Зарождение экспериментальной аэродинамики в СССР
(к 80-летию создания аэродинамической трубы T-I-II ЦАГИ)
Красильщикова Гузель Алексеевна - сотрудник Научно-мемориального музея проф. Н.Е. Жуковского
За рубежом, а в последние годы и в нашей стране, можно услышать утверждение, что в 1920-е гг. научно-технический прогресс в СССР происходил исключительно за счет использования зарубежного опыта, приобретения иностранной техники и оборудования. В данной статье, однако, будет сделана попытка показать, что даже в трудные для страны годы после Гражданской войны советские ученые и конструкторы самостоятельно создавали уникальные образцы оборудования, в частности авиационного. В качестве примера мы рассмотрим историю создания комбинированной аэродинамической трубы T-I-II.
Этот объект, и по сей день размещающийся в здании Экспериментального аэродинамического отдела (ЭАО) Центрального аэрогидродинамического института (ЦАГИ) им. проф. Н.Е. Жуковского в Москве, был спроектирован в под руководством С.А. Чаплыгина и А.Н. Туполева [1]. Фактически здание ЭАО построено в 1925 г., а первый пробный пуск потока воздуха в T-I-II произведен 31 декабря 1925 г.; однако официально она была принята в эксплуатацию 1 октября 1927 г. [2]. Здание ЭАО, сложенное из красного кирпича, состояло из двух различающихся по размеру помещений кубической и полуцилиндрической форм с пристроенной 32-метровой башней квадратного сечения, завершавшейся смотровой площадкой с установкой для испытаний воздушных винтов. Аэродинамическая труба T-I-II располагалась в центральной части здания и составляла единое целое с его стенами и кровлей; в поперечном сечении она имела форму восьмигранника. В левом крыле здания были размещены вспомогательные помещения для обслуживания элементов аэродинамической установки трубы, а также помещения, предназначенные для подготовки опытов - препараторская и мастерская. В правом крыле находились административные и рабочие кабинеты, мастерские, фотолаборатория, чертежные комнаты и другие помещения обслуживающего персонала. Верхние помещения башни занимала лаборатория ветряных двигателей; ее внутренняя часть представляла собой вертикальную шахту высотой 29 м, которую предполагалось использовать для экспериментов с вертикально падающими объектами.
Аэродинамическая труба T-I-II позволяла исследовать явления, связанные с силовым воздействием потока воздуха на предметы и тела различных форм и назначений. Благодаря ее уникальной конструкции в ней можно было проводить аэродинамические эксперименты различных типов: с одной стороны - опыты с моделями масштаба 1/10 для малых самолетов и 1/25 для больших при скорости воздушного потока 75-104 м/с и диаметре рабочей части 3 м; с другой - с натурными элементами самолета (фюзеляжем, винтами и т.д.) при скорости воздушного потока 25-35 м/с и диаметре рабочей части 6 м.
Перед началом строительства T-I-II в лабораториях МВТУ была изготовлена ее действующая модель в 1/8 величины, названная НК-1 (по первым буквам “Научного комитета” (НК) Управления ВВС страны, выделившего средства на ее создание). НК-1 обслуживала нужды авиационной промышленности до окончания постройки комплекса ЦАГИ и большой трубы T-I-II [3].
Было сделано все для максимальной оптимизации отдельных конструктивных элементов и параметров проектируемой трубы (всасывающего коллектора, диффузора, угла его раструба, спрямления потока за вентилятором). Решение о постройке T-I-II в закрытом зале было принято для того, чтобы в условиях российского климата предохранить ее от влияния внешней среды. Окончательная схема трубы включала 1-й коллектор, рабочую часть, 1-й диффузор, вентилятор, 2-й диффузор и обратный канал.
Идея сделать аэродинамическую трубу разъединяющейся, похожей на телескоп, принадлежит К.А. Ушакову и Г.М. Мусинянцу. Она возникла в связи с тем, что поток воздуха, замедляющийся к концу первого диффузора, при переходе во вторую рабочую часть получался неравномерным, и только проектирование и установка соответствующего коллектора перед второй рабочей частью решили эту проблему. Кроме того, перед первой и второй рабочими частями была установлена спрямляющая воздушный поток решетка - так называемый “хонейкомб” (от английского honeycomb - пчелиные соты) для получения равномерного потока воздуха [4].
В связи с недостатком металла в стране в качестве строительного материала было решено применять для основных конструкций трубы дерево, для внешней оболочки здания - кирпич, умеренное количество бетона и железобетона, а металл - только для силовых опорных конструктивных элементов. Технические требования к конструкции трубы разработал инженер А.М. Черемухин; под его же руководством проводилось детальное проектирование конструкции ее элементов. Строительные и архитектурные вопросы решал профессор МВТУ А.В. Кузнецов и его ученики: Г.Г. Карлсен проводил исследования и расчеты деревянных конструкций, А.С. Фисенко, И.С. Николаев и Б.В. Гладков разрабатывали необычный архитектурный облик здания ЭАО для трубы T-I-II. Диффузор трубы набирался из 23 ферм по диаметру сечения трубы и имевших форму восьмиугольников. Предварительные расчеты всех элементов ферм на модели, выполненной в масштабе 1:10, проверил А.М. Черемухин [5].
Монтаж ферменных конструкций в условиях ограниченного пространства зала осуществлялся с помощью специально разработанных приспособлений. Первые рабочие части трубы были установлены на метал
Аэродинамический проект T-I-II, расчет ее форм, размеров и силовой установки, был выполнен К.К. Баулиным при участии в создании принципиальной схемы К.А. Ушакова, Г.М. Мусинянца, Н.И. Ворогушина и Б.Н. Юрьева. Конструктивная разработка проекта, ее геометрический и силовой расчеты, а также руководство постройкой, сборкой и монтажом фермовых элементов трубы осуществлялись А.М. Черемухиным [6].
На схемах T-I-II с продольными разрезами можно проследить движение воздушного потока как при работе на 3-метровом сечении, так и при работе на 6-метровом сечении. При помощи вентилятора воздух всасывался в коллектор, далее поток проходил через спрямляющую решетку, затем через цилиндрическую рабочую часть, где получалась наиболее равномерная часть потока с постоянной скоростью. Далее поток воздуха проходил по пологому диффузору, поступал во вторую рабочую часть, играющую роль успокоителя и выпрямителя перед вентилятором, и в обратный диффузор с радиальными перегородками, уничтожающими вращение потока, вызванное работой вентилятора. И затем воздух вновь поступал в коллектор. При максимальной скорости потока воздуха до 104 м/с через трубу за один час проходило около двух с половиной миллионов кубометров воздуха.
Для проведения аэродинамического эксперимента осуществлялось крепление модели летательного аппарата на четырехкомпонентных аэродинамических весах [7], спроектированных Г.М. Мусинянцем и К.А. Ушаковым.
В трубе T-I-II были проведены испытания моделей самых известных самолетов того времени. В большинстве случаев оказалось возможным усовершенствовать их аэродинамические характеристики, устойчивость и управляемость. Большие работы были проведены на моделях истребителя И-5, четырехмоторного бомбардировщика ТБ-3, на котором была осуществлена высадка первой полярной станции на Северный полюс в 1937 г. Исследовалась аэродинамика на моделях пассажирского самолета конструктора К.А. Калинина К-5, биплана-разведчика Н.Н. Поликарпова Р-5, металлических многомоторных пассажирских самолетов АНТ-9 и АНТ-14, пассажирского самолета А.И. Путилова “Сталь-2” и самолета АНТ-25 (РД), на котором были выполнены беспосадочные перелеты через Северный Полюс в Америку в 1937 г. и установлен мировой рекорд дальности полета [8]. Аэродинамическая труба T-I-II обладала рядом преимуществ по сравнению с зарубежными аналогами, в частности в отношении коэффициента аэродинамического качества.
Движение воздушного потока в трубе при работе на трехметровом (а) и шестиметровом (б) сечениях
Как инструмент для постановки опытов с отдельными элементами, так и при исследовании крупноразмерных объектов, T-I-II и в современных условиях остается весьма экономичной по потреблению электроэнергии (от 40 до 1000 кВт) по сравнению с мощными трубами следующих поколений.
Аэродинамическая труба T-I-II, несмотря на свой 80-летний возраст, и сегодня пригодна для проведения различных исследований в строительстве (статические и динамические ветровые нагрузки на здания и сооружения), машиностроении (определение аэродинамического сопротивления воздушных, сухопутных и водных транспортных средств, выдача рекомендаций по снижению сопротивления) и других отраслях промышленности.
Выполненная из дерева, аэродинамическая труба T-I-II при соответствующих условиях выдерживает значительные сроки эксплуатации и является уникальным инженерным проектом начала XX в., совмещающим две аэродинамические трубы в одном сооружении. Это позволяет причислить данный объект к числу ценных памятников истории науки и техники России.
Список литературы
1 Красноперое Е. В. Экспериментальная аэродинамика. Ч. I. М.: Транспечать НКПС, 1930. С. 95.
2 Акты комиссии ЦАГИ о приеме в эксплуатацию зданий и оборудования // Научно-мемориальный музей проф. Н. Е. Жуковского. Инв. № 5227.
3 Крашенинников Ф.Я. Труба НК старой лаборатории ЭАО ЦАГИ // Первая всесоюзная конференция по аэродинамике. М: Гос. авиа. и автотр. изд., 1932. С. 224-228.
4 Озеров Г.Л. Центральный аэрогидродинамический институт им. проф. Н.Е. Жуковского (ЦАГИ) // Труды ЦАГИ. М.: Науч. -техн. отдел ВСНХ. 1927. Вып. 30, С. 71
5 Черемухин А.М. Избранные труды. М.: Машиностроение, 1969. С. 302-303.
6 Там же. С. 320, 321.
7 Уханов Н.С. Четырехкомпонентные весы трубы T-I ЭАО ЦАГИ // Первая всесоюзная конференция по аэродинамике. М.: Гос. авиа. и автотр. изд., 1932. С. 224.
8 Мартынов Л.К. Записки научного работника ЦАГИ. М.: ЦАГИ им. проф. Н.Е. Жуковского, 2001. С. 57-60.