пост про аэродинамическую трубу англичан и Можайского для отпетых фанатиков )))
В 1870-71 гг. лондонское Аэронавтическое Общество собрало средства и организовало проведение экспериментов по изучению сил, действующих на обтекаемые воздухом тела. Для этого в Гринвиче была построена аэродинамическая труба. Эксперименты проведены очень знающими инженерами Уэнемом и Браунингом, кроме того участвовал известный ученый (метеоролог, астроном, аэронавт) Глэйшер. Англичане очень гордятся этой трубой и считают ее первой в мире. Хотя это не так (первая, насколько мне известно, аэродинамическая труба была построена тоже англичанами, но гораздо раньше, труба Уэнэма пятая по счету в мире), но, действительно, эти эксперименты оказались первыми в мире, предназначенными исключительно для решения проблемы полета на аппарате тяжелее воздуха.
Задачу Общество себе поставило в таком виде - поскольку по теории Ньютона (это когда воздух состоит из частиц, которые независимо друг от друга тюкают в налонную пластинку и отскакивают от нее) выходило, что полет аппарата тяжелее воздуха энергетически невыгоден, а птицы, тем не менее, успешно летают, то следовало на практике проверить каковы будут силы, оказываемые потоком на простые тела. Кроме того, собирались проверить и идею о том, что кривизна профиля и удлинение несущей поверхности благоприятно сказываются на подъемной силе. Однако эту задачу решить не удалось из-за больших методических погрешностей (модели в потоке трясло), установка была слишком примитивна.
Чертежей, схем, фотографий установки не имеется. Реконструируется по описаниям она так (J. Lawrence Lee 1998 The Origin of the Wind Tunnel in Europe, 1871-1900 Air Power History Vol. 45, No. 2, рр. 4-15):
Приводилась она в действие вентилятором, гнавшим воздух в прямоугольный деревянный короб, откуда струя била на модель. Сам Уэнем считал, что весы (на картинке выше - устройство с прикрепленной к нему пластинкой под углом к потоку) были задуманы достаточно остроумно и хорошо изготовлены. Весы вынесены из области струи, чтобы не влиять на обтекание модели и в экспериментах прикрывались обтекателем. Картинка не совсем точна, поскольку не показано откуда воздух должен был попадать к вентилятору. Как сказано, средства были собраны частными лицами (есть список этих людей), на сегодняшние деньги эта работа обошлась примерно в 500-700 тыс. руб.
Вот все результаты, опубликованные в 1871 г. Это измеренные нагрузки на различные модели в направлении вдоль потока (Direct, сопротивление) и по нормали к нему (Vertical, подъёмная сила), колонка 0° на самом деле соответствует углу атаки 90° (т.е. пластинке установленной перпендикулярно потоку, это ошибка возникшая у публикаторов таблицы), скоростной напор потока указан в дюймах воды по шкале анемометра Линда:
Нельзя сказать, что эта работа оставила глубокий след в аэродинамике. В англоязычной среде мечтателей о полетах на неё ссылались примерно лет 10, потом её забыли до тех времен, когда пришлось говорить о приоритетах. Академические исследователи ею не пользовались вообще. Работа показала, что теория Ньютона неверна. Но это и так было известно из трудов гидравликов и прочих архитекторов (civil engineers), а также некоторых академических ученых. Измерения очень грубые, на их основании ни один аппарат не был не то, что спроектирован, а вообще замыслен... Так я думал некоторое время назад.
Весной 1878 г. А.Ф. Можайский оказался вынужден вести дискуссию с комиссией генерал-лейтенанта Г.Е. Паукера, назначенной для оценки его предложения по строительству самолета. Надо сказать, что оценивать было что и зачем. Проект Можайского был довольно подробно разработан и просил он существенные деньги, примерно 19 тыс. руб. (на наши деньги это порядка 25-27 млн.). В аэродинамическом расчете самолета он сылался, во-первых, на собственные "опыты над модельками", как он это называл. У этих опытов был существенный недостаток - модели приводились в движение пружинными или резиновыми моторами, работу которых Можайскому было трудно и регулировать ("дирижировать силою"), и просто оценить количественно. Поэтому его данные были приближенными. Кстати говоря, все эти проблемы Можайского крайне остроумно решил создатель первой в России работоспособной аэродинамической трубы К.Э. Циолковский 20 лет спустя. Причем работал КЭЦ в условиях деревни и располагал крайне скудными средствами (гири, веревки, дерево, бумага). Во-вторых, Можайский ссылался на столь же приближенные сведения, касающиеся полета птиц. В-третьих, примерно в это время ему сообщили об опытах Лондонского Общества. Они были упомянуты в "Сайтифик америкэн" за конец 1876 г., вот полная цитата из коротенькой редакционной заметки без авторства:
Certain experiments made at the expense of the Aeronautical Society, to determine the exact lifting pressure of air currents against a plane inclined at different angles, obtained results which are especially promising. The plane used was a steel plate a foot square, and the substitute for wind or the resistance, occasioned by the passage of a body at high speed through the air, was the blast of a powerful fan blower. Placed at right angles to this blast, the pressure on the plate was 3¼ lbs., indicating a wind velocity of about twenty-five miles an hour. Inclined at an angle of 15°, the plate received a direct pressure of only one third of a pound, while the lifting pressure amounted to 1½ lbs. In other words, a plane of 1 square foot, held at an angle of 15° against a current of air having the velocity of twenty-five miles an hour, will carry four times as much weight as it meets resistance. A less angle than 15° could not be tried, owing to some obstruction to the action of the apparatus. The experiments showed, however, that the ratio of the lift to the thrust greatly increased as the inclination of the plane diminished, and also that the lifting power of the current, per square foot of plane, increased with the extension of the sustaining surface, probably on the same principle that makes a large sail on a ship so much more efficient than an equal area of small sails.
Ниже отрывок из записки Можайского в комиссию Паукера:
не позднее 12 апреля 1878 г.
Наблюдения мои и опыты над модельками доказали мне, что при движении в воздухе площади в 10 кв. фут при скорости движения 8 верст в час каждый фут этой площади нес тяжесть в 17 золотников, при скорости 10 верст - около 28 золотников. Наблюдения же, сделанные членами английского аэронавтического общества над площадью в воздухе и напечатанные в декабрь[ском] № журнала Scientific American 1876 г., дали следующие результаты. Для опытов был взят стальной лист площадью 1 кв. фут, весом в 1½ фунта. Лист этот подвергнули ветру, выдуваемому из сильного вентилятора. При помещении площади под прямым углом к линии ветра, лист удерживался в воздухе при давлении на него ветра, равном 3½ фунтам, это давление соответствует давлению ветра, движущегося со скоростью 25 миль или 37 верст в час. Когда же листу дали уклон 15° к линии дутья воздуха, то для поддержания его на воздухе потребовалось всего ⅓ фунта; другими словами, плоскость в 1 кв. фут, помещенная под углом 15° к течению воздуха, имеющему скорость 25 миль в час, способна нести тяжесть, в четыре раза большую сравнительно со встречаемым ею сопротивлением. Несомненно, что при меньшем угле наклона окажется и меньшее сопротивление для движения.
Комиссия Паукера действовала весьма осторожно:
МИНИСТЕРСТВО
ВОЕННОЕ
ГЛАВНОЕ
ИНЖЕНЕРНОЕ
УПРАВЛЕНИЕ
Искусственное
отделение
Стол 3
29 мая 1878 года
№ 6180
ЕГО ВЫСОКОБЛАГОРОДИЮ А.Ф. МОЖАЙСКОМУ
Милостивый государь, Александр Федорович.
Комиссия, учрежденная для рассмотрения предлагаемого Вами воздухоплавательного аппарата, при обсуждении той части пояснительной записки вашей, в коей упоминается о почерке третьего опыта Лондонского аэронавтического общества, нашла результаты этих опытов недостаточно ясно изложенными, а потому положила просить вас доставить печатный экземпляр сочинения, из которого сведения о Лондонских опытах вами почерпнуто.
Исполняя сим поручения г. председателя комиссии, прошу принять уверение в совершенном моем почтении.
Подписал полковник Вальберг
На этот запрос Можайский крайне оперативно отреагировал:
Получено 30-го мая 1878 г.
В КОМИССИЮ ПО РАССМОТРЕНИЮ ПРОЕКТА КАПИТАНА 1-го РАНГА А. МОЖАЙСКОГО
Вследствие требования комиссии, сообщенного мне за № 6180, имею честь препроводить в комиссию печатный экземпляр журнала Scientific American за II-ую половину 1876 года, в коем на странице 352-й (December 2, 1876) в статье Prospeсt of Aeronautiсs изложены опыты над листом в квадратный фут, при этом смею обратить внимание комиссии на ошибку мою по выражению определения давления воздуха на плоскости 1 кв. фут при перпендикулярном положении плоскости к линии ветра, именно, ссылаясь на опыты Английского общества, я по ошибке лица, передавшего мне результаты опытов, взятых им из прилагаемого журнала, показал величину давления в 3½ фунта, тогда как оно определено Лондонским обществом в 3¼ фунта, т. е. что опыт дал величину, согласную с полученною мною по вычислению формулы Вёйсбаха. Где при F = 1 футу получил: Р = 0,081 пуда, или 3,24 фунта.
Получив сейчас журнал из Морской библиотеки и зная, что присутствие в канцелярии Инженерного управления закончилось, я для выигрыша времени журнал препровождаю г. председателю комиссии. Мая 30 дня 1878 года.
Капитан 1-го ранга А. Можайский
Как видно из представленного материала, "третий опыт Лондонского аэронавтического общества" на самом деле был первым - в американском журнале просто процитированы данные из самой первой строки в таблице из отчета Общества за 1871 г. "Третьим" этот опыт стал просто потому, что это третий вид аргументов Можайского. Кроме того, понятно, что никаких ежегодных отчетов Аэронавтического Общества в России не имели, не читали и не выписывали этих изданий. А ведь отчет с результатами опытов Уэнема и компании в Гринвиче был уже шестым по счету. Это просто показывает насколько сумашедшими выглядели для общества в 1870-80-х идеи о полете на аппаратах тяжелее воздуха.
Комиссия Паукера состяла из людей с неплохой общеинженерной подготовкой. Они достаточно подробно рассмотрели материалы Можайского (кстати, тот вполне законно считал их своей собственностью и поэтому полных сведений о представленных им в комиссию материалах в архивах не осталось, их вернули ему назад, а потому мы теперь пользуемся только уцелевшими обрывками) и пришла к такому выводу - мощности 30 л.с. Можайскому не хватит, а на основании данных Можайского вытекало, что нужно не менее 60 л.с.Причем комиссия специально отметила:
"Вычисления г. Можайского оказались недостаточно верными. Так, напр., он находит, что для движения его снаряда весом в 50 пудов достаточна машина в 30 индикаторных сил, тогда как по тем же опытным данным, которые им приняты за основание, оказывается, что для снаряда весом в 50 пудов потребуется машина по крайней мере в 60 индикаторных сил; посему эти вычисления не могут служить подтверждением возможности устройства снаряда по его чертежам."
Вывод этот подтвердился последующими событиями и сам Можайский после провала попыток взлета в 1883-1885 гг. занаялся повышением мощности силовой установки до тех самых 60 л.с. (остальные аргументы комиссии довольно спорны и носят чисто бюрократический осторожный характер, всё-таки 25 млн. руб более-менее приличная бюджетная сумма на одного человека). Однако в 1878 г. Можайский, вложивший в проект уже немало личных средств, продолжал настаивать и аппелировал в том числе к упомянутым английским данным. Вот что он писал Паукеру в письме 16 июня 1878 г. после получения разгромного отзыва комиссии:
"Видя в ваших замечаниях оправдание моей теории и подтверждение правдивости моего взгляда на дело, я вполне уверен в успехе его. Тем более, что в вычисления свои я не вводил еще одного фактора, существование которого как полезного деятеля для поддержания аппарата на воздухе откинуть нельзя. Я говорю о способности плоскости, наклонно движущейся в воздухе, выказывать подъемную силу. Это доказывает проверка 3-го опыта (стран. 8 и 9), где RN = 1,23 фунта, или, вернее, 1,5 фунта.
При вычислениях моих для определения работы поднятия груза я не вводил этого условия, для определения же величины площади крыльев F при
a = 5° R принят и равен 0,914 фунта на кв. фут.
Не принять его, значит не верить механике, в которой сипа R определена при течении как воды, так и воздуха на наклонную плоскость, сила нормальная, давящая снизу на плоскость при небольших углах, в несколько раз более силы, представляющей давления на плоскость по линии движения плоскости, или ее сопротивления.
В природе это явление подтверждается тем, что птицы, имея 1 фут плоскости крыльев и хвоста, при весе своем в 1½ фунта могут парить при 8 до 15 верст движения в час. 3-й опыт Англ. аэронавт. общества, подтвержденный механикой, доказал, что при a = 15° наклонения плоскости к горизонту, сила сопротивления плоскости к подъемной ее способности относилась, как 0,33 к 1,5.
Не имея верных коэффициентов, трудно определить величину R, но несомненно, что число сил машины, назначаемой мною на работу подъем груза, Q может быть уменьшено."
Если взять простейшее уравнение для мощности N в л.с. через вес G аэродинамическое качество К и скорость: N = GV / (75*кпд винта*K), то для веса в 50 пудов при скорости 10 м/с с английским качеством 1,5/0,33 = 4,54 получаем в лошадиных силах N = 23,7/кпд. У комиссии не было оснований ожидать высокого кпд винта (это было предметом отдельного обсуждения участников дела), кроме того она учла и сопротивление остальных частей аппарата. Даже не делая этого при кпд 0,5 получим потребную мощность около 47,4 л.с. Таким образом, с позиций послезнания 60 паукеровских сил вполне оправданы английскими данными.
Что во всей этой истории обращает на себя внимание:
1. "Детская" непосредственность того времени - дискуссия велась на основании одного-единственного абзаца в "Сайнтифик Америкэн" с тремя цифрами: 3,24, 0,33 и 1,5 фунта.
2. Англичане, видимо, не догадываются, что аэродинамическая труба Уэнема, которой они так гордятся как "первой", но которая по их же мнению довольно слабо повлияла на развитие авиации, всё-таки оказала самое непосредственное влияние на постройку второго в мире самолета, а не осталась практически незамеченной.