☆

Новый ЦАГИ

Идея реконструкции Центрального аэрогидродинамического института возникла еще при составлении плана первой пятилетки. Экспериментально-аэродинамический отдел в это время все чаще и чаще задумывался над тем, как устранить известное несовершенство опытов в аэродинамических трубах и добиться максимальной точности эксперимента.

Практика выясняла довольно курьезные неудобства деревянной большой трубы. В ней, например, оказалось невозможным испытывать авиационные моторы с работающим винтом: во-первых, потому, что скорость потока была очень маленькой, а во-вторых, потому, что деревянная труба могла сгореть.

Опыты же, производимые с винтами без мотора, не давали желаемых результатов.

Невозможность добиться полного подобия между испытываемой моделью и натуральным самолетом в существовавших аэродинамических трубах заставляла невольно, хотя на первых порах и робко, думать о постройке таких больших труб и с такой скоростью потока, где можно было бы испытывать натуральный самолет и при больших скоростях.

Чем больше и чаще об этом думалось и говорилось, тем все менее и менее фантастическим казался такой проект. Дело дошло до того, что с конца 1929 года экспериментально-аэродинамический отдел начал разрабатывать вопрос о постройке натурных труб. Секции стали выступать со своими предложениями и проектами. Вопрос обсуждался часто и на технических совещаниях, а в начале 1930 года предварительным проектированием новых аэродинамических труб стала заниматься уже конструкторская секция.

Дискуссии носили деловой, но страстный характер, и они имеют не только исторический интерес. Долго обсуждался, например, вопрос о том, что строить раньше: самолетную или винтовую трубу. Многим казалось, что винты дошли до предела своего развития, а для того, чтобы повысить на два-три процента коэффициент их полезного действия, не стоило сооружать отдельную винтовую трубу. Однако приводился и тот довод, что в винтовой трубе будут решаться совместно вопросы винта и мотора, которые самую проблему винто-моторной группы поставят по-иному.

Нелегко было решить и вопрос о мощности больших труб. Когда появились сообщения о том, что в Соединенных Штатах Америки строят трубу с вентиляторами по 4 тысячи лошадиных сил, то многие склонялись к мысли, что это уже предел мощности и нам будет достаточно мощности порядка 10 тысяч лошадиных сил.

Специалисты по поперечной устойчивости самолета вообще спрашивали, кому, собственно, нужна натурная самолетная труба. Они, во всяком случае, в большой самолетной трубе не нуждались, так как вопросы устойчивости хорошо решаются и на моделях. Им даже удобнее было иметь дело с моделями и малыми трубами, так как модель весит сравнительно мало и ее может переносить один человек.

Докладная записка о необходимости постройки натурных труб была подана правительству в феврале 1933 года. В записке все предприятие рассматривалось как предприятие государственного значения.

Летом в кабинете Г. К. Орджоникидзе демонстрировалась работающая модель большой самолетной трубы. Сверху сквозь стекло можно было наблюдать за прохождением воздушного потока, подцвеченного дымом, и видеть всю работу трубы.

Бессменный народный комиссар тяжелой промышленности, строитель нашей тяжелой индустрии в годы первых двух пятилеток, Г. К. Орджоникидзе уделял огромное внимание развертыванию научно-исследовательской работы, использованию советской промышленностью всех достижений науки. По его представлению в августе 1933 года Совет Труда и Обороны предложил институту приступить к строительству.

Основные руководящие работники ЦАГИ — бывшие члены Воздухоплавательного кружка (слева направо): Б. Н. Юрьев, Г. М. Мусинянц, Г. X. Сабинин, В. П. Ветчинкин, А. Н. Туполев, А. А. Архангельский, Б. И. Россинский, К. А. Ушаков.

К этому времени были разработаны предварительные задания на новые сооружения и подыскан подходящий участок под Москвой.

Поиски строительной площадки — своего рода поэма. Установка тогда была такая: надо иметь аэродром, ряд лабораторий, опытный самолетостроительный завод и, наконец, хорошие жилые здания со всеми вспомогательными сооружениями — от бань до парикмахерских включительно.

Значительные заботы вызвал аэродром по иному поводу: как закрепить растения на песчаной почве?

Вопросом заинтересовался академик В. Р. Вильямс. Он выехал на место и порекомендовал посеять траву и пасти на ней овец, чтобы укрепить корневую систему всходов. При подготовке лётного поля, кроме того, приняли меры к сохранению дернового покрова почвы.

Строительные работы начались летом 1933 года с постройкой бараков, стандартных домов для жилья, подготовки дорог.

Одновременно шло проектирование больших труб. Размеры их исходили из величины натуральных самолетов и винтов, а мощность — из моторов предельной мощности, строившихся у нас заводом «Электросила». Соединяя на одном валу два якоря от таких моторов, можно было получить мощность в 15 тысяч киловатт для каждого вентилятора.

Таким образом, после многих споров, расчетов и всевозможных соображений и на этот раз проектировавшиеся у нас трубы должны были оказаться самыми мощными в мире.

За исключением весов, изготовленных по проекту Г. М. Мусинянца фирмой «Толедо» в Америке, все оборудование было выполнено у нас, а в значительной мере даже на стройке, в мастерских института.

Закладка нового ЦАГИ состоялась 6 ноября 1935 года, а в феврале следующего года Совет Труда и Обороны утвердил сроки строительных работ, после чего и началась энергичная работа по осуществлению всего грандиозного плана.

Этот целостный план правительство рассматривало 6 мая 1938 года, когда и было принято окончательное решение по всему проекту создания нового ЦАГИ и утверждена смета.

После этого заводы начали выполнять заказы с большой энергией, а строительство стало подвигаться к окончанию очень быстро. Сооружение больших труб было закончено к осени 1939 года. В августе и сентябре состоялся пуск этих труб.

Но еще раньше, в День авиации, 18 июля 1936 года, были опробованы малые аэродинамические трубы — «Т-102» и «Т-103».

Первая из них явилась моделью большой самолетной трубы, уменьшенной в шесть раз.

Строительство корпуса, где помещались малые трубы, шло с бурной стремительностью.

Строили зимой, в снег, метели, холода, и закончили сооружение корпуса и труб к весне 1936 года. Таким образом, выполнено было намерение: заручиться опытом и уверенностью, что большие трубы оправдают свое назначение.

Но, разумеется, малые трубы имели и свое особенное назначение.

По сравнению со старыми трубами московского ЦАГИ малые трубы в новом ЦАГИ гораздо более совершенны во всех отношениях, а значит, и обеспечивают нашим аэродинамикам несравненно большую надежность экспериментального исследования моделей.

Во всяком случае, все модели новейших наших самолетов, составивших славу авиации в годы Великой Отечественной войны, испытывались именно в этих трубах.

Малые трубы

Корпус малых труб включает две аэродинамические установки: трубу «Т-102» и трубу «Т-103». Обе трубы замкнутого типа, но с открытой рабочей частью: кольцеобразная труба как бы разрывается, и в этом пространстве помещается испытываемая модель. Соответствующей аэродинамической обработкой концов такой трубы достигается та же равномерность воздушного потока, как и в целой трубе, но, разумеется, экспериментировать в трубе с открытой рабочей частью, где модель вся на виду, несравненно удобнее, чем в закрытой трубе.

В этой открытой части трубы имеют не круглое, а эллиптическое поперечное сечение.

Поток воздуха в первой трубе, «Т-102», создается двумя вентиляторами, установленными в начале двух обратных каналов, образующих трубу. По обратным каналам гонится воздух, всасываемый вентиляторами у открытой части трубы. В коленах этих каналов находятся поворотные лопатки, направляющие поток. Каждый вентилятор сидит на одном валу с электромотором и вращается со скоростью до тысячи оборотов в минуту.

Вторая труба, «Т-103», имеет только один вентилятор. Скорость воздушного потока тут значительно выше, чем в первой трубе.

Обе трубы предназначены для аэродинамического обследования моделей самолетов, крыльев, фюзеляжей и тому подобных объектов.

Но труба «Т-102» сохраняет свое значение и как модель большой самолетной трубы. Она не только облегчила и ускорила ввод в действие большой самолетной трубы, но и до сего времени часто заменяет ее при некоторых опытах и исследованиях.

Развитие и совершенствование экспериментальных методов при исследовании натуральных самолетов в большой трубе рождают всё новые и новые вопросы. Предварительное исследование их при всякой возможности переносится в малую трубу, эксплуатация которой обходится много дешевле.

При постройке трубы «Т-102» был разрешен, между прочим, очень интересный и существенно важный вопрос о «пульсациях» воздушного потока.

С этим странным явлением аэродинамики столкнулись впервые еще в Москве, в старом ЦАГИ, когда там пускали в ход первую у нас трубу с открытой рабочей частью.

Труба была установлена в лаборатории имени С. А. Чаплыгина. Как только труба начинала работать, по всем четырем этажам здания начинали хлопать двери, прыгали на столах графины, трескалась штукатурка. В американской литературе нашлись описания подобных явлений, происходивших в американских трубах, и указывались некоторые средства для предотвращения пульсаций. И вот во время очередного запуска трубы А. И. Сильман и Г. М. Мусинянц произвели такой опыт: сунули ладони рук в поток около обреза трубы. Пульсации немедленно прекратились, графины перестали звенеть и двери успокоились. Все это произошло так неожиданно и так было похоже на чудо, что присутствующие начали аплодировать, а к ним присоединились и сами чудодеи. Тогда пульсации возобновились, и здание опять запрыгало.

Пульсации потока бывают только у труб с открытой рабочей частью. Вызывая вибрацию всего сооружения, пульсации могут угрожать его прочности, и при постройке больших труб пришлось серьезно взяться за изучение этого загадочного явления.

После тщательного изучения причин возникновения в малых трубах пульсаций потока были найдены весьма эффективные меры борьбы с ними. Во все новые трубы были внесены конструктивные изменения, благодаря которым пульсации потока в них сведены до безобидных пределов.

Такого рода конструктивные изменения в очень малой степени сказывались на аэродинамических качествах труб.

Самой существенной и самой крупной работой лаборатории малых труб надо считать создание атласа аэродинамических характеристик современных профилей крыла. Участие в работе принимала вся лаборатория тем или иным путем. Атлас вышел исключительно полным по материалу для аэродинамической характеристики крыловых профилей и оказался чрезвычайно полезным для авиаконструкторов.

Бóльшая часть научно-исследовательских работ нашего аэродинамического центра после его реконструкции стала посвящаться решению тех новых задач, которые возникают при переходе самолетостроения к большим скоростям. Малые трубы, описанные здесь, и другие, более скоростные, оказались весьма кстати. Именно в них выполнен был ряд интереснейших работ, приближающих нас к разрешению вопросов скоростного полета.

Многие из этих исследований отвечают уже запросам завтрашнего дня, как этого мы и требуем от теоретической науки.

Исследованием же моделей боевых машин, составивших военную славу русской авиации, малые трубы оказали неоценимую услугу в дни войны.

Здесь были исследованы модели опытных самолетов С. В. Ильюшина, А. С. Яковлева, А. Н. Туполева, С. А. Лавочкина, В. М. Петлякова, Н. Н. Поликарпова, П. О. Сухого. Бóльшая часть этих самолетов и была принята на вооружение Советской Армии накануне Великой Отечественной войны.

Но еще лучшую службу в деле обороны и подготовки победы сослужили большие трубы, составляющие особую достопримечательность нового ЦАГИ.

Блок больших труб

При проектировании больших натурных труб находились люди, выражавшие опасение, очень забавное, но не лишенное смысла. Они опасались, что, испытывая натуральный самолет в столь совершенной аэродинамической трубе и в условиях, столь близких к натуральным, экспериментатор разучится думать и потеряет всякий вкус к творческой работе, так как ему придется лишь механически констатировать факты и автоматически делать из наблюдений практические выводы.

Однако на деле получилось нечто совершенно обратное. В новых условиях экспериментирования целый ряд вопросов получил иное освещение и быстро стал накапливаться новый материал для теоретических обобщений.

Уже самое сооружение больших труб, конструирование и наладка их оборудования потребовали исключительного напряжения творческой мысли, большой изобретательности и остроумия. В этом легко убедиться даже при самом поверхностном знакомстве с устройством и работой этих грандиозных аэродинамических установок.

Демонстрационная модель большой самолетной трубы.

Схематически большая самолетная труба — это труба замкнутого типа, с открытой рабочей частью и двумя обратными каналами. Но в открытой рабочей части тут помещается двухмоторный бомбардировщик, а в расширяющейся части трубы мог бы уместиться московский Большой театр, и по этому можно судить о размерах сооружения и здания, в котором оно заключено.

Воздушный поток в такой трубе создают два вентилятора соответственных размеров. Каждый из них вращается спаренными электромоторами мощностью в 15 тысяч киловатт.

Мощность обеих натурных труб составляет 60 тысяч киловатт, и они, работая, потребляют такое же количество электроэнергии, какое давала первая очередь Волховгэса.

Каждый вентилятор весит 30 тонн, но между гигантскими лопастями их и стеной трубы зазор не более нескольких миллиметров. Они сосут воздух с такой силой, что из-за шума, производимого воздушным потоком, экспериментаторы лишены возможности разговаривать. Распоряжения отдаются условными сигналами цветных лампочек. Вообще во время испытаний действует только автоматика, доведенная здесь до высокого совершенства.

Вéрхом достижения конструкторского мастерства являются аэродинамические весы этих труб.

Весы похожи на капитанскую рубку океанского корабля. Кабина стоит под открытой рабочей частью трубы, на потолке ее и помещается испытываемый самолет. Подготовка самолета к испытанию заключается в том, что у него отнимаются шасси, а вместо них ему пристраивают особые «ноги». Мощный кран поднимает затем самолет и устанавливает его на весы, где для его «ног» имеются стальные «калоши», воспринимающие вес самолета и действующие на него силы и передающие их целому лесу всевозможных рычагов.

Рычаги находятся под кабиной, и разобраться в них может только Г. М. Мусинянц, автор весов, да еще несколько «избранных», в ведении которых состоит система рычагов.

Даже К. А. Ушаков, конструктор не меньшего опыта и знаний, построивший с Г. М. Мусинянцем не один прибор, не одни весы, отказывается объяснить назначение и действие того или иного рычага в этой системе.

— Начертить схему действия этих весов я могу, — улыбаясь, говорит он, — но указать, какой рычаг соответствует схеме, я не в состоянии. На схеме он — прямая горизонтальная или вертикальная черта, а тут он может быть горбатым, чтобы пропустить под собой другой рычаг, может иметь самый неожиданный вид… Это очень умственная штука!

В самой кабине находятся только головки весов — круглые, окаймленные никелированной рамой циферблаты со стрелками. Это те самые головки, на которые смотрят часто москвичи в овощных магазинах. Лес рычагов позволяет отсчитывать действующие на самолет силы непосредственно на циферблате весов, без того огромного количества вычислений, которыми сопровождаются измерения на обычных аэродинамических весах.

Тут же в кабине находится еще одно чудо конструкторского искусства — небольшой изящный закрытый механизм, называемый «копирующим механизмом». Он также освобождает экспериментатора от больших и сложных вычислений, определяющих аэродинамические силы, действующие на самолет при изменении положения центра тяжести.

В этом механизме имеется стержень, который электромеханическим путем копирует любое положение испытываемого в трубе самолета на данный момент, а затем при помощи такого же электромеханического устройства заставляет весы, независимо уже от поведения самолета, вычислить и дать справку о том, что произойдет, если мы переместим центр тяжести самолета.

Эту справку механизм и подает экспериментатору соответствующими цифрами под стеклышком.

«Центровка» самолета, как мы раньше это уже видели, самолетостроителю дается не легко.

Не стоит, стало быть, говорить о достоинствах копирующего механизма, отвечающего с предельной точностью на трудный и важный вопрос.

Если механизм «заявляет», что выбранная «центровка» не наивыгоднейшая, то конструктор и следует после испытаний его «совету».

Копирующий механизм спроектирован также Г. М. Мусинянцем, а построен полностью в мастерских института, людьми, специализировавшимися на постройке точнейших механизмов.

Г. М. Мусинянц.

Монтировались весы под непосредственным наблюдением Г. М. Мусинянца, и это было нелегкое дело, ибо автор добивался невиданной точности.

Каждая система рычагов в процессе сборки немедленно проверялась, и конструктор переходил к следующей системе только после того, как разница между показаниями стрелок на циферблате и действительной нагрузкой в несколько тонн не превышала 10–20 граммов.

Случилось однажды, что расхождение показаний весов с действительной нагрузкой выразилось неожиданной цифрой — свыше четырехсот граммов. Это событие потрясло конструктора настолько, что два дня он ходил возле весов, разводя руками в полном отчаянии: вся система рычагов действовала безукоризненно, и в чем заключалась причина неточности, он не мог понять.

Конечно, его утешали, указывая, что при нагрузке в 10–15 тонн не так уж важна неточность в полкилограмма, но он не поддавался никаким уговорам и только твердил:

— Никогда больше чем на восемнадцать граммов не расходилось. Что такое случилось, понять не могу!

И опять начинал просматривать лес рычагов.

К вечеру второго дня он вбежал к Ушакову с сияющими глазами, радостно восклицая:

— Тапочки! Тапочки, чорт их возьми!

— Какие тапочки?

— Тапочки уборщица засунула в грузы. Вот откуда и взялись четыреста граммов!

Оказалось, что уборщица, имевшая специальные тапочки для мытья полов, не нашла более подходящего места, чтобы спрятать их, как засунуть в щель между чугунными грузами.

Точность весов и до сих пор остается непревзойденной. При испытании самолета, когда на него действуют силы порядка 10–15 тонн, весы, например, дают знать экспериментатору о забытом в самолете гаечном ключе весом в полкилограмма.

Схема работы всасывающей аэродинамической трубы.

Пуск в ход больших труб состоялся в 1939 году: в августе — самолетной и в сентябре — винтовой.

К этому важному событию готовились: были назначены ответственные лица за определенные узлы, перед запуском производились обследование и внимательный осмотр всей трубы.

Заранее условились, чтобы не было «ажиотажа пуска». Пускали, медленно повышая скорость и повторяя осмотры перед каждым переходом на новую скорость.

Нервы у всех были напряжены так, что когда случайно перегорела лампочка, освещавшая трубу над вентиляторами, произошел переполох. Кому-то показалось, что в трубе появились электрические искры. Трубу остановили и убедились, что никаких искр не было, лампочка перегорела от сотрясения и, вероятно, перегорая, давала несколько более неровный и яркий свет.

С пуском больших труб начинается новый период в истории аэродинамических исследований института. Уже первые результаты испытания показали, каким превосходным инструментом располагает наш аэродинамический центр.

Конечно, не сразу пришло уменье полностью пользоваться теми огромными возможностями, которые заключала в себе эта необыкновенная аэродинамическая установка, но оно пришло.

Испытания натуральных самолетов

Впервые по-настоящему полно и хорошо большие трубы были использованы в начале 1941 года при испытании истребителя «МИГ-3» конструкции А. И. Микояна и М. И. Гуревича.

После испытания в больших трубах существенным результатом было одно чрезвычайно важное открытие. Выяснилось, что каким бы совершенным ни казался конструктору его опытный самолет, путем небольших, часто даже неприметных на глаз, доделок можно улучшить его лётные качества и прежде всего повысить скорость на 20–30 километров в час.

На первый взгляд кажется, что 20–30 километров лишней скорости при расчетной скорости машины в 500, 600, 700 километров не такая уж важная вещь, чтобы из-за нее воздвигать грандиозные сооружения — натурные трубы.

В действительности дело обстоит вовсе не так. Ведь мировая авиация в среднем держится на одинаковом скоростном уровне, и если наступает война, то преимущество будет как раз на стороне того противника, которому удастся повысить скорость своих боевых машин хотя бы на несколько десятков километров.

Обычно каждый новый самолет того или другого класса и превышает по скорости аналогичные машины всего на несколько десятков километров в час. Из-за этих десятков километров и создаются новые или модифицируются старые машины, причем для этой цели на них ставятся новые моторы большей мощности. На все это требуется масса времени, труда, средств.

Легко видеть, какое огромное значение может иметь повышение скорости самолета на те же 20–30 километров при незначительных изменениях конструкции самолета, лишь в результате небольших, простых и легких доделок.

Конечно, и до того было известно, что всевозможными «зализами» — устранением выступающих деталей, отделкой поверхностей — можно улучшить аэродинамические качества самолета, но испытания в больших трубах натурального самолета указывали непосредственно, что надо сделать и какую ценность имеет та или другая доделка. Конструктор, опираясь на свое технологическое чутье, следуя привычному мышлению, не всегда в состоянии правильно оценить выгоду того или иного мероприятия. При натурных испытаниях такого рода вопросы решаются с безукоризненной точностью и ясностью.

Вот маленький пример.

Антенна радиостанции на самолете с ее мачтами и проволоками, несомненно, повышает лобовое сопротивление самолета и, значит, в какой-то мере снижает скорость. От антенны спускается в кабину летчика свободно висящая проволока. Казалось бы, что удельный вес сопротивления этой проволоки в общем сопротивлении самолета совершенно ничтожен, но когда эту проволоку пропустили через мачту, скорость самолета повысилась на 2 километра в час. Наоборот, можно думать, что еще больше будет выигрыш, если вовсе убрать мачту. Так как переднюю мачту убрать вообще невозможно, то убрали заднюю, расположенную на киле самолета. Выигрыша в скорости не получилось.

Конструктору свойственно переоценивать удельный вес аэродинамических форм, на них обычно сосредоточивалось все его внимание. Последние годы в опытном самолетостроении, например, больше всего занимались «зализыванием» выступающих частей, отделкой поверхностей самолета, хотя применяемые для этой цели специальные лаковые покрытия, особенно в условиях фронта, держатся и не очень-то долго. В то же время вопросами системы охлаждения, с точки зрения понижения лобового сопротивления, у нас вовсе не интересовались.

Натурные испытания показали, что совершенство аэродинамических форм, вообще говоря, только половина дела. Другая половина возможных ресурсов для уменьшения сопротивления, а значит, и повышения скорости, лежит в области внутренней аэродинамики, в совершенствовании внутренней канализации самолета, обслуживающей систему охлаждения мотора.

Промышленная аэродинамика, которой занималась вентиляторная секция ЦАГИ, накопила огромный материал по внутренней канализации и течению воздуха по каналам, но в самолетостроении никто этим материалом не пользовался. Тут даже геометрически многое делалось неправильно. Считалось, например, что чем больше отверстие для притока воздуха, тем больше его будет поступать в систему охлаждения и тем охлаждение будет лучше. На деле оказалось, что отверстия меньших диаметров при правильном канале служат для той же цели гораздо лучше.

Истребитель «МИГ-3» для своего времени явился замечательной машиной. Он сделал резкий скачок вперед по скорости и был очень хорошо принят нашими летчиками.

Еще до войны, начиная с 1938 года, «МИГ-3» начал строиться серийно, радуя своим успехом сердца конструкторов.

Конечно, конструкторы никогда не успокаиваются на достигнутом и стремятся всячески усовершенствовать свое создание. Получив высокую скорость на истребителе, Артем Иванович Микоян и Михаил Иосифович Гуревич, представляющие собой идеальный пример творческого содружества, решили усилить вооружение «МИГ-3» и вместо имевшихся на нем двух пушек установили четыре. Это несколько утяжелило машину.

В это время появился наш новый мощный мотор воздушного охлаждения. Этот мотор и был поставлен на самолет вместо стоявшего на нем «АМ-35» водяного охлаждения. И вот тут с самолетом произошла странная история. На лётных испытаниях оказалось, что скорость самолета с новым мотором не только не повысилась, но даже чуть-чуть снизилась против прежней его скорости со старым, менее мощным мотором.

Такой неожиданный результат поставил в тупик конструкторов, и самолет привезли в новый ЦАГИ.

При первоначальной продувке самолета в большой трубе у него оказалось очень большое лобовое сопротивление, гораздо более значительное, чем было раньше, хотя при смене моторов конструкция самолета не претерпела решительно никаких изменений.

К. А. Ушаков начал размышлять, отыскивая причину увеличения сопротивления. Так как аэродинамические формы самолета оставались прежними, надо было думать, что сопротивление возросло за счет воздушного охлаждения. При новой продувке самолета для опыта закрыли вовсе отверстие капота, через которое поступал воздух в систему охлаждения. Сопротивление так резко снизилось, как нельзя было и предположить. Это обстоятельство заставило призадуматься и поэтому чрезвычайно помогло разобраться в деле.

В капоте еще были обнаружены разные щели, через которые, также бесполезно для дела и создавая излишнее сопротивление, происходила утечка воздуха. Когда при новой продувке предварительно заклеили все эти вредные щели, доведя систему охлаждения до полной герметизации, самолет получил свою расчетную скорость и с соответствующими рекомендациями был возвращен на аэродром.

За очень небольшой срок нормальной работы больших труб испытаниям и аэродинамическим улучшениям здесь подверглись все самолеты, составляющие славу нашей военной авиации, причем не только опытные их экземпляры, но и серийные, уже состоящие на вооружении.

И ни один из этих самолетов не вернулся на аэродром без рекомендаций, позволивших повысить лётные или боевые качества машин.

Динамическая и статическая прочность

Работа отдела прочности старого ЦАГИ позволила дать и для скоростных машин нормы прочности, которыми и руководствовались создатели боевых самолетов.

Массовое применение авиации в сложнейших условиях современного боя дало материал, позволивший проверить нормы прочности и уточнить их. Однако новые тактические задачи, непрестанное совершенствование боевых машин потребовали дальнейшей научно-исследовательской работы, для того чтобы ответить на вопрос, какой должна быть прочность самолета при выполнении авиацией возлагаемых на нее новых и новых тактических задач.

Большое значение в этом деле приобрели законченные постройкой и вступившие в эксплуатацию в 1941 году динамическая и статическая лаборатории нового ЦАГИ.

Лаборатория статических испытаний представляет собой по существу единую громадную испытательную машину. Мощный железобетонный пол площадью в 2,5 тысячи квадратных метров имеет около двух километров «силовых прогонов» — забетонированных в полу рельсов, к которым прикрепляются тросы, удерживающие самолет внизу, в то время как другие тросы тянут его вверх. Весь корпус наверху замыкается силовым потолком, несущим семнадцать кранов, расположенных в три яруса. В этой колоссальной машине, оснащенной специальной аппаратурой, и происходит исследование прочности самолетов.

Через эту лабораторию прошли все серийные самолеты, получившие такую огромную популярность в ходе войны: истребители «Як-1», «Як-7» и «Як-9», истребитель «Ла-5», штурмовик «Ил-2», бомбардировщик «Пе-2» и ряд других.

Здесь было проверено качество серийного производства и даны были рекомендации по его улучшению.

Здесь подверглись испытаниям, еще более волнующим, и новые опытные самолеты.

В этом зале с тайным или явным, хорошо или плохо скрываемым волнением следили за испытанием своих созданий и С. В. Ильюшин, и А. С. Яковлев, и Н. Н. Поликарпов, и С. А. Лавочкин.

Есть в жизни каждого самолетостроителя один момент, когда обнажается его творческий и человеческий характер и для него самого и для посторонних глаз: это момент испытаний самолета — как лётных, так и в особенности статических испытаний на прочность. 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; не только удовлетворить нормам прочности, но и не превысить их, чтобы не отяжелить машину.

Какой самолетостроитель не почувствует себя в лаборатории статических испытаний, как в камере пыток, когда его создание с медленно нарастающей силой стремятся разорвать на части стальные тросы, спускающиеся с потолка, поднимающиеся от железобетонного пола! Каждый конструктор облегченно вздыхает, когда машина выдерживает критическую нагрузку в сто процентов, но если и после нее самолет не трещит, не разрушается, создатель самолета снова впадает в томительное и взволнованное ожидание. Если до того он страстно желал, чтобы машина не издала ни одного звука, ни одного стона, то теперь, наоборот, с такой же страстностью он жаждет, чтобы у самолета отвалилось крыло, прорвалась обшивка, прогнулись лонжероны.

Неудивительно, что в этой лаборатории подвергается испытанию не только самолет, но и его строитель.

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, но поглядывающие на него работники лаборатории удивляются его выдержке, а не спокойствию.

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.

Покойный Николай Николаевич Поликарпов никогда не приступал к испытаниям, не осмотрев своими глазами все приготовления, после чего становился суровым, молчаливым и нелюбезным, каким никто его не знавал.

Его изощренная долгим опытом предусмотрительность во всех случаях, касавшихся, хотя бы весьма отдаленно, вопросов безопасности, поражала окружающих. Если ему говорили: «Да ведь этого, Николай Николаевич, не бывает», — он отвечал сумрачно: «Бывает, что и палка стреляет…»

Судьбой летчиков, судьбой пассажиров, доверяющих свою жизнь его машине, Поликарпов дорожил гораздо больше, чем судьбой своего самолета. Вот почему с таким волнением он присутствовал при испытании своих опытных машин, и вот почему конструкции «У-2» или «Р-2», рассчитанные на экипаж в два человека, оказались в нужде способными поднимать и доставлять на место по четыре, пять и восемь человек.

И только, пожалуй, Сергей Владимирович Ильюшин, не изменяя себе ни в манерах, ни в жесте, ни в движениях, спокойно садится перед своей машиной и с добродушием мастера, сдающего работу заказчику, следит за всем происходящим.

Нынешнее развитие авиации с ее растущими скоростями полета делает испытания на прочность все более и более ответственными. Раньше конструктору требовалось только обеспечить статическую прочность, некоторую жесткость системы, выдерживающую определенную нагрузку. Для современного самолета с его большими скоростями простой статической прочности уже недостаточно. Ему нужно обеспечить и так называемую динамическую прочность, предусматривающую возможность наступления значительных колебаний тех или иных частей самолета.

Надо сказать, что, кроме флаттера, о котором мы уже рассказывали, есть еще один тип вибраций подмоторной рамы, приводимой в колебание работающим мотором.

При этом следует напомнить, что прочность конструкции при вибрационных нагрузках не совпадает с прочностью конструкции при обычных нагрузках. Тонкий, длинный камышовый прут с насаженным на него точильным камнем при очень быстром его вращении легко противостоит вибрациям, в то время как толстый деревянный вал с тем же камнем резко вибрирует и ломается. Иногда менее прочная конструкция лучше противостоит вибрациям, чем более прочная; гибкая система оказывается лучше жесткой благодаря возникновению сил, саморегулирующих всю систему.

Постоянные, или статические, нагрузки приводят сразу к разрушению конструкции. Переменные, или динамические, нагрузки приводят к разрушению конструкции по прошествии значительного времени. Это явление называется усталостью материала от вибраций.

Для исследования явлений усталости, или, точнее, выносливости, и создана динамическая лаборатория.

Несколько лет назад у серийных самолетов одного завода после известного срока их эксплуатации в лонжероне центроплана, сделанного из хромомолибденовых труб, обнаруживались трещины, свидетельствовавшие о начавшемся разрушении. Между тем самолет нормам прочности удовлетворял и статические испытания отлично выдерживал. Над причиной появления опасных трещин пришлось задуматься. Только после тщательного анализа мест и форм разрушений и специальных длительных испытаний на выносливость материалов удалось эту причину установить.

Оказалось, что обнаруженные на поясе лонжерона трещины являются началом общего разрушения центроплана от усталости материала под влиянием вибраций, вызываемых винто-моторной группой самолета.

Дело в том, что всякий материал, будь то сталь, дерево, сплавы, способен постепенно разрушаться от долгого действия даже небольших нагрузок. С течением времени под действием переменной нагрузки материал постепенно теряет способность к сопротивлению, как бы устает и наконец разрушается, кладя начало общему разрушению конструкции.

Однако специальные исследования вопросов динамической прочности показали, что не всякая нагрузка обязательно доведет конструкцию до разрушения, как бы долго она ни действовала. Оказывается, что для каждого материала существует такое переменное напряжение, при котором материал не разрушается, сколько бы времени его ни заставляли работать, что явление усталости наступает только за известным пределом выносливости. Такую выносливость материала нельзя определить иначе, как экспериментальным путем с весьма длительными испытаниями.

Опыты показали, например, что материал, выдержавший в данной конструктивной форме десять миллионов колебаний, обычно обладает нужной выносливостью и может работать при данных нагрузках как угодно долго, не уставая.

В лаборатории динамических испытаний своя аппаратура, свои машины, своя методика. Испытываются на усталость и крошечные детали и отдельные части самолета.

По природе своей и характеру очень близки к явлению усталости разрушения шасси или деталей, на которых укрепляется вооружение. Повторяющиеся нагрузки в деталях шасси, отдача оружия после каждого выстрела передаются на узлы крепления и дальше, на ближайшие элементы конструкции. В обоих случаях при многократных повторениях деталь может разрушиться.

Испытания шасси на специальном приспособлении производятся путем ударной нагрузки. Здесь испытывать только материал нельзя. Поэтому, помимо исследования материала на усталость, шасси испытываются целиком: их много раз сбрасывают с большой нагрузкой, соответствующей весу самолета, на специальной установке, называемой копром.

Длинный ряд рекомендаций, данных лабораторией прочности конструкторским бюро и серийным заводам, касается многих деталей самолета — от лонжеронов до болтов. По этим рекомендациям меняются и конструктивные формы исследованного объекта и технология его производства.

Насколько аппаратура и методы наших лабораторий прочности стоят на высоте, можно судить хотя бы по тому факту, что при обследовании немецких самолетов были обнаружены весьма существенные дефекты их в отношении прочности, которые остались неизвестными и выпускающим их заводам и создающим их конструкторам.

Ввод в действие целого ряда столь совершенных лабораторий и аэродинамических установок, какими располагает новый ЦАГИ, позволил ему не только и качественно и количественно повысить свое участие в общем деле обороны, но и углубить разработку огромного научного наследства и научных идей, завещанных Н. Е. Жуковским и С. А. Чаплыгиным созданному ими центру научной авиации.

Авиастроение как наука

Сергей Алексеевич Чаплыгин умер 8 октября 1942 года. За несколько дней до смерти он спокойно и обстоятельно обсуждал различные практические мероприятия по ускорению строительства аэродинамической лаборатории. В березовой роще перед входом в лабораторию и был похоронен первый ученик Жуковского.

С. А. Чаплыгин имел счастье, не часто выпадающее тому, кто пролагает новые пути в науке или искусстве, дожить до того времени, когда даже такая далеко заглядывающая вперед его работа, как докторская диссертация «О газовых струях», получила огромное признание и нашла практическое приложение в авиастроении.

Любопытна судьба этого замечательного сочинения, ознаменовавшего переход к новой эпохе в механике — эпохе технической механики.

Техническая механика начала заниматься вопросами теории полета, но интересы ее распространялись и на все другие области бурно развивающейся техники XX века. Механика из математической науки превратилась в науку, опирающуюся равно и на достижения материалистической мысли и на широкий научный эксперимент. С. А. Чаплыгин, рядом с Н. Е. Жуковским, был одним из сильнейших мыслителей, применивших математическую науку к решению технических задач.

По этому же пути с огромным успехом идет академик С. А. Христианович, достойный их преемник.

В своей докторской диссертации «О газовых струях» С. А. Чаплыгин дал решение ряда задач о струйных движениях сжимаемого газа, каким является и воздух. Основное значение этой работы в том, что она дает методы изучения газовых течений со скоростями, близкими к звуковым. Но методы С. А. Чаплыгина позволяют идти гораздо дальше. Развитие заложенных в работе Чаплыгина идей позволило создать теорию скоростного полета, решить основные вопросы, связанные с расчетом крыла при дозвуковых скоростях, граничащих с звуковыми.

Пока воздух можно было рассматривать как несжимаемую жидкость — скажем, воду, — вопросы обтекания тела набегающим воздушным потоком решались применительно к законам гидродинамики, далеко подвинутой вперед трудами Н. Е. Жуковского. При переходе к большим скоростям вопросы обтекания уже нельзя решать по аналогии с движением тела в жидкости: при скоростях, близких к звуковым, воздух дал знать, что он сжимаем, и повел себя совсем иначе, чем жидкость. Понадобилось решить ряд задач, определяющих движение воздушного потока при таких скоростях.

Большие скорости хотя и существуют в природе, но нашему непосредственному восприятию они не поддаются. Учиться, наблюдая живую природу, тут нельзя, и если техника на ранней поре строилась на подражании природе, то в эпоху больших скоростей она строится только на научном познании природы.

В этом отношении история авиастроения особенно характерна.

Авиация ведь также возникла из подражания живой природе и непосредственного наблюдения. Осенний лист, плавающий в воздухе, — вот первое летающее крыло и несущая плоскость. Все строители крыльев для летания по воздуху учились летать и строить свои аппараты у птиц. Но современное авиастроение возможно только как наука.

С. А. Христианович.

Известно, что на первых самолетах крылья представляли несущие плоскости, неподвижно скрепленные с самолетом и не имевшие ничего общего с тем сложным и гибким механизмом, какой представляет крыло птицы. Современное крыло самолета с его добавочными подвижными частями — предкрылками, закрылками, элеронами и щитками — представляет сложный и гибкий механизм, приближающийся к крылу птицы.

Основы теории механизации крыла даны С. А. Чаплыгиным в его исследовании «Схематическая теория разрезного крыла», а основой всей современной прикладной аэромеханики является работа Н. Е. Жуковского «О присоединенных вихрях».

Чем более авиация приближается к звуковым скоростям полета, тем дальше авиастроение уходит от подражания живым формам природы, тем более оно становится наукой. Только научное познание живой природы могло породить мысль о профиле крыла с острыми углами и для сверхзвуковых скоростей.

Непосредственное наблюдение, каким бы глубоким и тонким оно ни было, таких идей в живой природе почерпнуть не может, потому что нашему непосредственному восприятию доступна лишь природа небольших скоростей и незначительных давлений.

Но современный самолет — не только крыло, фюзеляж, мотор и винт. Он состоит из нескольких тысяч различных деталей. Нынешний боевой самолет — сложнейший физический прибор. Чтобы построить самолет, нужны разнообразнейшие материалы. Авиастроению служат геология и геофизика, математика и механика, все отделы физики и химии, не говоря уже о металлургии и технических науках, которые должны обеспечить осуществление машины.

Самолет, таким образом, — это практическое приложение всех естественных наук.

В авиастроении любой вопрос, каким бы узким он ни казался, какой бы частный случай он ни представлял, может быть разрешен только путем научного исследования.

С каждым шагом вперед на пути к достижению больших скоростей все более и более резко дает себя знать своеобразие самолета как инженерного сооружения, своеобразие условий, в которых ему приходится работать и развиваться.

Попробуем проследить это влияние скорости полета на развитие авиастроения как науки опять-таки на каком-нибудь частном случае — скажем, на воздушном охлаждении авиационных моторов.

В начальном периоде своего развития, когда скорости полета были очень небольшими, авиастроение обеспечивало охлаждение мотора тем, что применяло ротативные моторы. Вращаясь, моторы сами по себе охлаждались, для чего цилиндры их снабжались ребрами, увеличивавшими площадь соприкосновения с воздухом.

В дальнейшем авиастроение стало пользоваться для охлаждения мотора набегающим на самолет встречным потоком, скорость которого быстро возрастала. Появились звездообразные моторы, мощность которых постепенно увеличивалась. Хотя скорость полета возрастала более за счет улучшения аэродинамических форм самолета, чем за счет увеличения мощности моторов, воздушного потока уже не хватало для охлаждения, хотя оребрение моторов и было усилено.

Возникла опасность перегрева мотора при взлете, при максимальной скорости, особенно на больших высотах, где в силу некоторого разрежения воздуха требовался больший его объем для охлаждения. В то же время при увеличении размеров мотора и повышении скорости полета лобовое сопротивление мотора стало заметным и даже отягчающим в общем сопротивлении самолета. Тогда-то и появился капот, позволивший обдувать цилиндр мотора потоком, имеющим скорость, достаточную для охлаждения, но значительно меньшую, чем скорость полета. Получалось, что мотор как бы летит со скоростью меньшей, чем самолет, и его лобовое сопротивление резко снижалось.

Новое улучшение системы охлаждения заключалось в том, что через капот стал прогоняться только тот воздух, который соприкасается с ребрами цилиндров. Масса воздуха, не работавшего на охлаждение, в капот не допускалась. После этого стали регулировать и площадь выхода воздуха из капота, так что на цилиндрах мотора остается лишь перепад давлений, необходимый для охлаждения, и он в несколько раз меньше, чем давление скоростного напора потока, набегающего на самолет.

Эта весьма совершенная система воздушного охлаждения применяется еще и в наши дни. Но так как мощность современных моторов увеличивается, а размеры их остаются прежними или даже уменьшаются, то для охлаждения требуется увеличивать количество воздуха, проходящего через ребра по старым, строго рассчитанным каналам. А в то же время при скоростях, близких к звуковым, возникает опасность появления волнового кризиса на передней части фюзеляжа, и авиастроение должно идти на уменьшение площади входного отверстия.

При таком положении дела направление развития моторов воздушного охлаждения и применение их на скоростных самолетах таково, что в ближайшее время охлаждение их «самотеком» станет невозможным, и авиастроению придется прибегнуть к предложенному К. А. Ушаковым принудительному охлаждению моторов, а именно: снабдить винто-моторную группу вентилятором. Насколько можно судить по предварительным расчетам и экспериментам, вентилятор потребует для своего вращения специального привода от коленчатого вала с числом оборотов в три-четыре тысячи в минуту, потребует мощности около двухсот лошадиных сил.

Таким образом, и без того невообразимо сложная винто-моторная установка усложнится еще более. Несомненно, что и на все другие элементы авиастроения переход к большим скоростям будет влиять примерно таким же образом.

Всякий шаг вперед — к большим скоростям — увеличивает противоречия, заложенные в самой природе самолета. Научное исследование углубляет их. Чтобы примирить эти противоречия и создать машину, нужны люди совершенно особого склада ума и характера, для которых авиастроение из науки превращается в искусство.