Конструкции, или почему не ломаются вещи - Гордон Джеймс Эдвард (книги онлайн .txt) 📗

К началу 1917 г. благодаря высоким техническим данным своих истребителейстраны Антанты достигли на западном фронте явного превосходства в воздухе.

Однако тем временем немецкий конструктор Антони Фоккер работал над созданиемнового истребителя - моноплана "Фоккер Д-8", который по своим качествампревосходил не только то, что было у союзников, но и то, чего они ждалив перспективе. Из-за критической ситуации на фронтах производство Д-8 былоускорено. Они поступили на вооружение нескольких немецких эскадрилий безпроведения достаточной программы летных испытаний. И вскоре после того,как эти самолеты начали полеты в боевых условиях, обнаружилось, что в воздушныхбоях при выводе машины из пике у него ломалось крыло. Было много жертв,в том числе среди опытнейших летчиков-истребителей. Все это заставило проанализироватьпричины неудач.

В те дни большинство самолетов были бипланами, ибо конструкция этоготипа считалась самой легкой и надежной. Однако при двигателе той же мощностимоноплан развивает большую скорость, так как не испытывает дополнительногосопротивления воздуха из-за аэродинамического взаимодействия двух близкорасположенных крыльев. Это настойчиво побуждало к разработке истребителей-монопланов.Но, хотя и без понимания действительных причин, монопланы считались конструктивноненадежными уже с 1903 г., когда в США над Потомаком отвалилось крыло знаменитогосамолета Сэмюеля Ленгли.

Крыло Д-8, как и большинства монопланов того времени, было обшито тканьюс целью придания ему желаемой аэродинамической формы. Ткань была простонатянута на силовой каркас и сама не должна была нести основных изгибающихнагрузок. Эти нагрузки воспринимались двумя параллельными деревянными лонжеронами- консольными балками, идущими в сторону от фюзеляжа. Они были соединенычерез каждые несколько дюймов рядом легких деревянных нервюр определеннойформы, на которые и натягивалась проклеенная ткань (рис. 129).

Рис. 129. Крыло моноплана, обтянутое тканью.

Когда стало известно о катастрофах с Д-8, командование немецких военно-воздушныхсил отдало приказ провести испытания конструкции. Как это обычно делалосьв те времена, готовый самолет перевернули вверх ногами и установили наиспытательный стенд, нагружая мешками с дробью, расположенными так, чтобыимитировать возникающие в полете аэродинамические нагрузки. Испытанноетаким образом крыло не обнаружило признаков слабости, оно разрушалось лишьпри нагрузке, эквивалентной шестикратному весу самолета. Правда, в настоящеевремя требуется, чтобы истребители выдерживали двенадцатикратные перегрузки,но в 1917 г. шестикратной перегрузки считалось вполне достаточно, и онаопределенно превышала те перегрузки, которые могли возникнуть в тогдашнихбоевых условиях. Другими словами, самолет, казалось бы, был вполне надежен.

Однако при стендовых испытаниях Д-8 обратили внимание на то, что разрушениесамолета начиналось в заднем лонжероне. Решили перестраховаться, и задниелонжероны на всех самолетах Д-8 заменили более толстыми и прочными. Нои после замены число аварий не сократилось, а, напротив, увеличилось. Командованиенемецких военно-воздушных сил оказалось перед фактом, что "усиление" крылапутем добавления конструкционного материала на самом деле приводит к егоослаблению.

К тому времени Фоккеру стало ясно, что на помощь от официальных умоврассчитывать не приходится, и он сам подверг Д-8 испытаниям на своем заводе.На этот раз догадались измерить перемещения крыла под нагрузкой. Оказалось,что приложенная нагрузка не только изгибает (при выводе самолета из пикеконцы крыла поднимаются относительно фюзеляжа), но и скручивает крылья,хотя к ним явным образом не приложено никаких крутящих нагрузок. И, чтоособенно важно, направление скручивания было таким, что значительно увеличивалсяугол атаки крыла, то есть его подъемная сила.

Обдумав эти результаты, Фоккер внезапно понял, что именно здесь лежитпричина не только загадочных аварий с Д-8, но и большинства неприятностейсо многими другими монопланами. Когда пилот берет ручку на себя, нос самолетаподнимается и нагрузка на крыло растет. Но одновременно крыло закручивается,и это приводит к дальнейшему увеличению подъемной силы крыла, то есть нагрузкина крыло; оно закручивается еще больше, еще больше растет нагрузка и такдо тех пор, пока пилот полностью не теряет контроль над ситуацией и крылоне отваливается. Фоккер обнаружил здесь ту форму неустойчивости, котораячасто приводит к "летальному" исходу.

Что же в действительности происходит с крылом с точки зрения теорииупругости?

Центр изгиба и центр давления

Рассмотрим пару одинаковых параллельных консольных балок, или лонжеронов,соединенных через определенные интервалы горизонтальными нервюрами (рис.129). Пусть к одной из этих нервюр у кончика крыла приложена сосредоточеннаясила, направленная вверх. Если эта сила не приложена точно посередине междулонжеронами (рис. 130), нагрузка не распределится поровну между ними исила, действующая на один из лонжеронов, будет больше .силы, действующейна другой. Если это произойдет, то один из двух лонжеронов (тот, которыйболее нагружен) отклонится вверх больше другого (рис. 131). В таком случаенервюры, соединяющие лонжероны, отклонятся от горизонтального положения,а все крыло окажется закрученным. В любом сечении балки можно указать точку,называемую центром изгиба. Если линия действия силы проходит через этуточку, то сила не вызывает кручения балки.

Рис. 130. Взаимосвязанные изгиб и кручение возникают в случае, еслиравнодействующая подъемных сил в каждом поперечном сечении крыла проходит черезточку, называемую центром изгиба (в данном случае посередине между двумялонжеронами), тогда крыло будет изгибаться без кручения.

Рис. 131. Если равнодействующие подъемных сил не проходят через центр изгиба,а смещены, например, в направлении передней кромки крыла, то крыло (или любаядругая балка) будет скручиваться при изгибе.

Естественно, когда в сечении крыла больше двух лонжеронов или если паралонжеронов имеет разную жесткость, то центр изгиба будет находиться непосередине, а где-то между передней и задней кромкой крыла. Однако в каждойбалке любого типа центр изгиба всегда существует. Сила, линия действиякоторой проходит через эту точку, не вызывает закручивания балки или крыла,тогда как любая иная нагрузка обязательно приводит не только к перемещениямкрыла вследствие изгиба, но и к закручиванию крыла на некоторый угол.

До сих пор мы рассматривали случай сосредоточенной силы, приложеннойк балке или крылу. Естественно, что аэродинамическая подъемная сила, котораяв полете направлена вверх и удерживает машину в воздухе, представляет собойнагрузку, распределенную по всей поверхности крыла. Однако, чтобы упроститьрасчеты, всю эту нагрузку можно заменить одной равнодействующей, приложеннойв точке, которую называют центром давления (ЦД) крыла.

Несведущему человеку может показаться, что ЦД подъемной силы, действующей накрыло в полете, лежит где-то посередине между передней и задней кромкой крыла,скажем, возле середины хорды крыла. На самом же деле, как хорошо известно изаэродинамической практики, это совсем не так. Как правило, центр давленийподъемной силы расположен недалеко от передней кромки крыла- обычно на расстоянии примерно в четверть длины хорды [96].

Следовательно, пока крыло не спроектировано таким образом, чтобы центризгиба был расположен примерно на расстоянии одной четвертой длины хордыот передней кромки, оно обязательно будет закручиваться. Угол поворотакрыла при этом будет, конечно, зависеть от крутильной жесткости крыла (жесткостина кручение). Но, вообще говоря, всякое закручивание крыла - вещь вреднаяи опасная, так что конструкторы стремятся свести его к минимуму. Именнопоэтому и стержень пера в крыле птицы расположен обычно на расстоянии вчетверть хорды от его передней кромки (рис. 132).