Д. Соболев - История самолётов 1919 – 1945
Для того, чтобы избежать лишнего веса и при этом обеспечить высокую жесткость конструкторы начали применять так называемую слоеную конструкцию. Она представляла собой тонкую двухслойную оболочку с «прокладкой» из легкого материала
Вначале слоеная конструкция использовалась в качестве небольших фрагментов планера (поплавки на некоторых гидросамолетах, пол кабины Форд «Тримотор»). В широком масштабе этот тип конструкции впервые был применен в 1937 г. и.: английском почтово-пассажирском самолете Де Хевилленд «Альбатрос». Обшивка фюзеляжа имела полностью слоеную конструкцию, с 11-мм прокладкой из бальзы между двумя слоями обычной фанерной обшивки [15, с. 388]. Забегая вперед отмечч. что несколько лет спустя аналогичная конструктивная схема была использована на одном из самых удачных самолетов периода второй мировой войны — Де Хевилленд «Москито».
Необычное решение проблемы сохранения жесткости внешних обводов самолета без увеличения его веса предложил английский конструктор Б. Уоллис. Он разработал конструктивно-силовую схему, получившую название геодезическая (от понятия «геодезическая линия» — кратчайшее расстояние между двумя точками поверхности). Она коренным образом отличалась от привычных ферменной и балочной конструкций. Все нагрузки воспринимались многочисленными диагональными элементами, перекрещивающимися между собой. Для наглядности можно сказать. что геодезическая конструкция напоминает конструкцию сплетенной из прутьев корзины. Такая силовая схема обеспечивала жесткость тонкой металлической или полотняной обшивки.
Впервые в авиации геодезическая конструкция была применена при создании английского дирижабля R.100. Затем Б. Уоллис предложил руководству ВВС Англии использовать новую конструктивно-силовую схему на самолетах. В 1935 г. начались испытания одномоторного дальнего бомбардировщика Виккерс «Уэллсли» геодезической конструкции. Благодаря высокой весовой отдаче (45 %) и обтекаемым внешним формам он обладал хорошими летными характеристиками. В ноябре 1938 г. во время перелета трех «Уэллсли» из Египта в Австралию был установлен новый мировой рекорд дальности — 11520 км [15. с. 223].
В 1936 г. идеи Уоллиса нашли практическое воплощение в конструкции ешеодного бомбардировщика — Виккерс «Веллингтон». Этот двухмоторный самолет, с дальностью полета около 3 тысяч км и бомбовой нагрузкой до 3200 кг, стал одним из самых известных английских боевых самолетов в первые годы второй мировой войны. Геодезическая конструкция отличалась очень высокой боевой живучестью и нередко выдерживала прямое попадание зенитного снаряда [60, с. 79].
Несмотря на все свои достоинства, геодезическая конструкция имела ограниченное применение в самолетостроении из-за трудоемкости изготовления геодезических оболочек. Кроме этого, рассматриваемая конструктивно-силовая схема была выгодна по весу только в случае применения легкой не несушей обшивки типа полотняной, что противоречило характерной для авиации тенденции к переходу на жесткую металлическую обшивку.
Одним из новых направлений исследований в области авиационной прочности в 30-е годы была усталостная прочность. Когда в связи с применением металла срок эксплуатации самолетов возрос, стали замечать, что вследствие многократно повторяющихся нагрузок (полет в неспокойной атмосфере, вибрации от двигателя и т. п.) конструкция теряет свою первоначальную прочность, «стареет». Вначале основное внимание уделялось гашению вибраций от винтомоторной группы за счет применения упругих прокладок-демпферов. Важность повышения усталостной прочности крыла поняли позже. Об этом свидетельствует следующий факт: на самолете DC-3 было трехлонжеронное крыло, а на следующей пассажирской машине фирмы Дуглас — DC-4 применяли однолонжеронную схему, что привело к концентрации напряжений и снижению усталостной прочности конструкции.
Нис.3.66. Геодезическая конструкция крыла (Виккерс «Уэллсли»)
С появлением скоростной авиации конструкторы столкнулись с новым опасным явлением. Во время полета внезапно возникала сильная вибрация, часто приводят-. к разрушению машины в воздухе. Это явление получило название флаттер (от англ — flutter — трепыхать, вибрировать).
Точности ради надо сказать, что первый известный случай флаттера произошел еще в 1916 г. на английском бомбардировщике HP 0/400 [61, с. 2]. Известны также случаи флаттера крыла и элеронов во время начетов в 20-е годы специальна гоночных самолетов [27, с. 5, 8]. Но эти события имели единичный характер и н. привлекли большого внимания.
Ситуация резко изменилась, когда скорость серийных самолетов превысил 400 км/ч, а вместо жесткой бипланной коробки начали применять свободнонесущее крыло небольшой относительной толщины. Случаи флаттера стали носить систематический характер, причем если раньше обычно вибрации возникали только на отдельных элементах конструкции — элеронах, хвостовом оперении, то в 30-е голь стал характерным значительно более опасный флаттер крыла самолета.
В СССР с флаттером столкнулись в середине 30-х годов. Вот как описывает заявление, случившееся во время испытаний на максимальную скорость бомбардиров шика СБ, летчик-испытатель П. М. Стефановский:
«Километраж выполнялся над аэродромом, как и положено, на высоте сто — двести метров. Самолет носился то в одну, то в другую сторону. С каждым выходом на новую прямую скорость становилась все больше. Вот Миндер [К. П. Миндер — летчик-испытатель НИИ ВВС] выровнял машину, дат моторам полный газ и стал разгонять СБ до максимальной скорости. Все, кто находились на аэродроме, отложили свои занятия, с восхищением смотрели на стремительно несущуюся стальную птицу. Вдруг самолет потерял свои четкие очертания, как бы смазался. Разом оборвался натужно раскатистый рев двигателей. СБ круто перешел в набор высоты.
Все недоумевали, с чего это Костя циркачить начал. А он издалека уже заходил на посадку. Наконец сел. Машина была неузнаваемой. Вместо изящного красавца с зеркально-гладкой поверхностью крыльев и фюзеляжа перед нами стоял урод, разрисованный вдоль и поперек большими трещинами. Летчик-испытатель выбрался из кабины и коротко бросил — „Флаттер“» [62, с. 76–77].
Примерно в то же время из-за возникших в полете вибраций разбился скоростной пассажирский самолет ЗиГ-1, погибли люди.
Игнорировать дальше проблему стало невозможно. Изучение флаттера велось в двух направлениях:
1) исследование теории явления на основе дифференциальных уравнений колеблющегося крыла и математическое определение критической скорости, при которой возникают самовозбуждаюшиеся колебания;
2) изучение физической стороны флаттера, его энергетического баланса и мер, с помощью которых можно предотвратить опасность его возникновения. Наиболее активно исследования флаттера проводились в Германии (Бирнбаум, Бленк, Раушер и др.), Англии (Фрайзер, Дункан, Локспсйсер) и СССР (Гроссман, Келдыш и др.).
Ученые установили, что одной из причин возникновения самовозбуждающихся колебаний является недостаточная жесткость крыла, оперения и фюзеляжа. Выяснилось, что момент возникновения флаттера можно отодвинуть за пределы максимальной скорости самолета, повысив жесткость конструкции и обеспечив переднее (по отношению к центру жесткости) расположение центров тяжести сечений крыла, оперения и аэродинамических рулей за счет установки специальных грузов. Кроме того, были разработаны методы расчета критической скорости флаттера. Правильность этих рекомендаций проверили на моделях в аэродинамических трубах и в полетах [63, с. 77–98; 64]. С конца 30-х годов проверка на флаттер стала обязательным элементом при создании самолетов.
Предложенные меры во много раз уменьшили опасность возникновения флаттера. Еще один барьер на пути развития авиации был преодолен. Но об окончательном решении проблемы говорить было еще рано. Как и в случае со штопором, вероятность появления флаттера сильно зависит от компоновки летательного аппарата, а в самолетостроении она, как известно, постоянно меняется.
Увеличение нагрузки на крыло и рост высоты полета вызвали определенные сложности в обеспечении устойчивости и управляемости самолетов. Как известно, запас продольной статической устойчивости по перегрузке уменьшается по мере возрастания m/S и разряженности воздуха [62, с. 424–425]. Кроме того, замедляется затухание динамических колебаний, т. е. снижается динамическая устойчивость самолета. К этому можно еще добавить тенденцию к концевому срыву на крыле на большой высоте, т. к. по мере уменьшения плотности воздуха приходится увеличивать угол атаки. В результате самолет становится более «строгим» в управлении, требует от летчика повышенного внимания и мастерства.
Преодолению указанных сложностей способствовали математические и экспериментальные исследования устойчивости и управляемости летательных аппаратов [65, с. 200–220]. Научные рекомендации позволили более обоснованно делать выбор центровки самолета и определение площади аэродинамических рулей (в 20-е годы конструкторы подходили к решению этих вопросов эмпирически или, в лучшем случае, на основе статистических сведений). На некоторых самолетах для уменьшения опасности концевого срыва наряду с элеронами на концах крыла стали устанавливать интерцепторы.
