1. Основные законы аэродинамики

Жуковский

В природе есть много явлений, наблюдая которые кажется невозможным проникнуть в тайну законов, ими управляющих. Клочок бумаги, брошенный на пол, ложится совсем не там и не так, как ждешь. Орел и ястреб парят в воздухе, не двигая крыльями. Вихри, ветры, ураганы, все явления, происходящие под влиянием сил, возникающих при движении воздуха, долгое время оставались непонятными и необъяснимыми.

То же можно сказать и о явлениях, связанных с движением жидкостей при воздействии на них каких-либо сил. Именно полнейшая неуловимость законов движения воды и особенно воздуха заставляла наших предков относиться к ним как к стихийным силам природы, непостижимым уму и неподвластным человеку.

Самым ярким представителем инженеров, начавших широко и щедро вводить научный метод, внедрять научные основы во все области техники, был Николай Егорович Жуковский (1847–1921). Он был неутомимым, последовательным и самым разносторонним деятелем того переворота в технике и инженерии, благодаря которому научные исследования в настоящее время настолько тесно связаны с новой техникой, что часто составляют единое и неразрывное целое. Именно этой стороной научной деятельности Жуковского можно объяснить, что из огромного числа его учеников подавляющее большинство стало в ряды конструкторов и инженеров и лишь единицы посвятили себя теоретической науке.

Характерная для всех вообще русских ученых и инженеров способность сочетать разработку глубоко теоретических проблем с решением практических задач инженерной техники — самая замечательная черта творческой деятельности Жуковского. Его теории уже в разработке поражают инженерными возможностями даже и тогда, когда теоретическое построение ученого вызывалось еще не прямыми запросами жизни, а являлось лишь плодом пытливой мысли, возбужденной к деятельности тем или иным живым наблюдением.

Скажем, проблема удара гидросамолета о воду при посадке теоретически оказалась разработанной Жуковским в те времена, когда не только о гидросамолетах, но и о самолетах вообще мало кто думал. Гидродинамическую проблему «Об ударе двух шаров, из которых один плавает в жидкости», Жуковский решил еще в 1883 году, положив начало теоретической работой решению узко практического вопроса о посадке гидросамолета.

Теория и методы, не исчерпывающие всех инженерных возможностей, не удовлетворяли Жуковского. Нередко он сам брался за доработку их и шел в этом направлении так далеко, как не смели и мечтать авторы этих методов и теорий.

В разные периоды своей научной деятельности Жуковский занимался и вопросами о прочности велосипедного колеса, и вопросами о наивыгоднейшем угле наклона аэроплана, и вопросом о рациональной форме корабля. С исчерпывающей полнотой и даже с показом механических моделей он отвечал и на вопрос, почему кошки при падении всегда «приземляются» на лапы, и на вопрос, почему из фабричных труб дым выходит клубами, и на тысячу других вопросов, больших и маленьких. Он дал полное объяснение и явлениям кровообращения в человеческом организме, и явлениям кавитации гребного винта. Он делал доклады о парении птиц и о движении прямолинейных вихрей, о сопротивлении воздуха при больших скоростях и о движении вагонов по рельсам, о снежных заносах и о ветряных мельницах, о качке кораблей и о множестве других разнообразных явлений, которые служили ему только поводом для теоретических построений огромного и широчайшего значения.

Помогая везде и всюду не только теоретикам, но и практикам вводить научные основания во все области техники и инженерии, Николай Егорович никогда не делил задачи на большие и маленькие, на важные и неважные. Он делил их только на трудные и простые и предпочитал неизменно браться за трудные, хотя бы они и относились к самым непопулярным в кругах ученых областям техники.

У него мы найдем и теорию движения просеиваемого продукта по поверхности сита, где он рассматривает движение материальной точки на сите под действием центробежной силы и силы трения. В результате этой теории Николай Егорович предложил практикам новую схему подвеса рассева.

У Жуковского мы находим и исследование о «Распределении давлений на нарезках винта и гайки», где Николай Егорович дает приближенное решение очень трудной задачи о распределении давления на нарезках винта и гайки, предполагая, что нарезки подвержены лишь деформации скашивания, а тела винта и гайки — растяжению или сжатию.

С теоретической точки зрения рассматривает Жуковский вопрос «О прочности велосипедного колеса» и ряд других, посвященных практическим проблемам техники: о давлении поршней в двигателях «Гном», о колебаниях паровоза на рессорах, о разрыве поездов и т. д.

Любопытна одна работа Жуковского, характеризующая широту его творческой мысли. Это «Определение скорости движения продуктов горения в заводской трубе по фотографии выбрасываемого дыма». Причина появления клубов дыма заключается в том, что по закону распространения волн от верхней части трубы передается к топке пониженное давление, а от топки к верхнему концу трубы переносится повышенное давление. Поэтому клубы дыма следуют друг за другом тем чаще, чем меньшую длину имеет труба. В этой своей работе Николай Егорович дает простую формулу для вычисления скорости продуктов горения.

Трудно указать такую область теоретической механики, которую оставил без внимания гений Жуковского, в которую он не внес бы своего вклада. Но совершенно естественно, что при его постоянных поисках наитруднейших задач, при его отзывчивости к практическим запросам новейшей техники и инженерии он должен был особенно глубоко и страстно заинтересоваться механикой полета, представлявшего самую трудную и менее всего разработанную проблему науки и техники.

Уже в раннюю пору своей научной работы Николай Егорович не сомневался в возможности осуществления тысячелетней мечты своего народа и всего человечества.

«Птицы летают, почему же человек не может летать?» — говорил он.

Правда, Жуковский начал свою деятельность как гидродинамик, он много занимался вопросами чистой математики, вопросами теоретической и прикладной механики, отзываясь на запросы живой практики. Но время от времени он выступал с докладами и по вопросам воздухоплавания и авиации. После доклада «К теории летания», состоявшегося в 1890 году, и знаменитой работы «О парении птиц», вышедшей в 1891 году, появляется его статья «О наивыгоднейшем наклоне аэропланов».

За одиннадцать лет до того, как поднялся в воздух самолет братьев Райт, Жуковский в статье «О парении птиц» дал объяснения тому, каким образом могут птицы парить в воздухе с неподвижно распростертыми крыльями, и теоретически доказал, что можно построить аппараты для искусственного парения — планеры, которые будут устойчивыми в воздухе и даже смогут совершать мертвые петли.

К этому времени относится следующий эпизод, рассказанный нам старейшим русским летчиком Б. И. Российским.

В том же Денисовском переулке, где он жил и гонял с товарищами голубей, квартировал в то время Жуковский. Почтенный профессор дважды в день гулял по улице со своей охотничьей собакой и неизменно останавливался посмотреть на летающих голубей. Ребята завели знакомство со взрослым бородатым человеком, оказавшимся таким же голубятником, как они сами, и он охотно объяснял им, как птицы летают и почему они изгибают края хвоста при повороте.

Случилось, что у одного из голубей ястреб вырвал клок перьев из хвоста. Для того чтобы хвост вырос ровненько, ребята выщипали у него и остальные перья. К их удивлению, голубь продолжал летать в стае. Естественно, что они обратились за разъяснениями к своему наставнику:

— Вот, голубь-то без хвоста, а кружит со всеми, как хвостатый. Почему это?

Жуковский с величайшим любопытством устремил взор на голубей и тотчас же отличил от остальных бесхвостого, который не делал плавных кругов, как остальные, а, пользуясь крыльями, поворачивался круто, почти под прямым углом. Профессор объяснил ребятам, как перекашиванием концов крыла птица осуществляет креп и поворот при полете. Таким образом, в Денисовском переулке ранней весной 1894 года был решен пионерами воздухоплавания один из самых важных вопросов самолетостроения.

К этим воспоминаниям своего раннего детства Б. И. Россинский присоединяет очень интересную догадку о том, что и мысль о возможности мертвой петли возникла у Жуковского при наблюдении за полетом знаменитых турманов, составляющих гордость всех голубятников.

Турманы принадлежат к замечательной породе домашних голубей, происходящих из Индии, где они культивировались в течение тысячелетий. Как показывает самое их название, турманы отличаются от всех других голубей своеобразным кувырканием на высоком и красивом лете. Это единственная птица в мире, способная совершать мертвые петли, и предположение старейшего русского летчика о том, что именно восхитительное кувыркание турманов побудило Жуковского к теоретическому обоснованию мертвой петли, весьма правдоподобно.

Путь, приводящий к открытию, к установлению закона, не всегда виден в творении ученого. Чаще всего он излагает лишь конечные результаты своей мысли и опыта, ограничиваясь строгим изложением доказательств, удаляя все подмостки, служившие ему для постройки здания, и не давая возможности заглянуть в свою творческую лабораторию.

Однако мы знаем, что в природе, в объективном, вне нас находящемся мире и в нас самих, все органически связано одно с другим, зависит друг от друга, обусловливается одно другим.

Ребята завели знакомство со взрослым бородатым человеком, оказавшимся таким же голубятником, как и они.

Жуковскому, закладывавшему теоретические основы таких совершенно новых наук, как аэромеханика или динамика полета, естественно, приходилось исходить прежде всего из опыта живой природы, которая и была его постоянным учителем.

Доказав в статье «О парении птиц» возможность создания устойчивых в воздухе летательных аппаратов, Жуковский в новой работе, «О наивыгоднейшем наклоне аэропланов», решает задачу о нахождении наивыгоднейшего угла наклона, что имеет основное значение при проектировании самолета.

Таким образом, к тому времени, когда первые полеты состоялись, Жуковский, внимательно следивший за всеми новостями в этом деле, оказался во всеоружии тех знаний, которые нужны были для создания теоретических основ авиации.

Первые самолеты летали с небольшой скоростью, невысоко, держались в воздухе недолго и едва-едва поднимали одного летчика с пассажиром.

Как только были совершены первые робкие полеты на аппаратах тяжелее воздуха, так тотчас же перед наукой стал вопрос, выдвинутый практической авиацией: откуда берется подъемная сила у крыла и, главное, каким теоретическим способом можно ее выразить?

Насколько Жуковский был подготовлен к ответу на этот основной вопрос, видно из того, что уже в 1906 году, через три года после первого полета братьев Райт, в своей работе «О присоединенных вихрях» он дает и правильный ответ на вопрос и формулу, позволяющую произвести точный расчет сил, действующих на крыло.

Статья эта появилась в результате сделанного Жуковским замечательного открытия. Он открыл, что, кроме всех известных типов воздушных течений или течений жидкости, есть еще один тип течения, при котором образуется особенная сила, получившая название «силы Жуковского». Благодаря этому открытию стали понятными все явления, происходящие в воздухе близ летящего тела, была создана полная теория крыла моноплана, началось строительство современных самолетов, имеющих толстое крыло с острой задней кромкой, и авиация получила ту силу и значение, которые теперь всем известны.

Жуковский показал, что механизм образования подъемной силы у крыла иной, чем у пластинки. Наличие подъемной силы обусловлено тут не сопротивлением, а разностью скоростей под крылом и над крылом, или, как говорят, циркуляцией воздушных струй вокруг крыла.

Это открытие Жуковского и до сих пор остается предметом величайшего внимания аэродинамиков во всем мире.

Ученик и ближайший сотрудник Жуковского академик Л. С. Лейбензон вспоминает, что впервые мысль о роли циркуляционных потоков при возникновении силы давления воздуха на находящиеся в нем крылообразные тела возникла у Жуковского осенью 1904 года, при наблюдении полетов воздушного змея. За этим наблюдением последовала догадка, проверке которой Жуковский посвятил два года. После многих опытов и размышлений, убедившись в правильности своего предположения, Жуковский и открыл тот закон, который получил во всем мире его имя.

Жуковский необычайно тонко чувствовал, каким грубым препятствием для движения творческой мысли является привычное мышление, как трудно даже изощренному уму прервать течение привычных представлений и дать место иным, неожиданным и новым. Оттого-то он и прибегал постоянно к опытам, отдавался созерцанию живой природы с ее поучительным непостоянством, с ее огромным запасом еще не раскрытых тайн, не обнаруженных возможностей.

Над зеленым лугом летали стрелы его арбалета с винтом, когда он занимался измерением и вычислением времени полета. По проселочным дорогам взад и вперед мчался его велосипед с большими крыльями, когда он изучал сопротивление воздуха. Живая природа открывала тайны аэродинамики этому пророку авиации, предсказавшему мертвую петлю за двадцать лет до того, как ее совершил Нестеров. В деревенском саду под яблонями чертил на песке свои формулы ученый, когда ему врачи во время болезни запретили работать, а родные заставляли подолгу гулять.

В этом же саду ставил Жуковский большой эмалированный таз с пробитой дыркой, исследуя формы вытекающей струи, когда, исполненный вдохновенного проникновения, он думал:

«Все дело тут в тех вихрях, которые срываются с краев отверстия: первоначально они имеют форму отверстия, а затем они стягиваются, деформируются и деформируют струю. Прибавляя к действию вихрей силу инерции движущихся частиц жидкости, можно получить все изменения струи. Вопрос этот вполне ясен…»

Тайны стихий прояснились исследователю, когда он непосредственно их созерцал. И ореховский пруд, окрашенный мельчайшими водорослями, мечтал Жуковский обратить в лабораторный прибор для гидродинамических опытов над обтеканием струи.

В причудливой струе, выбивающейся из отверстия эмалированного таза, гений угадывает бурную стихию Ниагары. Кувыркающиеся турманы предрекают ему мертвую петлю самолета. В картонной аэродинамической трубе Московского университета Жуковский испытывал свойства воздушных течений, угадывал законы ураганов и капризы снежных заносов.

Самый огромный ум нуждается для творческого движения мысли в помощи извне, хотя в большинстве случаев даже и не замечаемой. В создании циркуляционной теории эту помощь оказал Жуковскому бумажный змей, в создании вихревой теории гребневого винта — фотографии корабельного винта. Большую и постоянную помощь ему оказывала природа, как и многим другим великим ученым. Вот почему профессор механики в душе оставался до конца жизни сельским жителем, охотником и спортсменом.

Когда незадолго до его смерти находившаяся возле него сестра предложила ему что-нибудь почитать вслух, он, закрыв глаза, ответил:

— Нет, не надо. Я лучше подумаю о деревне. Хорошо там теперь! Рябина, наверное, не совсем еще осыпалась. То-то раздолье снегирям!..

Он любил соревноваться с братьями, потом с племянниками в искусстве переплывать пруд, то держа в руках ружье, то ставя на голову подсвечник с горящей свечой. Неутомимый бродяга по полям и лесам, он чувствовал себя тут, как в просторной и светлой лаборатории.

На могиле другого русского ученого, математика Остроградского, заканчивая свою речь, посвященную творческой работе, Николай Егорович говорил:

— При взгляде на это мирное место упокоения, на широкие поля, убегающие в бесконечную даль, невольно возникает мысль о влиянии природы на дух человека. В математике, милостивые государи, есть тоже своя красота, как в живописи и поэзии. Эта красота проявляется иногда в отчетливых, ярко очерченных идеях, где на виду всякая деталь умозаключений, а иногда поражает она нас в широких замыслах, скрывающих в себе кое-что недосказанное, но многообещающее. В творениях Остроградского нас привлекает общность анализа, основная мысль, столь же широкая, как широк простор его родных полей!

Жуковский не был философом-марксистом, но собственный житейский опыт и наблюдательность ученого привели его к правильному заключению о том, что природа, создав мозг человека, сама же и работает в этом мозгу, наполненном ее отражениями, хотя человеку и кажется, что собственные цели его чужды природе.

«И так на каждом шагу факты напоминают нам о том, что мы отнюдь не властвуем над природой так, как завоеватель властвует над чужим народом, не властвуем над нею так, как кто-либо находящийся вне природы, — что мы, наоборот, нашей плотью, кровью и мозгом принадлежим ей и находимся внутри нее, что все наше господство над ней состоит в том, что мы, в отличие от всех других существ, умеем познавать ее законы и правильно их применять», — пишет Ф. Энгельс в своей статье «Роль труда в процессе превращения обезьяны в человека».

Творческие истории всех великих ученых и инженеров полны таких фактов, так же, как творческая история Жуковского.

Он не строил самолетов, он даже никогда не поднимался на них в воздух, но именно ему В. И. Ленин присвоил высокое звание «отца русской авиации».

В «Заметках о ветросиловых установках», опубликованных в XX Ленинском сборнике, мы можем видеть, что В. И. Ленин уделял большое внимание и вопросу об использовании ветряных двигателей при осуществлении плана электрификации страны. Посылая на отзыв Г. М. Кржижановскому один из докладов по этому вопросу, Владимир Ильич обращал особенное внимание его на то место доклада, где говорилось, что, «приложивши к теоретическим исследованиям проф. Жуковского работу инженера-конструктора, мы за десять лет можем получить в пять раз больше энергии, чем по проекту ГОЭЛРО, вне оазисов мощных станций».

По расчетам профессора В. П. Ветчинкина, над нами проносится технически уловимой ветряной энергии примерно в сто раз больше, чем это нужно для покрытия всех энергетических потребностей нашей страны, тогда как вся технически уловимая гидроэнергия не покроет и половины потребностей.

Непосредственное улавливание солнечной энергии нужно считать в настоящее время задачей практически не разрешенной, а для северных широт и неразрешимой, так как потребность в энергии, идущей в основном на отопление и освещение, максимальна как раз в периоды наименьшего времени пребывания солнца над горизонтом. Ветер же обладает как раз обратным, благоприятным для средних и высоких широт свойством: его среднезимняя мощность примерно вдвое выше среднелетней.

Энергия ветра используется во многих странах, но общая мощность ветряных двигателей составляет повсюду лишь малую долю мощности тепловых электростанций.

Причина этого заключается в том, что ветродвигатели, несмотря на свое тысячелетнее существование, до недавних пор в огромном большинстве пригодны были лишь для выполнения самых грубых работ — водоснабжения и помола муки, то есть для таких работ, самый характер которых допускает приостановку работы двигателя в любой момент и любое число раз.

Известно, что пользоваться силой ветра для приведения в действие разных машин люди начали очень давно. В Египте и сейчас еще сохраняются ветряные мельницы с каменными башнями. Давность каменной кладки их насчитывает не менее трех тысяч лет. Замечательно, что этими мельницами пользуются и до сего времени, хотя крылья на них уже более позднего происхождения: они сделаны из дерева. Но есть основания предполагать, что в то время для использования силы ветра на суше прибегали к парусам, как и на воде. С такими парусами сохранились мельницы на острове Крит.

Когда появились мельницы в Европе, неизвестно, но есть старинные документы на разрешение постройки ветряных мельниц, относящиеся к самому началу XII века.

Древняя ветряная мельница.

Древние мельницы не имели даже приспособления для поворачивания крыльев по направлению ветра и могли работать только при ветре определенного направления. Мельницы с приспособлением для установки крыльев по ветру появились в XV веке.

Несмотря на почтенный возраст, ветряной двигатель вплоть до конца XIX столетия оставался в детском состоянии. И дело не в том, что значение его было умалено успехами паровой машины и водяной турбины, — попыток усовершенствовать ветряной двигатель, чтобы полнее использовать даровую энергию ветра, делалось очень много. Но они не привели и не могли привести к успеху, потому что законы течения воздуха оставались тайной, а без опоры на теоретическую науку тут ничего нельзя было сделать.

Вопросы аэромеханики стали перед наукой во всей своей полноте в связи с попытками человека подняться на воздух тем или иным путем. А как только основные вопросы аэромеханики удалось разрешить, тотчас же началась реконструкция старого ветряного двигателя, преобразование ветряной мельницы. в совершенный ветряной двигатель.

Задача получения от ветродвигателя энергии более качественной, годной для приведения в действие сельскохозяйственных машин или станков в мастерских, а тем более для электрического освещения, надлежащим образом разрешена в наше время и в нашей стране в связи с развитием авиации и открытием основных законов аэродинамики, с накоплением конструкторского опыта в области использования воздушных течений. Огромная заслуга в этом деле принадлежит Жуковскому и аэродинамической школе, созданной им.

 

2. Инерционный ветродвигатель

Ветчинкин и Уфимцев

Теоретическими исследованиями Жуковского для создания нового типа ветряных двигателей в полной мере воспользовались ученики Николая Егоровича — Григорий Харлампиевич Сабинин, Николай Валентинович Красовский и Владимир Петрович Ветчинкин.

Владимир Петрович Ветчинкин принадлежит к старшему поколению русских аэродинамиков и организаторов летного дела, группировавшихся около «отца русской авиации».

Он вырос в старой русской офицерской семье, вынужденной вести много лет полупоходную, полубивачную жизнь, учился в Курске, где окончил гимназию в 1907 году. В том же году он поступил в Московское высшее техническое училище (МВТУ) и здесь, вступив в студенческий воздухоплавательный кружок, заинтересовался вопросами авиации благодаря Жуковскому.

Необходимость практического решения проблемы полета, стоявшая перед «отцом русской авиации» как задача времени, заставляла его учеников заниматься главным образом аэродинамикой и динамикой самолета.

Огромный труд Ветчинкина «Динамика самолета» и десятки других его работ, касающихся самых разнообразных вопросов авиации, переведенные самим автором с языка теоретической науки на язык инженерной практики, служили многие годы делу создания советской авиационной техники.

Новое положение науки в социалистическом обществе побудило Владимира Петровича от теоретических размышлений перейти к практическим выводам, к инженерно-технической деятельности. Еще во время пребывания своего на родине, в Курске, в 1918 году он принял живейшее участие в создании нового типа ветряного двигателя, задуманного известным его земляком — Анатолием Георгиевичем Уфимцевым.

Анатолий Георгиевич Уфимцев, названный А. М. Горьким «поэтом технической мысли», принадлежит к числу тех замечательных деятелей русской техники, которым обычно присваивается снисходительное прозвище «самоучек», но которые в действительности являются талантливейшими и образованнейшими конструкторами и инженерами.

Ветряным двигателем Уфимцев заинтересовался как силовой станцией для электрификации своей мастерской в 1918 году.

Обдумывая конструкцию ветряка, Уфимцев считался с запросами и возможностями сельского хозяйства, расцвет которого нетрудно было предвидеть после революции.

Естественная мысль о применении к ветростанциям электрических аккумуляторов для получения электроэнергии в широком масштабе неосуществима из-за дефицитного свинца, которого требуется не менее полутонны на каждый киловатт среднегодовой мощности ветростанции. Обеспечить надлежащий уход за аккумуляторами и их оборудованием в условиях деревни очень трудно, а при плохом уходе они быстро выходят из строя.

Вопрос о том, как избавить ветродвигатель от дорогого и неудобного электрического аккумулятора, при обязательной необходимости запасать энергию на случай остановки двигателя от безветрия, и для Ветчинкина и для Уфимцева не представлялся неразрешимым.

В широких кругах под словом «аккумулятор» вообще понимается электрический аккумулятор, поскольку он широко распространен в бытовой технике. Но аккумуляторами называются самые разнообразные приборы для накопления энергии с целью последующего ее использования.

Существуют аккумуляторы паровые, служащие для накопления пара в отдельном от котла резервуаре, содействием которого поддерживается постоянный режим работы котлов. Широко применяются гидравлические аккумуляторы для поддержания постоянного давления в водопроводной сети.

Трудность создания аккумулятора, способного запасать живую силу вращающегося вала ветряка, была чисто конструктивной трудностью. Но в руках таких мастеров техники, какими были Уфимцев и Ветчинкин, эта трудность была преодолена простым и изящным способом.

Оба они согласились на том, что для успеха ветряка прежде всего необходимо отказаться от электрического аккумулятора, и совместно стали решать вопрос, чем его заменить.

Чтобы широко внедрить ветроэлектростанции, Уфимцев и Ветчинкин пошли другим, и очень своеобразным путем. Они видели свою задачу в том, чтобы дать стране ветроэлектрическую или шире — ветросиловую станцию самостоятельного значения, то есть вне зависимости от наличия поблизости других, неветряных силовых установок. Это оказалось возможным осуществить благодаря совершенно оригинальному «инерционному аккумулятору», который выполняет ту же выравнивающую роль, как и электрический, но изготовляется из широко распространенного материала — железа или стали — и обладает перед электрическим целым рядом преимуществ: огромной приемистостью, меньшим весом, простотой ухода, большой долговечностью и высоким коэффициентом полезного действия.

Инерционный аккумулятор представляет собой усовершенствованный маховик с очень малым трением в опорах и с защитой от потерь на сопротивление окружающего воздуха. При небольшой емкости, запасая энергии на пять — двадцать минут работы станции, он позволяет брать от ветряка в выравненном виде среднюю мощность наличного ветра.

В мастерской Уфимцева конструкторам удалось построить опытно-показательную ветроэнергетическую станцию (ВЭС) небольшой мощности.

Ветродвигатель Курской ВЭС — трехлопастный, быстроходный, диаметром 10 метров, с цельноповоротными лопастями хорошей аэродинамической формы, рассчитанными по «вихревой теории гребного винта» Жуковского. Изменение угла наклона лопастей к плоскости вращения выполняется рукояткой из машинного отделения. При сильных порывах ветра лопасти постепенно входят в нерабочее положение, отчего ветряк либо уменьшает число оборотов, либо останавливается. Ветродвигатель устанавливается в направлении ветра при помощи хвоста, находящегося на хвостовой ферме, поворачивающейся на шариковых подшипниках.

Энергия ветра может быть использована у нас в очень широких размерах благодаря разнообразию типов ветряных двигателей, разработанных другими учениками Жуковского.

Особенное значение имеют в этом деле теоретические исследования Г. X. Сабинина и конструкторская неутомимость Н. В. Красовского.

 

3. Ветряные двигатели

Сабинин и Красовский

Припоминая для нас историю своих первых теоретических работ, Григорий Харлампиевич заметил искренне и убежденно:

— Все это делалось тогда как-то бессознательно!

Об элементе бессознательного в научном и техническом творчестве, о чутье, интуиции и тому подобных невразумительных вещах мы говорим на протяжении всей истории человеческой культуры и цивилизации. Однако на нынешнем уровне объективных знаний о высшей нервной деятельности представляется возможным расшифровать понятие бессознательного в творчестве и убедиться, что в творческой стихии так же мало беспорядка, как и в воздушной, хотя та и другая издавна казались человечеству загадочными и непроницаемыми.

И было бы грешно не воспользоваться для этого историей профессора Сабинина.

Отец Сабинина пытался на средства матери сделаться помещиком. Но успех в хозяйстве, даже маленький, давался в России ценой жестокой борьбы с природой, а для борьбы мало одного желания, нужны еще силы физические и духовные, опыт, знания, выносливость. И он стал простым банковским служащим в Белеве. Однако детские годы Сабинина протекли в деревне. Шестилетний мальчик ходил с отцом смотреть, как работает конная молотилка, и вот вращающийся маховик с ремнем пробудил в ребенке дремлющую в каждом человеке творческую способность.

Когда маленький Сабинин вечером, соединив ремнем переднее и заднее колеса своего трехколесного велосипеда, не мог получить движения всей системы, так как ремень срывался, он заплакал.

Мальчика отдали в белевскую прогимназию. Летом он жил у бабушки в деревне и строил модель молотилки с помощью перочинного ножа. Модель выглядела не слишком изящно, но она действовала, как действовали потом звонки, лейденские банки, динамо-машины, которые он сооружал в Москве, перейдя в московскую гимназию.

На самодельном токарном станке, располагая совершенно примитивным инструментом, наспех приготовив уроки, до поздней ночи точил он детали, собирал, пробовал самые разнообразные электрические приборы.

Прибор радовал сердце юноши сам по себе, без мысли о том, чему он служит. Так радует нас лес, поле, река без всякой связи с тем, что они нас обогревают, поят, кормят.

С этой страстной приверженностью к механизму, к машине, к конструкции Сабинин в 1904 году, окончив гимназию, поступил в Московское высшее техническое училище, на механическое отделение. Революционные события 1905 года отвлекли студенчество от занятий; высшие учебные заведения пустовали. Сабинин читал, работал на заводе, проходя практику машиностроения, и только в 1908 году возвратился к занятиям в училище.

Когда возник Воздухоплавательный кружок, Сабинин немедленно вошел в него деятельным членом и быстро сошелся с товарищами по кружку.

В 1913 году Сабинин получил диплом инженера-меха-ника, защитив отличный проект электрификации Красноярска, но, едва начав работать на заводе «Динамо», в 1914 году он был мобилизован как прапорщик запаса. На фронте Сабинин попал в плен к немцам. Когда он возвратился из плена, ему предложили заведовать аэродинамической лабораторией в Кучине.

В Кучине в это время Жуковский исследовал вопрос о снежных заносах, а Н. В. Красовский, его ученик, занимался испытанием ветряных двигателей.

Николай Валентинович Красовский окончил авиационные курсы при МВТУ, будучи еще студентом училища, и пошел на войну 1914 года военным летчиком. По рассказам товарищей, он отличался выдержкой и хладнокровием в военной обстановке. После демобилизации, в 1919 году, началась его работа по ветряным двигателям. Получив для опытов небольшой ветрячок американской системы, Красовский установил его на башне Аэродинамического института в Кучине, предполагая нагрузить его водяным насосом.

Однако американский ветрячок оказался негодным для этой цели. Красовский решил взять ветряк с зубчатой передачей Люберецкого завода. Для разработки метода нагрузки ветряка и метода измерений Николай Валентинович пригласил Сабинина.

Для Сабинина, электрика по образованию, эта задача не представляла особых затруднений. Первые испытания были проведены зимой 1920/21 года. С этого времени и начались систематические исследования по ветряным двигателям, далеко опередившие все то, что было сделано в этом направлении.

Подобно тому как художнику само течение жизни приносит материал для его поэтических созданий, так Сабинин начинал творчески действовать везде, куда вовлекала его новая жизнь, дело социалистического строительства. Истинный рыцарь техники, он готов был сражаться во имя ее совершенства с любым врагом, на которого ему указывали. Ветряками он занялся совершенно бескорыстно, потому только, что Красовский никак не мог найти способ регулировать двигатель, а возрождавшееся в стране сельское хозяйство требовало совершенного ветродвигателя.

Подобным же образом до того Сабинин занимался анемометрами — приборами для измерения скорости ветра. При испытании ветряков в Кучине Сабинин обнаружил, что обычные анемометры не годятся для этой цели. Тогда он начал изучать их и нашел, что действительная скорость ветра иная, чем показывают приборы. Создав теорию вращающихся анемометров, он указал, как измерять действительную скорость ветра.

В своей теоретической работе Сабинин предложил регулировать работу ветряного двигателя при помощи стабилизаторов, прикрепленных к свободно сидящим на махах лопастям. Идея такого способа регулирования возникла у Сабинина еще в 1920 году. Тогда же он дал и теорию стабилизаторного ветряка. Красовский ухватился за идею Сабинина и со свойственной ему энергией начал проектировать быстроходный стабилизаторный ветряк с лопастями в 2,5 метра диаметром.

В это время пришло известие, что осенью 1923 года в Москве откроется первая сельскохозяйственная выставка. Красовский решил поставить на выставке новый ветряк с динамо-машиной. Предложение Красовского было принято коллегией ЦАГИ — Центрального аэрогидродинамического научно-исследовательского института. Отдел ветряных двигателей ЦАГИ во главе с Красовским и его помощником Сабининым немедленно приступил к делу. Были подобраны люди для проектирования. Нелегкой была задача за два месяца неопытному коллективу спроектировать и построить ветроэлектрическую станцию с ветряком диаметром лопастей в 6 метров на башне в 25 метров высотой! Но страстное желание принять участие в строительстве социалистического хозяйства победило все трудности.

Проект был готов до срока, а в мастерских ЦАГИ постройка окончилась к открытию выставки.

Ветряк ЦАГИ получил диплом первой степени. Им чрезвычайно заинтересовался начальник Бакинских нефтяных промыслов. Он предложил построить опытный ветряк для промыслов мощностью до 50 лошадиных сил.

Расчеты показали, что надо строить ветряк с лопастями диаметром в 14 метров. Это небывалое предприятие осуществлялось уже без Сабинина; ему поручено было проектирование ветросиловой лаборатории ЦАГИ.

Осенью 1924 года началась сборка ветряка на нефтяной вышке в Баку. Руководил сборкой Красовский. Он сам вязал бревна для подъема наверх, первый лез туда, куда боялись лезть рабочие, увлекая их своим примером. Но рабочие, зараженные примером инженера, и сами скоро освоились с необычной для них работой на большой высоте.

Сборка ветряка на нефтяной вышке в Баку.

Все это время, пока строился ветряк, Красовскому пришлось вести спартанский образ жизни. Не было подходящего помещения для жилья, обстановки. Конструктор спал на голых досках, подстелив под себя газету и покрывшись солдатской шинелью, с которой он не расставался. И до сих пор помнят его рабочие бакинских промыслов — в старой студенческой фуражке, в шинели, в крестьянских кожаных рукавицах, с мешком защитного цвета за спиной, в котором хранились папки с чертежами и расчетами.

Успешная эксплуатация этого ветряка пробудила к нему огромный интерес в Крыму. Оттуда поступает заказ, и отдел ветряных двигателей начинает проектировать мощную ветроэлектростанцию с диаметром лопастей ветряка в 30 метров, с генератором переменного тока, работающим на общую электрическую сеть вместе с тепловой электроцентралью. Лопасти и стабилизаторы его уже проектируются не наугад, а на основании многочисленных экспериментов с самоустанавливающейся лопастью. Не довольствуясь этим, отдел строит десятиметровую модель крымского ветряка и испытывает его в ветросиловой лаборатории ЦАГИ.

В годы гражданской войны производство ветряков у нас прекратилось. «Ветряное» хозяйство гибло от времени, бурь и невнимания. Отдельные крестьяне и сельскохозяйственные организации донимали Высший совет народного хозяйства и Народный комиссариат земледелия просьбами поставить производство ветряных двигателей. Но для такого производства нужен был хороший, испытанный тип ветряка. Его-то и поручено было создать Отделу ветряных двигателей ЦАГИ.

Но конструкторской работе должны были предшествовать лабораторные испытания.

Ветросиловая лаборатория, сооруженная по проекту Сабинина в башне аэродинамической лаборатории ЦАГИ, представляла собой редкостный и оригинальный прибор для испытания различных ветряных двигателей.

Обратим внимание, что лаборатория предназначалась для испытания натуральных ветродвигателей, а не моделей; в естественных условиях, а не в трубе. Для установки двигателя сооружена была каменная башня в 30 метров высотой. Показания измерительных приборов при таком положении пришлось перенести, путем электрической передачи, в отапливаемое помещение экспериментатора. Надо заметить, что в холодную погоду, не говоря уж о зиме, экспериментировать на сорокапятиметровой высоте при стойком ветре чрезвычайно трудно.

Лаборатория ставила себе целью исследование процессов, происходящих при работе ветряного двигателя как в воздушном потоке, так и в механизме самого двигателя.

Кроме того, имелось в виду изучать и процессы работы тех агрегатов, для которых можно было пользоваться энергией ветра, прежде всего электрического генератора.

В результате научно поставленного исследования двигателей в этой ветросиловой лаборатории ЦАГИ удалось сконструировать ряд ветродвигателей промышленного типа.

Двигатели мощностью от 2 до 10 лошадиных сил пошли в серийное производство и нашли себе широкое применение в сельском хозяйстве и в кустарной промышленности. Ветряки ЦАГИ уже много лет безотказно работают на Дальнем Севере, вынося все тяжелые природные условия края и снабжая светом обитателей его в долгие зимние ночи.

Ветряной двигатель мощностью в 100 киловатт, установленный в Крыму, показал полную возможность использования даровой энергии ветра в более широких масштабах. На месте древней генуэзской сторожевой башни советские строители воздвигли металлическую, на которой установил ветродвигатель. Он состоял из трех лопастей, надетых на три громадных трубчатых маха, которые были связаны друг с другом металлической фермой, называемой «пауком». Надетые на махи крылья образовали ветряное колесо, весящее около девяти тонн.

Ветер вращал это колесо, диаметр которого был равен высоте восьмиэтажного дома, со скоростью тридцати оборотов в минуту. При такой скорости наружный конец лопасти двигался со скоростью самолета, не менее 180 километров в час.

Этот самый большой в то время ветродвигатель в мире работал на генератор электрического тока, помещающийся в кабине, и автоматически сам устанавливался в наивыгоднейшем положении по отношению к ветру.

Позднее у нас был спроектирован при постоянной консультации Г. X. Сабинина ветродвигатель мощностью в 100 киловатт для электростанции на Кольском полуострове. Диаметр этого великана — 50 метров.

В переводе на принятое для двигателей измерение мощности этот двигатель имеет мощность в 1200 лошадиных сил.

Нельзя сказать, что ветросиловая лаборатория ничего непосредственно не сделала и для авиации. На многих самолетах устанавливались испытанные в лаборатории особого типа ветрячки в качестве вспомогательных агрегатов, дававших электроэнергию для освещения и радиостанций самолетов.

Ветряной двигатель.

В 1935 году отдел ветровых двигателей выделился в самостоятельный Ветроэнергетический институт.

Энергию и энтузиазм Красовского ЦАГИ отметил присуждением ему ученой степени доктора технических наук без защиты диссертации.

Огромные успехи в области аэродинамики, творцом и создателем которой был Жуковский, создали условия для разрешения по-новому теоретических вопросов использования силы воздушного потока в ветровых машинах. Вместе с тем расширялась и область применения ветросиловых установок, которые, кроме мельниц, приводили в действие насосы, поднимавшие воду из колодцев и водоемов для орошения и водоснабжения, а также работавшие на осушении заболоченных мест.

Эти же машины могут применяться в сельском хозяйстве для дробления соли и минеральных удобрений, для приготовления кормов скоту, для обмолота урожая и, наконец, для обслуживания всевозможных станков — деревообделочных, металлообрабатывающих и разнообразных сельскохозяйственных машин.

Универсальным типом ветродвигателя является ветродвигатель Д-18.

Его ветровое колесо состоит из трех лопастей цельнометаллической конструкции. Каждая лопасть в сечении имеет современный аэродинамический профиль и по конструкции напоминает крыло самолета. Концевые части лопастей могут поворачиваться на трубчатых махах при помощи стабилизаторов, которые располагаются за поворотной частью каждого крыла на легких стойках. Внутри полых лопастей имеются центробежные грузы, соединенные системой тяг и рычагов со стабилизаторами и пружинами регулирования, помещенными на центральной ступице ветрового колеса. Жесткие и поворотные части лопастей остаются в одной плоскости до тех пор, пока ветер не достигнет определенной скорости. При возрастании скорости воздушного потока увеличиваются обороты ветрового колеса и центробежные силы у грузов внутри лопастей. Стабилизаторы поворачивают лопасти на некоторый угол, и пружины регулирования растягиваются. Вследствие этого повышается давление ветра на стабилизаторы, и они выводят поворотные части лопастей из плоскости вращения, вызывая торможение ветрового колеса до расчетного числа оборотов. При усилении ветра концевые лопасти поворачиваются на больший угол, увеличивая торможение и удерживая обороты ветрового колеса в заданных пределах. При падении скорости ветра пружины регулирования последовательно возвращают всю систему в исходное положение.

Эта оригинальная система регулирования, предложенная Сабининым и Красовским и экспериментально проверенная в ЦАГИ, отличается высоким аэродинамическим качеством и обеспечивает хорошую равномерность вращения ветрового колеса при переменном ветре.

Высокое аэродинамическое качество лопастей обеспечивает быстроходность ветрового колеса. Благодаря этому удалось уменьшить вес конструкции ветродвигателя на единицу мощности почти вдвое против веса многолопастных машин. Небольшое число лопастей в ветровом колесе снижает давление ветра на конструкцию и облегчает вес башни.

Воздушный поток довольно часто изменяет не только свою интенсивность, но и направление. Поэтому ветродвигатель Д-18 снабжен механизмом для автоматического поворота головки на ветер. Из двенадцати ветродвигателей Д-18 в Казахстане создана первая в СССР ветровая электростанция.

По своим аэродинамическим и конструктивным показателям быстроходный ветродвигатель Д-18 вполне современный агрегат, который может обеспечить самые разнообразные эксплуатационные требования, предъявляемые к силовой установке малой мощности.

Над дальнейшим развитием ветродвигателей трудятся сейчас многие конструкторы, пользуясь теоретическими работами Н. Е. Жуковского и Г. X. Сабинина.

Работает в этом направлении и сам Григорий Харлампиевич. Последняя его работа — оригинальная очень портативная ветроэлектроустановка мощностью в 120 ватт, предназначенная на первый случай для обслуживания железнодорожных путевых будок. Она состоит из двухлопастного ветрового колеса диаметром в 2 метра, которое укреплено на одном валу с генератором.

Электроустановка начинает работать при скорости ветра в 3,5 метра в секунду, а полная мощность развивается при 8 метрах. Ветряк может питать одновременно четыре электрические лампочки и радиоприемник.

Станция устанавливается на столбе. Ее вес — 33 килограмма. В дневные часы двигатель работает, чтобы зарядить аккумулятор, который дает возможность снабжать путевую будку электроэнергией и при безветрии.

Это миниатюрное чудо конструктивной техники радует сердце конструктора совершенно так же, как радовали его разнообразные приборы, сооруженные в дни юности. Григорий Харлампиевич говорит о своем создании почти с нежностью:

— Не думайте, что электрический свет будет только тогда, когда дует ветер. Отнюдь нет! Кроме ветрового электрогенератора, станция имеет еще и аккумуляторную батарею, которая заряжается в часы, когда дует ветер, а отдает свою энергию в любое время. Батарея может работать и одновременно с генератором, выравнивая напряжение создаваемого им тока…

Конструкция ветроэлектростанции Сабинина отличается простотой, однако в ней не только регулятор действует автоматически, автоматизированы и другие приборы. Как только начинает дуть ветер, основной прибор автоматически включает генератор на зарядку аккумуляторной батареи. Этот же прибор не допускает возвращения тока из аккумулятора в генератор, предотвращая таким образом превращение генератора в электродвигатель.

Надо отметить, что, хотя ветродвигатель может работать на генератор только при ветре со скоростью 5 метров в секунду, зарядка аккумулятора производится и при более слабом ветре. А так как слабый ветер имеется почти всегда, то практически это значит, что электроэнергию можно получать почти без перебоев, в любое время, при любой силе ветра.

Станция автоматизирована настолько, что уход за ней очень прост, а стоимость ее такова, что приобрести ее может каждый.

Особенное значение новая станция приобретает для тех отдаленных уголков нашей огромной страны, где нет своего топлива, куда невыгодно вести линии передачи от крупных, но далеко расположенных электростанций. С успехом ею будут пользоваться экспедиции, колхозные полевые станы, избы-читальни, школы, будки путевых сторожей.

Ветроэлектрические агрегаты могут сэкономить нам миллионы тонн минерального топлива, потребление которого резко возросло с появлением и широким распространением паровых турбин.