Зародження експериментальної аеродинаміки в СРСР

(до 80-річчя створення аеродинамічної труби TI-II ЦАГІ)

Красильщикова Гузель Олексіївна - Співробітник Науково-меморіального музею проф. Н.Є. Жуковського

За кордоном, а в останні роки і в нашій країні, можна почути твердження, що в 1920-і рр.. науково-технічний прогрес в СРСР відбувався виключно за рахунок використання зарубіжного досвіду, набуття іноземної техніки і устаткування. У даній статті, однак, буде зроблена спроба показати, що навіть у важкі для країни роки після Громадянської війни радянські вчені і конструктори самостійно створювали унікальні зразки обладнання, зокрема авіаційного. Як приклад ми розглянемо історію створення комбінованої аеродинамічної труби TI-II.

Цей об'єкт, і до цього дня розміщується в будинку Експериментального аеродинамічного відділу (ЕАО) Центрального аерогідродинамічному інституту (ЦАГИ) ім. проф. Н.Є. Жуковського в Москві, був спроектований в під керівництвом С.А. Чаплигіна та А.Н. Туполева [1]. Фактично будівля ЕАО побудовано в 1925 р., а перший пробний пуск потоку повітря в TI-II проведений 31 грудня 1925; проте офіційно вона була прийнята в експлуатацію 1 жовтня 1927 [2]. Будівля ЕАО, складений з червоної цегли, складалося з двох що розрізняються за розміром приміщень кубічної і полуціліндріческой форм з прибудованій 32-метровою вежею квадратного перетину, завершується оглядового майданчиком з установкою для випробувань повітряних гвинтів. Аеродинамічна труба TI-II була розташована в центральній частині будівлі і становила єдине ціле з його стінами і покрівлею; в поперечному перерізі вона мала форму восьмигранника. У лівому крилі будівлі були розміщені допоміжні приміщення для обслуговування елементів аеродинамічній встановлення труби, а також приміщення, призначені для підготовки дослідів - препараторській і майстерня. У правому крилі знаходилися адміністративні та робочі кабінети, майстерні, фотолабораторія, креслярські кімнати та інші приміщення обслуговуючого персоналу. Верхні приміщення вежі займала лабораторія вітряних двигунів; її внутрішня частина представляла собою вертикальну шахту висотою 29 м, яку передбачалося використовувати для експериментів з вертикально падаючими об'єктами.

Аеродинамічна труба TI-II дозволяла досліджувати явища, пов'язані з силовим впливом потоку повітря на предмети і тіла різних форм і призначень. Завдяки її унікальній конструкції в ній можна було проводити аеродинамічні експерименти різних типів: з одного боку -- досліди з моделями масштабу 1/10 для малих літаків і 1/25 для великих при швидкості повітряного потоку 75-104 м/с і діаметрі робочої частини 3 м, з іншого -- з натурними елементами літака (фюзеляжем, гвинтами і т.д.) при швидкості повітряного потоку 25-35 м/с і діаметрі робочої частини 6 м.

Перед початком будівництва TI-II в лабораторіях МВТУ була виготовлена її діюча модель в 1/8 величини, названа НК-1 (за першими літерами "Наукового комітету" (НК) Управління ВПС країни, що виділив кошти на її створення). НК-1 обслуговувала потреби авіаційної промисловості до закінчення будівництва комплексу ЦАГІ і великий труби TI-II [3].

Було зроблено все для максимальної оптимізації окремих конструктивних елементів і параметрів проектованої труби (всмоктуючого колектора, дифузора, кута його розтруба, випрямлення потоку за вентилятором). Рішення про будівництво TI-II в закритому залі було прийнято для того, щоб в умовах російського клімату вберегти її від впливу зовнішнього середовища. Остаточна схема труби включала 1-й колектор, робочу частину, 1-й дифузор, вентилятор, 2-й дифузор і зворотний канал.

Ідея зробити аеродинамічну трубу роз'єднуватись, схожою на телескоп, належить К.А. Ушакову і Г.М. Мусінянцу. Вона виникла в зв'язку з тим, що потік повітря, що сповільнюється до кінця першого дифузора, при переході в другу робочу частину виходив нерівномірним, і тільки проектування та встановлення відповідного колектора перед другим робочої частиною вирішили цю проблему. Крім того, перед першою і другою робочими частинами була встановлена спрямляющая повітряний потік грати - так званий "Хонейкомб" (від англійського honeycomb - бджолині соти) для отримання рівномірного потоку повітря [4].

У зв'язку з недоліком металу в країні як будівельного матеріалу було вирішено застосовувати для основних конструкцій труби дерево, для зовнішньої оболонки будівлі - цегла, помірну кількість бетону і залізобетону, а метал - тільки для силових опорних конструктивних елементів. Технічні вимоги до конструкції труби розробив інженер А.М. Черемухин; під його ж керівництвом проводилося детальне проектування конструкції її елементів. Будівельні та архітектурні питання вирішував професор МВТУ А.В. Кузнєцов і його учні: Г.Г. Карлсен проводив дослідження і розрахунки дерев'яних конструкцій, А.С. Фісенко, І.С. Миколаїв і Б.В. Гладков розробляли незвичайний архітектурний вигляд будинку ЕАО для труби TI-II. Диффузор труби набирався з 23 ферм по діаметру перетину труби і що мали форму восьмикутник. Попередні розрахунки всіх елементів ферм на моделі, виконаної в масштабі 1:10, перевірив А.М. Черемухин [5].

Монтаж ферменних конструкцій в умовах обмеженого простору залу здійснювався за допомогою спеціально розроблених пристосувань. Перші робочі частини труби були встановлені на металевих трапецієподібних фермах, які були змонтовані до постановки на них дерев'яних ферм. Рухома частина труби складалася з двох дерев'яних восьмикутних ферм, їх силовий каркас спирався на металевий кістяк візки, яка на чотирьох колесах, придбаних у трамвайному парку, перекочувалася по рейках уздовж осі труби і займала дві крайні положення для різних варіантів експлуатації T-I-II. Шестілопастний вентилятор діаметром 6,28 м, що приводиться у обертання електродвигуном постійного струму потужністю 450-600 кВт, був встановлений з точним зазором між кінцем лопаті вентилятора і внутрішньою поверхнею труби, що дорівнює 25 мм. Для експериментів з великорозмірним об'єктами (фюзеляж літака, мотоцикл або велика модель вагона) було створено спеціальне колійне пристрій, підйомні пристосування і люк в підлозі нижній частині труби, через який за допомогою лебідки модель піднімалася в робочу частину труби.

Аеродинамічний проект TI-II, розрахунок її форм, розмірів і силової установки, був виконаний К.К. Баулін за участю у створенні принципової схеми К.А. Ушакова, Г.М. Мусінянца, Н.І. Ворогушіна і Б.Н. Юр'єва. Конструктивна розробка проекту, її геометричний і силовий розрахунки, а також керівництво будівництвом, збіркою та монтажем Фермові елементів труби здійснювалися А.М. Черемухин [6].

На схемах TI-II з поздовжніми розрізами можна прослідкувати рух повітряного потоку як при роботі на 3-метровому перетині, так і під час роботи на 6-метровому перерізі. За допомогою вентилятора повітря всмоктується в колектор, далі потік проходив через спрямляющую грати, потім через циліндричну робочу частину, де виходила найбільш рівномірна частину потоку з постійною швидкістю. Далі потік повітря проходив по пологому дифузору, надходив в другу робочу частину, що грає роль заспокоювача і випрямляча перед вентилятором, і в зворотний дифузор з радіальними перегородками, нищівними обертання потоку, викликане роботою вентилятора. І потім повітря знову надходив у колектор. За максимальної швидкості потоку повітря до 104 м/с через трубу за один час проходить близько двох з половиною мільйонів кубометрів повітря.

Для проведення аеродинамічного експерименту здійснювалося кріплення моделі літального апарату на чотирьохкомпонентної аеродинамічних вагах [7], спроектованих Г.М. Мусінянцем і К.А. Ушаковим.

У трубі TI-II були проведені випробування моделей самих відомих літаків того часу. У більшості випадків виявилося можливим удосконалити їх аеродинамічні характеристики, стійкість і керованість. Великі роботи були проведені на моделях винищувача І-5, чотиримоторного бомбардувальника ТБ-3, на якому була здійснена висадка перший полярної станції на Північний полюс в 1937 р. досліджувалася аеродинаміка на моделях пасажирського літака конструктора К.А. Калініна К-5, біплана-розвідника М.М. Поликарпова Р-5, металевих багатомоторних пасажирських літаків АНТ-9 та АНТ-14, пасажирського літака А.І. Путілова "Сталь-2" і літака АНТ-25 (РД), на якому були виконані безпосадочні перельоти через Північний Полюс в Америку в 1937 р. і встановлено світовий рекорд дальності польоту [8]. Аеродинамічна труба TI-II мала низку переваг в порівнянні із зарубіжними аналогами, зокрема щодо коефіцієнта аеродинамічного якості.

Рух повітряного потоку в трубі при роботі на триметровому (а) і шестиметрової (б) перетинах

Як інструмент для постановки дослідів з окремими елементами, так і при дослідженні великорозмірних об'єктів, TI-II і в сучасних умовах залишається вельми економічною по споживанню електроенергії (від 40 до 1000 кВт) в порівнянні з потужними трубами наступних поколінь.

Аеродинамічна труба TI-II, не дивлячись на свій 80-річний вік, і сьогодні придатна для проведення різних досліджень у будівництві (статичні та динамічні вітрові навантаження на будівлі і споруди), машинобудуванні (визначення аеродинамічного опору повітряних, сухопутних і водних транспортних засобів, видача рекомендацій з зниження опору) та інших галузях промисловості.

Виконана з дерева, аеродинамічна труба TI-II при відповідних умовах витримує значні терміни експлуатації і є унікальним інженерним проектом початку XX ст., що поєднує дві аеродинамічні труби в одній споруді. Це дозволяє зарахувати даний об'єкт до числа цінних пам'яток історії науки і техніки Росії.

Список літератури

1 Червонопере Е. В. Експериментальна аеродинаміка. Ч. I. М.: Транспечать НКПС, 1930. С. 95.

2 Акти комісії ЦАГІ про прийом в експлуатацію будівель та обладнання// Науково-меморіальний музей проф. М. Є. Жуковського. Инв. № 5227.

3 Крашенинников Ф.Я. Труба НК старої лабораторії ЕАО ЦАГІ// Перша всесоюзна конференція з аеродинаміки. М: Гос. авіа. і Автотрей. изд., 1932. С. 224-228.

4 Озеров Г.Л. Центральний аерогідродинамічний інститут ім. проф. Н.Є. Жуковського (ЦАГИ)// Праці ЦАГІ. М.: Науч. -техн. відділ ВРНГ. 1927. Вип. 30, С. 71

5 Черемухин А.М. Вибрані праці. М.: Машиностроение, 1969. С. 302-303.

6 Там же. С. 320, 321.

7 Уханов Н.С. Чотирьохкомпонентної ваги труби TI ЕАО ЦАГІ// Перша всесоюзна конференція з аеродинаміки. М.: Гос. авіа. і Автотрей. изд., 1932. С. 224.

8 Мартинов Л.К. Записки наукового працівника ЦАГІ. М.: ЦАГИ ім. проф. Н.Є. Жуковського, 2001. С. 57-60.

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://vivovoco.rsl.ru