Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Предпосылки формирования научных основ проектирования летательных аппаратов 16
1.1. Генезис концепции крылатого летательного аппарата тяжелее воздуха: орнитоптеры-мускулолеты 16
1.2. Развитие идеи летательного аппарата с фиксированным крылом 24
1.3. Формирование концептуальных основ крылатого летательного аппарата с вращающимися несущими плоскостями 29
Глава 2. Поиск методов и средств обеспечения устойчивости и управляемости летательных аппаратов тяжелее воздуха с фиксированным крылом 41
2.1. Начало научного этапа в развитии самолета 41
2.2. Развитие исследований с летающими моделями во второй половине XIX столетия 58
2.3. Роль планера в изучении принципов обеспечения устойчивости и управляемости 71
2.4. Вклад Эдварда Чалмерса Хуффэкера в развитие авиации 86
Глава 3. Начало экспериментальных аэродинамических исследований 105
3.1. Динамика становления теории сопротивления среды 105
3.2. Роль теоретических и экспериментальных аэродинамических исследований в формировании основ авиационной науки 118
3.3. Зарождение аэродинамики 144
Заключение 156
Приложения 162
Библиографический список использованной литературы 185
- Генезис концепции крылатого летательного аппарата тяжелее воздуха: орнитоптеры-мускулолеты
- Начало научного этапа в развитии самолета
- Динамика становления теории сопротивления среды
Введение к работе
Актуальность темы исследования.
Начальный этап развития авиации хранит богатый опыт и знания и представляет собой большую историческую и практическую ценность, т.к. именно в этот период были заложены теоретические и экспериментальные основы, которые в дальнейшем способствовали успешному развитию летательных аппаратов (ЛА). Сейчас можно с уверенностью утверждать, что самолетостроение представляет собой одно из самых молодых и наиболее сложных и динамичных направлений в развитии техники. В конструкции самолетов всегда воплощались новейшие достижения научно-технической мысли. Никакой другой вид транспортной техники не характеризуется такими стремительными темпами развития.
Все это объясняет большой интерес к истории развития самолетов, и в частности, к ее начальному этапу, который охватывает около ста лет.
Изучение начального этапа позволяет обобщить богатый опыт, накопленный исследователями различных стран, выявить главные вопросы и проблемы, которые ставились и решались в этот период, извлечь уроки, понять тенденции и направления развития исследовательской и практической деятельности ученых и изобретателей по созданию ЛА тяжелее воздуха.
Часто творцами летательных машин были совершенно неизвестные в научном мире люди, практики, новаторы свого дела. Разрушая старые традиции и убеждения, они смело вели научный поиск, вступая в противоречие с данными официальной науки. Их взаимное сотрудничество с видными авиационными деятелями своего времени позволило создать замечательные образцы инженерного искусства. Однако их деятельность остается малоизученной и теряется в тени более маститых предшественников.
В настоящее время, в разных странах, по данной области исследования накоплено большое количество материалов. Множество исторически ценных рукописей, статей, патентов, газет, журналов, архивов переведено в элек
тронный вид и стало доступным широкому кругу исследователей. Однако весь этот материал носит разрозненный характер. Его изучение и систематизация позволят глубже исследовать начальный этап создания самолета.
Еще одной причиной обращения к теме данного диссертационного исследования послужило современное состояние гражданской авиации России, переживающей не простой этап своего развития. Россия, традиционно считавшая себя мировой аэрокосмической державой, в настоящее время потеряла часть важнейших позиций в авиационном производстве и может столкнуться с реальной перспективой утраты научно-технической базы авиастроения и рынков авиаперевозок.
Гигантский производственный механизм из-за десятилетнего простоя 1990-х годов, связанного с экономическими переменами и переходом от государственной к частной и акционерной собственности, был разрегулирован и частично разукомплектован. Чтобы запустить сегодня в серийное производство новый тип авиационной техники потребуются большие инвестиции и длительное время. Тем не менее, потенциал авиационной отрасли России велик, однако его реализация - сложная задача, результат которой, по мнению большинства специалистов, зависит во многом от действий государства, его политической воли.
Некоторые схожие аспекты данной ситуации можно обнаружить и на начальном этапе развития самолетов. Причиной сравнительно позднего развития авиации в царской России был не недостаток трудолюбивых и талантливых людей, а отсутствие необходимой помощи со стороны правительства изобретателям летательных аппаратов, что тормозило их деятельность. Поэтому взгляд в прошлое позволит еще раз указать на важность государственной поддержки в области развития авиации и является актуальным в свете выработки правильной и современной политической и экономической концепции развития авиационной отрасли.
Степень научной разработанности проблемы.
История создания самолета привлекала и привлекает внимание отечественных и зарубежных исследователей. Однако менее исследованным является начальный этап развития летательных аппаратов тяжелее воздуха с фиксированным крылом.
В историографии данной проблемы можно выделить три периода. Первый период охватывает время со второй половины XIX в. по первую треть XX в. Он включает в себя работы современников изучаемого периода: СП. Ленгли, Н.А. Арендта, Ф. Фербера, А. Форрейтера, М.А. Франка, А.В. Эвальда и др. Их труды были основаны главным образом на эмпирических знаниях, полученных самими авторами и другими исследователями1.
Книга О. Шанюта является одной из наиболее интересных публикаций данного периода. В ней ученый рассмотрел практически все основные вопросы создания самолета и обобщил имевшиеся тогда сведения о летательных аппаратах тяжелее воздуха. Однако в его работе нет информации об исследованиях и деятельности русских ученых и изобретателей.
Среди публикаций конца XIX в. начала XX в. особо следует выделить работы российских ученых Д.И. Менделеева и Н.Е. Жуковского. Дмитрий Иванович Менделеев не только дал глубокий критический анализ существовавших теорий сопротивления, но и высказал весьма важные положения о механизме сопротивления движению тел в жидкости и воздухе3. В изданном в 1912 г. курсе лекций Н.Е. Жуковский уделял большое внимание экспериментальным аэродинамическим исследованиям, проводившимся в различных
странах, а также рассматривал вопросы обеспечения устойчивости и управляемости4.
Ко второму периоду относятся публикации с середины XX в. по начало 1980-х годов. Они посвящены анализу, как общих проблем истории авиации, так и отдельным вопросам развития основных направлений авиационной науки: аэродинамики, динамики полета, устойчивости и управляемости. Однако большая часть этих работ либо вообще не рассматривает историю развития изучаемых проблем, либо представляет лишь краткий исторический обзор5.
Следует отметить исследования Ю.И. Новокшенова, Р.И. Виноградова и А.В. Минаева, B.C. Пышнова, Е.В. Ольмана, в которых затронуты исторические аспекты развития исследований по устойчивости и управляемости летательных аппаратов в различные периоды развития авиации . В работе Ю.И. Новокшенова показана эволюция методов расчета устойчивости и управляемости, произведен количественный анализ функционального совершенства некоторых планеров конца XIX в.
Наиболее интересные сведения о начальном этапе развития теоретической и экспериментальной аэродинамики представлены в исследовании Н.М. Меркуловой . Главная ценность проделанной Н.М. Меркуловой работы заключается в том, что она детально проанализировала литературу, опубликованную по изучаемой проблеме, и определила основные тенденции и направления развития экспериментальных аэродинамических исследований крыльев самолетов в начальный период. Ценность этой работы определяется так же и тем, что в ней использовано многочисленное количество первоисточников, материалов фондов отечественных государственных архивов, а также труды зарубежных исследователей.
В 1940-х годах вышла в свет книга В.А. Попова, в которой были обобщены материалы по истории отечественного воздухоплавания и авиации до первой мировой войны 1914-1918 гг. В книге дан анализ социально-экономических условий, в которых протекала деятельность отечественных ученых, конструкторов и изобретателей, и убедительно показана прямая зависимость развития воздухоплавания и авиации в России от общего технико-экономического уровня страны8.
Из наиболее значимых зарубежных публикаций необходимо отметить работы, изданные ведущим английским историком авиации Ч. Гиббс-Смитом, который в 1950-х- 1960-х гг., работая в Музее Науки в Лондоне, ввел в научный оборот объемный массив новых архивных материалов. В своих работах он уделил основное внимание изучению начального этапа развития летательных аппаратов, а также деятельности Д. Кейли, Леонардо да Винчи и других пионеров авиации9. Однако в его трудах практически нет никакой информации о достижениях русских ученых и изобретателей. К третьему периоду относятся работы современных исследователей , опубликованные с конца 1980-х годов по настоящее время, среди которых следует выделить труды Д.А. Соболева. Он основательно обобщил материалы по отдельным вопросам авиации, дал подробный и достоверный анализ истории технического развития самолета, с объективных позиций показал вклад многих стран в эволюцию авиационной техники. В своих трудах помимо самолетов "классической" схемы он подробно рассматривает развитие самолетов нетрадиционных схем, таких как "бесхвостка" (и ее дальнейшее развитие
- "летающее крыло") и "утка"11, а также деятельность отечественных и зарубежных исследователей12.
Книга Д.А. Соболева "История самолетов. Начальный период" является наиболее полным в отечественной и мировой литературе исследованием истории начального этапа развития самолетов мира, начиная с момента зарождения идеи полета вплоть до окончания первой мировой войны13. Одним из несомненных достоинств этой книги, как и других его работ, является широкое использование материалов отечественных и целого ряда зарубежных архивов, что позволило автору обогатить свое исследование уникальными историческими документами и фактами, фотографиями первых летательных аппаратов, а также подробно проследить историю появления самолетов в США, Германии, Франции и других странах.
Анализ историографии позволяет сделать вывод о том, что многие из отечественных и изданных за границей трудов односторонне освещают вопрос начального этапа развития авиации, и, как правило, носят общий характер. Ни один из авторов не определяет границы начального этапа; не показывает предпосылки формирования научных основ проектирования ЛА; не рассматривает в достаточном объеме основные проблемы начального этапа развития летательных аппаратов с фиксированным крылом, а так же пути и способы их решения. Изданная за рубежом литература во многих случаях страдает недостаточной объективностью, превознося заслуги своих ученых. В ней зачастую забывают упоминать о достижениях исследователей других стран, в том числе и России.
Объект диссертационного исследования - история становления и развития концепции летательного аппарата тяжелее воздуха с фиксированным крылом.
Предметом настоящего исследования является начальный этап развития летательных аппаратов тяжелее воздуха с фиксированным крылом.
Цель диссертационного исследования состоит в выявлении на основе исторического и технического анализа содержания и динамики научных исследований по созданию самолета в начальный период.
Для достижения этой цели предлагается последовательное решение следующих задач:
• обобщить и систематизировать обширный архивный и историко-научный материал о начальном этапе развития летательных аппаратов тяжелее воздуха с фиксированным крылом;
• определить временные границы начального этапа развития самолета;
• изучить предпосылки формирования научных основ проектирования летательных аппаратов тяжелее воздуха и выделить ведущие направления исследований;
• на основе анализа архивных материалов и научных публикаций выявить основные проблемы, возникшие на начальном этапе развития ЛА с фиксированным крылом, а также пути и способы их решения;
• дать исторический анализ неизвестным ранее фактам, которые представляют научную и историческую ценность для изучения начального этапа развития самолета.
Хронологические рамки исследуемой проблемы охватывают период с конца XVIII в. по первое десятилетие XX в.
Теоретико-методологическая основа исследования определяется целью и задачами диссертации. Теоретическую основу составили положения и выводы исторических и научно-технических работ, посвященных рассмотрению проблем создания самолета в начальный период. Методологической основой диссертационной работы послужили принципы историзма, научности и
объективности. Сложность и многоаспектность исследуемой проблемы потребовали комплексного, историко-технического анализа, позволившего раскрыть исторические предпосылки и технические аспекты содержания и динамики научных исследований по созданию летательных аппаратов тяжелее воздуха с фиксированным крылом.
В данной работе применяется сравнительно-исторический метод в целях анализа первоисточников, а также сопоставления направлений и уровня исследований в изучаемый период. Кроме того, использован ряд общелогических методов: анализ и синтез, восхождение от абстрактного к конкретному, сочетание логического, исторического и технического анализа.
Источниковая база исследования.
Использованные в диссертации источники делятся на следующие группы: материалы архивов; фонды научного мемориального музея; научно-исследовательские работы, патенты отечественных и зарубежных авторов изучаемого периода; мемуарная литература; переписка; материалы периодических изданий.
Основополагающее значение для изучения темы имели архивные материалы. Автор стремился вовлечь в поле исследования в первую очередь документы, которые содержат новую научную информацию. Изучены фонды Российского Государственного военно-исторического архива (РГВИА): (ф.401) военно-учетного комитета (1804-1903 гг.); (ф.802) главного военно-технического управления (1859-1923 гг.); (ф.803) инженерного комитета главного военно-технического управления (1860-1917 гг.); (ф.808) комиссии по применению воздухоплавания к военным целям главного инженерного управления (1871-1891 гг.).
Всего изучено и проанализировано более 1000 единиц хранения. В них представлены документы, касающиеся различных проблем становления авиации в России, проекты летательных аппаратов, содержатся сведения о деятельности российских ученых и изобретателей по созданию самолетов в начальный период.
Ценная информация о деятельности американских конструкторов (Э.Ч. Хуффэкер, бр. Райт и др.) получена из материалов архива Смитсониан-ского университета.
Архивные материалы дали возможность определить содержание основных направлений исследований в процессе создания первых проектов ЛА тяжелее воздуха и формировании научной концепции самолета.
Следующую группу источников составляют фонды научно-мемориального музея Н.Е. Жуковского, в которых имеются ценные данные о планерных экспериментах С.С. Неждановского, и опубликованные сборники архивных документов14.
Особой группой первоисточников являются работы отечественных и зарубежных авторов изучаемого периода (Д. Кейли, К.Э. Циолковского, X. Максима, О. Лилиенталя и др.) и патенты, в которых представлены первые проекты летательных аппаратов и рассматриваются основные вопросы, связанные с разрешением проблемы полета.
В мемуарной литературе, прежде всего, в воспоминаниях академика Л.С. Лейбензона о Н.Е. Жуковском содержатся ценные сведения по проблемам становления аэродинамики как науки и деятельности Жуковского в этом направлении.
Важным источником для исследования является переписка братьев Райт с О. Шанютом, Э.Ч. Хуффэкера с СП. Ленгли и других исследователей, которая помогает составить объективное представление о подготовке первого полета самолета.
В процессе работы над диссертацией изучались как отечественные, так и зарубежные периодические издания, издававшиеся в изучаемый период: журналы ("Записки русского технического общества", "Инженерный журнал", "Scientific American", "Aeronautical Journal" и др.) и газеты (The Chicago Tribune, The Chicago Times-herald, The Chicago Record и др.). В них представ
лены исторически ценные материалы и факты, раскрывающие различные стороны деятельности и творчества ученых и изобретателей, занимавшихся проблемами создания летательных аппаратов.
Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:
• в диссертации впервые вводятся в научный оборот материалы и документы, не публиковавшиеся ранее и представляющие большую ценность для исследования избранной темы15;
• определены хронологические рамки начального этапа развития ЛА тяжелее воздуха с фиксированным крылом;
• выявлены и изучены предпосылки формирования научных основ проектирования самолетов; выделены три направления исследований в развитии идеи крылатого ЛА тяжелее воздуха;
• впервые изучена история становления концепции летательного аппарата тяжелее воздуха с фиксированным крылом;
• определены основные проблемы, возникшие в рассматриваемый период и сдерживавшие появление первых самолетов; рассмотрены пути и способы их решения;
• показан вклад экспериментатора и изобретателя Э.Ч. Хуффэкера в создание самолета. Следует подчеркнуть, что в современной отечественной историографии не уделяется внимания вкладу этого талантливого исследователя в развитие авиации, что является существенным пробелом в создании логической концепции исторического развития авиационной техники.
Основные положения, выносимые на защиту.
• В результате проведенного исследования было выявлено, что начальный этап развития ЛА тяжелее воздуха с фиксированным крылом охватывает период с конца XVIII по начало XX вв. Начальная граница характеризуется становлением научного подхода
к проектированию летательных аппаратов тяжелее воздуха, который был заложен английским ученым Д. Кейли. Конечная граница определяется началом систематических научных исследований аэродинамических свойств крыла и методов обеспечения устойчивости и управляемости ЛА тяжелее воздуха, становлением аэродинамики как науки.
• Начальному этапу предшествовал период, в течение которого были заложены предпосылки формирования научных основ проектирования ЛА тяжелее воздуха, выделено три направления развития идеи крылатого летательного аппарата: машущее крыло, фиксированное крыло и вращающиеся несущие плоскости. Главной проблемой на пути реализации пилотируемого полета вплоть до конца XVIII в. являлось отсутствие развитых научных связей и научного подхода к проектированию самолета, что не позволяло накапливать опыт создания ЛА тяжелее воздуха. Многие конструктивные идеи в то время были получены из наблюдений за полетами птиц или заимствованы в различных областях техники.
• Начальный этап ознаменовался становлением научного подхода к решению задачи полета. В этот период произошел переход от метода копирования природы к научно-экспериментальному методу проектирования летательных аппаратов. Основными проблемами, препятствовавшими осуществлению полета на ЛА тяжелее воздуха, были: 1) отсутствие знаний о методах и средствах обеспечения устойчивости и управляемости ЛА тяжелее воздуха с фиксированным крылом; 2) необходимость решения задачи о возникновении аэродинамической подъемной силы, определение ее количественных и качественных характеристик.
• Эдвард Чалмерс Хуффэкер был одним из первых в США, кто применил принцип Бернулли для объяснения причины возникно
вения подъемной силы. Сотрудничество Э.Ч. Хуффэкера с СП. Ленгли, О. Шанютом и братьями Райт создало предпосылки для осуществления первого в мире полета на моторном летательном аппарате тяжелее воздуха с фиксированным крылом. Теоретическая и практическая значимость диссертационной работы заключаются в том, что основные ее идеи и выводы дополняют теоретические разработки по проблемам исследования начального этапа развития летательных аппаратов тяжелее воздуха с фиксированным крылом.
Материалы диссертации могут быть использованы для дальнейших исследований по проблемам истории становления и развития аэродинамики, создания самолета, зарождения авиации.
Практическая значимость работы заключается в возможности использования ее основных положений при написании учебных пособий, чтении курсов и спецкурсов в авиационных высших и средних учебных заведениях по истории авиации, истории науки и техники, введению в специальность. Апробация результатов исследования.
Основные положения диссертации были доложены автором на следующих научных конференциях:
• Всероссийской научно-технической конференции "Новые материалы и технологии НМТ-2002" (2002 г., Москва);
• Второй региональной межвузовской научной конференции (2002 г., Москва);
• Всероссийской научной конференции "Мир науки и искусства" (2003 г., Иркутск);
• Международной молодежной научной конференции "XXIX Гага-ринские чтения" 2003 г., Москва);
• Международной научно-технической конференции "Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества" (2003 г., Москва).
Диссертация обсуждена на кафедре гуманитарных и социально-политических наук Московского государственного технического университета гражданской авиации.
По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ общих объемом 5,7 п.л.
Структура и основное содержание диссертаций.
Структура и объем работы определяются задачами и логикой диссертационного исследования, состоящего из введения, трех глав, заключения, приложения и библиографии.
Генезис концепции крылатого летательного аппарата тяжелее воздуха: орнитоптеры-мускулолеты
Мечта человека о полете относится к глубокой древности и хорошо прослеживается в легендах и мифах разных народов. Однако основное, на наш взгляд, состоит не столько в древности мечты, сколько в активном отношении к ней человечества. За всю многовековую историю было не мало смельчаков, мечтавших и дерзавших покорить воздух, "подняться в небо". Много известных, знаменитых, а еще больше безызвестных и забытых энтузиастов вложили свой труд в реализацию мечты человека о полете. Немногие имена этих изобретателей дошли до наших дней. И, тем не менее, на протяжении многих веков мечта оставалась лишь мечтой.
Что же требовалось для ее реализации? Прежде всего - определенные знания об атмосфере, о воздухе; далее требовалось открыть принцип летания, т.е. способ уравновешивания веса аппарата в воздухе и способ создания тяги, обеспечивающей движение аппарата по желаемому направлению. И, наконец, требовались определенные технические возможности, т.е. определенный уровень развития техники и промышленности. Другими словами можно сказать, что необходим был научный подход к проектированию летательных аппаратов, основы которого были заложены лишь в конце XVIII - начале XIX вв. Период с момента зарождения идеи полета до конца XVIII в. можно назвать подготовительным периодом, в течение которого были сформированы предпосылки становления научных основ проектирования ЛА. На этом длительном этапе можно выделить три направления развития идеи крылатого летательного аппарата (ЛА): с машущим крылом, с фиксированным крылом и с вращающимися плоскостями.
Еще в глубокой древности природа указывала единственный простой путь решения проблемы полета - машущее крыло. Поэтому со временем люди осознали, что для осуществления полета им необходимы крылья. Материалы для изготовления крыльев - прутья, ремни, перья - были доступны древнему человеку и попытки полета по-птичьему предпринимались, по-видимому, еще до нашей эры. В старинных летописях рассказано о талантливых простых людях, в разное время пытавшихся летать на крыльях. Первое дошедшее до нас письменное свидетельство об испытаниях искусственных крыльев содержится в китайской рукописи "Цяньханыну" ("История ранней династии Хань"), датируемой I в.н.э.
Невозможность оторваться от земли с помощью искусственных крыльев породила попытки полета после прыжка с высоты. Такие события имели место в арабских странах (бен Фиранс, около 875 г., ал-Джаухари, 1003 г.), в Англии (Элимер, начало XI в.), в Византии (1162 г.) [82, с.4].
Русский фольклор насчитывает немало сказок и легенд о фантастических существах и людях, обладавших "дьявольской силой" и умением летать по воздуху. Несомненно, что русские люди пытались летать на искусственных крыльях, причем полеты, по-видимому, преследовали увеселительные цели. В рукописи Даниила Заточника, относящейся к XIII столетию, отмечается: "Иные, вскочив на коня, скачут по ристалищу, рискуя жизнью, а иные слетают с церкви или с высокого дома на шелковых крыльях ..." [67, с. 13].
Первое документальное свидетельство о попытке полета на крыльях в России относится к 1695 г., оно сохранилось в "Дневных записках", которые вел с 1682 по 1709 гг. окольничий И.А. Желябужский. В них говорится о неизвестном изобретателе, который заявил, что, сделав крылья, будет летать как журавль. Получив из казны деньги, он изготовил крылья сначала из слюды, затем иршеные (из замши), но, как сильно ни пытался махать ими, так и не полетел [18, с. 11]. Некоторые интересные свидетельства и факты об имевших место случаях летания в России можно найти в рукописи А.И. Сулукадзева "О воздушном летании в России с 906 лета по Р. X.". В ней приводятся сообщения о полетах с помощью самодельных крыльев приказчика Островкова, кузнеца Черная Гроза и др. Однако ко всем этим сообщениям следует подходить с большой осторожностью. Сулукадзев в подтверждение приводимых им фактов ссылается на записки Боголепова и воеводы Воейкова, но ни тех, ни других записей до сих пор найти не удалось. Однако некоторые историки авиации, считают, что рукопись Сулукадзева нельзя рассматривать как достоверный источник, в виду того, что автор работы печально известен как фальсификатор некоторых исторических документов [82, с.4].
Следует отметить, что попытки полета обычно оканчивались падением и гибелью или увечьем испытателя.
По мнению изобретателей, пытавшихся совершить полет "по-птичьему", искусственные крылья в силу своей дешевизны, простоты и схожести с природой являлись дополнением естественных органов человека.
Со временем становилось все яснее, что полететь как птица, махая крыльями, нельзя. С развитием науки и техники появились проекты более сложных крылатых летательных аппаратов, в которых человек, располагаясь внутри аппарата, должен был с помощью передаточного механизма приводить в движение крылья. При этом предполагалось, что с помощью системы рычагов человеку удастся повысить эффективность своих мускулов и осуществить долгожданный полет.
Впервые идея о создании летательной машины с машущими крыльями была высказана в общей форме английским ученым Р. Бэконом в середине XIII в. В своем труде "О тайных вещах в искусстве и природе", опубликованном лишь в 1542 г., автор в общем виде говорил о машине, поднимаемой сделанными из меди сферами, упоминал о летательном аппарате, движимом с помощью мускульной силы, но не давал какого-либо технического анализа этих устройств [87].
Начало научного этапа в развитии самолета
К концу XVIII в. сложились объективные условия для подъема в воздух человека на летательном аппарате легче воздуха. Быстрое развитие капитализма сопровождалось промышленной революцией. Растущие потребности производства стимулировали развитие науки. Исследования ученых доказали возможность подъема на воздушных шарах. Строители аэростатов получили прочную, легкую и герметичную ткань для оболочек. Были открыты методы добычи водорода. Вслед за первыми полетами братьев Ж. и Э. Монгольфье и Ж. Шарля в 1873 г. во Франции, полеты на воздушных шарах стали осуществляться и в других странах. Они стали применяться для военных целей и научных исследований. Увлечение воздухоплаванием сыграло в истории летательных аппаратов тяжелее воздуха как положительную, так и отрицательную роль.
С одной стороны, покорение воздуха с помощью аэростата способствовало небывалому росту общественного интереса к проблеме полета и привлекало внимание к разработке летательных аппаратов. Исследования по авиации, в отличие от работ предшествующего этапа, стали освещаться в пе риодической печати, выходить отдельными изданиями, становились достоянием широких кругов энтузиастов полета и привлекали все большее число людей.
С другой стороны, отрицательная роль успеха аэростатов проявлялась в отвлечении внимания энтузиастов от изучения вопросов авиации. В частности, в России после работы М.В. Ломоносова по созданию «аэродромической машины» первые предложения по созданию летательных аппаратов тяжелее воздуха появились вновь более чем через 100 лет.
Создание аэростата не позволило полностью решить проблему полета. Основным его недостатком являлась невозможность совершить полет по заранее намеченному маршруту. Поэтому вскоре после первых полетов на аэростатах изобретатели многих стран начали работать над проблемой создания управляемого аэростата . Работы по созданию управляемых аэростатов способствовали накоплению практического опыта, сыгравшего затем положительную роль в разработке летательных аппаратов тяжелее воздуха. Именно на воздухоплавательных аппаратах впервые были применены воздушные винты, тепловые двигатели, аэродинамические рули, исследованы принципы уменьшения аэродинамического сопротивления. Однако постепенно выяснилось, что большая парусность воздухоплавательных аппаратов требует значительной энерговооруженности для преодоления даже слабого ветра. Силы людей было явно не достаточно, а универсальный тепловой двигатель конца XVIII века не соответствовал возможностям летательных аппаратов легче воздуха по весовым характеристикам. Поэтому, в связи с бесплодностью попыток создания управляемого аэростата, некоторые энтузиасты полета в наиболее развитых в промышленном отношении странах в начале XIX в. вновь обратились к идее создания летательного аппарата тяжелее воздуха.
Сложность создания ЛА с фиксированным крылом тяжелее воздуха по сравнению с воздухоплавательными аппаратами состояла, в первую очередь, в том, что для полета необходима аэродинамическая подъемная сила. В начале XIX в. не только полет на аппарате тяжелее воздуха, но и сама возможность образования с помощью механических средств подъемной силы, способной компенсировать вес аппарата, была еще неясной. Наличие этой возможности должна была доказать действующая летающая модель.
Прежде чем начинать строить полноразмерный ЛА, предназначенный для полета человека, необходимо было иметь хотя бы качественные представления о его аэродинамике, а также определить основные конструктивные принципы обеспечения его устойчивости и управляемости. Данные такого рода могли быть получены только в процессе многократных испытаний летающих моделей. Действующая модель летательного аппарата, не требуя ни энергетического, ни управляющего участия человека во время эксперимента, устраняла опасность гибели последнего, создавая в тоже время возможность для постепенного совершенствования модели на основе экспериментальных данных. Учитывая еще дешевизну и простоту изготовления модели по сравнению с полноразмерным ЛА, можно констатировать, что летающая модель ЛА была по сути единственным (рациональным) средством исследования, по крайней мере, в первой половине XIX в. Еще одно важное обстоятельство в пользу создания летающих моделей для проведения исследований, заключалось в том, что механический двигатель, обладавший необходимой удельной мощностью, для осуществления взлета и полета летательного аппарата с человеком на борту был создан только в последней четверти XIX в. [55].
Относительно XIX в. нельзя с уверенностью указать доминировавший тип действующей модели, т.к. на протяжении этого столетия развитие моделирования в XIX в. шло по трем направлениям: вращающееся крыло, машущее и фиксированное.
Динамика становления теории сопротивления среды
С давних пор внимание исследователей привлекал вопрос о возможности полета на аппаратах тяжелее воздуха. Еще Леонардо да Винчи указывал на возможность полета таких аппаратов. Ломоносов построил винтокрылый аппарат для подъема приборов в воздух. В XIX веке был накоплен большой опыт в построении и испытании моделей летательных аппаратов, в том числе и моделей самолетов. В начале 70-х годов со всей полнотой была поставлена задача о возможности полета на аппаратах тяжелее воздуха. Одним из основных вопросов, который было нужно решить при этом, являлся вопрос о силах, действующих на крыло самолета и о причине возникновения силы, поддерживающей аэроплан в воздухе. При решении указанного вопроса исследователи основывались на имевшихся к этому времени результатах исследований сопротивления среды.
Для того чтобы охарактеризовать историческое развитие гидроаэродинамики, необходимо, прежде всего, осветить историю решения главнейшей ее проблемы — определения силы сопротивления, оказываемого жидкостью движущимся в ней телам.
В начале XVI века Леонардо да Винчи высказал мысль о том, что воздух оказывает сопротивление движению тел. Основываясь на этом явлении, он указывал на возможность полета человека на аппаратах тяжелее воздуха.
Первые побуждения к зарождению знаний о сопротивлении среды были вызваны необходимостью изучения законов падения тел. Галилей, производивший опыты с падающими телами в 1638 г. в Пизанском соборе впервые показал, что сопротивление, испытываемое телами, движущимися в жидкой среде, возрастает с увеличением плотности среды и скорости. К таким же результатам пришли и другие представители Флорентийской академии. Первые опыты Рачиолли (1640-1650 гг.), одни из полнейших для того времени опыты
Э. Мариотта и Ля-Гира (1679-1714 гг.) представляли собой исследования времени падения тел в воде и воздухе.
В 1686 г. ученый Мариотт впервые дал количественную оценку величины сопротивления, определив сопротивление прямоугольной пластинки, расположенной нормально к направлению течения воды в реке.
В результате немногочисленных опытов, произведенных в то время, стало очевидно, что сопротивление среды пропорционально площади сечения, плотности среды и скорости.
В конце XVII - начале XVIII вв. проблеме сопротивления среды посвятил многочисленные исследования английский ученый И.Ньютон (1642-1727 гг.). Так же как и его предшественники, он изучал падения тел в различных средах, однако развитие естественных наук в XVII-XVIII вв. и, в частности, механики позволило ученому подойти теоретически к решению задачи о сопротивлении среды.
Построение теории о сопротивлении среды движущимся в ней телам было весьма трудной задачей из-за сложного механизма обтекания тел жидкостью.
Ньютон должен был задаться некоторыми гипотезами, для того, чтобы иметь возможность подвергнуть математическому исследованию тот невидимый процесс взаимодействия между телом и частицами среды, который составляет причину сопротивления среды. Но, ни точных наблюдений, ни каких-либо точных законов сопротивления, которые могли бы лечь в основу математического анализа и служить поводом для составления удовлетворительной гипотезы - ни у Ньютона, ни у других математиков, занимавшихся этим вопросом - не было. Поэтому Ньютону пришлось задаться произвольными гипотезами, берущими начало в наблюдении, а не измерении или опыте. Суть трех гипотез Ньютона заключалась в следующем [49, с. 10]:
1. жидкость редкая упругая, состоящая из упругих частиц;
2. жидкость редкая упругая, состоящая из неупругих частиц;
3. жидкость сплошная (вода, спирт).
Однако ни одна из гипотез Ньютона, как будет доказано впоследствии, не удовлетворяла природе явлений.
В 1726 г. была опубликована теория сопротивления среды, разработанная И. Ньютоном [57] . Теоретические исследования ученого над сопротивлением среды, изложенные во втором томе его знаменитой работы "Philiso-phiae naturalis principia mathematica", явились исходной точкой для всего дальнейшего развития сведений об этом вопросе. С целью упрощения исследований Ньютон предположил, что среда состоит из "равных частиц, свободно расположенных в равных друг от друга расстояниях" [57, с.426], что сопротивление обуславливается только инерцией частиц, а силами вязкости и сжимаемостью среды можно пренебречь. Сопротивление среды он объяснял ударом частиц жидкости о переднюю часть движущегося тела (отсюда название "ударная теория"), которые, ударяясь о пластинку (тело), навсегда ее оставляют и действуют независимо друг от друга.
