САМОЛЕТ И ПРОЧНОСТЬ ЕГО КОНСТРУКЦИИ
В начальный период самолетостроения конструкторов занимал вопрос, на который они не могли дать удовлетворительного ответа в течение многих лет. Они постоянно спрашивали себя: «Насколько слаб наш сильный самолет?» или «Насколько силен наш слабый самолет?» Этот вопрос вытекал из недостаточного знания аэродинамики (воздействие воздуха на различные части самолета во время полета в различных условиях: при горизонтальном полете, на большой скорости, вверх колесами, при пикировании, наборе высоты и т. д.). С развитием техники и в особенности с появлением мощных аэродинамических труб, в которых действие воздуха на конструкцию самолета может быть точно измерено, конструкторы самолетов получили возможность точно установить все данные, необходимые при проектировании для получения прочной конструкции .
Каждый самолет, конечно, достаточно прочен, чтобы выдержать нагрузку, испытываемую его частями в нормальных условиях полета. Но то, что считается нормальным для скоростного истребителя, не обязательно является нормальным для легкого пассажирского самолета. Таким образом прочность самолета должна позволить легко выдержать максимальные усилия и напряжения, испытываемые при его использовании по прямому назначению. Не это ли одна из причин создания различных типов самолетов?
Сильные восходящие и нисходящие потоки, встречающиеся в полете, вызывают соответствующее возрастание нагрузки на плоскостях. Чем быстрее самолет летит и чем больше скорость восходящего потока, встречаемого на пути, тем значительнее будет нагрузка на его конструкцию и в особенности на его плоскости. С возрастанием скорости самолетов, - а это происходит чуть ли не каждый день, - задача постройки достаточно прочных самолетов для полета в неблагоприятных атмосферных условиях все более усложняется.
Однако и связи о успехами металлургии за последние годы удалось получить более легкие и «прочные материалы. Эти материалы дали возможность построить легкие и достаточно прочные самолеты, обеспечивающие полную безопасность летчиков и пассажиров.
Интересно напомнить, что чем меньше нагрузка на крылья, тем больше она увеличивается при встрече с сильным восходя
щим воздушным потоком, что создает сильные напряжения в крыльях.
Все части конструкции самолетов значительно прочное, чем нужно, чтобы выдержать максимальную нагрузку, возможную в нормальных условиях полета, приземлении или взлета. Скоростной поенный самолет-истребитель имеет сравнительно большую нагрузку на крылья и малую нагрузку на мотор (вес самолета с полной нагрузкой, разделенный на число лошадиных сил, развиваемых мотором). Такой самолет работает в тяжелых и сложных условиях и должен быть достаточно прочным, чтобы выдерживать нагрузку при вертикальном пикировании, во время которого его скорость более, чем вдвое, превышает максимальную скорость. Сравнение трех основных типов самолетов (военных, спортивных и крупных транспортных), сконструированных для различных целей, как это указано на следующей странице, дает вам представление о характере конструкции каждого из этих типов.
Такое сравнение ясно показывает, что истребители берут небольшой по сравнению с их весом груз и что большая часть веса этих самолетов идет на усиление конструкции для обеспечения безопасности в самых тяжелых условиях, в которых работает военный самолет.
Очень важным свойством военного самолета является быстрота набора высоты. Она достигается очень малой нагрузкой на 1 л. с, Экономичность эксплуатации - менее важное требование для военных самолетов. Наилучшие маневренные качества - главная цель, к достижению которой стремятся.
Спортивные самолеты могут иметь меньшую скорость набора высоты. Они должны быть экономичны в эксплуатации и обладать достаточной прочностью, чтобы противостоять максимальным напряжениям, возникающим в необычных атмосферных условиях во время полета, при приземлении и взлете. Хотя скорость набора высоты у этого типа самолетов значительно меньшая, чем у военных самолетов, она достаточна для выполнения его задач.
Совершенно иные требования предъявляются и транспортному самолету: максимальная скорость, максимальная нагрузка и минимальная стоимость эксплуатации. Для того чтобы новый тин самолета был принят в эксплуатацию, он должен отвечать установленным минимальным требованиям.
Вместо того чтобы перечислять все требования, предъявляемые к различным типам самолетов, приведем следующую таблицу:
186
| ДАННЫЕ САМОЛЕТА | ВОЕННЫЙ “Кертис Хоук” (одноместный истребитель) | СПОРТИВНЫЙ “Ферчайлд-24″ | ТРАНСПОРТНЫЙ
“Дуглас” |
| Вес конструкции на I кг- полезной нагрузки | 1436/484 = 2.9кг | 665/425 = 1,56кг | 6874.4022 = 1,71кг |
| Нагрузка на 1 м2 несущей поверхности | 79 кг | 68 кг | 111 кг |
| Нагрузка па 1 л. г. | 2,5 кг | 7,5 кг | 6,4 кг |
| Максимальная скорость на высоте 3 150 м …………. | 390 км/час | 220 км/час | 352 км/час на высоте 3 500 м. |
| Крейсерская скорость | 324 км[час | 195 км/час | 296 км/час на высоте 3 050 м |
| Посадочная скорость | 109 км/час | 74 км/час при опущенных закрылках | 101 км/час мри опущенных закрылках |
| Набор высоты (в первую минуту) | 665 м/мин | 204 м/мин | 295 м/мин |
| Потолок | 7840 м /с с высотным мотором | 5 390 м | 7 230 м с высотными моторами |
| Отношение максимальной спорости к минимальной | 3,6:1 | 3:1 | 3,36:1 |
Примечание. Указанные данные являются ориентировочными и служат только для сравнении; они могут меняться в зависимости от тина мотора пли усовершенствовании, внесенных в самолет. И верхней строке в числителе дается вес конструкции пустого самолета, а в знаменателе - вес поднимаемой этим самолетом полезной нагрузки.
Самолетостроительные заводы не только теоретически определяют прочность и работу самолетов, но и часто подвергают их различным испытаниям. Испытания эти состоят в нагружении крыльев .четками с песком, вес которых равен максимальной нагрузке крыльев, возможной в полете. В некоторых случаях испытания производятся с увеличением нагрузки до тех пор, пока конструкция не сломается. Результаты испытаний точно определяют прочность самолета. Таким же испытаниям должны быть подвергнуты шасси, моторная установка, хвостовое оперение и каждая ответственная часть самолета.
Затем производится испытание самолета в воздухе на устойчивость: устойчивый самолет не изменяет направления полета без соответствующего вмешательства пилота. Маневренность требует легкого (без всяких усилий) изменения направлений и высоты полета самолета. Самолеты, которые считались устойчивыми и маневренными
несколько лет тому назад, на сегодняшний день совершенно устарели. Только летчик-испытатель с большим опытом может производить оценку маневренности и устойчивости самолета, сравнивая его с другими самолетами, на которых он летал. Взлет, приземление, максимальная и крейсерская скорости должны быть определены в испытательных полетах. Точно так же должны быть установлены расход горючего на разных скоростях и максимальная полезная нагрузка самолета, а в некоторых случаях и ряд других данных. Для некоторых типов военных самолетов очень важно определить предельную максимальную скорость полета, потому что при пикировании самолетов этого типа возможна большая перегрузка. Прочность конструкции самолета проверяется вертикальным пикированием до предельной скорости; в момент, когда летчик-испытатель выводит самолет из пикирования, создается максимальная нагрузка на крылья, хвостовое оперение и другие части самолета. Во время любых испытаний самолета должны быть получены точные данные и приняты во внимание атмосферные условия, при которых производится испытание. В прошлом испытания могли производиться людьми, умевшими хорошо летать. В настоящее время необходимы не только высокая летная квалификация, но и серьезные технические знания.
Отличные технические знания и высокая летная квалификация - блестящее сочетание для испытательного полета.
Рис. 337. Испытание на пикирование до предельной скорости. Самолет под управлением летчика-испытателя поднимается на большую высоту, чтобы для пикирования имелось не менее 3000 м. При пикировании получается определенная предельная скорость, которая далее не увеличивается. В этот момент самолет можно быстро вывести из пикирования энергичным и плавным выбиранием ручки на себя, как показано на рисунке. При достижении точки, лежащей примерно на 1/3 дуги, которую описывает самолет, части его конструкции испытывают максимальную нагрузку.
Нормально потеря высоты с момента, когда взята на себя ручка управления, до выхода из пикирования составляет около 600 м. Во время пикирования, когда самолет описывает дугу, возникает
настолько значительная центробежная сила, что вес всех частей самолота, а также и вес тела пилота как бы увеличиваются в несколько раз. Вследствие сильного отлива крови от головы пилот испытывает на некоторое время головокружение и ослепление. Увеличение веса каждой части самолета измеряется специальными единицами g (ускорение силы тяжести).
Если производится медленный вывод из затяжного пикирования, временные неприятные физические ощущения, испытываемые пилотом, возрастают, так как отлив крови от головы по капиллярным сосудам длится большее время, чем в случае резкого и быстрого выхода из пикирования.
При прочих равных условиях самолет с большей нагрузкой на крылья и с меньшим сопротивлением вследствие лучшей обтекаемости будет иметь большую предельную скорость.
Рис. 338. Ускорение самолета измеряется акселерометром1, устанавливаемым обычно вместе с остальными приборами на приборной доске. Одна из стрелок прибора отмечает непрерывные изменения ускорения - положительные и отрицательные, наблюдаемые, когда самолет летит в неспокойном воздухе. Другая стрелка отмечает максимальное ускорение, полученное во время испытания. При обычных горизонтальных полетах атмосферные явления могут также вызвать некоторое ускорение, в 1,2g, почти неощутимое; ускорение в 1,6g довольно неприятно, причем, если ускорение доходит до 2g, следует туго затянуть привязные ремни на сиденьях. Такое ускорение можно назвать нормальным. Оно не опасно для современных самолетов.
1 Указатель перегрузки - Ред.
Правильный вираж под углом 30° вызывает ускоренно около 1,2g. При очень крутом вираже ускорение может дойти до 3g, При правильной петле ускорение не превышает 2g. При хорошей посадке, зависящей, конечно, от посадочной площадки и качества шасси, ускорение не превышает 1,3g, хотя обычно шасси могут выдержать ускорение до 4g и выше.
Атмосферные условия могут быть предсказаны с большой точностью на основании метеорологических данных, собираемых в определенные часы в различных пунктах страны.
Для проверки прогнозов метеорологических станций весьма полезны ежедневные отчеты штурманов воздушных линий о состоянии погоды. Следует, однако, учитывать возможность субъективной оценки данных погоды. Более объективные показания дает акселерометр, с помощью которого можно учесть интенсивность атмосферных возмущений.
Когда самолет постепенно поднимается восходящими потоками (подъем может быть значительным), его конструкция испытывает меньшие напряжения, чем в случае быстрого вертикального подъема. Предположим, самолет возвратился из полета, в течение которого он попадал в сильные атмосферные возмущения. Мы замечаем, что акселерометр записал ускорение в Зg, хотя при осмотре самолета не обнаружено никаких дефектов в конструкции. Однако после второго полета, когда акселерометр записал ускорение в Зg, мы находим при осмотре несколько ослабнувших заклепок (самолет металлической конструкции). Отсюда следует, что самолет должен подвергаться особенно тщательному осмотру после полетов.
Наличие акселерометра на самолете помогает нам изучать атмосферные возмущении и их последствия. Чем больше скорость самолета, тем большие перегрузки испытывает самолет при неблагоприятных атмосферных условиях. Изучению этих перегрузок и полете помогает установленный на самолете акселерометр.
Любознательность послужила причиной многих открытий
Когда самолет находится на земле, его полным вес передается на шасси и хвостовое колесо.
Для того чтобы уменьшить толчки, сохранить на самолете приборы и создать лучшие условия для пассажиров, между колесами и самолетом устанавливаются амортизаторы, которые поглощают большую часть кинетической энергии, получаемой от удара при грубой посадке или в том случае, когда колеса пробегают по неровной площадке.
На рис. 339 показан разрез амортизатора «Бендикс». В А изображен амортизатор в обычном, неподвижном положении, когда вес самолета воспринимается сжатым воздухом в верхней камере амортизатора .
Размер амортизаторов зависит, конечно, от веса самолета. На их размеры влияет также направление приложении нагрузки.
Когда амортизатор установлен на самолете, масло, как показано па рисунке, находится в нижней камере; затем сжатий воздух нагнетается через клапан и верхнюю камеру, пока амортизатор не растянется и не примет своего нормального положения Для восприятия веса самолета.
При нормальной статической нагрузке длина L должна быть всегда одинаковой. При рулежке самолета небольшие толчки воспринимаются сжатым воздухом.
При грубой посадке в момент удара колес самолета о землю амортизатор сжимается, и масло из нижней камеры постепенно вытесняется в верхнюю, как это показано на рис. 339, В. Кинетическая энергия превращается в тепловую вследствие сопротивления, которое оказывает масло при протекании через отверстие О и через клапан f в верхнюю камеру. Воздух в пространстве над маслом сильно сжимается и начинает давить на масло, пытаясь вернуть его в прежнее положение. Клапан f под давлением масла закрывается, вследствие чего масло протекает, как показано в С, через маленькие отверстия, значительно ослабляя
толчки.
Когда амортизатор сжимается в момент приземления, то в конце хода амортизатора сжимается полностью и пневматик колеса. Затем значительная часть кинетической энергии поглощается тем же амортизатором при его обратном ходе, когда пневматик начинает расширяться. Амортизаторы не только устраняют скачки самолетов при грубой посадке, но способствуют также плавной рулежке
самолетов.
Рис. 340. Надежность и мощность амортизаторов устанавливаются и испытываются известным методом Депорта.
Этот метод заключается в следующем. Амортизатор устанавливают между рамой, которая поддерживает колеса, и ящиком с грузом. Ящик сбрасывают с определенной высоты. Результат падения отмечается на особых регистрирующих барабанах; объяснение действия и конструкции их слишком сложно для наших целей. Заметим только, что ящик с грузом связан с одним из барабанов, а рама приводит в действие другой барабан. Во время испытания все данные, касающиеся амортизаторов, отмечаются на светочувствительной бумаге, намотанной на барабане.
Рис. 341. Тормоза, как и амортизаторы, в случае их применения, поглощают кинетическую анергию, создаваемую инерцией самолета, когда он пробегает по земле при посадке.
Самый смелый летчик необязательно будет самым хорошим летчиком.
