Почему мы не проваливаемся сквозь пол

Гордон Джеймс Эдвард

Печально известен случаи с бипланом “Кафедральный собор”. Его создатель С.Ф. Коуди питал пристрастие к сложной путанице расчалок, но ему не хватало технической грамотности. Мой дед, один из пионеров авиации, рассказывал мне, что однажды он долго спорил с Коуди по поводу того, будет ли в полете какой-то элемент испытывать растяжение или сжатие. Коуди настаивал, что элемент будет растянут, и поставил струну. Правота моего деда обернулась для Коуди трагически - он погиб через несколько минут после взлета. Есть какая-то ирония судьбы в том, что ситуация с “Кафедральным собором” была прямо противоположна неприятностям с кладкой каменных соборов: они рушились из-за того, что в тех местах, где, по предположению

строителей, должно было быть сжатие, оказывалось растяжение.

Потребовалось немало времени и жизней, прежде чем были в достаточной степени изучены и поняты условия нагружения, в которых оказывается самолет в полете. Англичане во многом обязаны этим достижением группе одаренных людей, собравшихся в Фарнборо в первую мировую войну (знаменитая Чадлайфская кучка[42]).

Принципы расчета и испытаний самолетов на прочность остаются и сейчас, в эпоху сверхзвуковых истребителей, во многом теми же, что и в годы деревянных бипланов, хотя в практике этих операций появилось много нового.

Когда самолет спроектирован и построен, полноразмерный образец его должен быть проверен на прочность и жесткость. Испытания на жесткость сравнительно просты, но прочностные испытания иногда требуют громоздких и сложных приспособлений. В 1914 году самолет обычно переворачивали вверх ногами и затем на плоскости крыла укладывали мешки с песком или свинцовой дробью, распределяя их так, чтобы они представляли аэродинамическую нагрузку на самолет в самых опасных условиях полета, например в случае выхода из пике. Довольно скоро нагрузки на самолет стали слишком большими и воспроизвести их этим методом уже не удавалось (хотя мешки с дробью иногда все еще используются для кое-каких простых испытаний). В наши дни обычно прибегают к помощи гидравлического домкрата, который передает нагрузку на крыло через изощренную систему рычагов, напоминающую родословное древо. Каждая ветвь этого древа заканчивается креплением на поверхности крыла. Благодаря тому, что точек крепления много, распределенный характер аэродинамической нагрузки можно имитировать очень хорошо (рис. 42).

Рис. 42. Схема испытания крыла самолета. Нагрузка прикладывается к крылу в сотнях точек, распределенных по обеим поверхностям. 1– стальная рама; 2– гидравлический домкрат: 3– крыло; 4– имитация крепления к фюзеляжу.

Лучшие образцы деревянных бипланов, такие, как “Авро-504” и серия “Мотс” (“Мотылек”), были почти вечными. Разрушить их можно было, разве что врезав со всего маху в землю. Чувство конструктивной надежности в полете на таких самолетах, которые держались на стойках и расчалках, было очень приятным, настроение могли испортить лишь двигатели. Монопланы с консольными крыльями казались намного опасней.

Однако с ростом нагрузок общая тенденция проектирования твердо повернулась в сторону монококовой конструкции, то есть моноплана с жесткой обшивкой. Нагрузки в ней по возможности воспринимались обшивкой. Тонкая мембрана отлично сопротивляется растяжению; трудности связаны здесь с тем, как заставить ее воспринимать сжатие без выпучиваний. На практике этот вопрос решил компромисс: тонкая обшивка разделила нагрузку с лонжеронами и стрингерами. Вся эта довольно сложная конструкция образовала жесткую на изгиб, а следовательно, устойчивую против выпучивания оболочку.

Отличным примером первых таких самолетов был DC-3 позже известный как “Дакота”. Затем последовали “Спитфайер” и многие другие знаменитые самолеты второй мировой войны. Все они

были металлическими, алюминиевые листы обшивки клепались к стрингерам уголкового профиля. Такая конструкция оказалась по весовой эффективности практически эквивалентной деревянно-тканевой. Преимуществами ее были более гладкая наружная поверхность и силовая рама, почти полностью исключавшая уход за ней. Конструкция такого типа остается и сейчас основной при проектировании самолетов.

В 1939 году широко распространилось мнение, что деревянным самолетам пришел конец. Может быть, так оно и случилось бы, не возникни во время войны нехватка алюминия, а также оборудования и квалифицированных кадров. Кроме того, мебельные фирмы сократили производство, да и время разработки деревянного самолета всегда было намного короче, чем металлического.

Один многоопытный эксперт заработал своего рода славу, категорически заявив, что построить современный самолет из дерева технически невозможно. Едва успели просохнуть чернила на его бумагах, как появился “Москито”. Этот деревянный самолет был одной из самых удачных машин, он был построен в 7781 экземпляре. Быть может, немцы не любили его больше, чем любой другой английский самолет[43].

Кроме “Москито” и учебно-тренировочных машин, огромную серию деревянных аппаратов составили планеры. Большинство планеров имело значительные размеры, размах их крыла доходил до 35 метров. Зачастую они предназначались для переброски танков и другого тяжелого снаряжения. Вначале предполагали строить планеры в расчете лишь на один полет. Однако это оказалось непрактичным: необходимы были машины для тренировок, нужно было перебазировать планеры с аэродрома на аэродром в связи с изменениями стратегической и тактической ситуаций и - что более важно - рука не поднималась строить аэроплан только для одного полета. Практически эти планеры были очень похожими на самолет, разве что не имели двигателя.

В целом деревянный самолет был чрезвычайно удачным и, я думаю, сыграл немалую роль в войне. Однако он задал в свое время немало разного рода технических задач, которые с головой завалили работой небольшую группу химиков-органиков Авиационного центра в Фарнборо. Значительным в этой работе оказался вклад молодого кембриджского биолога Марка Прайера, специально отозванного из прожекторной команды. Во многом благодаря Прайеру сократилось число аварий, и большинство планеров долетало до Франции в удовлетворительном состоянии. Немало солдат и авиаторов обязаны жизнью этому неутомимому биологу, который с аэродрома, мчался к микроскопу, от микроскопа - на самолетный завод, оттуда опять к микроскопу и так на протяжении нескольких лет.

Взвешивая сейчас все обстоятельства этой истории, трудно утверждать, что можно было бы заблаговременно предвидеть все возникшие тогда проблемы. К старым обтянутым тканью бипланам не было никаких претензий: их собирали из небольших кусков дерева, содержали в добротных сухих ангарах, они сами по себе хорошо вентилировались. С самолетами военного времени все было не так. Прежде всего новые машины имели монококовую конструкцию со сравнительно тяжелыми лонжеронами и стрингерами, жестко приклеенными к толстым фанерным стенкам и обшивке. (Мы еще поговорим позже о некоторых последствиях, к которым привело такое изменение конструкции). Самолет был разделен на большое число плохо вентилируемых и труднодоступных отсеков. В отсеках самолетов, оказавшихся под английским или тропическим дождем, воздух быстро становился затхлым, на дне их часто появлялись лужи. В таких условиях нескольких месяцев вполне хватало не только на разложение клея, но и на гниение древесины. Нелегко наладить вентиляцию, если конструктор о ней забыл, и очень часто самое лучшее, что можно было сделать, это оставлять все контрольные люки открытыми во время стоянки на земле.