Русский запас прочности против флаттера

В начале 1990-х один американский летчик, полетав на МиГ-29, с восторгом отозвался о нем, но все-таки добавил журналистам: «Наконец-то русские научились делать хорошие самолеты». Между тем он никогда до этого не летал ни на советских, ни на российских летательных аппаратах (ЛА). Значит, фраза об исправившемся русском самолетостроении, скорее всего, стремление хоть как-то принизить конкурента в глазах общественности. Между тем существует общее мнение специалистов, что российское самолетостроение является лучшим в мире. Проследим это на примере решения в 1930-х годах проблемы флаттера в авиастроении СССР.
Флаттер (от англ. flutter — трепыхаться, бить крыльями) — явление аэроупругости, одна из разновидностей вибраций — незатухающих упругих колебаний частей ЛА, возникающих в полете при скорости полета, достигшей некоторого определенного значения. Эти колебания порождаются аэродинамическими воздействиями и относятся к автоколебаниям.
Осенью 1931 года Андрей Николаевич Туполев в Центральном аэрогидродинамическом институте (ЦАГИ) поручил бригаде Павла Осиповича Сухого приступить к конструированию самолета АНТ-25 (или РД — «Рекорд дальности»). В 1937 г. на этом самолете были совершены перелеты Москва – Ванкувер (США) и Москва – Сан-Джасинто (США) через Северный полюс. РД был задуман с очень большим удлинением крыла: в размахе – 34 м. В это время появились публикации, что на крыле с большим удлинением почти всегда возникают вибрации, причем колебания крыла нарастают настолько быстро и с такой силой, что оно разрушается. Это был флаттер, возникающий при превышении некоей критической скорости, различной для каждого ЛА.

АНТ-25

На Западе от флаттера уже начали гибнуть самолеты. Туполев опасался, что крыло РД в полете войдет в автоколебания и разрушится. Постройка этого самолета находилась под контролем правительства, поэтому нужно было во избежание неожиданностей провести расчет АНТ-25 и на флаттер. Для выяснения физической природы флаттера в ЦАГИ создали группу под руководством будущего академика М. В. Келдыша, который со своими сотрудниками, среди которых выделялся Е. П. Гроссман, приступил к изучению флаттера. Вскоре эта группа не только создала общую теорию флаттера, но и разработала методы, позволяющие рассчитывать для каждого самолета критическую скорость. Для проверки теории крыло РД и ряд моделей ЛА испытали в аэродинамической трубе. Результаты подтвердили теорию. Но часть советских авторитетных самолетостроителей считала, что явление флаттера придумали в ЦАГИ, требовался эксперимент. Провел его 2 октября 1934 г. летчик-испытатель Сергей Николаевич Анохин на планере «Рот-фронт-1» (РФ-1) конструкции О. К. Антонова.
Все видели, как планер мгновенно разрушился, но все равно нашлись скептики, которые утверждали, что это не флаттер, а причина разрушения – превышение перегрузки при пикировании. Анохин же писал в отчете, что он по заданию периодически резко отклонял элероны и наблюдал за планером. Вскоре скорость пикирования дошла до расчетной критической скорости. И сразу у планера скрутились крылья, вследствие резкого торможения летчика выбросило из кабины. Привязные ремни порвались. После раскрытия парашюта на высоте 1500 метров летчик наблюдал, как высоко, справа от купола парашюта, падали обломки планера. Два крыла описывали спирали, намного ниже штопорила кабина, а вокруг нее вертелась пыль из мелких щепок. Обогнав Анохина, кабина упала на пашню. Затем приземлился летчик.

Сергей Анохин на обломках РФ-1

Почти одновременно с ним на земле распластались крылья РФ-1. Был сделан вывод, что РФ-1 рассыпался из-за статического перекручивания крыла. Скоро о «смертельном номере» русского летчика стало известно в США. Оттуда в Коктебель, где проводились испытания, пришла телеграмма: «За любую цену покупаем кинопленку». Пленки не было, но все понимали, что изучение флаттера невозможно без объективного контроля.
Первая катастрофа, связанная с вынужденными колебаниями конструкции, в СССР случилась в 1935 году при испытаниях транспортно-пассажирского самолета ЗиГ-1 (по названию завода имени Гольцмана), или ПС-89. При планировании ЗиГ-1 на посадку на высоте 50 метров произошла катастрофа: отвалилось горизонтальное оперение. Погибли шесть человек. Историк авиатехники В. Б. Шавров пишет: «Причиной, по-видимому, был бафтинг» (один из видов автоколебаний, ближайший «родственник» флаттера).

ЗиГ-1

На следующий год, 3 июля 1936 г., летчик-испытатель А. П. Чернавский и Ф. И. Ежов проводили испытания торпедоносца Т-1 (АНТ-41) – морского варианта скоростного бомбардировщика АНТ-40 (СБ). Они должны были превысить максимальную скорость на 15 %, но при достижении критической скорости у Чернавского вырвало штурвал, и самолет стал разрушаться из-за изгибно-элеронного флаттера, возникшего вследствие неполной компенсации элеронов: 80 % вместо 105 %. Самолет разрушился, экипаж спасся на парашютах.
Авария Т-1 насторожила создателей СБ. Решили, используя методику Келдыша — Гроссмана, испытать на флаттер серийные самолеты СБ. Это поручили летчику-испытателю Марку Лазаревичу Галлаю. Первый СБ, пришедший с завода, Галлай испытывал на предельную скорость. До флаттера летчик на нем не дошел, поврежденный перегрузками самолет не годился для испытаний на флаттер. На втором СБ флаттер был достигнут и зарегистрирован самописцами. Описание флаттера в своей книге Галлай начинает словами: «Вдруг будто огромные невидимые кувалды со страшной силой забарабанили по самолету…» М. Л. Галлай спасся тогда только благодаря своему изобретению — предварительной фиксации триммера на подъем самолета. Это автоматически уменьшило скорость, когда из рук летчика вырвался штурвал. Флаттер СБ был вызван «поведением» элерона. Весовую компенсацию элеронов увеличили до 90 — 93 %, и флаттер на СБ был устранен.
Таким образом, теория группы Келдыша стала универсальной. В качестве исходных данных для расчета критической скорости конструкторами использовались технические характеристики самолета. Советская теория флаттера уже в 1930-е годы отыскала пути его укрощения, что помогло нашей авиации иметь небольшие потери от флаттера: для его недопущения делались, например, небольшие утолщения на концах крыльев, иногда усиливали киль или стабилизатор, изменяли угол стреловидности и др.
Однажды на одном из боевых самолетов в войсках в хвосте нашли закрепленный солидный груз. Решили облегчить самолет и выкинули «болванку». В результате самолет попал во флаттер.
Между тем флаттер стал бичом мировой авиации. Так, в Германии за период с 1935 по 1943 г. от флаттера погибли около 150 экипажей. С 1940-х до начала 1960-х годов в США произошло более 100 происшествий, связанных с флаттером, в том числе две катастрофы пассажирских лайнеров L-188 фирмы «Локхид».
Во время войны почти каждая ленд­лизовская машина имела дефект, а любой истребитель Р-39 («Аэрокобра») легко срывался в штопор и очень неохотно выходил из него. Вдобавок он имел непрочную хвостовую часть. Фирме «Белл эйркрафт корпорейшн» была послана рекламация. В ответ американцы стали поставлять в Советский Союз Р-63 «Кингкобра», на которой, по заверению разработчиков, были учтены замечания советской стороны. Но и «Кингкобра» имела конструктивные недостатки. Тогда в США поехала наша делегация, где советские летчики-испытатели провели ряд испытательных полетов по согласованной с американцами программе. Нашим летчикам пришлось разбить одну «Кингкобру», а другой сделать скручивание хвоста. Небоевые потери двух самолетов впечатлили американцев. Они наградили наших летчиков и пообещали устранить недостатки.
Самодеятельное любительское конструирование сверхлегких летательных аппаратов (СЛА) в СССР получило в свое время довольно активное развитие. Проводились смотры-конкурсы сверхлегких летательных аппаратов, в организации которых активно участвовал и ДОСААФ. Для широкого круга самодеятельных конструкторов в СССР была выпущена книга «Расчет, проектирование и постройка сверхлегких самолетов» (авторы П. И. Чумак и В. Ф. Кривокрысенко), рассчитанная на начинающих конструкторов-любителей, занимающихся в клубах технического творчества, интересующихся самостоятельной постройкой сверхлегких самолетов.
В заключение следует сказать, что флаттерная проблема должна и сейчас учитываться при конструировании самолета.
Отечественный запас прочности поможет избежать неприятностей в воздухе.
Сергей Елисеев.