3 месяца назад, 28 мая 2017 года, совершил свой первый полёт российский ближне-среднемагистральный среднефюзеляжный пассажирский самолёт МС-21 «Иркут». Он успешно отлетал полчаса и на этот год уже запланировано начало серийного производства. Вроде бы всё обычно, но только с первого взгляда. МС-21 не зря расшифровывается как «Магистральный самолёт XXI века».
Сейчас я вам расскажу, что необычного в этом самолёте.
Ноги, крылья... Главное - хвост!
1. Самое необычное в МС-21 - крылья и несколько других деталей силовой конструкции. Они изготовлены из полимерных композитных материалов (ПКМ). В мире сегодня существует только три самолёта с такими крыльями: Boeing 787 Dreamliner, Airbus A350 XWB и Bombardier CSeries.
2. ПКМ - это несколько слоёв углеволокна, скреплённого между собой специальной смолой. Чем же так хорош этот материал? Во-первых, прочность углепластиков выше чем у алюминия в 6-8 раз, а удельный вес - ниже в 1,5 раза. Использование ПКМ при производстве космической и авиационной техники позволяет сэкономить от 5 до 30% веса летательного аппарата. Во-вторых, крыло самолёта из ПКМ условно состоит из 10 элементов, а из металла - из 100. Можно понять, монтаж какого крыла обходится дороже.
Производят такие крепкие и ультрасовременные крылья для МС-21 в Ульяновске. Завод называется «АэроКомпозит» и находится на территории «Авиастара». Давайте заглянем за проходные и посмотрим, как выглядит это производство.
Первое, что поражает - это огромные и стерильно чистые цеха! Производство углепластика не терпит грязи, ведь попадание инородных включений в массу грозит снижением прочности всей конструкции крыла.
Как это сделано?
3. Процесс изготовления кессона крыла состоит из нескольких этапов. Сначала подготавливается поверхность нужной формы, на которую будет выложено углеволокно. На «АэроКомпозите» из ПКМ могут сделать элероны, спойлеры, закрылки, рули высоты и направления, лонжероны и обшивку крыла со стрингерами, секции панелей центроплана, силовые элементы, обшивку киля и хвостового оперения.
4. Вот так выглядит оснастка для выкладки одной из деталей силовой конструкции МС-21:
5. Тяжёлые конструкции оснастки транспортируются к месту выкладки на специальных платформах. К примеру, для перевозки оснастки для будущего стрингера задействуют две таких тележки.
6. Следующий этап - выкладка сухой углеродной ленты и предварительное формование детали в автоматическом режиме на выкладочной оснастке. Для выкладки используется роботизированный испанский комплекс MTorres.
7. Он немного напоминает GLaDOS из компьютерных игр Portal и Portal 2.
8. Этот робот с высокой точностью укладывает волокно к волокну, формируя слои будущей конструкции.
9. Автоматическую выкладку сухого углеволокна для изготовления крупных интегральных конструкций никто никогда в авиапромышленности не применял. Такое крупное и сложное изделие, как крыло самолёта, по этой технологии впервые сделали в Ульяновске.
Собранная преформа уезжает в термоинфузионную установку TIAC (Франция). Это большая камера, в которой углеволокно пропитывается эпоксидной смолой и запекается. Установка контролирует температуру, количество смолы и скорость заполнения вакуумного мешка, в который помещается углеволокно.
10. Этот процесс может занимать от 5 до 30 часов в зависимости от типа, размера и сложности изготавливаемой детали. Процесс полимеризации смолы и волокна проходит при температуре 180°С.
На выходе из TIAC получается монолитная деталь.
11. Её необходимо механически обработать.
12. Но до начала обработки нужно убедиться, что деталь действительно является монолитной и не содержит в себе пустоты и дефекты. Для этого она отправляется на пункт неразрушающего ультразвукового контроля Technatom.
13. Крыло получилось качественным - отправляем его на механическую обработку в 5-координатный фрезерный центр MTorres.
16. После обработки готовая деталь поступает на участок итоговой сборки кессона крыла.
17. В этой части завода используется больше ручной труд, чем автоматический. Здесь гораздо больше людей, тогда как на других участках их почти нет - вся работа выполняется роботами. А всего на заводе работает около 500 человек. Несмотря на постоянно открытые вакансии, устроиться сюда не очень просто - каждый кандидат проходит тщательную проверку.
Летаем на композите
18. Композитные крылья будут использоваться не только на МС-21. Планируется, что новые модификации SSJ-100 так же будут оснащаться силовыми деталями из ПКМ. Мощности завода рассчитаны на выпуск до 100 комплектов композитных крыльев в год, но на текущий момент загружены не полностью.
Стал незаменимым материалом во многих производствах. Авиационный алюминий - группа сплавов, отличающихся повышенной прочностью с включением магния, кремния, меди и марганца. Дополнительную прочность сплаву придают при помощи т. н. «эффекта старения» - особого метода закалки под воздействием в течение длительного времени агрессивной атмосферной среды. Сплав был изобретен в начале 20 века, получив название дюралюминий, сейчас известен также под названием «авиаль».
Определение. Исторический экскурс
Началом истории авиационных алюминиевых сплавов считается 1909 год. Немецкий инженер-металлург Альфред Вильм опытным путем установил, если сплав алюминия с незначительным добавлением меди, марганца и магния после закалки при температуре 500 °C и резкого охлаждения выдержать при температуре 20-25 градусов в течение 4-5 суток, он поэтапно становится тверже и прочнее, не теряя при этом пластичности. Процедура получила название «старение» или «возмужание». В процессе такой закалки атомы меди заполняют множество мельчайших зон на границах зерен. Диаметр атома меди меньше, чем у алюминия, потому появляется напряжение сжатия, вследствие чего повышается прочность материала.
Впервые сплав был освоен на немецких заводах Dürener Metallwerken и получил торговую марку Dural, откуда и произошло название «дуралюмин». Впоследствии, американские металловеды Р. Арчер и В. Джафрис усовершенствовали состав, изменив процентное соотношение, в основном магния. Новый сплав получил название 2024, который в различных модификациях широко применяется и сейчас, а все семейство сплавов - «Авиаль». Название «авиационный алюминий» этот сплав получил практически сразу после открытия, поскольку полностью заменил дерево и метал в конструкциях летательных аппаратов.
Основные виды и характеристики
Выделяют три основных группы:
- Семейства алюминий-марганец (Al-Mn) и алюминий-магний (Al-Mg). Основная характеристика - высокая, едва уступающая чистому алюминию коррозийная стойкость. Такие сплавы хорошо поддаются пайке и сварке, но плохо режутся. Не упрочняются термической обработкой.
- Коррозионно-стойкие сплавы системы алюминий-магний-кремний (Al-Mg-Si). Упрочняются термической обработкой, а именно закалкой при температуре 520 °C с последующим резким охлаждением воде и естественным старением около 10 суток. Отличительная характеристика материалов этой группы - высокая коррозионная стойкость при эксплуатации в обычных условиях и под напряжением.
- Конструкционные (Al-Cu-Mg). Их основа - легированный медью, марганцем и магнием алюминий. Изменяя пропорции получают авиационный которого могут отличаться.
Материалы последней группы обладают хорошими механическими свойствами, но при этом весьма подвержены коррозии, чем первое и второе семейство сплавов. Степень подверженности коррозии зависит от вида обработки поверхности, которую все равно необходимо защищать лакокрасочным покрытием или анодированием. Коррозионная стойкость частично увеличивается введением в состав сплава марганца.
Помимо трех основных видов сплавов различают также ковочные высокопрочные конструкционные и др. обладающие необходимыми для конкретной сферы применения свойствами.
Маркировка авиационных сплавов
В международных стандартах первая цифра маркировки авиационного алюминия обозначает основные легирующие элементы сплава:
- 1000 - чистый алюминий.
- 2000 - дюралюмины, сплавы легированные медью. В определенный период - самый распространенный аэрокосмический сплав. В связи с высокой чувствительностью к коррозийному растрескиванию все чаще заменяются сплавами серии 7000.
- 3000 - легирующий элемент - марганец.
- 4000 - легирующий элемент - кремний. Сплавы известны также как силумины.
- 5000 - легирующий элемент - магний.
- 6000 - самые пластичные сплавы. Легирующие элементы - магний и кремний. Могут подвергаться термозакалке для повышения прочности, но по этому параметру уступают сериям 2000 и 7000.
- 7000 - термически закаленные сплавы, самый прочный авиационный алюминий. Основные легирующие элементы - цинк и магний.
Вторая цифра маркировки - порядковый номер модификации алюминиевого сплава после исходного - цифра «0». Две заключительные цифры - номер самого сплава, информация о его чистоте по примесям. В случае если сплав опытный, к маркировке добавляется пятый знак «Х».
На сегодняшний день, самые распространенные марки авиационного алюминия: 1100, 2014, 2017, 3003, 2024, 2219, 2025, 5052, 5056. Отличительными особенностями этих сплавов являются: легкость, пластичность, хорошая прочность, стойкость к трению, коррозии и высоким нагрузкам. В авиастроении наиболее широко используемые сплавы - авиационный алюминий 6061 и 7075.
Состав
Основными легирующими элементами авиационного алюминия являются: медь, магний, кремний, марганец, цинк. Процентное содержание этих элементов по массе в сплаве определяют такие характеристики, как прочность, гибкость, стойкость к механическим воздействиям и др. Основа сплава - алюминий, основные легирующие элементы: медь (2,2-5,2% массы), магний (0,2-2,7%) и марганец (0,2-1%).
Семейство авиационных сплавов алюминия с кремнием (4-13% массы) с незначительным содержанием других легирующих элементов - медь, марганец, магний, цинк, титан, бериллий. Используется для изготовления сложных деталей, известный также как силумин или литейный алюминиевый сплав. Семейство сплавов алюминий-магний (1-13% массы) с другими элементами обладают высокой пластичностью и коррозионной стойкостью.
Роль меди в составе авиационного алюминия
Присутствие меди в составе авиационного сплава способствует его упрочнению, но в то же время плохо влияет на его коррозионную стойкость. Выпадая по границам зерен, в процессе закалки, медь делает сплав подверженным под напряжением и межзеренной коррозии. Зоны богатые медью более гальванически катодные, чем алюминиевая матрица вокруг, а потому более уязвимы для коррозии, происходящей по гальваническому механизму. Увеличение содержания меди в массе сплава до 12% повышает прочностные свойства за счет дисперсного упрочнения в процессе старения. При содержании меди в составе свыше 12% сплав делается хрупким.
Сферы применения
Алюминиевые сплавы являются наиболее востребованным металлом по продаже. Легкий вес авиационного алюминия, прочность делают этот сплав хорошим выбором для многих производств от самолетов до предметов быта (мобильные телефоны, наушники, фонарики). Алюминиевые сплавы применяются в судостроении, автомобилестроении, строительстве, производстве ж/д транспорта, в атомной промышленности.
Широко востребованы сплавы с умеренным содержанием меди (2014, 2024 др.). Профили из этих сплавов имеют высокую коррозийную стойкость, хорошую обрабатываемость, точечную свариваемость. Из них изготавливают ответственные конструкции самолетов, большегрузных автомобилей, военной техники.
Особенности соединения авиационного алюминия
Сварка авиационных сплавов осуществляется исключительно в защитной среде инертных газов. Преимущественными газами являются: гелий, аргон или их смесь. Более высокой теплопроводностью обладает гелий. Это определяет более благоприятные температурные показатели сварочной среды, что позволяет достаточно комфортно соединять толстостенные элементы конструкций. Использование смеси защитных газов способствует более полному газоотводу. При этом вероятность образования пор в сварном шве значительно уменьшается.
Применение в авиастроении
Авиационные алюминиевые сплавы изначально специально создавались для строительства авиационной техники. Из них изготавливают корпуса летательных аппаратов, детали двигателей, шасси, топливные баки, крепежные устройства и др. Детали из авиационного алюминия используются в интерьере салона.
Алюминиевые сплавы серии 2ххх используют для производства деталей, подвергающихся воздействию высоких температур. Детали малонагруженных узлов, топливных, гидро- и маслосистем изготавливают из сплавов 3ххх, 5ххх и 6ххх. Наиболее широкое применение в авиастроении получил сплав 7075. Из него изготавливаются элементы для работы при значительной нагрузке, низких температурах с высокой стойкостью к коррозии. Основой сплава является алюминий, а основными легирующими элементами: магний, цинк и медь. Из него изготавливают силовые профили конструкций самолетов, элементы обшивки.
У большинства людей самолеты вызывают особенные эмоции, восхищение.
В детстве ребенок задирает голову, глядя на крохотную точку в небе, оставляющую за собой белый след, в аэропорту и дети, и взрослые любят прильнуть к панорамным окнам, наблюдая за неспешным рулением самолетов по перрону, взлетом или посадкой, самолеты всегда фотографируют и подолгу на них смотрят. Казалось бы, транспорт и транспорт, но нет…
К машинам нет такого массового благоговения, к поездам нет, к кораблям тоже… а к самолетам есть. И ко всему, что с ними связано. Может быть потому, что по земле и воде человек тоже может передвигаться (ходить и плавать), а вот в небо подняться он может только на самолете?
Я множество раз был на различных производствах - от небольших до гигантских, на никому неизвестных предприятиях и на заводах всемирно известных брендов, но всегда мечтал побывать там, где делают самолеты. Те самые самолеты, приводящие всех в восторг, на которых все мы летаем, которые фотографируем и восхищаемся.
Наконец, моя небольшая мечта реализовалась, и на прошлой неделе я побывал во французской Тулузе на главных сборочных мощностях авиационного гиганта Airbus, где своими глазами увидел, как делают самолеты.
1. Если вы так же, как и я любите самолеты и хотите своими глазами увидеть немного больше, чем привыкли видеть в аэропорту, вам нужно попасть в городок Бланьяк, близ Тулузы.
Здесь располагается аэропорт с кодом TLS, являющийся одновременно и тулузским международным аэропортом, и частью огромного завода Airbus. У аэропорта и завода общая взлетно-посадочная полоса, поэтому даже сидя в зале ожидания или бизнес-лонже вы вполне можете увидеть, помимо лайнеров нескольких десятков авиакомпаний, осуществляющих сюда рейсы, и очень много самолетов самого необычного вида, как, например, этот Airbus A380 катарских авиалиний, еще не имеющий ливреи и отправляющийся в свой первый (!) пробный полет!
2. Вообще, попасть в сборочные цеха Airbus может каждый желающий! На заводах компании в Тулузе и Гамбурге организованы 2х-3х часовые туры стоимостью 10-15 евро. Имейте в виду, что для желающих попасть на завод обязательна предварительная резервация. Кроме того, учтите, что фотографировать во время такой экскурсии строго запрещено, как на любые виды камер, так и на мобильные телефоны, за чем очень строго следят сопровождающие.
Но мы побывали на заводе Airbus не в рамках экскурсионного тура, а провели здесь целых два дня с утра до вечера и без каких-либо запретов на фотосъемку.
Вообще, Airbus S.A.S - одна из крупнейших авиастроительных компаний в мире, образованная в конце 1960-х годов путем слияния нескольких европейских авиапроизводителей. Производит пассажирские, грузовые и военно-транспортные самолёты под маркой Airbus. Штаб-квартира компании находится в городе Бланьяк (пригород Тулузы, Франция), как и главные сборочные мощности. При этом у компании целых четыре сборочных площадки - в Тулузе (Франция), Гамбурге (Германия), Мобиле (Алабама, США), Тяньцзине (Китай).
На заводе в Тулузе, о котором сегодня пойдет речь, собирают весь модельный ряд: A380, A350, A330/A330neo, A320/320neo. При этом A380, A350, A330 собирают только на этом заводе.
3. Первым делом отправимся в цеха, где делают самый коммерческий успешный самолет компании - серию A320/A320neo.
В свое время A320 стал настоящим хитом и одним из наиболее распространенных самолетов ИЗ ВСЕХ существующих в настоящее время в мире. С 1988 года произведено уже более 7 600 единиц A320/A320neo, из которых более 8 000 летают на данный момент.
Подсчитано, что каждые 1,4 секунды в мире где-то садится или взлетает один A320, а если выстроить все произведенные самолеты этого типа в линию, то ее длина составит 260 километров.
Полный производственный цикл одного A320 (от сборки первой детали до поставки самолета заказчику) составляет около года, а основные узлы самолета делают в 4-х странах: носовую и переднюю часть фюзеляжа - во французском Сен-Назаре, средние и хвостовую часть фюзеляжа - в Гамбурге, горизонтальный стабилизатор - в испанском Хетафе, вертикальный стабилизатор - в немецком Штаде, крылья - в английском Бротоне, закрылки - в Бремене…
Все эти части свозятся на одну из сборочных площадок, где происходит финальная сборка самолета, занимающая около 1 месяца.
4. К месту финальной сборки в Европе (а это Тулуза и Гамбург) крупные элементы самолетов - части фюзеляжа, крылья и стабилизаторы доставляют по воздуху, в недрах огромного транспортного самолета Airbus Beluga .
Этот пост и так получается очень объемным, поэтому в о Белуге я сделаю отдельный материал (встречайте его сегодня вечером).
5. Вот так выглядит задняя часть фюзеляжа A320, только выгруженная из огромной Белуги около линии финальной сборки. При этом на заднем плане хорошо видно пассажирский терминал аэропорта Тулуза-Бланьяк и только что вернувшийся из технического полета A330 для китайской компании Tianjin Airlines.
6. Линия финальной сборки A320 в Тулузе располагается не где-нибудь, а в тех самых ангарах, в которых в свое время собирали легендарные Concorde. Вы удивитесь, но на основании этого факта ангары даже признаны историческим памятником!
С одной стороны, это круто и уникально, с другой - накладывает определенные ограничения на Airbus, так как их нельзя перестраивать, изменять и т.д. Казалось бы, что в этом такого? Чуть ниже поймете)
7. Входим в ангары FAL - Final Assembly Line. Именно здесь происходит финальная сборка самолетов, начиная от соединения частей фюзеляжа и заканчивая «начинкой» - оборудованием электроникой и монтажом внутреннего интерьера.
Удивительно, но этот странный зеленоватый обрубок с закрытой красной тканью задней частью не что иное, как будущий самолет.
8. В передней части он немного больше похож на себя привычного - угадывается и кабина пилотов, и иллюминаторы салона. Правда, еще нет ни крыльев, ни хвоста, ни двигателей, ни кресел, ни электроники.
9. Кстати, территория цеха сборки вся разделена на зоны, каждая их которых отрисована на полу: зоны расположения так называемых станций сборки, зоны перемещения подвижной техники, зоны для перемещения людей. За красную линию человеку без доступа нельзя. Там может находиться только персонал, работающий с тем или иным самолетом.
10. Хвостовая часть будущего A320 и задний выход.
11. Место крепления крыла самолета.
12. Переходим на следующую станцию. Здесь уже идет монтаж крыльев, поперечного и вертикального стабилизаторов. Крылья приходят без законцовок, механизации, шасси и двигателей. Все это будет установлено в течение нескольких следующих недель.
13. Установка вертикального стабилизатора. Кстати, его первым красят в цвета ливреи авиакомпании, для которой собирают тот или иной борт. Как вы понимаете, все самолеты собираются под заказ авиакомпаний согласно предварительному контракту и никогда на склад, как это бывает с автомобилями.
14. Перемещаемся на следующую станцию. Здесь осуществляется монтаж внутренней обшивки салона. В боксах видны готовые блоки с прорезями для иллюминаторов.
15. Рамки иллюминаторов.
16. Из первого ангара FAL самолет входит с полностью собранным фюзеляжем, установленными крыльями, горизонтальным и вертикальным стабилизаторами, частью салона.
17. После этого A320 покидает первый ангар и его перемещают в соседний, где происходит монтаж двигателей, авионики, всей электроники и вся остальная сборка до самого конца. Но здесь есть одна сложность .
Это исторические ангары, в которых делали Concorde. Те самолеты были гораздо ниже, а вот хвост у A320 намного выше проема ангара (!), обычным способом его отсюда просто не выкатить! Но так как здание историческое, его просто НЕЛЬЗЯ перестроить или даже прорубить проем для прохода стабилизатора самолета, как это часто делается. Вот и пришлось инженерам Airbus придумать специальный домкрат, которым приподнимают переднюю часть и так выкатывают самолет из ангара, опуская заднюю часть лайнера вместе с хвостом к самой земле…
18. Станция монтажа авионики и электроники. Здесь удалось поймать за хвост будущий борт Аэрофлота.
19. Знаете, почему у самолетов на производстве красный нос?
20. Под носовым обтекателем располагается очень чувствительное радиолокационное оборудование, поэтому на нос наносится красная пленка, предупреждающая об особом внимании. Позже, перед покраской, эту пленку просто снимут.
21. Практически в самом конце в самолет устанавливают кресла согласно выбранной авиакомпанией компоновке салона и шагу между креслами.
22. Затем на самолет устанавливают двигатели и красят его в ливрею авиакомпании.
23. Двигатель современного A320neo. Он настолько огромен, что по диаметру больше чем … салон некоторых бизнес-джетов!!!
24. Все, теперь самолет можно выкатывать на летные испытания! В самом конце идет стадия «предпродажной» подготовки и процесс передачи самолета заказчику. От заказчика приезжает комиссия и придирчиво проверяет абсолютно все: и на предмет соответствия самолета выбранной спецификации, и на предмет функционирования всего, начиная от от розеток для пассажиров, заканчивая двигателями и авионикой. Затем приемочный полет и …
25. И всё, самолет готовят к своему первому рейсу с кодом авиакомпании, под которым он полетит на аэродром базирования в Азии, Европе, на Ближнем Востоке или Африке.
26. Недалеко от цехов A320 высятся огромные стабилизаторы в цветах лучших мировых авиакомпаний - это новейшие A350, которые начали собирать не так давно и которые только-только начинают массовое распространение по планете. Конечно же, первыми новинку получают самые крупные, самые богатые, самые известные авиакомпании.
По пути встречаем детали фюзеляжа, которые раза в 1,5 больше, чем эти же детали для А320. Оно и понятно, ведь это уже широкофюзеляжный дальнемагистральный самолет, вмещающий в два раза больше пассажиров и способный покрывать намного большие расстояния в небе.
Кстати, для сборки одного А350 нужно 7 (!!!) рейсов Белуги. Одним привозят носовую часть фюзеляжа, вторым - среднюю, затем заднюю, хвост и горизонтальные стабилизаторы, два крыла (по одному рейсу на каждое), и один рейс с различными громоздкими частями самолета.
28. Первое что бросается в глаза на сборочной линии А350 - масштаб и простор. Это уже современные цеха с очень высокими потолками и десятком собираемых самолетов одновременно.
29. Во время сборки А350 их уже не катают со станции на станцию, все собирается на одном сборочном участке.
30. Место крепления крыла. Видны крепежи будущих магистралей, жгутов проводов и различных трубок.
31. Предкрылки.
32. Крыло в сборе без шарклета.
33. Запасный выход.
34. Горизонтальный стабилизатор.
35. Стойка переднего шасси.
36. Вот в таких ящиках приходят оборудование и части самолета.
37. Кабина пилотов, вид спереди.
38. Красный нос А350.
39. Станция FAL Airbus A350.
40. Собранные самолеты выкатывают на улицу, где они ждут своей очереди летных испытаний, а затем отправки на покраску.
41. Уже в самом конце, уезжая из сборочного цеха, нам удалось увидеть приземлившийся A350-1000, следующая версия A350, которая еще не пошла в серию, а только проходит летные испытания.
Кандидат технических наук А. ЖИРНОВ, заместитель генерального директора ВИАМа.
Наука и жизнь // Иллюстрации
Наука и жизнь // Иллюстрации
Восьмимоторный гигант АНТ-20 ("Максим Горький") был построен, как и многие металлические самолеты начала 30-х годов, из гофрированного алюминия.
При использовании традиционного сплава Д-16 пассажирский самолет Ту-154 получался слишком тяжелым.
Сварной корпус самолета МиГ-29 изготовлен из алюминиево-литиевого сплава 1420.
Массивные и очень ответственные детали шасси современных транспортных и пассажирских самолетов ОКБ им. С. В. Ильюшина изготовлены из титанового сплава ВТ-22. На снимке: Ил-76.
Сталь и алюминий, титан и пластмассы, клеи и дерево, стекло и резина - ни один самолет не полетит без этих материалов. Все они разработаны или испытаны в ВИАМе
В каждой лопатке турбины реактивного двигателя воплощены самые совершенные металлургические технологии. Стоимость одной монокристаллической лопатки соизмерима с ценой дорогого легкового автомобиля
Испытательный центр - "малая академия наук" ВИАМа. Грозит ли усталость металла разрушением самолета? Как найти скрытые дефекты в металле? Какими свойствами обладает новый материал? Во всем этом разбираются сотрудники Испытательного центра
Армрестлинг как способ разрешения ученого спора, или Как Н. С. Хрущев летал в Америку
- "Состаренный" материал не значит "старый"
Как кроили "шубу" для "Бурана"
От воздействия высоких температур турбинные лопатки защищает плазма
Чем совершеннее летательный аппарат, тем больше в нем неметаллических материалов. Уже спроектированы самолеты, на две трети состоящие из композитных материалов и пластмасс
Утром лаборант, вечером студент. И все это - не выходя из родной лаборатории. Если государство не готовит специалистов, их приходится учить на месте
Коррозия - враг любого металла. Ржавеет даже нержавеющая сталь. Как лечить язвы на теле "Рабочего и колхозницы"?
Склеить можно все что угодно. Нужен только подходящий клей. В небе летают склеенные самолеты, и это не детские модели, а большие транспортные воздушные суда.
Первые шаги нашей авиации связаны с закупкой иностранных самолетов. Были они по большей части деревянными, фюзеляж и крылья обтягивались тканью. Конечно же такие "матерчатые" самолеты не могли выдерживать значительных скоростных и температурных нагрузок, нужны были иные материалы, прежде всего - металл.
Идея строить самолеты из алюминия возникла в Германии. Там же появились первые сплавы, разработанные специально для самолетов. Их назвали дуралюминами. Подобный сплав был создан и у нас в стране в середине 20-х годов. Он получил марку Д-1 - это сплав алюминия с медью и небольшим количеством магния.
В 1932 году академик А. А. Бочвар разработал теорию рекристаллизации алюминиевых сплавов, которая легла в основу создания легких сплавов. В стране к тому моменту существовала производственная база: первый алюминиевый завод "Кольчугалюминий" (расположенный в селе Кольчугино Владимирской области) выпускал гладкие и гофрированные листы технического алюминия - это алюминий с небольшими добавками марганца и магния. Такой алюминий обладал достаточной прочностью, был пластичен и потому использовался для обшивки фюзеляжей летательных аппаратов.
Однако материал для новых скоростных самолетов должен был иметь совершенно иные качества. И через некоторое время в лаборатории алюминиевых сплавов ВИАМа (созданной одновременно с открытием института в 1932 году) разработали сплав Д-16, который применялся в самолетостроении почти до середины 80-х годов. Это сплав на основе алюминия с содержанием 4-4,5% меди, около 1,5% магния и 0,6% марганца. Из него можно было делать практически любые детали самолета: обшивку, силовой набор, крыло.
Но скорости и высота полетов росли. Требовались высокопрочные сплавы. В середине 50-х годов возглавивший лабораторию алюминиевых сплавов академик И. Н. Фридляндер совместно со своими коллегами В. А. Ливановым и Е. И. Кутайцевой разрабатывает теорию легирования высокопрочных сплавов. Введение в систему алюминий - медь цинка и магния позволило резко увеличить прочность материала. Так возник сплав В-95, обладающий прочностью 550-580 Мпа (~ 5500- 5800 кгс/см 2) и в то же время имеющий хорошую пластичность. У него был один изъян: недостаточная коррозионная стойкость, что, однако, устранялось путем двухступенчатого искусственного старения.
Новый сплав получил признание авиастроителей не сразу. В это время А. Н. Туполев создавал новый пассажирский лайнер Ту-154. Проект никак не укладывался в заданные весовые характеристи ки, и тогда генеральный конструктор сам позвонил Фридляндеру, обратившись за помощью, на что тот конечно же предложил использовать новый сплав. Проект новой машины переработали. Сплав В-95 нашел свое место для верхней поверхности крыла, из него изготовили прессованные панели и стрингеры, значительно снизив вес самолета. Такие же исследования параллельно шли в США. Там возникли сплавы серии 7000, в частности сплав 7075 - полный аналог нашего сплава.
Нагрузки, которые испытывает крыло самолета, неравноценны. Если верх крыла работает в основном на сжатие, то нижняя часть - на растяжение. Поэтому ее по-прежнему делали из дуралюмина Д-16, имеющего более высокие пластичность и порог усталости. Но и этот сплав претерпел серьезную модификацию за счет повышения чистоты по примесям при литье слитков. Технологические усовершенствования были столь значительны, что появился фактически новый материал - сплав 1163, который и в настоящее время успешно используется в нижних обшивках крыла и всего фюзеляжа.
Увеличение эксплуатационного ресурса самолетов всегда оставалось и остается задачей номер один. Добиться еще большей надежности и долговечности материалов можно, изменив структуру металла - "измельчив зерно". Для этого в сплавы начали вводить небольшие количества (до 0,1%) циркония. Величина зерна металла действительно резко уменьшилась, ресурс возрос. Одновременно создавались специальные ковочные сплавы, предназначенные для самых ответственных, силовых конструкций лайнеров. Так был разработан сплав 1933, превосходящий по своим параметрам зарубежные аналоги. Из него изготовляют детали силового набора и шпангоуты. Специалисты европейской авиастроительной фирмы "Эрбас" провели испытания нового материала и приняли решение использовать его в своих самолетах серий А-318 и А-319.
К сожалению, процесс весьма выгодного сотрудничества приостановлен. Причина в том, что акции двух основных российских производителей алюминиевой продукции - Самарского и Белокалитвенского металлургических комбинатов - выкуплены американской фирмой "ALKO". Значительная часть оборудования на предприятиях демонтирована, технологическая цепочка нарушена, квалифицированные кадры разошлись, и производство фактически прекратилось. Сейчас эти предприятия выпускают в основном фольгу, которая идет на изготовление пищевых банок и упаковок…
И хотя в настоящее время при посредстве российского правительства между компанией "АЛКОА-РУС" (она теперь называется так), ВИАМом и авиационными конструкторскими бюро достигнуты договоренности о возобновлении выпуска так необходимых нашей авиационной промышленности материалов, процесс восстановления идет крайне медленно и болезненно.
ВИАМ стал родоначальником серии сплавов пониженной плотности. Это совершенно новый класс материалов, содержащих литий. Первый такой сплав создал академик И. Н. Фридляндер со своими учениками еще в 60-х годах - на четверть века раньше, чем где-либо в мире. Его практическое использование, правда, поначалу было ограничено: такой активный элемент, как литий, требует особых условий выплавки. Первый промышленный алюминиево-литиевый сплав (его марка 1420) был создан на основе системы алюминий - магний с добавлением 2% лития. Его использовали в КБ А. С. Яковлева при строительстве самолетов вертикального взлета для палубной авиации - именно для таких конструкций экономия веса имеет особое значение. Як-38 эксплуатируется до сих пор, и никаких нареканий к сплаву нет. Более того. Оказалось, что детали из этого сплава обладают повышенной коррозионной стойкостью, хотя алюминиево-магниевые сплавы и сами по себе мало подвержены коррозии.
Сплав 1420 можно сваривать. Это его свойство использовали при создании самолета МиГ-29М. Выигрыш в весе при строительстве первых опытных образцов самолета за счет пониженной плотности сплава и исключения большого количества болтовых и клепочных соединений достигал 24%!
В настоящее время модификацией этого сплава - сплавом 1424 - весьма заинтересовались специалисты "Эрбаса". На заводе в городе Кобленце (ФРГ) из сплава откатали широкие листы длиной 8 м, из которых изготовили полноразмерные элементы конструкции фюзеляжа. Ребра жесткости из того же материала приварили лазерной сваркой, а элементы соединили между собой сваркой трением, после чего отправили на ресурсные испытания во Францию. Несмотря на то что некоторым деталям намеренно нанесли повреждения (для оценки работоспособности в экстремальной ситуации), после 70 тысяч циклов нагрузки конструкция полностью сохранила эксплуатационные свойства.
Еще один сплав с литием, созданный в ВИАМе, - 1441. Его главная особенность в том, что из него можно делать листы рулонной прокатки толщиной 0,3 мм с сохранением высоких прочностных качеств. Конструкторское бюро имени Бериева использовало сплав для изготовления обшивки своего гидросамолета Бе-103. Эту небольшую - всего на четыре человека - машину, толщина обшивки которой 0,5-0,7 мм, выпускает завод в Комсомольске-на-Амуре. Ее вес на 10% меньше, чем аналогичных моделей из традиционных материалов. Партию таких самолетов уже купили американцы.
Тонкий, но прочный прокат необходим для создания недавно появившегося нового класса материалов - слоистых алюмостеклопластиков, которые в России называются "сиал", а за границей - "глэр". Материал представляет собой многослойную конструкцию: чередование слоев алюминия и стеклопластика. У него немало преимуществ перед монолитными. Во-первых, стеклопластик можно армировать искусственными волокнами, на треть увеличивая прочность. Но главный выигрыш в том, что, если в конструкции появляется трещина, она растет на порядок медленней, чем в монолитных материалах. Именно этим сиалы, или глэры, в первую очередь заинтересовали авиастроителей. Из такого материала впервые изготовлена верхняя часть обшивки фюзеляжа аэробуса А-380 в наиболее ответственных местах - перед крылом и после крыла. Ресурсные испытания показали, что трещина в таком материале при рабочих нагрузках практически не растет. Поэтому глэры можно использовать как преграды-стопперы для предотвращения роста трещин в виде вставок в верхние обшивки фюзеляжа, где требуются особо высокая надежность и долгий ресурс службы.
Титан, как и алюминий, тоже имеет право называться небесным или крылатым. Лаборатория титановых сплавов была создана в институте в 1951 году. Ее основатель профессор С. Г. Глазунов изобрел установку для литья титана и, собственно, создал первый титановый сплав. Вторая подобная установка была с помощью ВИАМа построена во Всесоюзном институте легких сплавов (ВИЛС), а потом мы вместе внедряли разработанные технологические процессы на металлургическом комбинате в Верхней Салде, который сейчас является основным производителем титановой продукции в стране. В советское время комбинат выпускал более 100 тыс. тонн такой продукции. После распада СССР производство сократилось в несколько раз. Новому директору завода В. В. Тютюхину пришлось приложить огромные усилия, чтобы исправить положение. После резкого спада производства завод начал подниматься. Сейчас выпуск титановой продукции составляет 25 тыс. тонн в год. Большая ее часть (около 80%) поставляется за границу по заказам ведущих самолетостроительных концернов. В связи с оживлением авиастроительной промышленности в России возникла насущная необходимость создания альтернативного производства. Гиганту, каким является комбинат, невыгодно выпускать небольшие партии продукции. Заказы же российских авиапроизводителей пока невелики - 3-5 тонн, а цикл изготовления очень длительный и доходит до года. Такое производство может быть создано на базе ВИАМа, ВИЛСа и Ступинского металлургического комбината, где, собственно, и перерабатываются слитки, получаемые из Верхней Салды.
В ВИАМе создано более полусотни титановых сплавов различного назначения, из которых сегодня серийно используется около тридцати. Сейчас доля титановых сплавов в самолете в зависимости от его типа и назначения колеблется от 4 до 10-12%. Высокопрочные сплавы из титана, например ВТ-22, более четверти века используются для изготовления сварных шасси Ил-76 и Ил-86. Это сложные, массивные детали на Западе начинают делать из титана только сейчас. В ракетной технике доля титана намного выше - до 30%.
Созданные в ВИАМе высокотехнологичные сплавы ВТ-32 и ВТ-35 в отожженном состоянии очень пластичны. Из них можно формовать сложные детали, которые после искусственного старения приобретают чрезвычайно высокую прочность. Когда в начале 1970-х годов в КБ Туполева создавался стратегический бомбардировщик Ту-160, на московском заводе "Опыт" был построен специальный цех для изготовления титановых деталей центроплана. Эти самолеты летают до сих пор, правда, в России их осталось только одна эскадрилья.
С егодня перед ВИАМом стоит задача создания титановых сплавов, надежно работающих при температурах 700-750 о С. К сожалению, все металловедческие возможности, использовавшиеся при создании традиционных сплавов, уже реализованы. Требуются новые подходы. В этом направлении в лаборатории идут исследования по созданию так называемых интерметаллидных соединений на базе титан - алюминий.
Алюминиево-бериллиевые сплавы (их называют АБМ) исследуются и создаются на нашем предприятии уже 27 лет. Первый самолет с использованием такого сплава построил конструктор П. В. Цыбин.
Сплавы АБМ выгодно отличаются от других алюминиевых сплавов более высокой усталостной прочностью и уникальной акустической выносливостью. Сейчас они нашли применение в сварных конструкциях космических аппаратов, в том числе в серии хорошо известных межпланетных станций "ВЕНЕРА".
Интересен и сам бериллий, у которого модуль упругости на 30-40% выше, чем у высокопрочных сталей, а коэффициенты термического расширения близки, что позволило применять его в гироскопах.
В ВИАМе разработана технология изготовления тонкой вакуумно-плотной фольги и дисков и пластин из нее. Разработана технология пайки такой фольги с другими конструкционными материалами, и налажено серийное производство узлов рентгеновских аппаратов как для российских предприятий, так и для зарубежных фирм.
Еще один наш филиал организован в Поволжье в начале 1980-х годов, во время создания самого большого авиационного завода в Ульяновске, который выпускал гиганты авиации - "Русланы" и "Мрии". Для технологического сопровождения этих самолетов и была создана специальная лаборатория.
Одна из ее задач - внедрение в авиастроение композиционных материалов. Это - ближайшее будущее самолетостроения. Например, "Боинг-787", который готовится к выпуску через два года, на 55-60% будет состоять из композиционных материалов. Весь планер: фюзеляж, крыло, оперение - строится из композиционных материалов - углепластиков. Доля алюминия сократится до 15%. Углепластики - чрезвычайно заманчивый материал для самолетостроителей. Они обладают высокой удельной прочностью, малым весом, довольно приличными ресурсными характеристиками. Угроза разрушения из-за образования трещин снижается на порядки. Хотя, конечно, в отношении этих материалов остается ряд вопросов, которые до сих пор не решены. Было установлено, например, что в месте контакта углепластика с алюминием из-за возникновения гальванической пары развивается коррозия. Поэтому в таких местах алюминий пришлось менять на титан.
Когда создавался Ульяновский филиал, доля композитных материалов в конструкции отечественных летательных аппаратов была не очень велика. Тем не менее мы потихоньку начали обучать работе технологов, рабочих… Потом настали трудные времена, весь завод находился на грани закрытия, но филиал выжил. Постепенно производство восстанавливалось, и, хотя до сих пор оно наполовину законсервировано, есть несколько заказов на Ту-204, есть заказы из Германии на изготовление "Русланов". А значит, есть поле деятельности для нашей лаборатории.
Второе направление работы Ульяновского филиала - специальные, эрозионно- и коррозиестойкие покрытия.
При разложении металлоорганических жидкостей в вакууме на поверхностях образуются покрытия из хрома и карбидов хрома. Регулируя процесс, можно получать покрытия, содержащие любые соотношения этих компонентов - от чистого хрома до чистых карбидов. Твердость хромированного покрытия - 900-1000 Мпа, карбидного - вдвое выше - около 2000 Мпа. Но, чем выше твердость, тем больше хрупкость. Между этими крайностями и находят искомое в каждом отдельном случае.
Другой путь достижения нужных результатов обеспечивают нанотехнологии. В гальванические хромосодержащие ванны вводят наночастицы карбидов и оксидов металлов размером от 50 до 200 нм. Изюминка процесса в том, что сами эти частицы в состав покрытия не входят. Они лишь усиливают активность осаждаемого компонента, создают дополнительные центры кристаллизации, благодаря чему покрытие получается более плотным, более коррозиестойким, обладает лучшими противоэрозионными свойствами.
И в заключение еще об одном уникальном качестве института: в СССР существовала неплохая система, надежно гарантирующая качество конечного продукта предприятия. В ВИАМе эта система сохранилась и поныне. Если конструкторское бюро или частная компания закупают какой-то продукт, перед использованием они предпочитают передать его в ВИАМ на испытание. Нам по-прежнему доверяют.
См. в номере на ту же тему
Юрий КУЗЬМИН
ИЗ ИСТОРИИ АВИАЦИИ
Феликс дю Тампль (1823 ~ 1890)
Ранние самолёты чаще всего ассоциируются с деревянными «этажерками», обтянутыми тканью. Действительно, во время Первой мировой войны большинство самолётов были именно таковыми. Металл если и использовался, то только в стыковочных узлах, в проводке управления, а также в виде рояльной проволоки, идущей на расчалки.
Поэтому сегодня нам может показаться удивительным, что металл, а конкретнее – сталь, был применён в самолётостроении на четверть века раньше, чем дерево.
Нет, первый успешно летавший самолёт («Флайер» братьев Райт), как и положено «этажерке», был деревянным. И его неудачливый соперник («Аэродром» Лэнгли) тоже.
Но вот первый в мире построенный (хотя и не летавший) самолёт был стальным.
Мы не знаем точно, из чего был изготовлен планер самолёта Можайского. Но этот аппарат был только вторым, хотя и стал первым, доведённым до лётных испытаний.
Самым же первым построенным самолётом, то есть, летательным аппаратом тяжелее воздуха (в отличие от аэростатов), создающим подъёмную силу при помощи крыла (в отличие от ракет и вертолётов), оснащённым механическим двигателем (в отличие от планеров) и предназначенным для перевозки человека (в отличие от летающих моделей), был самолёт дю Тампля.
Французский морской офицер Феликс дю Тампль начиная с 1850-х годов строил летающие модели с пружинными двигателями. В 1857 г. он получил патент на летательный аппарат с мотором, а после выхода в отставку, в конце 1 860-х годов, начал его строительство.
Это был свободнонесущий высокоплан с нормальным оперением и тянущим винтом. Крыло имело сложную форму, которая определялась конструкцией каркаса: два напряженных расчалками изогнутых лонжерона перекрещивались, образуя жесткие треугольные фермы.
Шасси планировалось сделать убираемым, но при постройке пришлось от этого отказаться.
В целом самолёт выглядел очень даже современно – не хуже монопланов Юнкерса, появившихся на 40 лет позже. Но о них речь впереди.
Ахиллесовой пятой проекта стал двигатель. Паровая машина весом 59 кг развивала мощность всего лишь 4 л.с. – примерно в 20 раз меньше, чем требовалось для полёта. Да и вообще, сам самолёт, как и большинство ранних аппаратов, был сильно переразмерен. Размах крыла достигал 30 м (размах крыла самолёта Можайского был равен 23 м, летающей машины Хирама Максима – 32 м).
Изобретатель 10 лет пытался облегчить конструкцию, уменьшал размеры, менял схему крыла… но даже до попытки взлёта дело так и не дошло.
И всё-таки аппарат дю Тампля – это первый построенный полноразмерный самолёт. А построен он был из стальных труб. Из них изготавливались и лонжероны крыла и оперения, и каркас гондолы, и стойки шасси.
Вот и получается, что сталь пришла в авиацию куда раньше древесины.
Рисунок из патента дю Тампля. Показаны перекрещивающиеся лонжероны крыла
СТАЛЬ В ВОЗДУХЕ
Самолёт дю Тампля (как и самолёт Можайского) из-за слабого мотора даже не пытался взлететь. Но первый взлетевший (хотя и не по своей воле) аппарат тяжелее воздуха тоже был стальным!
В 1894 г. знаменитый изобретатель пулемёта американец Хирам Максим, переехавший в Великобританию, построил экспериментальную установку для измерения подъёмной силы. Это был именно экспериментальный стенд, не предназначенный для свободного полёта.
На большой четырёхколёсной тележке установили две мощные 90-сильные паровые машины, вращавшие два воздушных винта. К тележке крепились различные коробки крыльев (от двух до пяти плоскостей) и рули высоты.
Всё это сооружение передвигалось по деревянным рельсам. Интересно, что на расстоянии 60 см над нижними рельсами установили еще одни – верхние. После взлёта колёса аппарата должны были прижаться к верхним рельсам и катиться уже по ним (ещё раз повторим, что свободный полёт не планировался). Так замерялась подъемная сила крыла.
Аппарат Максима с установленными дополнительными крыльями
Первый успешно летавший стальной самолёт был не немецким, а французским (рисунок REP-1 из энциклопедии «Авиация»), Изображённый на рисунке четырёхлопастный винт в самом начале испытаний был заменён двухлопастным.
Самолёт REP-1 имел велосипедное шасси. Поддерживающие колёса на концах крыла были очень большими. Киля нет, его заменяет клиновидная хвостовая часть фюзеляжа
Успешный REP-2bis. Приняты меры по увеличению устойчивости: появился большой киль, вырос размах цельноповоротного стабилизатора, уменьшено отрицательное поперечное V крыла
Но подъёмная сила оказалась слишком высока. 31 июля 1894 года, после 270 м разбега колёса проломили верхний рельс. Аппарат взмыл на высоту около 5 м и, естественно, упал. Машинист (или уже пилот?), вовремя прекративший подачу пара, не пострадал. После такого успеха, как ни странно, Максим прекратил опыты. Возможно, ему надо было просто доказать, что паровой аппарат может создать достаточную подъемную силу, и он продемонстрировал это максимально эффектно.
Для нас же важно, что вся тележка была сварена из стальных труб. Следовательно, первый оторвавшийся от земли за счёт аэродинамических сил аппарат тяжелее воздуха с собственной силовой установкой был стальным.
БЫЛ ЛИ ЮНКЕРС ПЕРВЫМ?Всё-таки аппарат Максима – не самолёт. А как обстоят дела с настоящими самолетами?
Во многих источниках приоритет в использовании стали в конструкции аэропланов отдают немцам, а точнее Хьюго Юнкерсу. Но это совсем не так.
Первым, успешно летавшим самолётом со стальным каркасом был построенный в 1907 г. моноплан французского конструктора Роберта Эсно-Пельтри REP-1.
Правда, стальным был только фюзеляж. Лонжероны крыла были деревянными (со стальными стыковыми узлами), а обшивка оставалась полотняной. Но это первое успешное применение стали в силовой конструкции реальных самолётов.
REP-1 развивал в полёте скорость до 80 км/ч, но управлять им было очень сложно, так как сказывались отрицательное поперечное V крыла и отсутствие киля. Всё это делало аппарат весьма неустойчивым. Поэтому дальность полётов не превышала нескольких сот метров.
Траян Вуйя
Первый самолет Вуйя. За крылом можно разглядеть киль и оперение. Стойки тележки наклонные
Открытка 1907 г. Второй самолёт Вуйя отличался конструкцией тележки: стойки вертикальные, а не наклонные. Рядом сам конструктор
Но самолёт стал началом успешной цепочки других летательных аппаратов. В 1908 г. REP-2 пролетел уже 1200 м, а REP-2bis (1909 г.) летал долго, хорошо и был запущен в серийное производство.
В 1911 г. Эсно-Пельтри перешёл на работу в английскую компанию «Виккерс», и там построил ещё 8 стальных монопланов.
РУМЫНСКИЙ ДЕБЮТМоноплан REP вероятно (полной уверенности у меня нет, так как в ранней истории авиации ещё много сюрпризов) может считаться первым успешно летавшим самолётом со стальным каркасом. И уж точно – первым серийным самолётом подобной конструкции.
Но впервые стальной самолёт совершил полёт на полтора года раньше и совсем в другой стране.
Честь первых полётов на самолёте в Европе часто приписывают Альберто Сантос-Дюмону – бразильцу, постоянно жившему в Париже. Его заслуги перед авиацией действительно велики. Но первый его полёт, точнее, подскок, состоялся только 7 сентября 1 906 г. Лишь 12 ноября он увеличил дальность полёта до 220 м.
До этого же его результаты были не более впечатляющими, чем у двух его предшественников: датчанина Элехаммера и румына Трояна Вуйя. Самолёт Элехаммера взлетел на 5 дней позже Сантос-Дюмона, а вот аппарат Вуйя – на полгода раньше. 18 марта 1906 г., после 50-метрового разбега по горизонтальной грунтовой дороге он оторвался от земли и пролетел около 12 м на высоте 1 м.
Этот полёт отличался двумя особенностями:
1. В отличие от самолётов братьев Райт или профессора Лэнгли, аппарат Вуйя стартовал сам, без помощи катапульты.
2. В отличие от самолёта Максима, это был спланированный полёт и, что ещё важнее, аппарат приземлился не повреждённым и готовым к повторному вылету.
Так что заслуги Вуйя в истории авиации велики: первый полёт самолёта в Европе и первый успешный полёт без применения разгонных устройств (катапульты).
Но для нас главное то, что Вуйя строил свой самолёт по автомобильной технологии из конструкционной стали. Из стальных труб были сделаны и лонжероны крыла, и каркас оперения (цельноповоротный киль и треугольное горизонтальное оперение за крылом).
Значит, можно говорить о том, что первый европейский самолёт, совершивший запланированный полёт, тоже был стальным.
НЕМЕЦКИЙ ВКЛАДА что же немцы? Неужели все приоритеты в этой области принадлежат другим народам?
Конечно же, нет, ведь широко известен «истинно цельнометаллический» немецкий самолёт, в котором стальными были не только каркас, но и обшивка.
Самолёт сконструировал профессор Ханс Рейсснер, заведующий кафедрой механики технического университета в городе Аахен. Ешё в 1908 г. Рейсснер начал летать на биплане «Вуазен», но в 1909 г. разбил самолёт. После этого он решил построить аппарат своей конструкции.
Деньги дал успешный промышленник Хьюго Юнкере. Юнкере изобрел, запатентовал и выпускал на своём заводе очень полезную вещь – газовый водонагреватель на проточной воде, всем известный «титан». Для удовольствия Юнкере работал ещё и профессором на кафедре Рейсснера.
Именно Юнкере посоветовал Рейсснеру строить самолёт из железа. Разработка началась в феврале 1910 г.
Первый в мире самолёт, в котором стальными были и каркас, и обшивка: «утка» Рейсснера, май 1912 г.
После аварии в воздухе снова видели «Утку» Рейсснера. В отличие от первого самолёта килей стало пять, а фюзеляж зашили полотном. Был это восстановленный первый самолёт или полностью новый – неизвестно
«Тюбавьен» – первый в мире самолёт с металлическими каркасом и обшивкой. Весна 1912 г. (после облегчения конструкции, но ещё с дюралевой обшивкой и мотором Labor).
Рейсснер выбрал схему «утка» с клинообразным фюзеляжем. Самолёт так и назвали – Ente (утка). Кстати, само название «утка» для обозначения самолётов с передним расположением руля высоты пошло от собственного имени самолёта Блерио-V «Canard» (Canard – утка по-французски), появившегося в 1907 г.
Крыло и оперение самолета Рейсснера были покрыты гофрированными стальными листами. Под крылом размещались два небольших киля. Рядный мотор «Аргус» (70 л.с.) в хвостовой части фюзеляжа вращал толкающий винт. Шасси было трёхколёсное с носовым колесом. На основных стойках крепились лыжи: смысл их установки при наличии носового колеса мне понять так и не удалось.
Аппарат построили в институте Юнкерса в Аахене в феврале 1912 г. Такой долгий для начала века срок (2 года) объяснялся необычностью конструкции.
23 мая 1912 г. самолёт впервые поднялся в воздух. Испытания заняли три месяца, а с августа до ноября 1912 г. он уже совершал публичные полёты в Берлине.
В конце 1912 г. аппарат вернули в Аахен, но 27 января 1913 г. самолет разбился, сорвавшись в штопор.
Именно «Утка» Рейсснера стала первым самолётом, в котором из стали были сделаны и каркас, и обшивка крыла и оперения (фюзеляж был без обшивки).
Но возможности нового материала использовались ещё не в полной мере: крыло было тонким, и его пришлось подкреплять расчалками.
И ВСЁ-ТАКИ – ФРАНЦУЗЫНадеюсь, читатель не обидится на меня за подробный рассказ об «Утке» Рейсснера, узнав, что этот самолёт все же не был первым цельнометаллическим.
Первыми в этом всё-таки оказались французы.
За два месяца до полёта «Утки», в марте 1912 г., французские металлурги из Соммы Шарь Понше и Морис Прима испытали свой высокоплан «Тюбавьён».
Конструкция его была необычной. Основой каркаса служила стальная цельнотянутая труба, на которую надели винт. Винт приводился во вращение ременной передачей от рядного двигателя «Набор», установленного ниже. Перед винтом на той же трубе крепилось прямоугольное крыло, а сзади – крестообразное оперение с рулём высоты, стабилизатором и цельноповоротным килем. Под трубой была смонтирована ферма, на которой разместили сиденье пилота и двигатель. К нижним трубам фермы присоединялась ось шасси.
Вероятно, это был первый самолёт с подобной установкой винта. Такая схема применялась и в дальнейшем, хотя и не часто, но сейчас речь не об этом.
Особенностью «трубоплана» (примерно так можно перевести слово Tubavion) была дюралевая обшивка и крыла, и оперения.
Аппарат построили ещё в конце 1911г., и в том же году он успел покрасоваться на Парижском авиасалоне, но оторваться от земли удалось не сразу: самолёт был слишком тяжёл даже для столь мощного 70-сильного мотора. Пришлось облегчать конструкцию, сняв два из четырёх колес шасси и всю обшивку фюзеляжа. В таком виде в марте 1912 г. «Тюбавьён», наконец, взлетел.
Правда, летал он плоховато, и летом того же года конструкторы переделали его, заменив большую часть обшивки на обычную полотняную, а капризный «Лабор» – на ротативный двигатель «Гном» той же мощности (70 л.с.), установив его прямо на трубе, сразу за винтом.
Самолёт потерял большую часть уникальности, но полёт в марте 1912 г. уже даёт ему право называться первым в мире самолёт с металлическим каркасом и обшивкой.
А «Утка» Рейсснера остаётся вторым в мире самолётом с металлическим каркасом и обшивкой, но зато первым в мире цельностальным (вспомним, что у «трубоплана» обшивка была дюралевой).
А ЧТО ЖЕ ЮНКЕРС?В 1915 г. Юнкере построил знаменитый свободнонесущий моноплан J1. Стальными у него были и каркас, и обшивка. Толщина обшивки колебалась от 0,5 мм до 1 мм, с каркасом она соединялась точечной электросваркой.
Как видим, Юнкере J1 не был первым цельностальным самолётом, но в нём впервые удалось полностью использовать преимущества стали и толстого свободнонесущего крыла.
Юнкере J.1 не был первым в мире стальным самолётом, но в нём впервые удалось использовать преимущества нового материала
Типичный самолёт конца 1920-х годов: каркас фюзеляжа, крыла и оперения – стальные трубы, обшивка полотняная. На фотографии прототип самолёта Avro 621 Tutor с мотором Mongoose, 1929 г.
Советский самолёт «Сталь-2» со стальным каркасом, 1931 г.
На фотографии каркаса фюзеляжа и на схеме лонжерона крыла самолёта «Сталь-2» видно, насколько трудоемкой была конструкция стальных самолётов 1930-х годов
12 декабря Фридрих фон Маленкродт совершил на J1 первый полёт. Испытания прошли успешно, но военных не удовлетворили малая скороподъёмность (чуть более 1 метра в секунду) и невысокая полезная нагрузка.
Поэтому в серию пошёл совсем другой самолёт – биплан Junkers J4.
На вооружение его приняли под наименованием J.I, что позднее создало немалую путаницу. Надо помнить, что это совсем разные буквы «джей». J4 означает 4-ю конструкцию фирмы Junkers, а J.I – первый ударный самолёт. Классификация «J» для ударных самолётов была введена авиационным бюро немецкого военного министерства в 1917 г. Для номеров «юнкерса» использовались арабские цифры, а для номеров военного министерства – римские.
Следовательно, для нас роль Юнкерса представляется интересной тем, что на его фирме был построен первый в мире цельностальной свободнонесущий моноплан.
И, конечно, не стоит забывать о финансировании работ профессора Рейсснера.
РАЗВИТИЕВ 1920-е годы самолётов со стальным каркасом стало больше, чем с деревянным. Фюзеляж обычно «строился» вокруг сварной фермы из стальных труб. На эту ферму накладывались продольные и поперечные элементы (стрингеры и шпангоуты) из различных материалов (дерево, дюраль), а сверху шла полотняная, фанерная или дюралевая обшивка. Каркас крыла всё чаще тоже делали стальным.
Но прошла новая технологическая революция, и к концу 1930-х годов казалось, что сталь как конструкционный материал полностью уступила свои позиции алюминию.
На смену фермам из труб пришёл набор фюзеляжа и крыла из открытых дюралевых профилей, всё чаще сочетавшихся с силовой дюралевой обшивкой.
Немногочисленные цельностальные самолёты, строившиеся в 1930-х годах, себя не оправдали. Собирать сварные конструкции из очень тонких стальных листов было сложно и дорого: малейшая оплошность – и лист «прогорал». Требовалась очень высокая квалификация рабочих, но всё равно сварное соединение становилось слабым местом, с которого начиналась коррозия.
Выяснилось, что самолёты из нержавеющей стали приходят в негодность через 2-5 лет именно из-за ржавчины, появляющейся в месте сварки.
Советский самолет «Сталь-3»
Цельностальной транспортный самолёт Бад RB-1 «Conestoga», 1943 г. Построено 20 экземпляров. На снимке второй прототип.
В годы Второй Мировой войны, когда алюминия не хватало, проекты стальных самолётов реанимировали. Значительная доля стали испорльзовалась, к примеру, в конструкции планера реактивного истребителя Мессершмитт Ме-262. Но самой масштабной программой
осталась постройка 20 цельностальных транспортных монопланов Бадд RB-1 «Conestoga» в США. Впрочем, они с самого начала рассматривались как временная мера для борьбы с «дюралевым голодом».
Вновь сталь вернулась в авиацию на вполне законных основаниях уже после войны, когда самолетостроители начали проектировать самолеты, способные летать со скоростями, соответствующими большим значениям числа М. Тут, к примеру, можно вспомнить знаменитый МиГ-25, конструкция которого на 80% по массе выполнена из стали.
Впрочем, это уже другая история.
ПЕРВЫЕ СТАЛЬНЫЕ САМОЛЁТЫ
