Чаплыгин Сергей Алексеевич. Теоретические исследования в области аэродинамики

Российский, советский ученый в области механики, один из основоположников аэродинамики.

Родился 24 марта (5 апреля) 1869 в г. Раненбурге Рязанской губернии (ныне г. Чаплыгин Липецкой области). Cтарший сын в семье. Отец, Алексей Тимофеевич Чаплыгин, служивший приказчиком, умер от холеры, когда Сергею было 2 года. Мать, Анна Петровна, вместе с детьми переехала в Воронеж и вторично вышла замуж. Несмотря на материальные затруднения мать и отчим постарались дать ему образование. После домашней подготовки он поступил в Воронежскую гимназию (1877). Быстро проявились его способности к обучению, особенно к точным предметам, отличная память. Впоследствии он с признательностью вспоминал своего преподавателя математики Пляписа (чеха по национальности), привившего ему любовь к математике.

С 12 лет Чаплыгин стал подрабатывать частными уроками, что позволяло продолжать учебу.

Окончив в 1886 гимназию, в том же году поступил на математическое отделение физико-математического факультета Московского императорского университета (ныне Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова). В то время в университете преподавала плеяда профессоров – крупных ученых математиков и механиков, физиков (В.Я.Цингер, А.Г.Столетов), начинал свою научную и педагогическую карьеру Н.Е.Жуковский. Вероятно, живое, увлекательное преподавание Н.Е.Жуковского склонило интересы Чаплыгина в сторону механики.

По окончании университета в 1890 был оставлен при университете (по ходатайству Н.Е.Жуковского) для подготовки к профессорскому званию по кафедре теоретической механики.

Первые его работы относятся к изучению движения твердых тел в жидкости. Тема исследования была выбрана под влиянием учителя – Жуковского. В работах О некоторых случаях движения твердого тела в жидкости (первая печатная работа, 1894), О некоторых случаях движения твердого тела в жидкости (1897) Чаплыгин дал геометрическую интерпретацию законов движения твердых тел в жидкости, найденных в аналитической форме исследований ряда ученых (Г.Кирхгоффа и других), и привел механическуюй модель, описывающую движение твердого тела в жидкости. Здесь сказалось влияние Жуковского, для которого всегда характерным являлось создание ярких геометрических представлений в области механики. Первая работа (1894) получила премию имени профессора Н.Д.Брашмана (присуждаемую Московским университетом за лучшее сочинение по математике), а вторая была представлена им как магистерская диссертация, защищена в 1898.

Одновременно с изучением движения твердого тела в жидкости он занимался динамикой твердого тела, стесненного связями. В статьях О некотором возможном обобщении теоремы площадей с применением к задаче о катании шаров и О движении твердого тела вращения на горизонтальной плоскостиЧаплыгин впервые дал общие уравнения такого рода движений (опубликовано в 1897). За них и ранее упомянутую статью 1897 Российская Академия наук присудила Чаплыгину золотую медаль (1897).

В конце 19 в. продолжалось интенсивное изучение движения тяжелого твердого тела с одной неподвижной точкой. Интерес к таким движениям был, в значительной мере, вызван открытием русским математиком С.В.Ковалевской нового случая интегрируемости уравнений движения такого тела (1889). Чаплыгин нашел ряд новых случаев движения твердого тела с неподвижной точкой, для которых могут быть указаны общие интегралы, и дал приложения этих результатов к конкретным задачам: статьи Линейные частные интегралы задачи о движении твердого тела, подпертого в одной точке (1898), Новый случай вращения тяжелого твердого тела, подпертого в одной точке (1901),Новое частное решение задачи о вращении твердого тела, подпертого в одной точке (1903).

Как и Жуковский, Чаплыгин начал (в 1893) свою педагогическую деятельность с преподавания физики (в женском Екатерининском институте), затем преподавал математику и механику в различных учебных заведениях Москвы. С 1894 – приват-доцент Московского университета, с 1901 – профессор Технического училища (ныне МГТУ им. Н.Э. Баумана), с 1903 – профессор Московского университета.

В 1905 проявился организаторский талант С.А.Чаплыгина. Он был избран директором Высших Женских Курсов, созданных в 1900 группой профессоров и давших женщинам доступ к высшему образованию (в то время по уставу женщины не допускались к поступлению в университеты). Чаплыгин добился расширения курсов и строительства новых зданий Курсов на Девичьем поле в Москве, были открыты два новых факультета – медицинский и химико-фармацевтический. Чаплыгин заведовал курсами до 1918 (когда Курсы были слиты с Московским университетом). Под его руководством Высшие Женские Курсы выросли в крупное высшее учебное заведение, в состав которого входили факультеты по всем основным отраслям знания, оборудованные большим числом хороших лабораторий, к преподаванию были привлечены крупнейшие научные силы. Курсы подготовили тысячи педагогов, врачей, специалистов по химии, геологии, биологии, истории. Работа директором Курсов создала ему высокий авторитет и в 1917 он был выдвинут на пост городской головы Москвы, но не был утвержден правительством.

На рубеже 19 и 20 вв. в московской школе механиков, наиболее яркими представителями которой являлись Жуковский и Чаплыгин, начали заниматься задачами, связанными с техникой, и прежде всего, с теорией полета. Чаплыгин провел ряд исследований по теории струи в несжимаемой жидкости. Теория струй в то время представлялась средством изучения сопротивления движущихся тел и ряда вопросов гидравлики.

В 1902 Чаплыгин представил в Московский университет докторскую диссертацию О газовых струях. Введя новые независимые переменные на плоскости годографа (плоскости координат, использующей в качестве базисных осей составляющие скорости газа) он приводит сложные нелинейные уравнения газовой динамики к системе линейных уравнений. Решение этих уравнений для дозвуковых течений газа может быть получено в виде рядов с коэффициентами, которые в случае струйных течений определяются по известному решению задачи для несжимаемой жидкости. Этот метод Чаплыгин применил к решению частных задач. Особый интерес представил развитый в той же работе приближенный метод решения задач об адиабатических (без подвода энергии) течениях газа – задача о течении сжимаемого газа была сведена к задаче о течении несжимаемой жидкости, и, далее, использовались хорошо развитые методы теории функций комплексного переменного для исследования течений несжимаемой жидкости.

Показательна судьба работы О газовых струях. В 1903 он защитил ее как докторскую диссертацию, однако в то время она осталась почти незамеченной. Ни он сам, ни кто-либо другой не продолжили развитие ее идеи и не придали работе должного значения. В то время полеты со скоростями, приближающимися к скорости звука, были неосуществимы и соответствующие исследования не были актуальны. Еще долго аэродинамика могла удовлетворяться изучением движений газа со сравнительно малыми скоростями, когда сжимаемость воздуха пренебрежимо мала. Только через тридцать лет после появления работы О газовых струях, в 1930-х авиация начала подходить к скоростям полета, близким к звуковым, и изучение газовых потоков с большими скоростями стало актуально, тогда и было раскрыто все значение этой работы. Работа Чаплыгина оказалась в центре многочисленных исследований аэродинамиков и явилась основой для решения задач о дозвуковых течениях. Развитие созданных в ней методов привело к решению основных вопросов, связанных с работой крыла при больших дозвуковых скоростях, и других вопросов современной аэродинамики. В этой работе в полной мере проявилось умение Чаплыгина найти в каждой задаче новый путь ее решения, наиболее полно соответствующий существу задачи, ее механическому и геометрическому содержанию.

В 1910 появилась первая его работа по теории крыла О давлении плоскопараллельного потока воздуха на преграждающие тела и с тех пор вопросы аэродинамики становятся центром его научной деятельности. Вместе с Жуковским он явился создателем теории крыла. В 1906 Жуковский сформулировал теорему о подъемной силе при обтекании тела, однако в то время еще было неясно, как приложить эту теорему к вычислению подъемной силы крыла. Более того, после теоремы Жуковского еще продолжались поиски объяснения этой силы с разных позиций. В частности, сам Жуковский считал, что подъемная сила связана с влиянием трения. Правильное с физической точки зрения, это объяснение не давало путей для определения величины подъемной силы.

В конце 1909 на заседании секции воздухоплавания Чаплыгин (после доклада Жуковского) предложил путь преодоления трудностей при определении подъемной силы, основанный на известном экспериментальном факте: при плавном обтекании крыла потоком воздуха острая задняя кромка является точкой схода потока с верхней и нижней поверхностей крыла. В феврале 1910 Чаплыгин выступил с докладом на эту тему заседании Московского математического общества. Это было тем существенным дополнением к теореме Жуковского, которое утвердило ее как основной принцип, объясняющий подъемную силу крылового профиля. Указанный Чаплыгиным принцип известен сейчас как «основная гипотеза Жуковского». В 1910 почти одновременно появились статьи. Чаплыгина О давлении плоскопараллельного потока на преграждающие тела и Жуковского О контурах поддерживающих поверхностей аэропланов, в которых впервые были даны способы количественного определения подъемной силы крыловых профилей. Работы Чаплыгина и Жуковского окончательно утвердили принципы аэродинамики и легли в основу ее дальнейшего развития. Чаплыгин приложил выдвинутый им принцип схода струй с острой кромки крыла к определению течения около ряда конкретных профилей и определил подъемную силу этих профилей. Стали общеизвестными формулы определения подъемной силы и момента по характеристической функции течения и впервые даны способы построения течения около крыловых профилей с острой задней и округленной передней кромками. В частности, С.А.Чаплыгин знаменитые профили типа инверсии параболы, которые другим путем были найдены Жуковским и часто называются «профилями Жуковского».

Вскоре после первой фундаментальной работы по теории крыла Чаплыгин выступил на заседании научно-технического комитета Московского общества воздухоплавания с докладом Результаты теоретических исследований о движении аэропланов, в котором в ясной и общедоступной форме изложил путь, приведший к созданию теории крыла, очертив идеи этой новой теории и полученные им результаты.

В научном методе Чаплыгин очень отличался от своего учителя Жуковского (ценившего наглядность получаемых результатов), его исследования носили чисто аналитический характер, читать его работы было не просто. Жуковский любил участвовать в экспериментах, Чаплыгин же, много лет проработав в Центральном аэро-гидродинамическом институте (ЦАГИ), руководя работой огромных лабораторий, сам к эксперименту отношения не имел.

В 1911 Чаплыгин покинул Московский университет вместе с большой группой профессоров в знак протеста против действий министра просвещения Кассо. Опять в университет он вернулся только в 1917. В 1924 вновь оставил университет, отдав себя целиком научной деятельности и работе по руководству ЦАГИ. Он не был блестящим лектором, читать лекции не любил и прекратил их чтение безо всякого сожаления. Все же им подготовлены учебные курсыМеханика системы и Пропедевтический курс механики.

С 1918 Чаплыгин принимал участие в работе Комиссии особых артиллерийских опытов при Главном артиллерийском управлении и Научно-экспериментального института путей сообщения, а в конце 1918 был привлечен Жуковским к работе созданного в это время Центрального аэро-гидродинамического института.

Работы Жуковского О присоединенных вихрях и О контурах поддерживающих поверхностей аэропланов и Чаплыгина О давлении плоскопараллельного потока на преграждающие тела и К общей теории крыла монопланасодержали все основные сведения о работе профиля крыла в несжимаемом газе.

Эти работы долгие годы были в центре аэродинамики. Все исследования по теории крыла и винта так или иначе были связаны с ними. Позднее, когда авиация начала подходить к звуковым скоростям, на развитие теоретической аэродинамики решающее влияние оказала статья Чаплыгина О газовых струях.

Занимался Чаплыгин и задачами о снежных заносах, расчетом движения снарядов в канале орудия, расчетом движения поездов и многими другими.

После смерти Жуковского в 1921 он возглавил ЦАГИ, в этом же году стал председателем коллегии ЦАГИ, позже (с 1928 по 1931) – начальником ЦАГИ. Под его руководством ЦАГИ вырос в крупнейший институт, где наряду с развитием авиационной науки и строительством первых самолетов были созданы крупные научные центры в области моторостроения, промышленной аэродинамики, гидротехники. Деятельность Чаплыгина отличалась разнообразием: от руководящей работы по созданию советской авиации до участия в работе по таким сооружениям, как Днепрострой.

В 1931 Чаплыгин по состоянию здоровья оставил пост начальника ЦАГИ, однако, являясь начальником общетеоретической группы и в дальнейшем руководителем одной из крупнейших лабораторий ЦАГИ, продолжал возглавлять научную жизнь института

В 1926 избран членом-корреспондентом Академии наук СССР, в 1929 – ее действительным членом. В Академии наук С.А.Чаплыгин занимался и административной работой, с 1933 – председатель группы техники, с 1937 – председатель комиссии по гидромеханике, затем и комиссии по аэродинамике,

Был членом Моссовета, с 1920 занимал руководящие посты в комиссии по улучшению быта ученых (ЦЕКУБУ), работал в Московском доме ученых, руководил Управлением домами ученых.

Среди наград: орден Трудового Красного Знамени (РСФСР, 1928, СССР, 1931), орден Ленина (1933), звание Героя Социалистического Труда (1941).

Умер 8 октября 1942 в Новосибирске от кровоизлияния в мозг.