Скорость, легкость, прочность

Инж. Б. ГОРОЩЕНКО

На заре авиации самолеты летали со скоростью 80—100 километров в час и это казалось величайшим достижением человеческого гения. В наше время скорости порядка 400—450 километров в час перестают быть рекордными даже при полетах на большие расстояния. В Америке пилот Говард Юз пролетел 3943 километра со средней скоростью 418 километров в час. При перелете из Лондона в Мельбурн (Австрия) расстояние 18180 километров было пройдено самолетом «Комета» английской фирмы Хавелянд всего лишь в 2 дня 22 часа и 56 минут, включая время, потраченное на остановки. Скорости современной авиации опередили самые смелые взлеты мысли писателей-фантастов недавнего прошлого. В самом деле, мировой рекорд скорости — 709 километров в час — может уже сейчас серьезно обеспокоить любителей продолжительных путешествий. Ведь при полете с этой скоростью можно долететь из Москвы до Владивостока почти в то же время, которое тратит поезд «Красная стрела» на пробег от Москвы до Ленинграда.

Правда, скорость 709 километров в час — пока еще рекордное достижение. Однако нам достаточно хорошо известно, что сегодняшний рекорд становится завтра практическим и обычным.

Авиационная техника развивается семимильными шагами. Совсем недавно мы восхищались изумительным полетом Громова, Спирина и Филина, которые пролетели без посадки 12411 километров и этим установили мировой рекорд дальности полета. Прошло немного времени, и советский летчик Коккинаки побил мировой рекорд высоты полета самолета. Он проник в стратосферу и достиг высоты 14575 метров.

Поражаясь многочисленными достижениями авиации, невольно хочется задать вопрос: какими путями авиационная техника добилась таких блестящих результатов и притом в очень короткий срок? Ведь еще до сих пор не забыт первый полет самолета на расстояние 260 метров. Он был совершен братьями Райт в 1903 г., в 1909 г. Блерио покрыл расстояние в 37 километров, перелетев Ла-Манш, а в 1933 г. самолет того же Блерио смог пролететь без посадки из Нью-Йорка в Сирию, пройдя расстояние в 9100 километров.

*

Слово «качество» в применении к качеству продукции нам очень хорошо знакомо. За высокое качество ведется сейчас напряженная борьба в нашей промышленности. Но, вероятно, далеко не все знают, что в конструкции самолета понятие качества играет, кроме общественного значения, еще специальное авиационное. Борьба за высокое качество крыла самолета и те победы, которые одержал человек в этой борьбе, в значительной степени обусловливают те поразительные достижения авиации, о которых мы говорили выше.

Что же такое качество крыла? Для того чтобы ответить на этот вопрос, напомним читателю, что движение самолета в воздухе возможно только в том случае, когда подъемная сила крыльев самолета будет равной его весу. Только при этом условии самолет будет способен лететь горизонтально на той или иной высоте. Крыло самолета не делает взмахов подобно крылу птицы, поэтому подъемная сила у него может получиться только во время движения. Совершенно очевидно, что при полете самолет будет встречать сопротивление воздуха. Качеством крыла как раз называется отношение подъемной силы крыла к его лобовому сопротивлению. Нетрудно усвоить понятие качества и всего самолета, которое определяется отношением той же подъемной силы крыла к лобовому сопротивлению всего самолета. Оказывается, что у современных самолетов подъемная сила превосходит лобовое сопротивление в 15 и более раз, а у лучших планеров — даже почти в 30 раз.

Чем больше будет качество крыла, тем для полета необходима меньшая тяга винта, а следовательно и меньшая мощность мотора. На этом рисунке изображен один из наиболее совершенных типов самолета.

Разберемся более подробно во взаимоотношениях подъемной силы с лобовым сопротивлением. Возьмем для примера самолет, который весит 1500 килограммов. Для полета такого самолета подъемная сила крыльев должна быть равна 1500 килограммам. Если его качество равно 15, то при полете лобовое сопротивление всего самолета окажется равным частному от деления 1500 килограммов на 15, т. е. 100 килограммам. Эта сила лобового сопротивления должна преодолеваться равной ей по величине силой тяги винта, которая должна быть, следовательно, равна 100 килограммам. В итоге, определяя силу тяги винта, необходимую для самолета, следует вес самолета разделить на величину качества. Чем последнее будет больше, тем для полета необходима меньшая тяга винта, а следовательно, и мощность мотора.

Не правда ли, насколько замечательно описанное свойство крыла самолета? Не трудно теперь объяснить тот факт, что летательные аппараты типа геликоптер развиваются с большими трудностями. У геликоптера подъемную силу вместо крыльев создают винты, тянущие аппарат непосредственно вверх, а не по горизонтальному направлению, как у самолета. Если для полета самолета весом в 1500 килограммов необходимо получить тягу винта около 100 килограммов, то для поднятия в воздух не имеющего крыльев геликоптера его винтам, тянущим прямо вверх, нужно развить силу, равную весу аппарата, т. е. 1500 килограммов. Очевидно, что это много трудней.

Здесь уместен вопрос: если качество современного самолета настолько высоко, то почему в авиации применяются все более и более мощные моторы? Ответ будет очень простой. Самолет, весящий 2 тыс. килограммов и даже больше, может свободно держаться в воздухе при мощности мотора всего лишь 70—100 л. с., однако при этом скорость его полета будет невелика. Желая увеличить скорость полета, мы должны поднять мощность мотора. Но насколько? Произведенные опыты дали неприятный ответ на этот вопрос. Оказывается, что при увеличении скорости хотя бы в три раза лобовое сопротивление самолета увеличивается в девять раз, т. е. в квадрате скорости, а мощность мотора, необходимая для создания тяги, идущей на преодоление этого сопротивления, увеличится в 27 раз, т. е. в кубе скорости. Читатель в праве задать недоуменный вопрос: как же так — ведь недавно обычная скорость была 200 километров, а сейчас, скажем, 400. Неужели в настоящее время мощность моторов возросла в восемь раз (2³ = 8)? Нет, конечно, не так. Если бы человек стал на путь такого огромного увеличения мощности мотора, то самолет утратил бы многочисленные свои преимущества, в частности оказался бы не способным брать сколько-нибудь значительную полезную нагрузку. В действительности увеличение мощности моторов сопровождается введением в конструкцию самолета ряда мероприятий, направленных к снижению лобового сопротивления. Как известно, это сопротивление имеет два основных источника: с одной стороны, оно создается в результате трения воздуха о поверхность частей самолета, с другой, его источником являются те завихрения, которые образуются при обтекании воздухом частей конструкции самолета. Чем меньше завихрений и плавнее обтекание, тем лобовое сопротивление меньше, а следовательно, даже при неизменной мощности мотора скорость больше. Теперь читателю должно быть понятно, почему идет такая борьба за создание обтекаемых машин. Должно стать ясным и то, что в борьбе с лобовым сопротивлением человек нашел пути увеличения скорости, не прибегая к чрезмерному увеличению мощности моторов. Эти пути лежат в стремлении сделать поверхность крыльев и фюзеляжа самолета максимально гладкой (полированной); придать формам самолета плавные очертания, более широкие в передней части и суживающиеся к хвосту. Этот принцип заимствован у природы, ибо птицы и рыбы, для которых важно уменьшение сопротивления среды, обладают как раз такими формами.

Взгляните на эту диаграмму и вам станет ясным, насколько увеличивается лобовое сопротивление и какую мощность требуется создать для преодоления этого сопротивления, если мы изменяем скорость полета Так например, мы видим, что при увеличении скорости полета в пять раз необходимая мощность мотора должна равняться 6260 л. с.

Авиационная техника в борьбе за увеличение скорости полета пошла еще дальше. В последние годы были проведены такие мероприятия, как уборка шасси в воздухе. Действительно, шасси с колесами необходимо только при взлете и посадке, во время остального полета оно ни к чему и лишь дает лобовое сопротивление, уменьшающее скорость.

Понятно, что при сложной конфигурации самолета, когда его снабжают двумя парами крыльев, стойками и растяжками, лобовое сопротивление увеличивается. В настоящее время сама схема самолета все более упрощается, и большинство скоростных аппаратов обладает в полете одними крыльями, фюзеляжем и хвостовым оперением. Мало того, многие конструкторы ведут работу, по переходу к самолету — летающему крылу, при больших размерах которого нагрузка может быть размещена внутри самого крыла, и тогда явится возможность отказаться от фюзеляжа.

На этом рисунке показаны: самолет Блерио (внизу), построенный в 1909 г., снабженный мотором в 50 л. с. и могущий развивать скорость 100 км. Другой самолет (вверху) — современная машина Кодрон. Этот самолет способен развивать скорость в 505 км в час при мощности мотора в 400 л. с. Такая разница в скоростях объясняется совершенной конструкцией самолета Кодрон, позволяющей уменьшить лобовое сопротивление этой машины.

Борьба с лобовым сопротивлением, хотя и обеспечивает увеличение максимальной скорости полета, но, несомненно, усложняет и удорожает конструкцию самолета. Однако эта борьба, несмотря ни на какие затраты и сложности, ведется упорно, настойчиво, и это понятно. Скорость полета является могучим фактором не только с точки зрения экономического применения авиации. Скорость разрешает, кроме этого, крупнейшие задачи военного назначения. Представьте себе, что создается бомбардировщик, скорость которого превосходит скорость любого истребителя. Тогда он, летая на высоте, недосягаемой для зенитной артиллерии, по существу говоря, был бы хозяином всего воздушного пространства, лежащего на территории неприятеля, так как при такой скорости и высоте он был бы неуязвим ни с земли ни с воздуха. Понятно, что ни у кого нет охоты допустить возможность появления таких самолетов, и борьба за повышение скоростей ведется сейчас во всех странах. Если даже и не удается сделать бомбардировщики быстроходнее истребителей, то достижение ими возможно больших скоростей полета чрезвычайно усиливает их боевую мощь. Борьба истребителей и зенитной артиллерии с такими бомбардировщиками из-за огромных скоростей полета сильно затрудняется. Легко прикинуть, что бомбардировщик, обладающий скоростью в 360 километров в час, пролетает в одну минуту 6 километров. Следовательно, при совершении бомбардировочного налета он покажется над целью и скроется из виду за время, равное всего лишь двум-трем минутам.

Стремление сделать самолет более быстроходным, обладающим минимальным лобовым сопротивлением, в значительной степени определило его внешние формы. Что же следует сказать о самой конструкции самолета?

*

Вряд ли найдется какая-либо отрасль техники, в которой было бы обращено такое особое внимание на уменьшение веса конструкции, как это имеет место в самолетостроении и постройке авиационного мотора. В большинстве отраслей техники увеличение веса конструкции также нежелательно, так как последнее делает продукцию дороже из-за большого количества израсходованного материала. В авиации эта сторона дела играет второстепенную роль. Наоборот, стремление максимально облегчить конструкцию, обычно, в значительной степени ее удорожает за счет усложнения производства и более дорогих материалов. Самолет должен быть легким потому, что чем легче его конструкция, тем при одном и том же полетном весе будет больше величина его полезной нагрузки.

Дело в том, что при увеличении полетного веса самолета его летные данные начинают заметно ухудшаться; понижается скороподъемность, потолок, больше становится длина разбега, начинает снижаться скорость; поэтому вес самолета в полете не может быть произвольно повышен при его неизменности. Чем меньше вес конструкции, тем больше полезная нагрузка.

Авиационная техника достигла замечательных результатов в борьбе за облегчение веса конструкции самолета и мотора. Действительно, у лучших самолетов вес полной нагрузки (считая с горючим) равен весу их конструкции, т. е. составляет половину полетного веса самолета.

Вместе с тем, уменьшение веса конструкции самолета отнюдь не должно идти в какой-либо ущерб прочности. В итоге, для того чтобы сделать самолет легким и прочным, авиационный конструктор должен, во-первых, использовать наиболее совершенные материалы, во-вторых, применить их с таким расчетом, чтобы в конструкции не было участков, в которых материал не нагружен и поэтому является излишним.

В современном самолете в качестве материала применяется дюралюминий, в три раза более легкий, чем сталь и обладающий прочностью нормальных углеродистых сталей. Применяются и отдельные сорта стали, но только высококачественные и специально термически обработанные. Довольно широкое распространение до сих пор имеет и дерево, специально высушенное и отобранное. В последнее время начинает применяться электрон (сплав магния с небольшим количеством алюминия, марганца, цинка, меди и кремня) благодаря тому, что он в 4,3 раза легче стали и обладает довольно большой прочностью.

Опять-таки так же, как и в вопросах скорости, облегчение конструкции самолета крайне важно для военной авиации. Действительно, если удается сделать вес конструкции самолета лишь на 200 — 300 килограммов меньше, то это значит, что на ту же самую величину может быть или повышена бомбовая нагрузка или же увеличено горючее, что позволяет увеличить радиус полета.

Приведем пример: современный скоростной бомбардировщик, весящий с нагрузкой около 7000 килограммов, способен брать 800 килограммов бомб. Вес конструкции такого самолета равен примерно 4000 килограммам. Если этот вес снизить, с 4000 до 3600 килограммов, то без изменения полетного веса самолета можно будет увеличить бомбовую нагрузку с 800 до 1200 килограммов, т. е. на 50%, а это значит, что для совершения определенной бомбардировочной операции можно будет послать не 30 самолетов, а только 20. Теперь становится понятным, что сравнительно небольшое увеличение веса конструкции сможет привести к несравненно более экономичной трате боевых ресурсов воздушного флота.

*

Мы уже упоминали, что самолет должен быть не только легким, но и очень прочным. С одной стороны, это кажется естественным, поскольку какая бы то ни была поломка самолета в воздухе легко может привести к катастрофе. Но на первый взгляд непонятно, откуда в воздухе могут возникнуть большие нагрузки, способные сломать самолет. Оказывается, что такие нагрузки возникают и при недостаточной прочности самолета его легко разрушают.

Как это ни странно, но очень часто воздушный путь не может быть сравним с хорошим и гладким шоссе. Наоборот, особенно на небольших высотах и в жаркие дни, воздушное пространство подобно ухабистым проселкам. До тех пор, пока скорость самолета была невелика, езда и по проселку была вполне спокойна. Однако при увеличении скорости полета дело значительно изменилось в худшую сторону.

Благодаря различным температурам слоев воздуха, образованию облаков воздушная масса до сравнительно большой высоты, особенно в дневное время, наполнена восходящими и нисходящими потоками. Встреча с ними самолета, летящего на небольшой скорости, не отзывается сколько-нибудь резко на его конструкции. Если же скорость полета велика, то самолет в буквальном смысле слова испытывает такие же удары, как автомобиль, едущий по скверной дороге.

Поскольку летчику не всегда удается избежать таких неприятных участков пути, каждый самолет должен обладать прочностью, противостоящей ударам воздуха.

При выполнении летчиком фигур высшего пилотажа на все части самолета начинают действовать нагрузки, во много раз превышающие вес этих частей. На этом рисунке показано положение самолета, выполняющего разворот в 250 метров. Подъемная сила крыльев при этом больше веса самолета в 8 раз. В момент разворота летчик не в состоянии приподняться с сидения, так как вес его равняется 600 и более килограммам.

Если же речь идет о прочности боевых самолетов, выполняющих различные фигуры, начиная от резкого разворота, мертвой петли и кончая выходом из пикирования, то в этом случае прочность самолета должна быть еще более повышена, так как при криволинейном полете благодаря центробежным силам на все части самолета начинают действовать нагрузки, во много раз превышающие вес их самих. Так, хотя бы при развороте радиусом в 250 метров, на скорости 500 километров в час, на самолет будут действовать центробежные силы, превышающие в восемь раз его вес. Последнее будет означать то, что подъемная сила крыльев при этом будет равна не весу самолета, а превосходить его в восемь раз. Вес летчика и вес полезной нагрузки будут также в восемь раз больше. Такое увеличение веса нагрузки должно быть вполне выдержано и конструкцией боевого самолета. Поэтому современные истребители могут сломаться только в том случае, если на части их конструкции начнет действовать нагрузка, превосходящая нормальную в 12—13 раз. Силу этой нагрузки легко себе представить. Вообразите, что на крылья небольшого истребителя, имеющие площадь всего лишь 12 кв. метров, поставлено, ни больше, ни меньше, как 180 человек. Вес этих людей будет равняться нагрузке, способной сломать крылья этого самолета.

Современные истребители могут сломаться в полете только в том случае, если на части их конструкции начнет действовать нагрузка, превосходящая нормальную в 12—13 раз. Силу этой нагрузки легко себе представить: вес 180 человек, на плоскостях небольшого самолета, примерно и есть та нагрузка, которая способна разломать крылья этого самолета.

*

При очень высокой прочности все детали самолета и мотора должны быть совершенно надежны. Действительно, отказ в работе того или иного механизма, приводящий к остановке двигателя, в большинстве транспортных средств не приводит к катастрофе: поезд остановится в пути, пароход начнет дрейфовать, поломка мотора в автомобиле принесет очень много неудобств его пассажирам, но сама по себе не создаст опасности. Совсем другое мы имеем в авиации. Не говоря уже о поломке той или иной ответственной части в конструкции самолета, приводящей почти всегда к очень печальным последствиям, остановка мотора хотя и не вызовет падения самолета, но потребует его немедленной посадки. Если же самолет летит над морем или же над местом, не имеющим подходящих посадочных площадок, то такая вынужденная посадка может окончиться катастрофой.

Эти особенности эксплуатации самолета приводят к тому, что к его конструкции с точки зрения надежности и безотказности предъявляются совершенно особые требования. Самолет не должен иметь никаких дефектов, даже мелких, потому что самые мелкие дефекты могут привести зачастую к аварии и даже к катастрофе. Рабочий, участвующий в постройке самолета, должен всегда помнить, что каждая неверно поставленная заклепка, каждая небрежно сделанная деталь могут явиться непосредственной причиной гибели человека.

В заключение скажем, что перед авиатехникой поставлены чрезвычайно трудные задачи — сделать самолет безукоризненных внешних форм с целым рядом сложных механизмов, исключительно легкой конструкции, весьма прочный и безукоризненно надежный. Этот сложнейший комплекс задач авиатехникой решается блестяще. Прямым доказательством этого является тот краткий перечень достижений современной авиации, который приведен в начале настоящей статьи.