Конструкции, или почему не ломаются вещи - Джеймс Гордон

Крыло Д-8, как и большинства монопланов того времени, было обшито тканью с целью придания ему желаемой аэродинамической формы. Ткань была просто натянута на силовой каркас и сама не должна была нести основных изгибающих нагрузок. Эти нагрузки воспринимались двумя параллельными деревянными лонжеронами - консольными балками, идущими в сторону от фюзеляжа. Они были соединены через каждые несколько дюймов рядом легких деревянных нервюр определенной формы, на которые и натягивалась проклеенная ткань (рис. 129).

Рис. 129. Крыло моноплана, обтянутое тканью.

Когда стало известно о катастрофах с Д-8, командование немецких военно-воздушных сил отдало приказ провести испытания конструкции. Как это обычно делалось в те времена, готовый самолет перевернули вверх ногами и установили на испытательный стенд, нагружая мешками с дробью, расположенными так, чтобы имитировать возникающие в полете аэродинамические нагрузки. Испытанное таким образом крыло не обнаружило признаков слабости, оно разрушалось лишь при нагрузке, эквивалентной шестикратному весу самолета. Правда, в настоящее время требуется, чтобы истребители выдерживали двенадцатикратные перегрузки, но в 1917 г. шестикратной перегрузки считалось вполне достаточно, и она определенно превышала те перегрузки, которые могли возникнуть в тогдашних боевых условиях. Другими словами, самолет, казалось бы, был вполне надежен.

Однако при стендовых испытаниях Д-8 обратили внимание на то, что разрушение самолета начиналось в заднем лонжероне. Решили перестраховаться, и задние лонжероны на всех самолетах Д-8 заменили более толстыми и прочными. Но и после замены число аварий не сократилось, а, напротив, увеличилось. Командование немецких военно-воздушных сил оказалось перед фактом, что "усиление" крыла путем добавления конструкционного материала на самом деле приводит к его ослаблению.

К тому времени Фоккеру стало ясно, что на помощь от официальных умов рассчитывать не приходится, и он сам подверг Д-8 испытаниям на своем заводе. На этот раз догадались измерить перемещения крыла под нагрузкой. Оказалось, что приложенная нагрузка не только изгибает (при выводе самолета из пике концы крыла поднимаются относительно фюзеляжа), но и скручивает крылья, хотя к ним явным образом не приложено никаких крутящих нагрузок. И, что особенно важно, направление скручивания было таким, что значительно увеличивался угол атаки крыла, то есть его подъемная сила.

Обдумав эти результаты, Фоккер внезапно понял, что именно здесь лежит причина не только загадочных аварий с Д-8, но и большинства неприятностей со многими другими монопланами. Когда пилот берет ручку на себя, нос самолета поднимается и нагрузка на крыло растет. Но одновременно крыло закручивается, и это приводит к дальнейшему увеличению подъемной силы крыла, то есть нагрузки на крыло; оно закручивается еще больше, еще больше растет нагрузка и так до тех пор, пока пилот полностью не теряет контроль над ситуацией и крыло не отваливается. Фоккер обнаружил здесь ту форму неустойчивости, которая часто приводит к "летальному" исходу.

Что же в действительности происходит с крылом с точки зрения теории упругости?

Центр изгиба и центр давления

Рассмотрим пару одинаковых параллельных консольных балок, или лонжеронов, соединенных через определенные интервалы горизонтальными нервюрами (рис. 129). Пусть к одной из этих нервюр у кончика крыла приложена сосредоточенная сила, направленная вверх. Если эта сила не приложена точно посередине между лонжеронами (рис. 130), нагрузка не распределится поровну между ними и сила, действующая на один из лонжеронов, будет больше .силы, действующей на другой. Если это произойдет, то один из двух лонжеронов (тот, который более нагружен) отклонится вверх больше другого (рис. 131). В таком случае нервюры, соединяющие лонжероны, отклонятся от горизонтального положения, а все крыло окажется закрученным. В любом сечении балки можно указать точку, называемую центром изгиба. Если линия действия силы проходит через эту точку, то сила не вызывает кручения балки.

Рис. 130. Взаимосвязанные изгиб и кручение возникают в случае, если равнодействующая подъемных сил в каждом поперечном сечении крыла проходит через точку, называемую центром изгиба (в данном случае посередине между двумя лонжеронами), тогда крыло будет изгибаться без кручения.

Рис. 131. Если равнодействующие подъемных сил не проходят через центр изгиба, а смещены, например, в направлении передней кромки крыла, то крыло (или любая другая балка) будет скручиваться при изгибе.

Естественно, когда в сечении крыла больше двух лонжеронов или если пара лонжеронов имеет разную жесткость, то центр изгиба будет находиться не посередине, а где-то между передней и задней кромкой крыла. Однако в каждой балке любого типа центр изгиба всегда существует. Сила, линия действия которой проходит через эту точку, не вызывает закручивания балки или крыла, тогда как любая иная нагрузка обязательно приводит не только к перемещениям крыла вследствие изгиба, но и к закручиванию крыла на некоторый угол.

До сих пор мы рассматривали случай сосредоточенной силы, приложенной к балке или крылу. Естественно, что аэродинамическая подъемная сила, которая в полете направлена вверх и удерживает машину в воздухе, представляет собой нагрузку, распределенную по всей поверхности крыла. Однако, чтобы упростить расчеты, всю эту нагрузку можно заменить одной равнодействующей, приложенной в точке, которую называют центром давления (ЦД) крыла.

Несведущему человеку может показаться, что ЦД подъемной силы, действующей на крыло в полете, лежит где-то посередине между передней и задней кромкой крыла, скажем, возле середины хорды крыла. На самом же деле, как хорошо известно из аэродинамической практики, это совсем не так. Как правило, центр давлений подъемной силы расположен недалеко от передней кромки крыла - обычно на расстоянии примерно в четверть длины хорды[96].

Следовательно, пока крыло не спроектировано таким образом, чтобы центр изгиба был расположен примерно на расстоянии одной четвертой длины хорды от передней кромки, оно обязательно будет закручиваться. Угол поворота крыла при этом будет, конечно, зависеть от крутильной жесткости крыла (жесткости на кручение). Но, вообще говоря, всякое закручивание крыла - вещь вредная и опасная, так что конструкторы стремятся свести его к минимуму. Именно поэтому и стержень пера в крыле птицы расположен обычно на расстоянии в четверть хорды от его передней кромки (рис. 132).

Рис. 132. Распределение подъемных сил вдоль профиля крыла.

В простом крыле моноплана с тканевой обшивкой как положение центра изгиба, так и его крутильная жесткость почти целиком зависят от относительной жесткости лонжеронов на изгиб. В самолете Д-8 центр изгиба находился значительно дальше центра давлений, где-то около середины хорды. Крыло не имело достаточной жесткости, чтобы сопротивляться закручиванию, в результате чего оно разрушалось. После модификации крыла, когда задний лонжерон был сделан более жестким и прочным, центр изгиба передвинулся еще дальше назад, что еще больше ухудшило ситуацию.

Осмыслив все это, Фоккер предпринял теперь уже очевидный шаг: уменьшил толщину и жесткость заднего лонжерона и передвинул тем самым центр изгиба вперед, ближе к центру давления. После этого Д-8 превратился в сравнительно надежную машину, опасную для британских и французских военно-воздушных сил.

По законам аэродинамики центр давления подъемной силы, действующей на крыло самолета, должен всегда находиться примерно на расстоянии четверти хорды от передней кромки крыла. Для уменьшения крутящего момента, действующего на крыло, его необходимо сконструировать таким образом, чтобы передвинуть центр изгиба вперед, как можно ближе к центру давления. Однако элероны, с помощью которых самолет получает крен и выполняет виражи, действуют на конец крыла большими вертикальными силами, приложенными вверх или вниз вблизи задней кромки, то есть далеко сзади от центра изгиба. Тем самым элероны неизбежно вызывают большие крутящие нагрузки на крыло всякий раз, когда летчик закладывает вираж.

Рис. 133. Элерон действует с большой направленной вниз силой на заднюю кромку крыла. Эта сила приложена довольно далеко от центра изгиба, она стремится закрутить крыло таким образом, что возникающие аэродинамические силы будут противоположны тем, к которым стремился летчик, отклоняя элерон.