматривать как закрученное крыло, которое при полете создает подъемную силу.
На самом же деле, как и в случае с крылом самолета, никакой подъемной силы здесь нет! Вращение лопастей винта уплотняет воздушную среду, а сам винт вкручивается в нее и создает тягу, которая обеспечивает продвижение самолета вперед! Большая скорость вращения винта увеличивает эту тягу, которая является необходимым условием для создания под крыльями самолета воздушной подушки. Предложенная Н. Е. Жуковским переменная закрутка лопасти, получившая название винтов НЕЖ, позволяет развивать повышенную скорость движения самолета, которую он, исходя из своей теории, приписывал созданию максимальной подъемной силы винта.
Отдавая должное большим заслугам Н. Е. Жуковского в создании теории аэродинамики и строительстве самолетов, следует учесть, что безупречных знаний не бывает, что с развитием науки прежние представления и теории подвергаются уточнениям и правкам. Это касается и теории Н. Е. Жуковского о подъемной силе крыла самолета и его пропеллера.
Читайте также:
- «Бассейн» длиной более 70 м для МС-21-300