Лаборатория аэродинамики Гуггенхайма

Лаборатория аэродинамики Гуггенхайма (Guggenheim Aeronautical Laboratory) — научно-исследовательское учреждение, созданное в 1926 году при Калифорнийском технологическом институте (Калтех) в Пасадине, штат Калифорния, США. Лаборатория была основана на средства, выделенные Фондом Дэниела Гуггенхайма (Daniel Guggenheim Fund for the Promotion of Aeronautics), и стала одним из ведущих центров экспериментальной аэродинамики и авиастроения в первой половине XX века. Под руководством Теодора фон Кармана лаборатория внесла ключевой вклад в развитие теории сверхзвукового полёта, газовой динамики и ракетной техники.

История

Предпосылки создания

В начале 1920-х годов авиация переживала бурный рост, но многие фундаментальные вопросы аэродинамики оставались нерешёнными. Дэниел Гуггенхайм, американский промышленник и филантроп, основал в 1926 году фонд для поддержки авиационных исследований и образования. Калифорнийский технологический институт, где уже работали такие учёные, как Роберт Милликен, предложил создать аэродинамическую лабораторию, которая могла бы конкурировать с европейскими центрами (например, с лабораторией в Гёттингене).

Основание и первые годы

Лаборатория была открыта в 1929 году. Первым директором стал Теодор фон Карман, венгерский учёный, приглашённый из Ахенского технического университета. Под его руководством лаборатория быстро приобрела международную известность. В 1930-е годы здесь проводились эксперименты по обтеканию тел воздушным потоком, разрабатывались методы расчёта крыла конечного размаха и изучались проблемы сжимаемости воздуха.

Вторая мировая война

В годы войны лаборатория активно участвовала в оборонных проектах. Среди них — разработка ракетных ускорителей для взлёта самолётов (JATO), исследования по управляемым снарядам и аэродинамике сверхзвуковых скоростей. В 1943 году на базе лаборатории была создана Лаборатория реактивного движения (Jet Propulsion Laboratory, JPL), которая впоследствии стала ведущим центром НАСА по изучению дальнего космоса.

Послевоенный период

После войны лаборатория продолжала исследования в области сверхзвуковой аэродинамики и газовой динамики. В 1950-е годы здесь были построены одни из первых в мире сверхзвуковых аэродинамических труб. В 1960-е годы лаборатория вошла в состав Калтеха как отдельное подразделение, но сохранила своё название. В настоящее время она является частью инженерного факультета Калифорнийского технологического института.

Устройство и оборудование

Аэродинамические трубы

Лаборатория располагала несколькими аэродинамическими трубами, в том числе:

• Дозвуковая труба (10-футовая) — для испытаний моделей самолётов на скоростях до 0,5 Маха.
• Сверхзвуковая труба (1-футовая) — для исследований на числах Маха от 1,2 до 5,0.
• Труба переменной плотности — позволяла моделировать условия на больших высотах.

Измерительное оборудование

В лаборатории использовались тензометрические весы, термоанемометры, оптические системы (теневая и шлирен-фотография) для визуализации потоков. В 1930-е годы здесь был разработан первый в США аэродинамический балансир для измерения сил и моментов на моделях.

Научные достижения

Теория пограничного слоя

Фон Карман и его ученики (в том числе Хуан Чжэнь, Чжан Хуань) развили математическую теорию пограничного слоя, что позволило точнее рассчитывать сопротивление трения на крыльях и фюзеляжах.

Сверхзвуковая аэродинамика

В 1940-е годы лаборатория провела серию экспериментов, которые легли в основу теории сверхзвукового обтекания тел. Были получены данные о волновом сопротивлении, скачках уплотнения и аэродинамическом нагреве.

Ракетные двигатели

В 1936 году группа студентов под руководством фон Кармана (включая Фрэнка Малину, Джека Парсонса и Эдварда Формана) начала эксперименты с жидкостными ракетными двигателями. Эти работы привели к созданию первых американских ракет на жидком топливе и впоследствии — к основанию Лаборатории реактивного движения.

Вихревая теория крыла

Фон Карман совместно с Уильямом Сирсом разработал теорию нестационарной подъёмной силы, которая объясняла поведение крыла при переменном обтекании (например, при порывах ветра).

Известные сотрудники

• Теодор фон Карман (1881–1963) — директор лаборатории, один из основоположников современной аэродинамики.
• Фрэнк Малина (1912–1981) — участник ранних ракетных экспериментов, сооснователь JPL.
• Джек Парсонс (1914–1952) — химик и пиротехник, разработавший первые твёрдотопливные ракетные ускорители.
• Уильям Сирс (1913–2002) — специалист по аэродинамике, автор теории нестационарной подъёмной силы.
• Хуан Чжэнь (1909–1992) — китайский учёный, внёсший вклад в теорию пограничного слоя.

Значение и наследие

Лаборатория аэродинамики Гуггенхайма стала прототипом для многих авиационных исследовательских центров по всему миру. Её методы и оборудование были скопированы или адаптированы в СССР, Великобритании, Франции и Японии. В частности, в СССР в 1930-е годы на базе ЦАГИ была создана аналогичная лаборатория с использованием опыта Калтеха.

Работы лаборатории напрямую повлияли на проектирование таких самолётов, как Lockheed P-38 Lightning, North American P-51 Mustang и Boeing B-29 Superfortress. В послевоенный период данные, полученные в лаборатории, использовались при создании сверхзвуковых истребителей F-86 Sabre и F-104 Starfighter.

В 1960-е годы лаборатория участвовала в программе «Аполлон»: здесь проводились испытания моделей командного модуля и лунного модуля в аэродинамических трубах.

Интересные факты

• Лаборатория была спроектирована архитектором Эрнестом Коксом, который также работал над зданиями Калтеха.
• В 1940 году здесь была построена первая в США аэродинамическая труба с закрытым контуром, работающая на сжатом воздухе.
• В 1944 году сотрудники лаборатории разработали первый в мире ракетный ускоритель для взлёта тяжёлых бомбардировщиков (JATO), который позволил сократить разбег на 30–40 %.
• В 1956 году в лаборатории прошли испытания модели самолёта X-15, который впоследствии стал первым пилотируемым гиперзвуковым летательным аппаратом.

Источники

• Theodore von Kármán, «The Wind and Beyond: A Pioneer in Aviation and Space Exploration», 1967.
• Frank H. Winter, «The Birth of the Jet Propulsion Laboratory: A History of the Early Years», 1990.
• William R. Sears, «The Guggenheim Aeronautical Laboratory at Caltech: A History», 1985.
• «Aerodynamics at Caltech: A History of the Guggenheim Aeronautical Laboratory», California Institute of Technology, 2001.