САМОЛЕТ И ПРОЧНОСТЬ ЕГО КОНСТРУКЦИИ

В начальный период самолетостроения конструкторов занимал во­прос, на который они не могли дать удовлетворительного ответа в течение многих лет. Они постоянно спрашивали себя: «Насколько слаб наш сильный самолет?» или «Насколько силен наш слабый самолет?». Этот вопрос вытекал из недостаточного знания аэроди­намики (воздействие воздуха на различные части самолета во время полета в различных условиях: при горизонтальном полете, на боль­шой скорости, вверх колесами, при пикировании, наборе высоты и т. д.). С развитием техники, и в особенности с появлением мощных аэродинамических труб, в которых действие воздуха на конструкцию самолета может быть точно измерено, конструкторы самолетов получили возможность точно установить все данные, необходимые при проектировании для получения прочной кон­струкции.

Каждый самолет, конечно, достаточно прочен, чтобы выдержать нагрузку, испытываемую его частями в нормальных условиях полета. Но то, что считается нормальным для скоростного истребителя, не обязательно является нормальным для легкого пассажирского самолета. Таким образом, прочность самолета должна позволить легко выдержать максимальные усилия и напряжения, испыты­ваемые при его использовании по прямому назначению. Не это ли одна из причин создания различных типов самолетов? Сильные восходящие и нисходящие потоки, встречающиеся в полете, вызы­вают соответствующее возрастание нагрузки на плоскостях. Чем быстрее самолет летит и чем больше скорость восходящего потока, встречаемого на пути, тем значительнее будет нагрузка на его конструкцию, и в особенности на его плоскости. С возраста­нием скорости самолетов, — а это происходит чуть ли не каждый день, — задача постройки достаточно прочных самолетов для прео­доления неблагоприятных атмосферных условий все более услож­няется.

Однако, в связи с успехами металлургии, за последние годы удалось получить более легкие и прочные материалы. Эти мате­риалы дали возможность построить легкие и достаточно прочные самолеты, обеспечивающие полную безопасность летчиков и пас­сажиров.

Интересно напомнить, что чем меньше нагрузка на крылья, тем больше она увеличивается при встрече с сильным восходящим воз­душным потоком, что создает сильные напряжения в крыльях.

Все части конструкции самолетов значительно прочнее, чем нужно, чтобы выдержать максимальную нагрузку, возможную в нор­мальных условиях полета, приземления или взлета. Скоростной военный самолет-истребитель имеет сравнительно большую нагрузку на крылья и малую нагрузку на мотор (вес самолета с полной нагруз­кой, разделенный на число сил мотора). Такой самолет работает в тяжелых и сложных условиях и должен быть достаточно прочным, чтобы выдерживать нагрузку при вертикальном пикировании, во время которого его скорость более, чем вдвое, превышает макси­мальную скорость. Сравнение трех основных типов самолетов (воен­ных, спортивных и крупных транспортных), сконструированных для различных целей, как это указано на следующей странице, даст вам представление о характере конструкции каждого из этих типов.

Такое сравнение ясно показывает, что истребители берут неболь­шой по сравнению с их весом груз и что большая часть веса этих самолетов идет на усиление конструкции для придания безопасности в самых тяжелых условиях, в которых работает военный самолет.

Очень важным свойством военного самолета является быстрота набора высоты. Она достигается очень малой нагрузкой на 1 л. с. Экономичность эксплоатации — менее важное требование для воен­ных самолетов. IIаилучшие маневренные качества — главная цель, к достижению которой стремятся. Спортивные самолеты могут иметь меньшую скорость набора высоты. Они должны быть эконо­мичны в эксплоатации и обладать достаточной прочностью, чтобы противостоять максимальным напряжениям, возникающим в необыч­ных атмосферных условиях во время полета, при приземлении и взлете. Хотя скорость набора высоты у этого типа самолетов зна­чительно меньшая, чем у военных самолетов, она достаточна для выполнения его задач.

Совершенно иные требования предъявляются к транспортному самолету: максимальная скорость, максимальная нагрузка и мини­мальная стоимость эксплоатации. Для того чтобы новый тип само­лета был принят в эксплоатацию, он должен отвечать установленным минимальным требованиям. Вместо того, чтобы перечислять все требования, предъявляемые к различным типам самолетов, приведем следующую таблицу:

	ВОЕННЫЙ «Кертис Хаук» (одноместный истре­битель)	СПОРТИВНЫЙ	ТРАНСПОРТНЫЙ
	«Ферчайлд-24»	«Дуглас»
Вес конструкции на 1 кг полезной нагрузки	1 430 ко ——— — 2,9 кг 49о кг	658 кг „ — — 1,56 кг 425 кг	6 880 кг „ — ■— — 1,71 кз 4 010 кг
Нагрузка на 1 м2 несущей поверхности	75 кг	65 кг	110 кг
Нагрузка на 1 л. с.	2,4 кг	7,5 кг	6,4 кг
Максимальная ско­рость на высоте 3 000 м	396 км/час	220 км/час	351 км/час на вы­соте 3 490 м
Крейсерская скорость	326 км/час	194 км/час	295 км/час на вы­соте 3 050 м
Посадочная скорость	109 км/час	73,5 км/час при опущенных закрыл­ках	104 км/час при опущенных закрыл­ках
Набор высоты (в пер­вую минуту)	665 м/мин	204 м/мин	295 м/мин
Потолок	7 840 м с высотным мотором	5 390 м	1 230 м с высот­ными моторами

Примечание. Указанные данные являются ориентировочными и служат только для сравнения; они могут меняться в зависимости от типа мотора или усо­вершенствований, внесенных в самолет. В верхней графе в числителе дается вес конструкции пустого самолета, а в знаменателе — вес поднимаемой этим самолетом полезной нагрузки.

Самолетостроительные заводы не только теоретически опреде­ляют прочность и работу самолетов, но и часто подвергают их раз­личным испытаниям. Испытания эти состоят в нагрузке на крылья мешков с песком, вес которых равен максимальной нагрузке крыльев, возможной в полете. В некоторых случаях испытания производятся с увеличением нагрузки до тех пор, пока конструкция не сломается. Результаты испытаний точно определяют прочность самолета. Таким же испытаниям должны быть подвергнуты шасси, моторная установка, хвостовые поверхности и каждая ответственная часть самолета.

Затем производится испытание самолета в воздухе на устойчи­вость: устойчивый самолет не изменяет направления полета без соответствующего вмешательства пилота. Маневренность требует лег­кого (без всяких усилий) изменения направлений и высоты полета самолета. Самолеты, которые считались устойчивыми и маневрен­ными несколько лет тому назад, на сегодняшний день совершенно устарели. Только летчик-испытатель с большим опытом может производить оценку маневренности и устойчивости самолета, сравни* вая его с другими самолетами, на которых он летал. Взлет, призем­ление, максимальная и крейсерская скорости должны быть опреде­лены в испытательных полетах. Точно так же должны быть установ­лены расход горючего на разных скоростях и максимальная полезная нагрузка самолета, а в некоторых случаях и ряд других данных.

Для некоторых типов военных самолетов очень важно определить предельную максимальную скорость полета, потому что при пики­ровании самолетов этого типа возможна большая перегрузка. Проч­ность конструкции самолета проверяется вертикальным пикирова­нием до предельной скорости; в момент, когда летчик-испытатель выводит самолет из пикирования, создается максимальная нагрузка на крылья, хвостовые поверхности и другие части самолета. Во время любых испытаний самолета должны быть получены точные данные и приняты во внимание атмосферные условия, при которых произво­дится испытание. В прошлом испытания могли производиться людь­ми, умевшими хорошо летать. В настоящее время необходимы не только высокая летная квалификация, но и серьезные технические знания.

Отличные технические знания и высокая летная квалификация—блестящее сочетание для испыта­тельного полета.

Рис. 337. Испытание на пикирование до пре­дельной скорости. Самолет под управлением летчика — испытателя поднимается на большую высоту, чтобы для пикирования имелось не менее 3 000 м. При пикировании получается определен­ная предельная скорость, которая далее не увеличивается. В этот момент самолет быстро можно вывести из пикирования энергичным и плавным вытягиванием ручки управления, как показано на рисунке. При достижении точки, лежащей, примерно, на х/3 дуги, которую описывает самолет, части его конструкции испытывают максимальную нагрузку.

Нормально потеря высоты с момента, когда взята на себя ручка управления, до выхода из пикирования составляет около 600 м. Во время пикирования, когда самолет описывает дугу, возникает настолько значительная центробежная сила, что вес всех частей самолета, а также и вес тела пилота, увеличиваются в несколько раз. Вследствие сильного отлива крови от головы пилот испытывает
на некоторое время головокру­жение и ослепление. Увеличение веса каждой части самолета изме­ряется специальными единица­ми д (ускорение силы тяжести).

Если производится медленный вывод из затяжного пикирова­ния, временные неприятные фи­зические ощущения, испытывае­мые пилотом, возрастают, так как отлив крови от головы по капил­лярным сосудам длится большее время, чем в случае резкого и бы­строго выхода из пикирования.

При прочих равных условиях самолет с большей нагрузкой на крылья и с меньшим сопротивле­нием, вследствие лучшей обте­каемости, будет иметь большую предельную скорость.

Рис. 338. Ускорение самоле­та измеряется акселерометром *, устанавливаемым обычно вместе с остальными приборами на при­борной доске. Одна из стрелок прибора отмечает непрерывные изменения ускорения — положи­тельные и отрицательные, на­блюдаемые, когда самолет летит в неспокойном воздухе. Другая стрелка отмечает максимальное ускорение, полученное во время испытания. При обычных гори­зонтальных полетах атмосферные явления могут также вызвать не­которое ускорение в 1,2д, почти неощутимое; ускорение в 1,6^ довольно неприятно, причем, [26]
если ускорение доходит до 2<д, следует туго затянуть привязные рем­ни на сидениях. Такое ускорение можно назвать нормальным. Оно не опасно для современных самолетов. Правильный вираж под углом 30° вызывает ускорение около 1,2//. При очень крутом вираже ускорение может дойти до 3д. При правильной петле уско­рение не превышает 2д. При хорошей посадке, зависящей, конечно, от посадочной площадки и качества шасси, ускорение не превышает 1,3д, хотя обычно шасси могут выдержать ускорение до 4д и выше.

Величина атмосферных возмущений может быть предсказана с большой точностью на основании метеорологических данных, собираемых в определенные часы в различных пунктах страны.

Для проверки прогнозов метеорологических станций весьма полез­ны ежедневные отчеты штурманов воздушных линий о состоянии погоды. Следует, однако, учитывать возможность субъективной оценки данных погоды. Более объективные показания дает акселеро­метр, с помощью которого можно учесть силу некоторых атмосфер­ных явлений.

Когда самолет постепенно поднимается восходящими потоками (подъем может быть значительным), его конструкция испытывает меньшие напряжения, чем в случае быстрого вертикального подъема.

Предположим, самолет возвратился из полета, в течение которого он попадал в сильные атмосферные возмущения. Мы замечаем, что акселерометр записал ускорение в 3д, хотя при осмотре само­лета не обнаружено никаких дефектов в конструкции. Однако, после второго полета, когда акселерометр записал ускорение в 3д, мы находим при осмотре несколько ослабнувших заклепок (самолет металлической конструкции). Отсюда следует, что самолет должен подвергаться особенно тщательному осмотру после полетов.

Наличие акселерометра на самолете помогает нам изучать атмо­сферные возмущения и их последствия. Чем больше скорость само­лета, тем сильнее действие этих возмущений. То обстоятельство, что на самолете имеется такой прибор, не означает, что современные самолеты не могут выдерживать сильные бури. Разве вы считаете излишним учитывать силу атмосферных возмущений в течение всего года и в определенных районах?

Любознательность послужила причиной многих открытий!

Рис. 339. Когда самолет находится на земле, его полный вес ложится на шасси и хвостовое колесо.

Для того чтобы уменьшить толчки, сохранить на самолете при­боры и создать лучшие условия для пассажиров, между колесами и самолетом устанавливаются амортизаторы, которые поглощают большую часть кинетической энергии, получаемой от удара при грубой посадке или в том случае, когда колеса пробегают по не­ровной площадке.

На рис. 339 показан разрез амортизатора «Бендикс». В А изобра­жен амортизатор в обычном, неподвижном положении, когда вес самолета воспринимается сжатым воздухом в верхней камере амор­тизатора.

Размер амортизаторов зависит, конечно, от веса самолета. На их размеры влияет также направление приложения нагрузки.

Когда амортизатор установлен на самолете, масло, как показано на рисунке, находится в нижней камере; затем сжатый воздух на­гнетается через клапан в верхнюю камеру, пока амортизатор не растянется и не примет своего нормального положения для вос­приятия веса самолета.

При нормальной статической нагрузке длина L должна быть всегда одинаковой. При рулежке самолета небольшие толчки воспри­нимаются сжатым воздухом.

При грубой посадке в момент удара шин колес самолета о землю амортизатор сжимается, и масло из нижней камеры посте­пенно вытесняется в верхнюю, как это показано на рис. 339, В. Таким образом, кинетическая энергия превращается в тепловую вследствие сопротивления, которое оказывает масло при протекании через отверстие О и через клапан f в верхнюю камеру. Воз­дух в пространстве над маслом сильно сжимается и начинает давить на масло, пытаясь вернуть его в прежнее положение. Клапан f под давлением масла закрывается, вследствие чего масло протекает, как показано в С, через маленькие отверстия, значительно ослабляя толчки.

Когда амортизатор сжимается в момент приземления, то в конце хода амортизатора сжимается полностью и шина колеса. Затем значительная часть кинетической энергии поглощается тем же амортизатором при его обратном ходе, когда шина начинает рас­ширяться. Амортизаторы не только устраняют скачки самолетов при грубой посадке, но способствуют также плавной рулежке самолетов.

Рис. 340. Надежность и мощность амортизаторов устанавли­ваются и испытываются известным методом Депорта.

Этот метод заключается в следующем. Амортизатор устанавливают между рамой, которая поддерживает колеса, и ящиком с грузом. Ящик сбрасывается с определенной высоты. Результат падения отме­чается на особых регистрирующих барабанах; объяснение действия и конструкции их слишком сложно для наших целей. Заметим только, что ящик е грузом связан с одним из барабанов, а рама приводит в действие другой барабан. Во время испытания все данные, касающиеся амортизаторов, отмечаются на светочувствитель­ной бумаге.

Рис. 341. Тормоза, как и амортизаторы, в случае их приме­нения, поглощают кинетическую энергию, создаваемую инерцией самолета, когда он пробегает по земле при посадке.

Разрез kpbma С предохранителями

Рис. 342.

*

пршётая^Ш. ^полоса ‘о _ Хщзластцщ yV. фЩмощ Щна&уЪш щ

Рис. 345.

Рис. 342. Предохранитель от обледенения «Гудрич», как пока­зывает рисунок, представляет собой простой и в то же время эффек­тивный удалитель льда. Он состоит из резинового чехла, охватываю­щего переднюю кромку крыльев и хвостового оперения.

Внутри чехла находятся три резиновые трубки, надуваемые возду­хом. При таком устройстве профиль крыла не изменяется, когда из трубок предохранителя выпущен воздух, как это показано нарис. 343. Внутренние трубки, составляющие часть предохранителя на передней кромке крыльев, последовательно расширяются и сжимаются, подобно тому как происходят вспышки в цилиндрах моторов. В данном случае вместо тока в трубки посредством воздушного насоса подается сжа­тый воздух. Этот воздух посредством распределительного клапана подается попеременно то в одни, то в другие трубки предохранителя от обледенения.

Прибор работает следующим образом: как только на крыльях (обычно на передних кромках) образуется лед, включается предо­хранитель, и воздух под давлением проходит в распределительный клапан, который направляет воздух в среднюю трубку передней кромки крыльев (рис. 344). Затем воздух выпускается из средней трубки, наполняя одновременно обе крайние трубки (рис. 345). После этого воздух из обеих крайних трубок выпускается, и напол­няется опять средняя трубка. Этот цикл повторяется. Каким образом будет ломаться лед при вибрации передней кромки под действием предохранителя — понять нетрудно. Так как поверхности хвосто­вого оперения довольно тонки, то для них достаточно одной трубки для получения такого же эффекта, который дают несколько трубок на передней кромке крыльев. Электрический насос приводится в дей­ствие небольшим мотором, насос отрегулирован так, что цикл очистки всего самолета от льда продолжается около 40 секунд. Происходя­щее мгновенное изменение дужки крыльев при надувании трубок не отражается на работе самолета. После того как предохранитель выключен, оставшийся в трубках воздух выкачивается посредством автоматического устройства, имеющегося в распределительном кла­пане последнего образца, что позволяет резиновому чехлу снова плотно прижаться к кромке крыльев. Взлет и посадку всегда нужно производить при выключенном предохранителе. Обледенение крыльев может быть различно. Неоднократно наблюдалось образование на крыльях льда толщиной 50 мм в течение одной минуты. Чем тверже лед, тем он более хрупок и тем легче сломать его предохранителем. Но есть и лед, который может быть очень эластичным и трудно разла­
мываемым. Следует запомнить, что чем толще такой лед, тем легче уда­ляет его предохранитель.

Поскольку мы рассматриваем вопрос об образовании льда, сле­дует сказать несколько слов о граде и его влиянии на полет самолета. Град образуется вследствие охлаж­дения капель дождя, когда они падают вниз и на некоторое время вновь поднимаются восходящими потоками воздуха. Всегда следует избегать летать через зону града, так как град может вызвать серьез­ные повреждения самолета. Очень трудно заранее определить зону града. Единственный способ избежать ее заключается в следующем: при столкновении с полосой града надо сделать резкий разворот и выйти из этой полосы в любом направлении. Сделать это не так труд­но, поскольку зона града невелика.

Обледенение может происходить не только на передних кромках крыльев и на хвостовом оперении; при условиях, благоприятных для обледенения, лед скапливается также и на лопастях винта. Наличие льда на лопастях винта вызывает вибрацию, значитель­ное уменьшение коэфициента полезного действия винта и вообще причиняет много неприятностей. В США недавно изобретена помпа «Эклипс», противодействующая обледенению лопастей винта. Эта специально сконструированная электрическая помпа делает около сотни оборотов в минуту и подает раствор глицерина на спирту лопастям винта или только один спирт в диффузор карбюратора, а также, в случае надобности, на козырек кабины пилота. Помпа может управляться пилотом.

Рис. 346. Температура наружного воздуха измеряется термо­метром. Шкала этого термометра находится внутри кабины са­молета; действие термометра основано на расширении или сжатии особого газа, находящегося в маленькой металлической трубке, расположенной снаружи и соединенной проводкой с указателем[27].