Зарождение экспериментальной аэродинамики в СССР

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 металлических трапециевидных фермах, которые были смонтированы до постановки на них деревянных ферм. Подвижная часть трубы состояла из двух деревянных восьмиугольных ферм, их силовой каркас опирался на металлический остов тележки, которая на четырех колесах, приобретенных в трамвайном парке, перекатывалась по рельсам вдоль оси трубы и занимала два крайних положения для разных вариантов эксплуатации T-I-II. Шестилопастный вентилятор диаметром 6,28 м, приводимый во вращение электромотором постоянного тока мощностью 450-600 кВт, был установлен с точным зазором между концом лопасти вентилятора и внутренней поверхностью трубы, равным 25 мм. Для экспериментов с крупноразмерными объектами (фюзеляж самолета, мотоцикл или большая модель вагона) были созданы специальное путевое устройство, подъемные приспособления и люк в полу нижней части трубы, через который при помощи лебедки модель поднималась в рабочую часть трубы. 

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.