Одним из первых об этом заявил французский астроном XIX в. Ж. Лаланд. Вскоре аналогичное мнение высказал талантливый немецкий изобретатель второй половины XIX в. Э.Сименс. О бесперспективности полетов механических систем заявлял и Г. Гельмгольц. Его заключение произвело большое впечатление на руководящие и финансовые круги Германии, которые и без того относились к возможности полетов настороженно. О том, что летательные аппараты тяжелее воздуха невозможны, объявил в 1895 г. знаменитый английский физик, президент Королевского Научного Общества лорд Кельвин.

Отказывались признавать возможность полетов аппаратов тяжелее воздуха и в США. На основании данных науки своего времени, произведя массу расчетов, крупнейший американский астроном XIX-начала XX в., профессор, руководитель астрономического морского ежегодника США С. Ньюком утверждал, что полет на механизмах тяжелее воздуха настолько невозможен, что они не смогут даже оторваться от земли. Позднее, после полетов А. Можайского и братьев Райт, он заявил, что как средство перевозки людей авиация, безусловно, не годится. Быть может, летательный аппарат построить удастся, «но и пилота, и пассажира он не подымет».  А в 1903 г. конгресс США законодательно запретил финансировать работы по созданию летательных машин. В том же году патентное бюро США объявило, что не будет принимать заявки на летающие аппараты [Ливио М., 2015].

Парадоксальность всех этих заявлений маститых ученых стоит в том, что они отказывались признавать способность аппаратов тяжелее воздуха летать даже тогда, когда первые самолёты уже стали подниматься в воздух. Их не смущало то, что летают не только маленькие и большие тяжелые птицы, которые намного тяжелее воздуха, но также летучие мыши и даже белки-летяги.

Когда полёт самолетов стал вполне обыденным делом, инженерам и физикам пришлось искать этому объяснение. Проще всего объяснить способность аппарата тяжелее воздуха летать, можно было существованием у крыла подъёмной силы. Эта идея довольно быстро нашла признание, хотя и не имела физического обоснования. Теоретической аэродинамики, как самостоятельной науки, тогда не существовало. Попытки ученых разных стран объяснить возникновение подъемной силы крыла аэроплана в соответствии с результатами экспериментов не приводили к цели.

Решающий вклад в изучение подъемной силы крыла внёс русский ученый  Н.Е.Жуковский. В 1906 г. он опубликовал работу "О присоединенных вихрях", в которой вывел формулу для подъемной силы крыла. Она легла в основу всех аэродинамических расчетов - крыльев, компрессоров, воздушных винтов, винтокрылых аппаратов и многих других машин. Формула Жуковского звучит так: подъемная сила, развиваемая крылом произвольной формы, равна произведению массовой плотности воздуха на скорость потока вдали от крыла, на циркуляцию скорости добавочного течения вокруг крыльев и на размах крыла [Жуковский Н.Е., 1890].

Жуковский Н.Е. 1847-1921 гг.

Сегодня существует более совершенное объяснение этому феномену. Так,  в словаре по физике Е.С. Платунов с соавт. [2014] сказано, что «подъемная сила (elevating force, lift)  крыла самолета создаётся разной геометрией его верхней и нижней поверхностей и подбором определенного угла атаки набегающего воздушного потока».

Поскольку это объяснение, да ещё общепризнанное, существует, можно считать его единственно правильным и истинным. Оно вошло во все учебники мира и почти ни у кого не вызывало сомнений. К тому же  в последние годы стали появляться новые  методы увеличения подъемной силы крыла [Петров А.В., 2011].  Решающим фактором, препятствующим попытке поставить под сомнение правильность этой теории, является то, что она является базовой для строительства самолетов во всем мире.

Однако человеческая мысль всё время пробует «на зуб» не только новые и непонятные факты и явления Природы, но и ищет всё новые подтверждения правильности объяснения уже известных фактов и феноменов. Одним из поводов для проверки правильности любой  теории является извечное разногласие между объяснением какого-то явления Природы и умением им пользоваться. Примером может служить расхождение между объяснениями сути электрического тока и его практического использования. Мы научились им пользоваться, можем даже рассчитать разные его параметры, но что это такое, до конца не понимаем. Или другой пример: мы пользуемся атомной энергией как в мирных, так и военных целях, но что это такое пока понимаем очень плохо.

В нашем случае, несмотря на распространенность и общепризнанность теории подъемной силы крыла самолета, существует и её критика, указывающая на её несовершенство. Так, Г.И. Карачевскому [2019] удалось теоретически выявить и  экспериментально подтвердить, что существующая теория не  обеспечивает возможность с  необходимой точностью моделировать и определять картину и  параметры потока воздуха около обтекаемых им любых материальных тел практически во всем дозвуковом диапазоне относительных скоростей. В  силу этой особенности интегральные характеристики, выражающие силовое взаимодействие воздушного потока с  обтекаемыми им телами, являются несогласованными с практикой и  фундаментальными законами механики. Помимо несовершенства обсуждаемой теории обнаруживается и её полная ошибочность. Для того чтобы убедиться в этом, необходимо  вернуться к причине полёта самолёта. Чтобы лучше понять, что удерживает летящий самолет в воздухе от падения, надо обратиться к другому случаю перемещения физического тела - в более плотной, чем воздух среде, например, в воде.

 Когда человек вступает на твердую поверхность – землю, бетон и т.д., она удерживает его на себе потому, что она плотная, и молекулы этой поверхности не отрываются друг от друга. Когда человек вступает ногами на воду  или встаёт на водные лыжи, вода не удерживает его на поверхности. Межмолекулярные связи распадаются, и он проваливается  до самого дна. Но если, стоя на водных лыжах, человек с помощью внешней силы (на буксире) начинает двигаться по поверхности воды и набирает достаточную скорость (~ 25-30 км/час), лыжи будут скользить по её поверхности, и человек не провалится в воду. Никакой подъёмной силы при этом не возникает, не она удерживает человека на поверхности воды. Оставаться на поверхности позволяет увеличение плотности воды под лыжами, возникающее во время быстрого их движения. Лыжник  не проваливается в толщу воды, так как молекулы воды, обладая известной инертностью, не успевают расступиться, и под тяжестью лыжника уплотняются, в результате чего под лыжами образуется своеобразная «водная подушка». Натренировавшись, человек может скользить по поверхности воды даже без лыж, буквально на пятках. Однако для этого скорость буксировки должна быть ещё выше ~ 50-70 км/час.

Исследования, проведенные в нашей стране в течение последних десятилетий по изучению состояния воды при воздействии на неё значительного кратковременного давления, подтвердили высказанное предположение. Как оказалось, при кратковременном сильном давлении на воду, производимом при ударе по ней, происходит не только её уплотнение, но даже затвердение [Минеев В.Н., Зайдель Р.М., 1968; Рыбаков А. П., 1996; Савиных А.С. и соавт., 2017].

Вернемся к полету самолета

Описанная причина удержания лыжника на поверхности воды лежит и в основе полета самолета. Но в отличие от воды плотность воздуха весьма мала, поэтому для достижения эффекта полета самолет должен набрать бóльшую скорость – примерно на порядок. Уже при скорости 200-300 км/час воздух под крыльями самолета не успевает рассеяться, инертность молекул воздуха, называемая его вязкостью, а также действие, похожее на удар большого и быстрого давления на него веса самолёта, не позволяет им быстро разойтись, что приводит к уплотнению воздуха - образованию «воздушной подушки» и позволяет, опираясь на неё, лететь. При дальнейшем увеличении скорости самолёта воздух под его крыльями уплотняется настолько, что надёжно удерживает самолёт от падения. Но как только скорость самолёта уменьшается, плотность воздуха под ним снижается, «подушка» становится очень тонкой, в связи с чем теряет свою поддерживающую способность, и самолёт начинает падать. Особенно быстро, когда его крылья отклоняются от горизонтали.

При частичном нарушении этой подушки, вызванным  турбулентным состоянием атмосферы, возникающим при появлении неупорядоченных вихревых движений воздуха различных масштабов и скоростей, обусловленных быстрой сменой ветра и температуры, самолёт подвергается встряске («болтанке»). Продолжительная и значительная  по силе турбулентность, разрушающая «воздушную подушку», может даже привести к падению самолета.

Таким образом, как и в примере с водным лыжником, при полёте самолета под его крыльями никакая подъемная сила не возникает. Подъемная сила, якобы возникающая при полете самолета и обеспечивающая его полёт, представляет всего лишь ошибочную интерпретацию удержания самолета в воздушной среде.

Доказательство отсутствия подъёмной силы крыла можно получить, наблюдая за полётом и парением птицы или планера. Они парят в воздухе потому, что опираются на воздух своими крыльями. Для того чтобы  птица могла взлететь, ей приходится часто махать крыльями, что позволяет ей опираться на воздушную подушку, которая образуется под крыльями, и отталкиваться от неё. Никакой подъёмной силы у её крыльев не возникает. Точно таким же образом, мы поднимаемся по лестнице, опираясь на ступеньки и отталкиваясь от них. И в этом случае никакой подъёмной силы тоже не возникает.

Планер, набравший скорость с помощью внешней силы – буксировочного самолёта,  может продолжать полёт самостоятельно, опираясь на воздушную подушку, которая образовалась под его крыльями. 

Таким образом, для полёта птицы и планера нужны два условия -  достаточная скорость перемещения и крылья, под которыми во время набора скорости образуется воздушная подушка. Эти же условия необходимы для полёта и самолёту.

Теперь понятна ошибка Н.Е.Жуковского, содержащаяся в его статье «О присоединенных вихрях» [Жуковский Н.Е., 1949], в которой он дал ошибочное объяснение разности давления воздуха под и над крылом самолёта. Он считал, что там, где скорость движения «частичек воздуха» больше, давление уменьшается, а в тех местах, где скорость частичек меньше, давление увеличивается. Исходя из этого, он полагал, что при движении крыла в воздухе на верхней его поверхности давление будет пониженное (разрежение), а на нижней поверхности — повышенное (сгущение). В действительности же эта разность давлений возникает потому, что самолет свои весом давит на воздух, что создаёт временное его уплотнение, а над ним создаётся временное разряжение.

С увеличением высоты плотность воздуха уменьшается, поэтому для образования воздушной подушки под крыльями, обеспечивающей полёт, самолет должен лететь с большей скоростью, чем при полётах на небольших высотах. Так, на высоте 10 тыс. метров плотность воздуха в 3 раза меньше, чем на уровне моря [Байдаков В.Б., Клумов А.С., 1979]. Поэтому для образования воздушной подушки под крыльями, самолет должен лететь с большей скоростью, чем на высоте 1- 2 тыс. метров.

Итак, для полета самолета нужны три условия: необходимая или достаточно большая площадь крыльев, достаточно большая скорость полёта  и наличие достаточной концентрации (плотности) воздуха, так как на высотах больше 80 км летать становится опаcно, а на высоте выше 100 км, по заключению Международной авиационной федерации, авиационные полёты становятся невозможными. Даже мифическая подъёмная сила крыла здесь не работает. Самолёт может летать и без крыльев, но тогда ему нужна очень большая скорость, которую может обеспечить только реактивный двигатель. Но это будет уже не самолёт, а ракета.

Из представленных рассуждений следует важный вывод: лететь может всё, что угодно – камень, ракета и т.д., для этого нужно всего лишь придать телу надлежащее ускорение, а для того чтобы мог лететь самолёт, имеющий относительно небольшую скорость, ему нужно иметь крылья, которыми он опирается о воздух. Под влиянием общепринятой теории полёта самолета – наличия подъёмной силы крыльев, современные самолёты имеют относительно узкие крылья, поэтому самолет для полёта нуждается в большом количестве энергии (в виде топлива). Если же площадь крыльев увеличить, то для полёта ему понадобиться меньше энергии, что очень важно для снижения стоимости полёта. Некоторые авиаконструкторы, интуитивно чувствуя необходимость увеличения размера крыльев, пошли на увеличение их длины. Но увеличению размаха крыльев препятствуют размеры (ширина) взлетной полосы.

Самолет с большими крыльями может просто не поместиться на стоянке в аэропорту. Например, известный Airbus А380 имеет размах крыльев 79,8 метра, что едва позволяет вписаться в параметры современной аэродромной инфраструктуры, для которой максимально допустимый размер 80 м.  По 10 см запаса с каждой стороны.

Увеличение площади крыльев может быть достигнуто за счёт нового вида крыла, охватывающего почти весь фюзеляж самолёта. Для дополнительной экономии топлива можно использовать доказавшие свою эффективность законцовки крыльев - винглеты. Выглядят они как маленькие крылышки (англ. winglet - крылышко). Основная функция винглетов – погашение концевого вихря, приводящее к снижению расхода. Кроме того, законцовки способствуют снижению индуктивного сопротивления и увеличивают длину крыла, практически не влияя на его размах. Впервые законцовки были использованы в 1985 г. на самолётах Boeing 747-400, что позволило снизить расход топлива на 5%. А в 1990 г. Луи Гратцером было изобретено «blended winglet» (сопряженное крылышко), позволившие сократить расход топлива на 7%.  Следование догме о подъемной силе крыла приведет к тому, что в ближайшем будущем общим трендом самолетостроения будет переход на узкий фюзеляж, вместимостью более 110 кресел. Между тем узкий фюзеляж снизит площадь опоры на воздух  и потребует больше топлива, чем фюзеляж широкий.

Ещё одним средством снижения расхода топлива для самолётов является изменение контура фюзеляжа самолёта. Его днище должно быть не выпуклым, как у современных самолётов, а плоским, что создаст бóльшую площадь давления самолёта на воздух. Поскольку плоское днище самолёта имеет довольно большую площадь, оно будет помогать крыльям удерживать вес самолёта во время полёта. И, тем самым, снижать расход топлива. Кроме использования широких, обтекающих корпус фюзеляжа крыльев и плоского днища в конструкциях пассажирских и военных самолётов, эти изменения будут весьма полезны и при строительстве планеров, существенно удлиняя время их нахождения в воздухе.

Для экономии топлива нужно использовать самолеты с широкими крыльями и летать на небольших высотах – 3-6 тыс. метров, учитывая, что плотность воздуха там относительно большая. Для дополнительной экономии топлива скорость  самолёта должна быть сравнительно небольшой – 500-600 км/час.

Усовершенствование пропеллера

Помимо интересов к конструированию крыльев самолётов, Н.Е.Жуковского увлекала проблема усовершенствования воздушного винта – пропеллера. Начиная с 1912 г. появляются его статьи по вихревой теории гребного винта (пропеллера).  Для объяснения действия воздушного винта, Н.Е.Жуковский применил вихревую теорию, которую использовал в работах по определению подъёмной силы крыла самолёта. Он полагал, что каждую лопасть воздушного винта можно рассматривать как закрученное крыло, которое создающее при полете подъемную силу.

Но, как и в случае с крылом самолёта, никакой подъёмной силы здесь нет. Вращение  лопастей винта уплотняет воздушную среду, а сам винт вкручивается в неё и создает тягу, обеспечивающую продвижение самолета вперед. Большая скорость вращения винта увеличивает эту тягу, которая является необходимым условием для создания под крыльями самолёта воздушной подушки. Предложенная Н.Е.Жуковским переменная закрутка лопасти, получивших название винтов НЕЖ, позволяет развивать повышенную скорость движения самолёта, которую, исходя из своей теории, Жуковский приписывал созданию  максимальной подъемной силы винта.

Отдавая должное большим заслугам великого русского ученого в создании теории аэродинамики и строительстве самолётов, следует учесть, что безупречных знаний не бывает, что с развитием науки прежние представления и теории подвергаются уточнениям и правкам. Это касается и теории Н.Е.Жуковского о подъёмной силе крыла самолёта и его пропеллера.

Литература

Байдаков В.Б., Клумов А.С. Аэродинамика и динамика полета летательных аппаратов. М., 1979. – 344 с.

Жуковский Н.Е. К теории летания. - СПб., 1890. - С. 3-11, 120-125. - Статья из Журнала Русского физико-химического общества, 1890, т. 22, вып. 2. - С.3-10.

Жуковский H.E. О присоединенных вихрях. Собр. соч., т. 4. М.- Л., 1949.

Карачевский Г.И. Об основной теореме аэродинамики // Воздушно-космическая сфера. 2019. № 4 (101). С. 88-97.

Ливио М. От Дарвина до Эйнштейна: величайшие ошибки гениальных ученых, которые изменили наше понимание жизни и вселенной. Москва: Прайм : АСТ, 2015. 425 с.

Минеев В.Н., Зайдель Р.М. Вязкость воды и ртути при ударнм сжатии. ЖЭТФ, 1968. Т.54, №6. С.1633.

Петров А.В. Энергетические методы увеличения подъемной силы крыла. Москва. 2011. 176 с.

Платунов Е.С., Самолетов В.А., Буравой С.Е., Прошкин С.С. Физика. Словарь-справочник. СПб: Изд. Политехнического университета. 2018. 798 с.

Рыбаков А. П. Особенности фазового превращения воды при ударном сжатии // Прикл. механ. и техн. Сер. Физика. 1996. Т. 37, № 5. С. 17-23.

Савиных А.С., Гаркушин Г.В., Канель Г.И., Разоренов С.В. Затвердение воды при динамическом сжатии и его влияние на динамику ударных волн. // Чернышевский сборник, 2017. Т.18, вып.3. С.466-474.