ОДНО ИЗ ГЛАВНЫХ НАПРАВЛЕНИЙ - МЕХАНИКА
А. ИШЛИНСКИЙ. АКАД.
ПРЕЗИДЕНТ АКАДЕМИИ НАУК
За исключительные заслуги перед государством в развитии советской науки, и новой техники, большую научную, и общественно-политическую деятельность, и в связи с шестидесятилетием со дня рождения Герой Социалистического Труда президент Академии наук СССР академик Мстислав Всеволодович КЕЛДЫШ награжден третьей золотой медалью «Серп, и Молот»
Редакция журнала обратилась к Герою Социалистического Труда академику Александру Юльевичу Ишлинскому, и Герою Социалистического Труда академику Андрею Николаевичу Тихонову с просьбой рассказать о близких им направлениях научной деятельности М. В. КЕЛДЫША.
Академик А. ИШЛИНСКИЙ.
Обычно, когда хотят охарактеризовать деятельность ученого, прежде всего говорят о его личных, и гражданских достоинствах, научном, и организационном талантах, подробно излагают содержание научных работ, и тех научных направлений, которыми он руководил или становлению, и развитию которых способствовал. Сделать это в отношении такого крупного ученого.
каким является президент Академии наук СССР академик Мстислав Всеволодович Келдыш, - задача не из легких.' Ее выполнение потребовало бы написания целой книги. Несомненно, эта полезная для истории науки, и техники работа должна быть сделана.
В очень небольшой статье можно лишь упомянуть о заслугах М. В. Келдыша в решении сложных проблем авиации, ядерной техники, и космонавтики, о его направляющей роли в развитии отечественной вычислительной математики, в создании условий для развития молекулярной биологии, и других фундаментальных наук.
Колоссальная эрудиция, умение с поразительной быстротой разобраться в сложных научных вопросах, найти в них главное, привлечь к решению талантливую молодежь, и дать разумные организационные формы для дальнейшей работы - именно эти качества, а также политическая зрелость, и крупные личные научные результаты по математике, и механике привели М. В. Келдыша в 1961 году на пост руководителя советской науки - президента Академии наук СССР.
Ученые бывают разные. Иные в течение всей своей жизни трудятся в избранном направлении, и нередко с успехом, получая время от времени собственные конкретные результаты, и публикуя их на страницах научных журналов, и книг. Другие, достигнув известного научного признания, становятся руководителями научных коллективов, и научных институтов. Талант ученого сосредоточивается при этом на определении важнейших направлений науки, правильной оценке научных результатов, и способностей своих сотрудников, на доброжелательной, но строгой критике их работ, на внимании к прикладным задачам науки, и на внедрении ее достижений в народное хозяйство страны, на пользу общественного развития. Труд научного руководителя, как правило, связан с жертвой немалой доли личной научной работы во имя расцвета исследований в целом коллективе или, как у Мстислава Всеволодовича, в руководимом им одном из академических институтов, и в Академии наук в целом.
К сожалению, труд научного руководителя, и организатора науки оценить значительно сложнее, чем научные работы, опубликованные в печати, или творения в металле замечательных конструкторов, и инженеров нашей страны. Результаты деятельности организатора науки дают о себе знать лишь через несколько лет, а иногда, и десятилетий. Поэтому мы, хотя уже, и сейчас ощущаем исключительную роль Мстислава Всеволодовича Келдыша в развитии Академии наук, в полной мере это оценим лишь впоследствии.
Несмотря на исключительную занятость, определяемую работой большой государственной важности, собственные научные исследования президента продолжаются, и по сей день. Итоги их ко дню его шестидесятилетия поистине замечательны. Они касаются многих тонких вопросов математики, и механики, и их приложений к технике. Все эти исследования получили мировое признание.
Попытаемся по возможности наглядно представить результаты некоторых работ М. В. Келдыша в области механики.
В тридцатых годах, после окончания Московского университета, Мстислав Всеволодович начал работать в одном из самых замечательных научно-исследовательских институтов нашей страны - в Центральном аэрогидродинамическом институте (ЦАГИ), носящем имя великого ученого, создателя теории авиации - Николая Егоровича Жуковского. Теоретическими исследованиями в этом институте руководил Сергей Алексеевич Чаплыгин, мало в чем уступавший по научной силе своему учителю Н. Е. Жуковскому. Можно смело утверждать, что М. В. Келдыш - достойный их продолжатель. Вот один тому пример.
Н. Е. Жуковский вывел замечательную формулу для определения величины подъемной силы крыла в не завихренном установившемся потоке несжимаемого, лишенного вязкости воздуха, а именно:
Р=р. Voo Г.
В этой формуле р - плотность воздуха, Voo - скорость удаленных на большое расстояние от крыла частиц потока воздуха относительно неподвижного крыла (или, напротив, скорость крыла по отношению к неподвижному воздуху), и Г - величина циркуляции скорости потока вокруг крыла (смысл понятия циркуляции скорости разъясняет рисунок 1). Величина циркуляции находится математическими методами (в частности посредством методов теории функции комплексного переменного) в предположении плавного обтекания крыла, и условия, что скорости частиц воздуха, сбегающих с верхней, и нижней части крыла, у его задней острой кромки одинаковы, и не принимают бесконечно больших значений. Это, и есть так называемый постулат Н. Е. Жуковского.
Во времена Н. Е. Жуковского аэропланы летали с малой скоростью, и воздух при обтекании их крыльев практически не сжимался. Поэтому предположение ученого о постоянстве плотности воздуха, то есть величины р, было вполне приемлемо. Однако в тридцатых годах стало ясно, что самолеты вскоре будут летать с такими скоростями, при которых предположение Н. Е. Жуковского окажется уже совсем неприемлемым. Как же в этом случае подсчитать подъемную силу крыла? Мстислав Всеволодович впервые рассмотрел эту задачу в строгой постановке, считая воздух сжимаемым газом. Была заново сформулирована теорема о подъемной силе крыла в установившемся дозвуковом потоке. В таком потоке скорость частиц газа всюду меньше скорости звука в том же месте, где в данное мгновение времени находится частица (скорость звука в газе зависит от его состояния, и поэтому в разных местах потока в общем случае неодинакова). В результате формула Н. Е. Жуковского была распространена, и на случай движения крыльев с дозвуковыми скоростями.
Очень трудные в математическом отношении задачи возникают при исследовании неустановившегося течения потока воздуха около колеблющегося крыла. М. В. Келдыш (совместно с М. А. Лаврентьевым) впервые (также в строгой постановке, посредством конформных отображений) показал, что при некоторых периодических колебаниях крыла, помимо подъемной силы, может появиться еще, и сила, тянущая крыло вперед, против потока, как у летающей птицы. В частности, так будет при угловых колебаниях крыла, если их частота не слишком мала.
Крыло аэроплана обладает заметной упругой податливостью. Оно изгибается, и скручивается относительно фюзеляжа (рис. 2). Оказывается, что взаимодействие крыла с набегающим на него потоком воздуха может привести к возбуждению упругих колебаний крыла относительно фюзеляжа самолета. Силы давления воздуха на крыло меняются при колебаниях последнего. В некоторых случаях они раскачивают крыло. Это называется аэродинамическим флаттером. Тотчас же после возникновения флаттера крыло, как правило, ломается и самолет гибнет. Уже перед войной флаттер стал сущим бедствием для авиации.
Понять, что происходит при флаттере, дать правильную схему явления, достаточно простую, чтобы ее можно было положить в основу математического расчета, и вместе с тем с необходимой для практики точностью учитывающую все основные факторы, определяющие колебания крыльев и воздействие на них воздуха, - все это требовало от ученого виртуозного владения математическими методами, и одновременно глубокого понимания механики. Мстислав Всеволодович преодолел все трудности этой сложнейшей задачи аэродинамики и предложил практические меры устранения флаттера. Значение его работы для дальнейшего развития скоростной авиации нашей страны, и в частности самолетов военного времени, трудно переоценить.
Помимо флаттера, бичом самолетов было так называемое явление шимми колес при взлете и особенно при посадке. Вместо плавного качения по прямой колесо неудачно сконструированного шасси самолета колеблется, и оставляет после себя на аэродромном поле волнообразный след (рис. 3). Колесо, как бы танцует, откуда и название «шимми». Чаще всего такое движение происходит с возрастающей амплитудой раскачки колеса, и кончается поломкой шасси.
Основную трудность в разгадке шимми представляло выяснение связи между силами взаимодействия колеса с бетонной дорожкой аэродрома, и параметрами качения по ней колеса. М. В. Келдыш сделал смелое предположение, что кривизна следа колеса в каждой точке этой кривой в основном пропорциональна силе сцепления с дорожкой аэродрома (точнее, линейно от нее зависит). Эта сила удерживает колесо от проскальзывания в направлении, перпендикулярном скорости движения его центра в данное мгновение времени. Соответствующий коэффициент пропорциональности зависит главным образом от упругих свойств пневматики колеса.
Уравнения движения колеса, составленные с учетом сделанного предположения, позволяют полностью разобраться в явлении шимми и, в частности, указать пути его полного устранения.
В механике, равно, как, и в других областях физики, например, в электронике, новые явления происходят нередко совсем не так, как ожидается на основании предварительных теоретических исследований, и расчетов. О двух таких явлениях - флаттере, и шимми - было рассказано. В заключение укажем еще на одно неожиданное явление, в разгадке которого принял участие Мстислав Всеволодович.
Наша знаменитая ракета конструкции Сергея Павловича Королева, с помощью которой были запущены первые искусственные спутники Земли (а потом, с добавлением дополнительных ее ступеней, были посланы автоматические космические станции, и космические корабли со славными советскими космонавтами), имела четы ре боковые блока, окружавшие основной, центральный блок (рис. 4). Двигатели центрального, и боковых блоков запускались при старте одновременно. После выгорания топлива боковые блоки отделялись, и ракета продолжала движение уже не будучи отягощенной массой корпуса, и двигателей ненужных ей составных частей. Однако уже после запусков первых искусственных спутников Земли в последующих экземплярах ракет стали возбуждаться так называемые продольные колебания боковых блоков относительно центрального, приводившие к нарушению ее нормального полета.
Причина, которая вызывала появление неустойчивых, возрастающих во времени упругих колебаний боковых блоков в продольном направлении, оказалась в непостоянстве реактивной силы, развиваемой работающим двигателем (рис. 5). Последняя зависит от давления, под которым горючее, и окислитель подаются в камеру сгорания, а это давление, в свою очередь, изменяется в такт продольным колебаниям бокового блока из-за наличия в его баках жидкого топлива, и жидкого кислорода. Числовые параметры, характеризующие эту механическую систему, вместе с имеющимся в ней естественным сопротивлением колебаниям могут в ряде случаев оказаться такими, при которых возможна «раскачка» бокового блока относительно центрального. Любопытно, что иногда соседние блоки совершали колебания в противофазе, то есть если два, какие-либо диаметрально противоположные по отношению к продольной оси ракеты блока двигались к головной части ракеты, то два остальных - к ее хвосту (рис. 4).
Понять причины возникновения того или иного механического явления - это уже большая часть труда по его устранению (если такое явление нежелательно). Так было, и в данном случае. После введения дополнительных элементов (типа динамических успокоителей) было нарушено сочетание параметров, при которых в рассматриваемой механической системе возникают неустойчивые колебания, и тем самым опасность была устранена. К моменту полета Юрия Гагарина об этих колебаниях уже успели забыть.
Рассказ о работах Мстислава Всеволодовича Келдыша в области механики мог бы занять много страниц, которые составили бы весьма поучительную книгу. В его работах с большим пониманием дела выявлялись основные обстоятельства, определяющие изучаемое механическое явление, и предлагалось тем самым то, что обычно называется моделью явления, далее, с присущей Мстиславу Всеволодовичу элегантностью проводится строгий исчерпывающий математический анализ с последующими практическими заключениями. Так строили свои исследования Н. Е. Жуковский, и С. А. Чаплыгин. Мстислава Всеволодовича отличает лишь еще большая мощь математического аппарата, которым он владеет в совершенстве. Отметим вместе с тем, что многие математические теоремы, и формулы установлены М. В. Келдышем именно на обобщении «материала» механических задач.
Как, и свойственно действительно крупным ученым, Мстислав Всеволодович щедро сеет идеи новых исследований в кругу своих коллег, и учеников, и многие их конкретные результаты - плодотворные всходы этих идей.
Читайте в любое время
