Окрылявший знаниями. Четыре грани Чаплыгина

Изменчивая плоскость

 

Если в самолете вам достается место у крыла, то вы видите, как при взлете и посадке из него сзади и спереди выдвигаются элементы, которые затем втягиваются обратно. Возможно, вы знаете их названия — закрылки и предкрылки. Но на заре авиации крылья были цельными. В конце Первой мировой войны на самолетах появились элероны («крылышки» — франц.), упрощавшие маневрирование в полете, но не взлет и приземление, а горизонтальные скорости в те же годы начали расти до 200 и более километров в час. При этом посадочная скорость обратно пропорциональна безопасности приземления. Возникла проблема — летать нужно как можно быстрее, а садиться крайне медленно. Но небольшая скорость — это малая подъемная сила, при недостатке которой самолет может просто рухнуть на землю. Следовательно, надо увеличивать и посадочную скорость, чтобы самолет держался в воздухе, — получался замкнутый круг.

 

Его разомкнул С. А. Чаплыгин, опубликовавший в 1931 году вместе со своим учеником Николаем Сергеевичем Аржаниковым работу «К теории открылка (предкрылка. — Прим. ред.) и закрылка». Ученые обосновали и рассчитали действие новых выдвижных элементов крыла, повышающих подъемную силу при взлете и особенно — при посадке. С. А. Чаплыгин и Н. С. Аржаников были первооткрывателями: в начале 1930-х ни один самолет не имел составных крыльев. Теперь крылья всех современных машин оснащены управляемыми закрылками, предкрылками и щитками, которые позволяют не в ущерб горизонтальной скорости снижать посадочную. Выпуская подвижные элементы крыла, пилот увеличивает подъемную силу на 20, 50 и более процентов, что позволяет ему садиться на полосу с меньшей скоростью. 

 

Еще одна революционная идея перешла к С. Чаплыгину от его учителя, основоположника авиационной науки Николая Егоровича Жуковского, и была воплощена в железе их последователями. Речь идет о решетчатых плоскостях. Установленные перпендикулярно направлению полета, они стабилизируют его сразу в двух проекциях. Еще в 1914 году вышла фундаментальная работа Чаплыгина «Теория решетчатого крыла», в которой были заложены основы теории обтекания решеток циркуляционным потоком. В авиации такие системы нашли ограниченное применение, но оказались востребованными в космических технологиях. 

 

В 1955 году группа молодых ученых из Центрального аэрогидродинамического института (ЦАГИ) и Военно-воздушной академии им. Н. Е. Жуковского под руководством профессора Сергея Михайловича Белоцерковского образовала не предусмотренный никакими штатными расписаниями неформальный творческий коллектив. Они занялись вычислительной аэродинамикой и решетчатыми крыльями, с особым вниманием изучали плоскости сотового типа. Если посмотреть на такое крыло спереди или сзади, оно напоминает пчелиные соты — отсюда и название этих несущих поверхностей. В идею поверил академик Сергей Павлович Королёв, и сотовые крылья были предложены для стабилизации полета твердотопливной ракеты по мере выработки горючего.

 

Сегодня, например, решетчатые крылья установлены на космических кораблях «Союз». Это элемент системы аварийного спасения кабины с космонавтами, благодаря которой 11 октября 2018 г. на Землю после неудачного старта благополучно вернулся российско-американский экипаж: космонавт Алексей Овчинин и астронавт Ник Хейг. Сотовые плоскости также устанавливают на судах с подводными крыльями и на крупных морских лайнерах для стабилизации их во время качки. Теперь составные и решетчатые крылья — обычный элемент многих транспортных систем.

 

Уравнение будущего

 

На рубеже XIX—XX столетий ряда хорошо известных нам наук не существовало, другие только нарождались. В их числе была гидродинамика, в развитии которой были заинтересованы гидравлики, кораблестроители, представители других отраслей. Первые работы С. А. Чаплыгина относились к изучению движения твердых тел в жидкости, где он дал геометрическую интерпретацию закономерностей такого движения, найденных в ряде исследований русских и зарубежных ученых. Эта тематика была выбрана им также под влиянием Н. Е. Жуковского. 

 

Академик Мстислав Всеволодович Келдыш, будущий президент Академии наук, описывает рубеж XIX—XX веков как время поисков новых тематик исследований. Н. Е. Жуковский начинает заниматься решением задач, связанных с авиатехникой и вопросами теории полета, всё большее внимание уделяется им и гидродинамике. Попытка разгадать «законы летания» и исследовать силы, действующие на тело в полете, привела его к разработке теории струйных течений. Интересы С. А. Чаплыгина в эти годы также обращаются к аналогичной тематике, и он публикует несколько работ по теории струй в несжимаемой жидкости. Эта теория тогда представлялась средством для изучения вопросов сопротивления движущихся тел и ряда вопросов гидравлики. Первые результаты в области гидромеханики привели Жуковского, Чаплыгина и их учеников к проблематике, создавшей новую отрасль механики, — современную гидроаэродинамику, в центре которой находятся различные аспекты теории движения в средах, дающей основу решения задач баллистики, трения и смазки, гидравлики и многих других вопросов, связанных с развитием техники ХХ столетия.

 

   Сергей Чаплыгин за работой

 

В 1902 году С. А. Чаплыгин представил в Московский университет докторскую диссертацию «О газовых струях», которую он защитил в 1903 году, и получил звание профессора. О судьбе этой работы, ставшей одним из лучших произведений в гидромеханике, рассказывает М. В. Келдыш: «Она осталась почти незамеченной. Ни сам Сергей Алексеевич и никто другой не продолжили развитых в ней идей, и никто не придал работе исключительного значения. В то время исследование газовых течений со скоростями, приближающимися к скорости звука, не было актуально для техники. Аэродинамика долгие годы могла еще удовлетворяться изучением движений газа со сравнительно малыми скоростями, когда сжимаемость воздуха пренебрежимо мала. Только через 30 лет после появления работы “О газовых струях”, когда авиация начала подходить к скоростям полета, близким к звуковым, и вопросы изучения газовых потоков с большими скоростями стали актуальнейшими вопросами, было раскрыто всё значение этой работы. Оказалось, что многочисленные попытки изучения газовых потоков, сделанные в это время, были основаны на методах, которые давали значительно меньшие результаты, нежели методы С. А. Чаплыгина, развитые еще в начале столетия. Работа С. А. Чаплыгина стала в центре многочисленных исследований аэродинамиков, она явилась основой для решения задач о дозвуковых течениях, и развитие созданных в ней методов привело к решению основных вопросов, связанных с работой крыла при больших дозвуковых скоростях, и других вопросов современной аэродинамики».

 

Коротко суть работы «О газовых струях» в следующем. Когда тело движется в потоке воздуха, то оно испытывает аэродинамическое сопротивление. Это сопротивление тем больше, чем больше скорость перемещения. Сергей Чаплыгин показал, что для скоростей движения, не превышающих 100 м/с, аэродинамическое сопротивление пропорционально квадрату скорости. Если скорость приближается к скорости звука (в воздухе она примерно равна 331 м/с), то для нахождения величины лобового сопротивления необходимо решить еще одно дифференциальное уравнение, которое теперь называется уравнением Чаплыгина. Эффективность предложенного ученым способа расчета плоских газовых потоков и сделала эту работу наиболее выдающимся исследованием по газовой динамике за полвека ее развития. 

 

Правда, насчет тридцати лет опережения Мстислав Келдыш был не совсем точен. Уже в 1935 году в Риме на конференции по большим скоростям в авиации иностранные ученые познакомились с работой Сергея Чаплыгина и назвали ее лучшим по оригинальности и изяществу метода исследованием в области газовой динамики. Когда же самолеты стали летать со скоростями, близкими к звуковым, то для инженеров и конструкторов авиационной техники труд ученого стал настольным справочником. 

 

За 100 лет до феминизма

 

К идее образования женщин и тем более вовлечения их в науку в России на рубеже прошлого и позапрошлого веков относились с большим скепсисом. Между тем молодые россиянки тянулись, как могли, к знаниям и просвещению. В 1916 году социолог Николай Александрович Рыбников провел опрос гимназисток в ряде городов России (включая Новониколаевск) и выяснил, что 45 % выпускниц гимназий мечтали получить высшее образование и стать учителями, а 19,5 % — дипломированными врачами. Во многом эти чаяния возникли благодаря успеху Высших женских курсов, организованных в 1900 году в Москве группой университетских профессоров вслед за петербургскими Бестужевскими курсами. Женщины России смогли получать высшее образование, по крайней мере, в обеих столицах. Для Москвы это была вторая попытка: первые, полностью частные курсы были закрыты Министерством просвещения в 1888 году. 

 

Чаплыгин был привлечен к работе на новых Курсах в 1901 году, в начале второго года их существования. Свои первые лекции он читал в Мерзляковском переулке, в математической аудитории университета, где вместо кафедры стоял скромный столик, выкрашенный коричневой краской, а восемь слушательниц — математики первого приема — размещались на трех садовых скамейках. «Взаимное понимание установилось сразу, — вспоминал современник, — и слушательницы всегда были глубоко благодарны Сергею Алексеевичу за его внимательное и серьезное отношение, за его требовательность, за то, что он никогда не снижал для них уровня своего преподавания».

 

В том же году С. А. Чаплыгин стал профессором механики Московских высших женских курсов, а 6 октября 1905 г. был избран их директором. Под его руководством Курсы стали крупным высшим учебным заведением с факультетами по всем основным отраслям знаний, оборудованным большим количеством лабораторий. Были впервые проведены расширенные приемы слушательниц на началах справедливого конкурса. К преподаванию на Курсах привлекались лучшие научные силы. Началось возведение собственных зданий, в 1908 году закончилась постройка и оборудование первых двух корпусов — физико-химического института и анатомического театра. В 1912 году было завершено строительство нового аудиторного корпуса с просторными библиотеками и читальными залами, который по своей архитектуре и внутреннему дизайну стал одним из красивейших зданий тогдашней Москвы. Чаплыгин также добился разрешения использовать городские больницы в качестве клиник для медицинского факультета. При этих клиниках были построены новые аудитории, лаборатории и даже целые корпуса.

 

Сергей Алексеевич оставался директором Курсов до 1918 года, когда Наркомпрос РСФСР преобразовал их во 2-й Московский государственный университет, переставший быть чисто женским. Среди слушательниц чаплыгинских курсов — Лидия Карловна Лепинь (1891—1985), специалист по физической и коллоидной химии, будущий академик АН Латвийской ССР. Но известна не только она. Дочь С. А. Чаплыгина Ольга Сергеевна тоже поступила на Курсы и во время обучения часто слышала в свой адрес: «Это его дочь!» Она оставила учебу на четвертом году, уступая страстному влечению к балету, и была принята в филиал Большого театра. Во время гастролей театра в Одессе Чаплыгин присутствовал на спектакле с участием дочери. По окончании представления ученый услышал, как про него говорили: «Это ее отец!»

 

   Производственное совещание ЦАГИ: третий слева — А. Н. Туполев, в центре — С. А. Чаплыгин [не ранее 1924 г.]. РГАНТД. Ф. 348. Оп. 5. Д. 222

 

Инкубатор институтов и семинар гениев

 

Карл Маркс был абсолютно прав, называя науку главной производительной силой. Поэтому большевики, пришедшие к власти в 1917 году, занялись ее развитием в самое трудное для страны время. По прямому указанию Владимира Ильича Ленина 1 декабря 1918 года было основано ведущее учреждение авиационной науки — Центральный аэрогидродинамический институт (ЦАГИ). В том же месяце Н. Е. Жуковский привлек к его созданию Сергея  Алексеевича.

 

ЦАГИ был задуман как научно-исследовательский институт нового типа, в котором сочетались фундаментальные и поисковые исследования, прикладные работы и подготовка конкретных рекомендаций для ряда быстро развивающихся отраслей техники, а также непосредственное строительство опытных летательных аппаратов. После смерти Н. Е. Жуковского в 1921 году Чаплыгин становится директором ЦАГИ, но не прекращает и научной деятельности. В 1922 году он публикует работу «К общей теории крыла моноплана», в которой дается ясная геометрическая картина работы профиля крыла при различных режимах полета, вводится понятие фокуса крыльевого профиля и исследуется парабола устойчивости.

 

В 1924 году Сергей Алексеевич покинул Московский университет и целиком посвятил себя научной деятельности и руководству ЦАГИ, который вырастает в крупнейший институт, где наряду с развитием авиационной науки и строительством первых советских самолетов создаются крупные научные центры в области моторостроения, промышленной аэродинамики, гидротехники. В 1930—1932 годах от ЦАГИ отпочковываются Всесоюзный институт авиационных материалов (ВИАМ), Центральный институт авиационного моторостроения (ЦИАМ), Всесоюзный институт гидромашиностроения (ВИГМ), Центральный ветроэнергетический институт (ЦВЭИ). Позже, в 1941 году, в связи с эвакуацией в Новосибирске создается Филиал № 2 ЦАГИ — до последних дней жизни С. А. Чаплыгин возглавляет его ученый совет. Из филиала ЦАГИ затем вырастет Сибирский научно-исследовательский институт авиации (СибНИА). Каковой, в свою очередь, в 1957—1958 годах станет стартовой площадкой для Института теоретической и прикладной механики Сибирского отделения АН СССР.

 

В 1931 году Сергей Алексеевич по состоянию здоровья оставил пост директора ЦАГИ и перешел на работу начальника общетеоретической группы. В дальнейшем он возглавил одну из крупнейших лабораторий института — московскую аэродинамическую, а с 1938 года стал членом НТС и председателем ученого совета ЦАГИ. Мстислав Келдыш вспоминал: «Регулярно, каждую неделю Сергей Алексеевич выслушивал доклады по выполненным в ЦАГИ работам, часто сам выступал с научными сообщениями по теории крыла, теории глиссирования и другим вопросам. Ценными и всегда меткими, хотя и лаконичными замечаниями Сергей Алексеевич направлял многие работы и способствовал их выполнению. Идеи и наброски по ряду вопросов способствовали возникновению целого ряда работ сотрудников ЦАГИ. Ясный ум С. А. Чаплыгина, его исключительные волевые качества и горячий патриотизм вызывали к нему всеобщее уважение».

 

Руководя теоретической группой ЦАГИ, Чаплыгин организовал при ней постоянно действующий семинар. В одной из сегодняшних юбилейных статей его назвали штабом теоретической мысли, но это был, скорее, неформальный дискуссионный клуб по актуальным проблемам механики и аэрогидродинамики. Из поля зрения Сергея Алексеевича не ускользало ни одно перспективное направление в области механики и в первую очередь ее приложений к авиации — таким образом формировалась повестка для обсуждений. Участниками творческих дискуссий на семинаре С. А. Чаплыгина были М. В. Келдыш, будущие основатели Сибирского отделения Академии наук Михаил Алексеевич Лаврентьев и Сергей Александрович Христианович, а также Владимир Петрович Ветчинкин, Леонид Самуилович Лейбензон, Феликс Исидорович Франкль и другие ученые, работавшие над самыми различными проблемами. Теоретический фундамент чаплыгинского семинара оказался таким мощным, что многие его участники затем возглавили новые научные направления, весьма далекие друг от друга: от подземной фильтрации нефти до артиллерийской баллистики.

 

«Традиция, заложенная Сергеем Алексеевичем Чаплыгиным, продолжается и сегодня, — рассказал научный руководитель Института теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича СО РАН академик Василий Михайлович Фомин. — Регулярно мы проводим совместные теоретические семинары с коллегами из ЦАГИ, а также из Института механики МГУ и Санкт-Петербургского политехнического университета в формате видеоконференций. Заранее согласовываем тематику обсуждений, делая упор на направлениях, которые кажутся обеим сторонам интересными и перспективными. Стараемся работать в чаплыгинском стиле: смотрим как можно шире и всегда даем возможность проявить себя молодым».

 

Материал подготовлен на основе статьи «Ученый исключительной силы. К 150-летию С. А. Чаплыгина» К. Ю. Липатовой, опубликованной на сайте Российского государственного архива научно-технической документации

 

Фото из открытых источников и предоставлены Российским государственным архивом научно-технической документации