Борьба с «дрожью»: как советские ученые победили явление флаттера в скоростных самолетах
С ростом скорости самолетов их пилоты столкнулись с таким явлением, как флаттер. В переводе с английского слово flutter означает «дрожание», «трепетание». И действительно, главным проявлением флаттера стала вибрация крыльев и органов управления самолета, а позже – несущих винтов вертолетов.
Известный советский летчик-испытатель, Герой Советского Союза Марк Лазаревич Галлай в своей книге «Через невидимые барьеры» писал: «С появлением новых скоростных самолетов в авиации едва ли не всех передовых стран мира прокатилась волна таинственных, необъяснимых катастроф. Случайные свидетели, наблюдавшие эти катастрофы с земли, видели во всех случаях почти одинаковую картину: самолет летел совершенно нормально, ничто в его поведении не внушало ни малейших опасений, как вдруг внезапно какая-то неведомая сила, будто взрывом, разрушала машину – и вот уже падают на землю изуродованные обломки: крылья, оперение, фюзеляж».
В Советском Союзе проблемой флаттера занялись в 1932 году в Экспериментальном аэродинамическом отделе ЦАГИ. Один из участников исследований, физик А.А. Борин так объяснял физическую природу явления: «Флаттер относится к категории автоколебаний, то есть периодическая возмущающая сила возникает в процессе самих колебаний. При флаттере таким возмущающим воздействием являются аэродинамическая сила и момент».
Большой вклад в решение проблемы внесли ученые Е.П. Гроссман и М.В. Келдыш, будущий идеолог советской космической программы. Примененный Келдышем и его соратниками новый теоретический подход к решению проблем аэродинамики в соединении со здравым инженерным анализом сыграли центральную роль в изучении флаттера. Летные испытания, подкрепленные экспериментами в аэродинамических трубах, полностью подтвердили теорию. Для подавления флаттера органов управления самолета Келдыш использовал нелинейный анализ математических моделей и метод гармонического баланса.
В 1939 году Наркомат авиационной промышленности СССР обязал всех авиаконструкторов «проводить» через отдел Келдыша в ЦАГИ расчет на флаттер всех самолетов новых конструкций. В 1940 году Келдыш в качестве итогового документа исследований по проблеме флаттера выпустил «Руководство для конструкторов», в котором были представлены методы расчета на флаттер и практические рекомендации по предотвращению этого явления. Результаты работ ученых ЦАГИ позволили более эффективно, чем в других странах (например, в той же Германии), обеспечить флаттерную безопасность советских самолетов с самого начала Великой Отечественной войны.
Одной из разработок с высокими противофлаттерными свойствами стал дальний бомбардировщик ДБ-3 (ЦКБ-30), созданный под руководством С.В. Ильюшина. Работая в научно-техническом комитете ВВС страны, Сергей Владимирович Ильюшин как никто другой понимал трудности, стоящие перед авиаконструкторами. Растущие скорости истребительной авиации заставляли улучшать летно-технические данные бомбардировщиков. В своем самолете Сергей Владимирович сумел совместить большую дальность полета с большой скоростью, что казалось невозможным в то время.
Ильюшин предложил для своего самолета крыло с умеренным удлинением. Расчеты показали, что проектируемое воздушное судно будет иметь не только необходимую дальность, но и скорость его будет существенно выше, чем у других подобных самолетов.
В результате было спроектировано крыло с большой нагрузкой и с мощной механизацией (выдвижными щитками). К числу новшеств относятся и разгрузка крыла топливными баками, представлявшими собой герметичные отсеки крыла − прообраз кессон-баков. Умеренное удлинение крыла позволило увеличить жесткость его конструкции и, соответственно, противофлаттерные свойства.
В историю отечественной авиации новый самолет вошел под названием ДБ-3 («Дальний бомбардировщик-3»). Рекордные перелеты неоднократно подтверждали отличные летно-технические характеристики и прочность самолета. В августе 1941 года группа ДБ-3Т из состава 1-го минно-торпедного авиаполка ВВС Балтийского флота нанесла удар по целям фашистской Германии, в том числе по Берлину. Ил-4, сменивший ДБ-3, стал дальнейшим развитием конструкторского решения Ильюшина по созданию скоростного бомбардировщика с умеренным удлинением крыла, экономичными двигателями и высоким уровнем аэродинамического и весового совершенства.
Автосварщики академика Патона: внедрение технологии автоматической сварки танков
Электрическая сварка для соединения броневых конструкций привлекла внимание отечественных танкостроителей еще в 1930 году. По сравнению с креплением броневых листов с помощью заклепок новая технология выглядела более чем привлекательной. Однако путь от намерений до серийного производства занял несколько лет: в серийном производстве корпусов и башен танков Т-26 электросварка была внедрена лишь в 1935 году, а для серии танков БТ – к началу 1937 года.
Следующим шагом стала автоматизация процесса электрической сварки. В 1940 году сотрудники Института электросварки АН УССР (ИЭС) под руководством академика Евгения Оскаровича Патона сумели самостоятельно воссоздать метод автоматической сварки под слоем флюса, запатентованный в 1936 году американской фирмой «Линде». Однако и американцы, и сотрудники патоновского института использовали сварку для соединения деталей из рядовой стали. Для сварки брони метод нуждался в серьезном усовершенствовании.
В начале войны ИЭС эвакуируется в Нижний Тагил и присоединяется к Уральскому танковому заводу (сегодня – Уралвагонзавод). На заводе первые установки автоматической сварки появились еще весной 1941 года и предназначались для сварки длинных вагонных швов. Сотрудники ИЭС к октябрю 1941 года сумели переналадить установки Р-70 вагонного производства для сварки бортов танков. А в ноябре 1941 года нарком танковой промышленности В.А. Малышев издал приказ, согласно которому директора всех корпусных заводов обязывались применять автосварку для изготовления танковых корпусов.
В январе 1942 года впервые в мире на Уральском танковом заводе начали работать установки автоматической сварки, разработанные ИЭС. При участии института были спроектированы и внедрены в производство технологии автоматической сварки корпусов танков Т-34 не только на УТЗ, но и на других заводах танкопрома.
Впервые в мире были спроектированы и построены поточные линии сварки бронекорпусов и налажен их массовый выпуск. Это позволило увеличить производительность труда в 5 раз, сэкономить 42% электроэнергии, обеспечить экономию электродов. Внедрение автосварки для сваривания танковой брони увеличило надежность броневой защиты танков. Сварные швы были прочней самой брони.
К концу 1942 года на Уральском танковом заводе работало 6 установок автоматической сварки, в 1943-м – 15, в 1944-м – 30 установок. Было высвобождено 250 высококвалифицированных сварщиков. Внедрение этого революционного метода резко сократило расход рабочей силы на производство сварочных работ и снизило требования к уровню подготовки занятого этими работами персонала.
К декабрю 1944 года на всех заводах страны работало в общей сложности 133 автоматических сварочных аппарата, установленных в основном на предприятиях танковой промышленности.
Внедрение комплекса новых сварочных технологий на УТЗ и других заводах Наркомата танковой промышленности обеспечило высокую производительность и качество работ на танковом конвейере, экономию времени и материалов. Примечательно, что в США автоматическая сварка под слоем флюса стала применяться в производстве боевых машин лишь в 1944 году. В Германии сварочные автоматы появились в самом конце войны, а до этого использовалась только ручная сварка.
Научное открытие в поезде: изобретение оптической системы первого менискового телескопа
В начале Великой Отечественной войны, учитывая быстрое продвижение к Ленинграду немецких войск, было принято решение об эвакуации научно-исследовательских институтов Ленинграда, в том числе и Государственного оптического института (ГОИ), ныне входящего в холдинг «Швабе» Госкорпорации Ростех.
Основной состав института был отправлен в Йошкар-Олу, а в Ленинграде осталась небольшая группа сотрудников с оборудованием, необходимым для проведения маскировки городских объектов. Огромный состав из 40 вагонов с людьми и оборудованием выехал из Ленинграда 7 августа и прибыл в Йошкар-Олу ровно через неделю. Надо сказать, что и в дороге ученые не теряли времени даром. Так, самое важное свое изобретение – менисковый телескоп – сотрудник ГОИ Дмитрий Дмитриевич Максутов сделал, как он впоследствии писал, «в первых числах августа 1941 года, во время эвакуации из Ленинграда и где-то на пути между Муромом и Арзамасом».
Менисковый телескоп – это тип зеркально-линзового телескопа, оптика которого состоит из стеклянного мениска (выпуклой линзы со сферическими поверхностями) и вогнутого сферического зеркала. В Йошкар-Оле, где разместился ГОИ, Максутов завершил расчеты оптической системы такого телескопа с зеркалом диаметром 100 мм и 20-кратным увеличением. Через месяц первый менисковый телескоп был изготовлен и успешно прошел испытания.
Несмотря на все сложности эвакуации и нехватку оборудования, Максутов не приостановил активную научную деятельность в Йошкар-Оле. В течение года, используя лишь логарифмические таблицы и линейки, он произвел точные тригонометрические расчеты более двухсот менисковых систем различного назначения: от очков малого увеличения до планетного телескопа метрового диаметра. К 1944 году Максутовым было сделано более полутысячи таких расчетов. В СССР выходит его работа «Новые катадиоптрические менисковые системы», а западный научный мир узнал об изобретении советского ученого Максутова из статьи в JOSA (Journal of the Optical Society of America) – журнале Оптического общества Америки.
На основе изобретенной Максутовым менисковой оптической схемы в годы войны были созданы особо длиннофокусные (1,5 и 3 м) и в то же время компактные объективы для аэросъемки, телеобъективы для наземной фотосъемки далеких объектов. Большую помощь научным лабораториям оказывал экспериментально-производственный отдел института, воплощая «в стекле и металле» новые разработки. В течение 1942‒1944 годов было изготовлено свыше 4,5 тыс. приборов 320 наименований.
Менисковые системы быстро получили широкое признание в самых различных вариантах благодаря своим преимуществам – светосиле, достаточно большому полю зрения, высокому качеству изображения и компактности. Это изобретение, сделанное Дмитрием Максутовым в самый разгар войны, выдвинуло его в ряды ученых мирового масштаба.