История самолетов 1919 – 1945 - Д. Соболев

Большие надежды возлагались на новый цветной сплав на основе магния – электрон. Удельный вес этого материала был вдвое меньше, чем у алюминиевых сплавов. 3 1934 г. в Московском авиационном институте построили экспериментальный самолет из электрона – ЭМАИ-1 "Серго Орджоникидзе". Благодаря высокой удельной прочности нового сплава самолет получился легким и отличался высокой весовой отдачей – 42 %. Однако как основной конструкционный материал электрон оказался непригодным из-за сильной подверженности коррозии: ржавчина уничтожила ЭМАИ-1 менее, чем за год[6, с. 541]. Впоследствии электрон применяли редко и только для небольших и не ответственных элементов конструкции (капотов двигателей, "наплывов" в месте соединения крыла с фюзеляжем и т.п.).

В рассматриваемый период продолжались работы по улучшению свойств деревянных материалов. Наиболее широкое применение такие материалы получили в СССР, где имелись огромные запасы высококачественной древесины, тогда как производство дюралюмина и легированных сталей требовало импортных добавок к отечественному сырью, закупка которых в случае начала войны могла оказаться невозможной.

К новым авиационным материалам на основе древесины, появившимся в 30-е годы, относятся бакелитовая фанера и дельта-древесина.

Бакелитовая фанера была создана путем пропитки древесного шпона искусственными фенол-формальдегидными смолами. Это позволило значительно повысить механическую прочность, водоупорность и микологическую стойкость (сопротивление разрушающему воздействию плесени) этого материала, широко используемого в качестве обшивки самолетов. Первые промышленные образцы бакелитовой фанеры появились в Германии, а во второй половине 30-х годов в СССР началось производство отечественной бакелитовой фанеры, созданной под руководством Я. А. Аврасин [59].

Перед самым началом второй мировой войны на основе бакелитовой фанеры » нашей стране появился новый высокопрочный конструкционный материал – древесный пластик "дельта-древесина". Технологию изготовления пластифицированной древесины разработал главный инженер завода винтов и лыж Л. И.Рыжкоп [21, с. 223]. Дельта-древесина имела примерно вдвое больший, чем простая древесина, удельный вес, но зато и значительно большую прочность. Он., могла применяться для изготовления основных элементов конструкции (например лонжеронов фюзеляжа, полок лонжеронов крыла» вместо дюраля, причем для получения этого материала не требовалось специальных сортов древесины. Первые самолете широким использованием дельта-древесины в конструкции – истребитель ЛаГГ-1 – был построен в начале 1940 г.

В начальный период Великой Отечественной войны, когда советская авиапромышленность на время лишилась производственных мощностей по выпуску цветных металлов и сплавов для авиации, возможность производить в большом количестве высококачественные древесные конструкционные материалы сыграла исключительно важную роль в обеспечении выпуска боевой техники.

В начале 30-х годов самолеты делались с тонкой металлической обшивкой. В полетах она нередко образовывала "складки", что допускалось по условиям прочности. Но к концу десятилетия, когда вследствие роста скорости внешние нагрузки сильно возросли, возникла необходимость в более толстой обшивке, которая лучше сохраняла бы форму и в большей степени участвовала бы в восприятии аэродинамических сил. Это не могло не повлечь за собой увеличение веса.

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.