Над прочностью самолётов авиаторы задумались сразу после полёта братьев Райт. Почти половина попыток подняться в воздух тогда заканчивалась авариями и катастрофами. Машины разрушались, поскольку первые самолётостроители не знали, как рассчитывать конструкцию, какие брать запасы прочности, подчас не могли определить реальные характеристики используемых материалов.
Дополнительная трудность состояла в том, что самолёт, очевидно, должен быть как можно легче. И конструкторам, которые зачастую творили, следуя своей интуиции, приходилось балансировать на грани между лишним весом и безопасностью.
Учёные разных стран, пользуясь методами аэродинамики, довольно слабо разработанными в начале ХХ века, делали попытки анализа нагрузок, которые действуют на самолёт при взлёте, посадке, других манёврах. Конструкция летательных аппаратов в те времена представляла собой обшитый полотном деревянный каркас, выполненный в виде ферм. Поэтому при прочностных расчётах куда больше использовали опыт мостостроителей.
В России во время Первой мировой войны при Управлении военно-воздушного флота была организована Техническая комиссия, возглавляемая выдающимся специалистом в области гидро- и аэродинамики А. П. Фан-дер-Флитом. В ней также работали Н. Е. Жуковский, А. Н. Туполев и занимавшийся проблемами мостов профессор С. П. Тимошенко (см. «Наука и жизнь № 12, 2003 г.). Кстати, С. П. Тимошенко, оказавшись после революции на Украине, буквально за несколько месяцев написал первый отечественный труд в этой области «О прочности аэропланов».
Бюро стало предтечей ЦАГИ. Сразу после организации института главным прочнистом в нём стал В. П. Ветчинкин, учившийся у С. П. Тимошенко. В первые годы в ЦАГИ научные исследования и практическое проектирование летательных аппаратов шли параллельно. Лишь позже самостоятельными отраслями стали моторостроение и разработка авиационных материалов, а затем появились специальные авиационные КБ.
С первых дней перед коллективом института в качестве одной из основных поставили цель разработать нормы прочности и методы расчёта конструкций самолётов. Этим занимались В. П. Ветчинкин и один из будущих директоров ЦАГИ А. И. Макаревский.
В 1930-х годах самолёты начали делать из металла, и прочнистам ЦАГИ пришлось разрабатывать и осваивать новые методы расчёта и испытаний конструкций.
Техника непрерывно совершенствовалась, ставя перед учёными всё новые и новые проблемы. Скорость полёта выросла, и начали происходить аварии: в элементах конструкции неожиданно возникали самопроизвольные колебания с большой амплитудой, и самолёт разрушался в воздухе, как от взрыва. Это явление назвали «флаттер». Иногда автоколебания возникали и на земле. Например, при разгоне колёса шасси начинали непредсказуемо поворачиваться вправо-влево, вплоть до поломки шасси. Эти колебания получили название «шимми». В ЦАГИ подробно изучили проблему автоколебаний и научились с ними бороться (М. В. Келдыш и др.).
Предвоенные годы ознаменовались строительством здания для испытаний на прочность полномасштабных самолётов. Проект предусматривал, что в нём можно будет размещать самолёты массой до 50 т. Легендарный конструктор С. В. Ильюшин в своём отзыве выразил сомнение в возможности создания таких гигантских самолётов. Видимо, и гении ошибаются, потому что сейчас в перестроенном и значительно расширенном корпусе мы испытываем аэропланы, весящие более 200 т.
Интересна история другого здания, появившегося на территории ЦАГИ в середине 1950-х годов. В нём производятся испытания на усталостную прочность. При его возведении использовались элементы ангара, который вывез из Германии сын И. В. Сталина Василий. Он хотел использовать ангар в качестве манежа, но после смерти «отца народов» ангар перекочевал в город Жуковский.
Много работы было у прочнистов в годы Великой Отечественной войны. Необходимо было обеспечить максимальную боевую живучесть самолётов. В ЦАГИ испытывались все наши самолёты, а также поступавшие по ленд-лизу и даже трофейные. Самолёты должны были летать при попадании в них пуль и даже снарядов определённого калибра. Разработанные на основе этих исследований рекомендации очень помогли конструкторам. На фронте, бывало, весь фюзеляж и крылья изрешечены осколками, а самолёт продолжал летать.
С появлением в 1950-х годах реактивной авиации и сверхзвуковых самолётов возникли новые задачи. При скоростях выше звуковой трение воздуха о корпус становится настолько большим, что поверхность нагревается до сотен градусов. Например, при скорости, втрое превышающей скорость звука, температура поверхности достигает 300°С, а у алюминия потеря прочности наступает уже при 90—130°С. Иногда корпус разрушался даже без нагрузки — всего лишь от напряжений, возникавших из-за высокого температурного градиента. Алюминиевые сплавы во многих случаях пришлось заменить титаном и сталью.
Особую важность приобрела разработка норм прочности и методов испытаний гражданских самолётов — ведь эти нормы писались кровью погибших пассажиров. До 1954 года в официальных нормативах на прочность указывалось, что самолёт пригоден к эксплуатации, если он выдерживает однократную статическую нагрузку. Величина этой нагрузки выбрана такой, что за всю жизнь самолёта она может встретиться не более одного раза. На основе многолетнего опыта эксплуатации гражданских самолётов установили, что она должна в 3,75 раза превышать вес воздушного судна.
Но в 1954 году произошли две катастрофы английских реактивных лайнеров «Комета». Самолёты разрушились над Средиземным морем, однако обломки одного из них удалось поднять со дна. После их исследования выяснилось, что нагрузки на конструкцию не превышали допустимых, а причиной разрушения стала так называемая усталостная трещина.
Усталость — это образование внутри металла, подвергающегося многократному действию переменных нагрузок, микротрещин, которые постепенно растут. В конце концов металл разрушается при нагрузках, значительно меньших предела прочности. В полёте на корпус аэроплана действуют как раз переменные нагрузки. Например, это происходит в зонах турбулентности, где существуют вертикальные потоки воздуха. Да и на земле во время взлёта и посадки самолёт сильно трясёт. В случае с «Кометами», правда, имело место другое явление. Эти самолёты летали на высоте около 10 км. Воздух там разрежен, и внутри герметичного фюзеляжа возникало избыточное давление. На земле же наружное давление и давление в фюзеляже были одинаковыми. Другими словами, во время каждого полёта детали корпуса подвергались растягивающим нагрузкам из-за роста избыточного давления от нуля до 0,6 атм и уменьшения его снова до нуля. В результате в металле фюзеляжа возникла и развилась трещина, и корпус разрушился.
После этих катастроф в нормах появилась запись, требующая обеспечить безопасность самолёта по усталости. Английские и советские инженеры пошли по пути так называемого безопасного ресурса. Он заключается в том, что фюзеляж, крыло и оперение нагружают циклическими нагрузками, многократно имитируя условия полёта, до тех пор, пока элементы самолёта не разрушатся. Полученный ресурс, то есть количество полётов, которые смог бы совершить летательный аппарат в реальных условиях, уменьшают в несколько раз (не меньше трёх). И этот сокращённый ресурс считается безопасным, то есть за время полётов в пределах безопасного ресурса в конструкции не должно возникать усталостных трещин.
Американцы использовали другой подход, называемый принципом безопасного разрушения. Он лучше отвечает реальным ситуациям — ведь в элементах конструкции трещины возникают неизбежно, и если самолёт при их наличии не разрушается, то он обладает достаточной эксплуатационной живучестью. Для испытаний в фюзеляже создавали искусственную трещину длиной до 0,5 м, а на крыльях — трещины длиной до 0,3 м и проверяли однократным статическим нагружением. Как показал дальнейший опыт, этот подход более эффективен.
В СССР нормы на основе принципа безопасного ресурса действовали до 1972 года, пока мы не получили жестокий урок — под Харьковом разбился самолёт Ан-10А, у которого безопасный ресурс был ещё не исчерпан. Расследование показало, что самолёт потерпел катастрофу из-за образования в крыле так называемых многоочаговых трещин, которые не обнаружили. В роковом полёте трещины соединились, и крыло сложилось, как у бабочки. И тогда в ЦАГИ были разработаны новые нормы на основе нашего и зарубежного опыта, в которых учитывались факторы как выносливости, так и живучести. В нормах указывалось, какие могут возникать трещины и какая при этом должна быть обеспечена остаточная прочность конструкции.
Следующие изменения в нормах появились в 1977 году после трагической гибели самолёта Боинг-707, сконструированного, кстати, в соответствии с принципами безопасного разрушения. В оперении воздушного судна возникла усталостная трещина, которую, как и в случае с нашим погибшим самолётом, не удалось вовремя обнаружить. Нормы пришлось дополнить несколькими пунктами, регламентирующими порядок и периодичнсть осмотров на поиск трещин, а также требующими обеспечить в новых конструкциях контролепригодность, то есть возможность осматривать все места, где могут образоваться трещины, или проверять их методами неразрушающего контроля. Новые нормы обеспечения живучести назвали принципом допустимости повреждения.
Не остались в стороне и теоретики. На основе линейной механики разрушения теперь удаётся прогнозировать с достаточной точностью и на долгий период развитие усталостных повреждений.
В задачу специалистов по прочности кроме разработки норм безопасности входят также и испытания образцов материалов, панелей и полномасштабных конструкций на соответствие этим нормам. Первые испытания начали проводиться ещё до войны. Тогда А. Н. Туполев с сотрудниками так проверяли самолёт на прочность: забирались на крыло, поднимали туда тяжести и смотрели, не сломается ли оно. Сейчас, конечно, всё поручено машинам. При испытании натурных самолётов к различным точкам планера (всего таких точек может быть до 150) с помощью гидроцилиндров прикладывают постоянные или переменные нагрузки, имитирующие те, что возникают в полёте. Оборудование испытательных стендов позволяет быстро менять величины нагрузок и за считанные минуты воспроизводить многочасовой перелёт. Тем не менее период испытаний на выносливость доходит до трёх лет — ведь расчётный срок службы самолёта достигает 25—30 лет, а с учётом коэффициента запаса нужно воспроизвести полёты в течение 50 лет и более.
Отдельным испытаниям подвергают фюзеляж. Чтобы обезопасить себя от судьбы «Комет», в нём периодически поднимают давление и вновь понижают до наружного. Это сложная процедура, поскольку работать приходится с реальным фюзеляжем в натуральную величину. Первоначально фюзеляж целиком погружали в гидробассейн. Дело в том, что на воздухе усталостное разрушение происходило подобно взрыву, с разлётом многочисленных осколков, способных нанести травмы персоналу, повредить здание и оборудование. Теперь научились организовывать испытания в обычной лаборатории: на фюзеляж с шагом около 1 м устанавливают прочные бандажи, которые при разрушении удерживают элементы конструкции.
Сейчас появился большой интерес к использованию в авиации композиционных материалов, плотность которых почти вдвое меньше, чем у алюминиевых сплавов. Правда, они хрупкие и подвержены действию влаги. Но «плюсы» заметно перевешивают «минусы», и, имея в своём распоряжении испытательные установки и климат-камеры, которые позволяют проверять на прочность и выносливость различные элементы конструкций проектируемых воздушных судов, специалисты ЦАГИ подтвердили это.
Кроме того, сообщают, что за границей уже созданы композиты с «самозалечивающимися» трещинами. Как только один из многочисленных датчиков выявляет повреждение, в это место подаётся электрическое напряжение, материал от нагрева размягчается и трещина затягивается.
Испытательное оборудование ЦАГИ используется и для помощи смежным отраслям. Например, в настоящее время в институте проходят испытания бетонных шпал для железных дорог и композитных накладок для соединения встык рельсов.
Ещё одна важная область работы наших специалистов — увеличение ресурса старых самолётов. Нормативный срок службы машин, спроектированных в 60-х и 70-х годах прошлого века, составлял 15—20 лет. Однако новые самолёты стоят дорого, и не у всех российских и зарубежных авиакомпаний находятся средства на их приобретение. В ЦАГИ изучают опыт эксплуатации самолётов каждого типа и совместно с КБ и Государственным НИИ гражданской авиации работают над продлением срока их эксплуатации и увеличением ресурса новых самолётов с учётом требований безопасности.
За десятилетия деятельности прочнисты ЦАГИ накопили богатый опыт по обеспечению безопасности и надёжности самолётов, и он помогает им разрабатывать такие нормативы и рекомендации, которые позволяют увеличить ресурс проектируемых и используемых летательных аппаратов в 2—3 раза. Наши специалисты принимали непосредственное участие в создании воздушных судов Ил-96, Ту-204 и Ту-334, гиганта Ан-124. А сейчас исследуются прочностные характеристики среднемагистральных самолётов нового семейства МС-21, которые уже называют машинами XXI века.
