С XIX века сталь являлась основным материалом в машиностроении. С появлением авиации её попытались применить на самолётах. В 1912 г. профессор Г. Рейсснер из Технического университета в г. Аахен (Германия) при участии Г. Юнкерса построил из стали моноплан схемы «утка» с гофрированной железной обшивкой, а в 1915 г. Юнкерс создал собственный цельностальной самолёт J1 со свободнонесущим крылом. Толщина его обшивки составляла от 0,5 до 1 мм и соединялась с каркасом с помощью точечной электросварки.
Но сталь оказалась слишком тяжёлой для самолётов. Монопланы Рейсснера и Юнкерса летали с трудом и могли поднять лишь небольшой груз. Так, J1 при взлётном весе более 1000 кг мог взять только 110 кг полезной нагрузки.
Стальной самолет Г. Юнкерса J1.
После Первой мировой войны в авиации получил распространение лёгкий алюминиевый сплав дюралюминий. Его называли «крылатый металл». В начале 1930-х годов из этого материала в СССР строили все самолёты, созданные под руководством А.Н. Туполева: разведчик Р-З, истребитель И-4, бомбардировщик ТБ-1, пассажирский ПС-9. Алюминиевые сплавы всё шире применялись и на машинах других авиаконструкторов. Но из-за нехватки производственных мощностей и отсутствия в СССР некоторых компонентов, входящих в состав дюралюминия, большую часть этого сплава приходилось импортировать.
Данное обстоятельство вызывало беспокойство. В мае 1932 г. на совещании в ЦАГИ известный металловед И.И. Сидорин заявил: «Дюраль — основной материал алюминиевого самолётостроения — является с технологической точки зрения идеальным материалом. Его механическая характеристика такова, что позволяет создать хорошие самолёты, причём эти самолёты строятся очень просто…Но в последнее время ввиду того, что алюминий получается из-за границы, у нас возникло сомнение — имеем ли мы право делать самолёты из алюминия, потому что всё базируется на импорте». Сидорина поддержал М.Н. Тухачевский, выступив с предложением о переводе строительства самолётов с дюралюминия на высокосортные стали.
Начало работ по применению стали в советской авиации относится ко второй половине 1920-х годов и связано с созданием цельнометаллического дирижабля К.Э. Циолковского. Они велись в Военно-воздушной академии в Москве. В 1928 г. за границей приобрели оборудование для точеной и роликовой электросварки тонких стальных листов, опыты с которым дали положительные результаты (обычную ацетиленовую сварку применять было нельзя, так как тонкий металлический лист прогорал).
Металлический дирижабль Циолковского так и не построили. Зато полученный опыт переняли авиаконструкторы. В Военно-воздушной академии при кафедре самолётостроения была организована лаборатория по изучению возможности использования высококачественных сталей при создании самолётов.
Наибольшие перспективы сулило применение нержавеющей стали. Сначала экспериментировали с марками крупповской нержавеющей стали, приобретёнными в Германии, затем — с отечественными сталями марок «Энерж». Заготовки изготавливали на заводе «Электросталь», а листы — на заводе «Серп и молот» в Москве. Нержавеющая сталь обладала хорошей свариваемостью при контактной электросварке вследствие своего большого сопротивления. По прочности на разрыв «Энерж-6» почти втрое превосходила дюралюминий, правда и весила она значительно больше.
Характеристики нержавеющей стали и дюралюминия.
«Сталь-2».
В конце 1931 г. под руководством конструктора ЦАГИ А.И. Путилова в Отделе опытного самолётостроения Научно-исследовательского института ГВФ был изготовлен самолёт «Сталь-2» из нержавеющей стали. Каркас крыла и фюзеляжа выполнили из гофрированных стальных листов, изогнутых в виде пучка труб и соединённых с помощью хомутиков и точечной электросварки. Ажурная конструкция получилась лёгкой, но была трудоёмкой. Надо сказать, что «Сталь-2» не был цельнометаллическим самолётом: борта фюзеляжа сделали из фанеры, а крыло имело полотняную обшивку.
Машина показала хорошие лётные характеристики и с 1934 г. строилась серийно. Её развитием была «Сталь-3» с более мощным двигателем и увеличенным с 4 до 6 числом пассажиров.
«Сталь-2» и «Сталь-3» успешно работали на авиалиниях страны. Однако надежды на их рекордную долговечность не оправдались. Сама нержавеющая сталь могла служить десятки лет, но полотняная обшивка крыла и фанерные борта фюзеляжа периодически требовали замены или ремонта.
Этого недостатка не должен был иметь летательный аппарат, сделанный целиком из нержавеющей стали. Такой самолёт создали в Московском авиационном институте в 1934 г. Он назывался «ОСО-МАИ», позднее — «ЭМАИ-2» (экспериментальный самолёт МАИ № 2; первым был моноплан из сплава электрон «ЭМАИ-1»), затем — «Сталь-МАИ».
История появления «ОСО-МАИ» на протяжении многих лет объяснялась так: в начале 1930-х годов руководство советской авиапромышленности поручило студентам МАИ создать специальный самолёт для дальних перелётов. Но на самом деле эту машину построили на деньги, собранные у народа на развитие нашей авиацией общественной организацией «Осоавиахим».
В 1920-е годы дальние перелёты советских самолётов осуществлялись большей частью на средства и при деятельном участии Осоавиахима. Позднее, когда этими перелётами и установлениями мировых достижений озаботилось высшее руководство Советского Союза, бремя расходов на их осуществление полностью взяло на себя государство. В августе 1931 г. при обсуждении планов строительства рекордных самолётов денежные средства добровольной оборонной организации ещё упоминались. В частности, начальник Всесоюзного авиационного объединения, а в недавнем прошлом начальник ВВС РККА, П.И. Баранов предложил направить более полумиллиона осоавиахимовских рублей в ЦАГИ на постройку самолёта РД (АНТ-25). Однако передать общественные средства напрямую в промышленность оказалось непросто, согласия в этом вопросе у руководства не наблюдалось. Тогда решили передать деньги для постройки дальних стальных самолётов в Московский авиационный институт.
22 декабря 1931 г. дирекция МАИ направила на имя известного авиаконструктора Дмитрия Павловича Григоровича письмо следующего содержания: «МАИ, приглашая Вас в качестве преподавателя института по кафедре „Проектирование самолётов“, а также в качестве Главного конструктора по проектируемому Институтом самолёту, настоящим сообщает, что участие Ваше в работах Института согласовано с Нач. ГУАП т. Барановым, а также у Института имеется прямое согласие на такое Ваше участие со стороны Нач-ка ЦАГИ т. Пауфлера и Нач-ка ЦКБ ЦАГИ т. Ильюшина. Нач. Института Вольский».
Д.П. Григорович.
Д.П. Григорович дал согласие, и 3 февраля 1932 г. был подписан следующий договор:
«1. Осоавиахим и МАИ совместно предпринимают на научно-технической и производственной базе МАИ проектирование и постройку двух стальных сварочных самолётов, имеющих назначение совершить кругосветный перелёт.
2. Работы по проектированию и строительству самолётов производятся с таким расчетом, чтобы самолёты были готовы к полёту не позднее 1-го мая 1933 года.
3. МАИ совместно с ЦС Осоавиахима обеспечивает приобретение у Всесоюзного авиационного объединения одного мотора М-34 к 15 сентября 1932 года…
4. Для целей, обусловленных настоящим договором, Осоавиахим отпускает МАИ средства в сумме 600 000 рублей».
Тогда же последовал приказ по институту, согласно которому Д.П. Григорович должен был приступить к набору необходимого числа конструкторов и к окончательной разработке эскизного проекта самолёта, с расчётом предоставления эскизного проекта на предварительный просмотр штаба не позднее 25 февраля.
Через год был готов окончательный проект. Самолёты для кругосветного перелёта должны были иметь следующие данные: длина — 12,5 м, размах — 21,5 м, вес пустого — 2500 кг, полётный вес — 4620 кг, крейсерская скорость — 245 км/ч, нормальная дальность полёта — 3700 км, дальность в перегрузочном варианте (с 3000 кг топлива) — 7500 км, потолок — 5000 м. Началось изготовление опытного крыла для статических испытаний. Однако построить самолёты в срок не удавалось. И это неудивительно: всё КБ Григоровича в МАИ состояло из шести конструкторов и пяти чертёжников, а производственной базы по существу не было.
К этому времени Осоавиахим уже перевёл МАИ 350 тыс. рублей. Комиссия, летом 1933 г. проверявшая состояние работ, пришла к выводу, что часть этих средств потрачена не по назначению. «Незаконно израсходованные деньги на строительство квартир вернуть Осоавиахиму, а несгораемый шкаф и автомобиль считать собственностью Осоавиахима», — говорится в заключении комиссии.
Другим, более важным решением, стал вывод о необходимости изменения задания на более реальное для МАИ. В новом договоре (июнь 1933 г.) речь шла о постройке только одного самолёта, меньших размеров, о кругосветном перелёте уже не упоминалось. «В целях скорейшего и бесперебойного строительства самолёта МАИ обязуется пополнить имеющееся конструкторское бюро инженерно-техническими работниками, профессурой и аспирантами», — отмечалось в договоре.
Машина должна была быть готова к началу 1934 г. Затраты на завершение работ определили в 550 тыс. рублей, финансирование взяло на себя Главное управление ГВФ, затем — Главное управление авиационной промышленности.
Григорович так сформулировал назначение строящейся машины: «установление рекорда дальности полёта самолёта советской конструкции с советским мотором на основе покрытия большой дальности полёта при минимальном времени пребывания в воздухе с одновременным освоением в производстве и испытании новых элементов конструкции из нержавеющей стали по принципу применения электросварки». Таким образом, самолёт предназначался для установления скоростного рекорда дальности, с прицелом на использование этих наработок при создании дальнего бомбардировщика.
В расширенное конструкторское бюро вошли студенты П.Д. Грушин, М.М. Пашинин, Л.П. Курбала, В.А. Федулов, А.П. Щекин и другие. Расчёты на прочность выполнил В.Д. Яровицкий. С появлением в МАИ учебно-производственных мастерских изготовлением самолёта руководил С.М. Беляйкин.
«ОСО-МАИ» представлял собой одномоторный низкоплан с трапециевидным крылом однолонжеронной конструкции. Относительная толщина профиля была 16 %. В крыле размещались топливные баки. Крыло — свободнонесущей схемы, горизонтальное оперение — с подкосами. Фюзеляж — полумонокок овального сечения, с двухместной кабиной, закрытой общим фонарём. Кресла пилотов имели откидные спинки и были оборудованы таким образом, чтобы экипаж мог отдыхать в полёте. Посадка в самолёт осуществлялась через дверцы в фонаре. При необходимости экипаж мог быть увеличен до трёх человек — для этого за кабиной оборудовали небольшой отсек с иллюминаторами в боковых стенках фюзеляжа.
При изготовлении каркаса планера использовали опыт постройки «Сталь-2» А.И. Путилова. Основным материалом служила сталь «Энерж-6», из дюраля были только капот двигателя, элероны и хвостовое оперение. Рулевые поверхности имели полотняную обшивку. Винт — деревянный. Практически вся конструкция фюзеляжа, крыла и оперения из катаных листовых профилей была соединена точечной и роликовой электросваркой, обшивка крыла и фюзеляжа сделана из листа толщиной 0,2–0,3 мм с частыми отбортовками (рифтами или зигами) с шагом 80 мм. В.Б. Шавров пишет, что тонкая стальная обшивка образовывала многочисленные мелкие неровности на поверхности фюзеляжа.
Силовая установка — двигатель М-34Р с номинальной мощностью 750 л. с. Ранее он экспонировался на выставке, поэтому отличался особой тщательностью отделки (возможно, первоначально это был макетный вариант, полученный для проведения увязочных работ по винтомоторной группе).
Участники строительства «Сталь-МАИ».
Шасси состояло из двух подкрыльевых опор с масляно-пневматической амортизацией и хвостового костыля. По замыслу основные стойки убирались в крыло при помощи ручного привода, однако на практике самолёт оборудовали неубираемым шасси.
В соответствии с принятыми правилами летом 1933 г. НИИ ВВС подготовил технические требования для военной модификации. Такой вариант разрабатывался и был утвержден 15 октября 1933 г. Главным конструктором Д.П. Григоровичем и инженером П.М. Крейсоном. Предусматривалась установка пулемётов ШКАС (один — для стрельбы вперед через винт, второй — для стрельбы назад-вверх) и крыльевых держателей для бомб весом до 500 кг.
В то время, когда самолёт ещё строился, Григорович переключился на другие работы, в частности на создание истребителей с динамо-реактивными пушками Курчевского, поэтому техническое руководство созданием стального самолёта МАИ перешло к П.Д. Грушину. К концу 1933 г. в институте окончательно оформилось конструкторское бюро, которое получило официальное наименование ОКБ-1 и в дальнейшем функционировало как полноценное проектное подразделение во главе с главным конструктором Грушиным.
Расчётные характеристики «Сталь-МАИ» в гражданском (рекордном) и военном вариантах.
Самолёт в цехе учебно-производственных мастерских МАИ.
Самолёт изготовили в мастерских института летом 1934 года. В журнале «Самолёт» № 11 за 1934 г. сообщалось: «19 сентября состоялись лётные испытания самолёта Сталь-МАИ имени Алксниса. Испытывающий самолёт лётчик Ю.М. Пионтковский отмечает прекрасный взлёт самолёта и хорошую устойчивость в воздухе».
Затем три полёта выполнил лётчик-испытатель НИИ ВВС И.Ф. Козлов. 4 октября 1934 г. при совершении пятого по счету полёта произошла авария на Центральном аэродроме. В этот день подняться на «Сталь-МАИ» готовились испытатель Пионтковский и главный конструктор Грушин. Причиной аварии послужила банальная ошибка пилота, не переключившего бензокран на питание из основного бака. На взлёте двигатель остановился, и машина врезалась в кучу песка. В результате были повреждены силовые элементы носовой части фюзеляжа в районе двигателя, моторама, шасси, стыковые узлы крыла.
25 ноября 1934 г. Д.П. Григорович направил руководству института заявление с просьбой предоставить ему полугодовой отпуск для научно-исследовательской работы. Судя по всему, именно в этот период он вплотную приступил к проектированию пушечного истребителя ИП-1. Руководство доработками «Сталь-МАИ» Дмитрий Павлович предлагал оставить за собой, причём не претендовал за это на вознаграждение: «состояние конструкторской части этих работ моего ежедневного присутствия в МАИ не требуют; все чертежи и эскизы будут и впредь мною просматриваться и визироваться…».
В 1935 г. самолёт отремонтировали, однако сведения о продолжении лётных испытаний отсутствуют. Четыре года спустя двухмоторный пассажирский «Сталь-7» конструкции Р.Л. Бартини достиг результата, возлагавшегося на «Сталь-МАИ»: на нём был установлен мировой рекорд скорости на маршруте в пять тысяч километров. Это расстояние экипаж прошел со средней скоростью 405 км/ч, превысив прежнее достижение французов на самолёте «Амио-370».
Со второй половины 1930-х годов в связи с расширением производства отечественного алюминия идея выпуска стальных самолётов утратила актуальность. Но металлическим самолётостроением Д.П. Григорович продолжал заниматься до конца жизни. В ноябре 1937 г. он подал заявку на изобретение «Цельно штампованный самолёт» (так в документе). В ней говорилось:
«Для быстрой реализации производственных ресурсов авиапромышленности, для мобилизации её на наиболее совершенных новейших типах самолётов решающее значение будет иметь конструкция самолёта и его технология.
Существующие конструкции основываются на методах мелко-зернистого, преимущественно ручного производства, требующего: квалифицированных кадров, громоздкого производственного аппарата и длительных сроков внедрения, достигающих иногда 2–3 лет, что приводит к устарению самолёта и к обесцениванию его боевого значения.
Это положение резко изменяется при применении конструкции цельно штампованного самолёта. Сущность её в том, что конструкция главных частей самолёта, как то: фюзеляжа, крыльев, оперения и прочих проектируется расчлененной на крупные моноблочные части, допускающие штамповку и выполняется штамповкой этих частей из дуралюмина или другого лёгкого металла.
Штамповка производится либо из крупных листов дуралюмина с одновременной отштамповкой на них сетки жесткости, либо на очень нагруженных частях, как крылья, из жёсткой сетки в виде законченного каркаса с последующим соединением его с обшивкой.
Таким образом, в конструкции полностью устраняется огромное количество мелких и крупных, требующих ручной пригонки деталей, как то: лонжеронов, нервюр, шпангоутов, профилей и прочих, что во много раз ускоряет и удешевляет производство, допуская конвейерную сборку из крупных отштампованных и впоследствии этого точных, взаимозаменяемых частей.
Конструкция эта применима как к малым, так и к средним и большим самолётам, требующим, однако, разной сетки и разного способа расчленения и числа расчленяемых частей.
Конструкция эта после её теоретического и производственного освоения значительно упростит и ускорит проектирование и постройку новых машин, кроме того, она имеет ценные военно-эксплуатационные преимущества во взаимозаменяемости, жизненности и ремонте самолётов…».
В авторском свидетельстве Григоровичу отказали, посчитав предложение нереальным. Эксперты не знали, что через несколько десятилетий использование прессованных панелей с обшивкой и внутренним каркасом станет стандартным методом в самолётостроении.
Однако вернёмся к «Сталь-МАИ». Первый самолёт со стальным каркасом и стальной обшивкой не оставил заметного следа в истории нашей авиации. Но он интересен тем, что в определенном отношении является предтечей всемирно известного трёхмахового боевого самолёта МиГ-25 — обе машины были выполнены в основном из стали с широким использованием электросварки.