Как развивался ЦАГИ

Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н. Е. Жуковского (ЦАГИ) — авиационный государственный научный центр России. Его направления деятельности в настоящее время — теоретические, экспериментальные и прикладные исследования в области аэродинамики и динамики полета, систем управления, прочности и аэроупругости, аэротермодинамики и газовой динамики, перспективных летательных аппаратов, уникальных экспериментальных установок, гидродинамики и аэроакустики, в том числе разработки в области нанотехнологий, участие в испытаниях и сертификация летательных аппаратов.
ЦАГИ был основан в 1918 году. В 1935 году институт перевели в город Жуковский под Москвой. В данном материале речь пойдет о некоторых сторонах деятельности ЦАГИ в 1935 — 1950 годах.
Идея реконструкции ЦАГИ возникла при составлении плана первой пятилетки.
Практика выяснила неудобства старой большой трубы — главной составляющей ЦАГИ. В ней оказалось невозможным испытывать авиационные моторы с работающим винтом, так как скорость потока была недостаточная, да и сама деревянная труба могла сгореть. Стало ясно, что нужны большие трубы, чтобы испытывать самолеты и моторы (винты) в натуральную величину и при больших скоростях.
Мощность вентиляторов в больших трубах, по предварительному мнению специалистов, должна была быть порядка 10 тысяч лошадиных сил. Исходили из мощности американских труб с вентиляторами по 4 л. с.
Докладная записка в правительство о необходимости постройки в ЦАГИ больших труб была подана в феврале 1933 года. Закладка нового ЦАГИ по решению правительства состоялась 6 ноября 1935 года. Сооружение двух больших труб (одна — для испытания самолетов, другая — для винтов) было закончено в сентябре 1939 года. Рабочая часть самолетной трубы вмещала двухмоторный бомбардировщик, а расширяющаяся ее часть имела размеры Большого театра.
Воздушный поток создавали два вентилятора общей мощностью 40 тысяч л. с. Каждый вентилятор весил 30 тонн. Между лопастями и стеной трубы зазор составлял всего несколько миллиметров.
Важный показатель самолета, который исследовался в аэродинамической трубе, — центровка. Она измерялась с точностью до 10 — 20 граммов.
Случилось однажды, что расхождение показаний весов с массой самолета составило свыше 400 граммов. Конструктор был в недоумении. Ему говорили, что, может быть, это ничего страшного при нагрузке в 12 тонн, но конструктор твердил: «Никогда больше чем на 18 граммов не было разницы».
На третьи сутки конструктор нашел причину: «Тапочки!!! Уборщица засунула в грузы тапочки. Вот откуда взялись 400 граммов».
Оказалось, что уборщица, надевавшая тапочки при мытье полов, не нашла более подходящего места для них, чем щель между чугунными грузами.
Впервые большие трубы были использованы в начале 1941 года при испытании истребителя МиГ-3. После испытания самолета выяснилось, что он путем устранения недоделок может повысить скорость на 20 — 30 км/час.
Мировая авиация держится на одинаковом скоростном уровне, и если наступает война, то преимущество будет как раз на стороне того, кому удастся повысить скорость своих боевых машин хотя бы на несколько десятков километров в час. Из-за этих десятков километров создаются новые или модифицируются старые машины, причем для этой цели на самолеты ставятся моторы большей мощности. А сколько на это тратится времени и средств!
В трубе же выявляются незначительные изъяны в конструкции самолета. Конструктору открывается возможность их устранить без особого труда.
Например, от антенны спускается в кабину летчика проволока. Казалось, что сопротивление этой проволоки в общем сопротивлении самолета совершенно ничтожно. Однако, когда эту проволоку поместили в обтекатель, скорость самолета повысилась уже на 2 км/час­.
Или другой пример. Считалось, что чем больше отверстие для притока воздуха, тем лучше будет работать система охлаждения мотора. Однако испытания в трубе показали, что отверстия меньших диаметров обеспечивают лучшее охлаждение.
Стали обращать внимание на щели в капотах авиационных двигателей. Оказалось, что если заклеить все вредные щели, доведя двигатель до полной герметизации, то самолет резко уменьшает лобовое сопротивление.
Перед войной за небольшой срок в ЦАГИ испытаниям и аэродинамическим усовершенствованиям подверглись все боевые самолеты.
Работа отдела прочности ЦАГИ позволила разработать нормы прочности, которыми стали руководствоваться конструкторы самолетов.
Война требовала ответить на вопрос, какой должна быть прочность самолетов при выполнении ими боевых задач.
В 1941 году в ЦАГИ вступили в строй динамическая и статическая лаборатории.
Лаборатория статических испытаний состоит из железобетонного пола площадью 2,5 тысячи квадратных метров, в котором забетонированы рельсы. К ним прикрепляются тросы, удерживающие самолет снизу. Другие тросы прикреплены к потолку. Они тянут самолет вверх с помощью 17 кранов. В лаборатории имеется специальная аппаратура, с помощью которой замеряется статическая прочность.
Почти все серийные самолеты военного времени (Як-1, Як-7, Як-9, Ла-5, Ил-2, Пе-2) прошли через эту лабораторию. В лаборатории с волнением следили за испытаниями авиаконструкторы С. В. Ильюшин, А. С. Яковлев, Н. Н. Поликарпов и С. А. Лавочкин. Дело в том, что самолет одинаково идет в брак и тогда, когда он недостаточно прочен, и тогда, когда он излишне прочен. Ведь конструктор должен дать не только прочную машину, но и легкую. Самолет должен удовлетворять нормам прочности, но не превышать их, то есть не быть слишком тяжелым.
По сути, в этой лаборатории подвергается испытанию не только самолет, но и его создатель.
В одной из популярных книг по авиации приводится следующая цитата о поведении конструкторов при разрыве их самолетов тросами:
«Один из старейших авиаконструкторов Александр Александрович Архангельский, например, убегает за колонны зала, когда нагрузка приближается к ста процентам, и оттуда взволнованно спрашивает: «Сколько?»
С лица Александра Сергеевича Яковлева не сходит приветливая улыбка, когда он стоит перед вздрагивающей от новой нагрузки своей машиной, и поглядывающие на него работники лаборатории удивляются его выдержке…
Павел Осипович Сухой кажется намного старше своих лет в этот момент, а Семен Алексеевич Лавочкин становится способным говорить громко и взволнованно, как никогда и нигде не говорит.
Николай Николаевич Поликарпов никогда не приступает к испытаниям, не осмотрев своими глазами все приготовления, после чего становится суровым, молчаливым и нелюбезным, каким никто его не знает. <…>
И только, пожалуй, Сергей Владимирович Ильюшин, не изменяя себе ни в манерах, ни в жесте, ни в движениях, садится перед своей машиной и с добродушием мастера, сдающего работу заказчику, следит за всем происходящим».Следует заметить, что раньше конструктору требовалось обеспечить статическую прочность, жесткость самолета, выдерживающую определенную нагрузку. Теперь же ему необходимо обеспечить и динамическую прочность. Она отражает способность машины выдерживать флаттер (самовозбуждающиеся автоколебания) и вибрации подмоторной рамы.
Переменные, или динамические, нагрузки приводят к разрушению конструкции по прошествии значительного времени. Это явление называют вибрационной усталостью материала. Исследуют его в динамической лаборатории ЦАГИ.
Для каждого материала существует такое напряжение, при котором материал не разрушается, сколько бы времени его ни заставляли работать. Такую выносливость материала определяют только экспериментальным путем. Испытываются на усталость и крошечные детали, и отдельные части самолета.
Больше всего подвержены усталости шасси и детали креп­ления вооружения. Испытания шасси производятся путем ударной нагрузки. Кроме того, их сбрасывают с нагрузкой, соответствующей весу самолета.
Нельзя не отметить, что при испытаниях на прочность трофейных немецких самолетов были обнаружены существенные дефекты, которые немецкие инженеры так и не выявили.
С 1960 года по настоящее время ЦАГИ имени профессора Н. Е. Жуковского ведет многочисленные исследования в различных областях науки и техники. Результаты их по понятным причинам пока не разглашаются.
Сергей Елисеев.
Фото пресс-службы ЦАГИ