"Авиация и космонавтика 1998 10" - читать интересную книгу автора

ЛЕТНЫЕ ИСПЫТАНИЯ И А ПРОЧНОСТЬ

А. ЩЕРБАКОВ

Что такое летные испытания? Это заключительный этап создания самолета. Причем это значительная часть процесса как по времени, так и по материальным затратам. Думаю, что термин испытания не точен.Под этим термином подразумевается проверка соответствия фактических данных самолета его проектным характеристикам. Но при создании новых самолетов применяются новые аэродинамические схемы, новые двигатели, новые материалы и технологии. Как следствие этого - много непредвиденных наукой, неожиданных результатов, как правило, отрицательных. Летные испытания открывают новые, ранее не известные явления аэродинамики и управляемости самолета. В результате летных испытаний .опытный самолет претерпевает значительные изменения конструкции. Еще не было случая, чтобы выкаченный из цеха самолет полностью соответствовал своим проектным данным. Видов и методик летных испытаний много. В данной статье хочу рассказать о летных испытаниях по определению прочности самолета.

Достаточно долгое время летные испытания на прочность носили весьма консервативный характер. Консервативный подход к вопросам прочности проявляли и главные конструкторы. Вот тому иллюстрация. Стенограмма заседания технического совета при НИИ ВВС от 19 июля 1940 года по самолету И-26 (будующий Як-1) сохранила такой диалог:

"Филин: (обращаясь к Яковлеву): "А почему у тебя нет уверенности в пикировании?"

- "Яковлев: "Вот когда машина про-пикирует 5-6 раз.тогда будет уверенность, потому что дело это темное и неизведанное."

(Филин А .И. - начальник НИИ ВВС. Яковлев А .С. - главный конструктор И-26)

Пикирование до максимальной скорости - элемент испытаний на прочность. У Яковлева были основания беспокоиться за прочность своего самолета. 27 апреля 1940 года разбился первый экземпляр И-26. Летчик-испытатель Юлиан Пионтковский погиб. При выполнении бочки у самолета отломилось крыло. Официальная версия причины катастрофы была высказана весьма неопределенно, вроде вышеупомянутого высказывания Яковлева. Но так ли беспомощна была наука и расчеты на прочность? Многие годы спустя Александр Борин, работавший в то время в конструкторском бюро Яковлева в бригаде прочности, в личном письме М.Л.Галлаю рассказал следующее: "Выполняя проверочный расчет на прочность, он обнаружил, что крыло расчетной нагрузки не держит и доложил руководству. Руководство приняло решение продолжить .испытания, исключив из программы фигуры пилотажа, в том числе и бочки, а на втором летном экземпляре И-26 выполнить усиление конструкции. Но решение было принято за день до катастрофы. Оно до Пи-онтковского не дошло. Зачем Пионтковский делал бочки расскажем в конце статьи. А пока отметим,что причина катастрофы была не в несовершенстве расчетов.

С тех пор методика определения прочности самолета непрерывно совершенствовалась. После выполнения расчетов в ЦАГИ проводились статические испытания, в которых отдельные части самолета: крыло, оперение, фюзеляж нагружались на специальной установке так, как они должны были бы нагружаться в полете. Нагружение доводилось до разрушения конструкции. Если выявлялось несоответствие расчетов с результатами испытаний, если какая-то часть конструкции разрушалась от нагрузки менее расчетной, то слабое место усиливалось. Только после этого проводилась проверка прочности в летных испытаний. Как видим, научное обеспечение испытательных полетов было значительным, не говоря уж о том, что непрерывно совершенствовалась методика расчетов. Но, тем не менее, летных происшествий в прочностных испытаниях случалось, пожалуй, больше, чем в других видах испытаний. Сопровождались эти происшествия и трагическими финалами. Несмотря на научное сопровождение, сами летные испытания долгое время были весьма примитивными. От полета к полету увеличивалась нагрузка конструкции: скоростной напор и перегрузка (справка: перегрузка это отношение созданной подъемной силы крыла к весу самолета). После полета происходил тщательный осмотр самолета с целью найти остаточные деформации. Разрушению должны предшествовать остаточные деформации. После появления таких деформаций принималось решение о назначении допустимой перегрузки или скоростного напора. Иногда деформации свою предупредительную функцию выполняли, иногда нет. Так еще во время войны летчик-испытатель Н.В.Адамович успешно привозил из полетов такие предупредительные признаки на самолете Ил-2. А в 1945 году при исследовательских испытаниях самолета Як-3 такие предупреждающие деформации вовремя не были замечены, и в очередном полете отломилось крыло. Летчик-испытатель С. Анохин получил тяжелую травму и лишился глаза.

В общем, долгое время методику летных испытаний на прочность можно было формулировать так: создавать на самолет нагрузку, а потом смотреть, что из этого получилось. На сегодняшний день такую методику можно назвать "первобытно-общинной". Уже с шестидесятых годов в летных испытаниях начали производить замер фактических напряжений конструкции и фиксацию их на приборах самописцах. Расшифровав записи полученных нагрузок, можно было знать, на сколько можно увеличить нагрузку в следующем полете, не допуская разрушающих напряжений. Казалось бы, наступила новая безопасная эра летных испытаний. Однако "воздушных приключений" в полетах осталось еще достаточно. Казалось, от чего бы? Причины, в основном, следующие. Известно, что "рвется там, где тонко". Но определить это тонкое место удается не всегда. Тензометри-руют основные жизненно важные элементы самолета. А "тонкое место" оказывается где-то во второстепенной части конструкции. Эта второстепенная часть, отломившись, ударяет по оперению, делая самолет не управляемым. Очень усложнилось определение реальных нагрузок в трансзвуковой области полетов. При испытании самолетов новых аэродинамических схем случалось, что испытания на прочность опережали испытания на управляемость самолета. Летчик, создавая условия полета для получения заданной нагрузки, сталкивался с ранее неизвестным нарушением управляемости. Все эти проблемы постараюсь проиллюстрировать реальными случаями летных испытаний.

Середина пятидесятых годов. Новая модификация УТИ-МИГ-15. Нужно подтвердить максимально допустимую перегрузку. Такая перегрузка проверяется дважды. Во-первых, при максимальной скорости, а затем на максимально допустимом угле атаки. В последнем случае самолет близок к сваливанию и штопору. Необходимо знать его управляемость на больших углах атаки. Вероятно, для этой модификации эти характеристики не уточнялись. В результате Константин Константинович Коккинаки, создав заданную перегрузку, вошел в штопор. Для вывода высоты не хватило. Летчик катапультировался. Примерно в то же время проверить максимально допустимую перегрузку для бомбардировщика Ту-16 прочили в сдаточном полете летчикам серийного Куйбышевского завода. Летчики тогда еще недостаточно владели и методикой, и новым самолетом. Тоже произошло сваливание на перегрузке. Командир корабля катапультировался, не убедившись в покидании самолета другими членами экипажа. Когда он уже был вне самолета, его догнал и убил люк, сброшенный другим членом экипажа. Второй пилот Александр Казаков сумел вывести самолет из сваливания. При этом были превышены допустимые скорость и перегрузка. Произошло испытание на прочность, так сказать, поневоле. Эти случаи произошли еще в пору "сермяжно-домотканой" методики. Но и позже, когда в полете замерялись реальные напряжения конструкции, случались летные происшествия. При испытании МиГ-23 на перегрузке оторвалась от крыла боевая подвеска и ударила по стабилизатору. Катапультирование на большой скорости окончилось для летчика-испытателя Геннадия Мамонтова тяжелой травмой ноги. Нечто подобное произошло при испытании самолета Су-25 у летчика-испытателя Юрия Егорова, но это стоило ему жизни.

Автор хочет поделиться и своим опытом. В 1974-1975 годах он проводил в качестве летчика цикл прочностных испытаний на самолете Су-24. Общий итог этой работы был достаточно позитивным. В результате этих испытаний были значительно расширены ограничения самолета по скорости и перегрузке. Но не обошлось без "воздушных приключений". Как уже было сказано, прогнозирование нагрузки на крыло существенно усложнилось на трансзвуковой и сверхзвуковой скорости. Одна и та же перегрузка на одном числе маха была допустимой, на несколько большем могла стать разрушающей. Поэтому в таких испытаниях важно строго соблюдать заданные условия полета и заданную перегрузку. Это требует очень точного пилотирования.

В этих испытаниях самолет был тен-зометрирован, и работа шла на высоком научном уровне. Всё, что подвергалось большим нагрузкам, контролировалось записью приборов. Но можно ли проконтролировать все? На самолете Су-24 крыло изменяемой стреловидности. Казалось бы, стреловидное крыло испытывает продольную нагрузку в направлении скорости потока. Кстати, нагрузка эта по сравнению с другими невелика и поэтому не вызывала опасений. Но, как это не парадоксально на первый взгляд, в некоторых случаях крыло испытывает продольную нагрузку против потока. Об этом аэродинамическая наука узнала не сразу. Узел крепления поворотной части крыла на Су-24 на такую нагрузку не был рассчитан. И вот когда я создал заданную нагрузку, одно полукрыло, взломав узел крепления и пробив стенку топливного бака, заняло положение минимальной стреловидности. Теперь представим, что будет, когда у одного полукрыла стреловидность 69°, а у другого 16°. Самолет вращается как волчок, совершенно игнорируя мои действия рулями. Но это еще не главное. Керосин из пробитого бака хлынул в реактивный двигатель, и начался сильнейший пожар. Поочередно, но очень быстро отказали все системы самолета и управление в том числе. Отказ электрики вывел из строя всякую связь. Хотя мы со вторым пилотом сидим рядом, слышать друг друга не можем. К счастью, я еще успел передать: "Поднимайте вертолет! Катапультируемся!" Отказало все, что только было в самолете. Даже катапультирование произошло с большим затруднением. На нас со Славой Лойчиковым за 30-40 секунд обрушились все неприятности, какие только могут быть в авиации. Для полноты картины не хватало только, чтобы в это же время возникли пожары в наших квартирах и в это же время у нас угоняли наши авто. Как ни трудно досталось спасение, но в этом случае проявилась моя профессиональная опытность. В этой сумасшедшей ситуации я сумел заметить и запомнить одну деталь, которая позволила быстро определить причину аварии, и которую было бы трудно искать в обломках самолета. Эта авария произошла в полете, задание которого не было непосредственно связанно с испытанием на прочность. Но затем на другом экземпляре самолета сомнительное место было обследовано в полетах прочнистами и затем усилено. Этим "приключением" испытания на прочность Су-24 не кончились. После определения нагрузок на крыло измерялись нагрузки на расположенные под крылом бомбы, ракеты и пусковые блоки. Они должны на скорости 1400 км/час выдерживать перегрузку 5. Хотя тензометричеоские датчики надежно фиксировали нагрузки, но в самом "тонком месте" их опять не оказалось: весь самолет обклеить датчиками невозможно. В результате одна подвеска оторвалась, но к счастью моему и штурмана Славы Наумова, она не ударила по хвостовому оперению, как это было тремя годами раньше у Геннадия Мамонтова на самолете МиГ-23.

Еще один острый эпизод при испытании на прочность Су-24. Опять пикирование с углом 40° до скорости 1400 км/час и на высоте 4 километра создание максимальной перегрузки. Летные испытания это еще и производство, поэтому обязательство по срокам исполнения, необходимость получать максимально возможное количество информации и т.д. В этом полете опять определялись нагрузки на подкрыльные подвески. Чтобы получить больше экспериментального материала, на каждом крыле висели разные бомбы и ракеты с разницей веса на полукрыльях более 200 килограмм. Эта разница в горизонтальном полете вызывала незначительное кренение, которое парировалось незначительным отклонением поперечного управления. Однако на перегрузке 5 разница в нагрузке правого и левого крыла уже более тонны, кренение будет значительным, и для его парирования требуется почти полное отклонение управления. На самолетах с системой управления, как на Су-24 было вредное явление - обратная реакция самолета на отклонение поперечного управления. Тогда в 1974 году это явление было исследовано недостаточно и не прогнозировалось. На скорости 1400 км/ час при угле пикирования 40° вертикальная скорость, то есть скорость сближения с землей, будет 700 км/час или 200 м/сек. Следовательно, на высоте 4 км до столкновения с землей менее 20 секунд, а до минимальной высоты катапультирования втрое меньше. Естественно, что если в этих условиях потеряна управляемость самолета, нужно катапультирваться. Но на скорости 1400 км/час этого делать нельзя. Средства спасения на такую скорость не рассчитаны. Тело летчика такого скоростного напора не выдержит. Нужно погасить скорость хотя бы до 1000 км/ час. Но хватит ли на это считанных секунд? Итак, на высоте 4 км создаю перегрузку, парируя управлением крене-ние, а самолет от этого начинает быстро вращаться и переварачивается на спину. Все это происходит неожиданно и непредвиденно. Вот она обратная реакция. Я даю команду штурману Геннадию Ирейкину "КАТАПУЛЬТИРУЙСЯ". Этот случай запомнился мне не остротой ситуации. После моей команды Гена взялся за ручки катапультирования, но помедлил 2-3 секунды. За это время я, уменьшив перегрузку, понял, что управляемость самолета восстановлена, и самолет, сделав бочку, вышел в горизонтальный полет. А штурман понял, что необходимость катапультирования отпала. А что было бы, если бы не эти 2-3 секунды? Успешное спасение Ирейкина было мало вероятно из-за слишком большой скорости. А я, вернувшись на аэродром один, имел бы на совести здоровье, а может быть и жизнь товарища. Промедлив 2-3 секунды, Геннадий спас себе жизнь, а за одно и мою репутацию. В данном случае аварийная, а может быть и катастрофичная ситуация возникла потому, что испытания на прочность опережали сведения и знания по управляемости самолета Су-24. Как видим, совершенная научная методика испытаний на прочность еще не гарантия от летных происшествий. Но, тем не менее, новая методика ЛИИ сделала большой шаг вперед в обеспечении безопасности. Если бы автор весь цикл прочностных испытаний на Су-24 проводил старым сермяжно-домотканым методом, он не дожил бы до писания воспоминаний. Несмотря на "воздушные приключения", общий итог этих испытаний был весьма положительным, и в этом важная роль и заслуга принадлежит начальнику лаборатории прочности М.Д. Клячко и ведущему инженеру К. Юшину, с которыми в процессе работы я поддерживал самые тесные отношения.

Несколько позже мой напарник по катапультированию на Су-24 Слава Лойчиков испытывал на прочность Су-27 и совершенно неожиданно оказался в разрушенном самолете. Отломилась часть крыла. Катапультирование опять происходило в тяжелых условиях. Опять "тонкое место" не удалось выявить своевременно из-за того, что крыло Су-27 было новой аэродинамической компоновки и таило в себе новые явления обтекания.

После очередного летного происшествия я скептически высказался о работе суховских прочнистов представителю фирмы "Су". Тот вздохнул, но промолчал. Позже я понял, что был неправ. Отчего при создании самолета почти всегда остаются "тонкие места?" Почему их нельзя "утолстить" при проектировании? Почему не создать запас прочности?

На хорошо сделанном самолете никаких запасов быть не должно. Самолет должен выдерживать только те нагрузки, на которые рассчитан, и ни килограмма больше. Если какая-то часть конструкции оказалась с запасом прочности, значит в неё вложен лишний металл, значит она тяжелее, чем нужно. На сколько тяжелее оказалась конструкция, на столько же меньше будет у самолета топлива, полезной нагрузки и тяговооруженности и, следовательно, дальности полета, боевой эффективности и маневренноости. Слабое место всегда можно усилить, хотя выявление этого места может стать и причиной летного происшествия. А вот извлечь лишний вес из уже построенного самолета практически невозможно. Десятые доли миллиметра толщины стрингеров, шпангоутов, обшивки, растянутые по всей конструкции, дают сотни килограммов лишнего веса. Так что проектирование самолета с возможными "тонкими местами" сегодня дело, естественно, необходимое. В дальнейшем, с развитием методов расчета, лабораторных исследований, технологий, "тонких" мест может быть, и не станет. А пока….!!!!

Новая, научно-совершенная методика испытаний на прочность требует сложного оборудования самолета. Обработка послеполетных материалов также сложна и трудоемка и требует времени больше, чем "старый, добрый" визуальный осмотр. Поэтому иногда возникал соблазн испытать самолет на прочность по-старинке, но побыстрей и в семидесятых, восьмидесятых и в девяностых годах. Так, при испытании летчиком-испытателем Авиардом Фастовцем на прочность самолета МиГ-23, последний раскололся, как орех. Авиард проявил завидную оперативность, катапультируясь из уже развалившегося самолета.

Также попроще,но побыстрей испы-тывался на максимальный скоростной напор самый большой самолет Ан-124Т "Руслан" в 1992 году. На таком самолете можно было разместить столько аппаратуры, что замерять нагрузку было бы возможно в самых "интимных" местах. Но руководство фирмы решило иначе. И вот экипаж согласно полетного задания, дав полные обороты четырем двигателям, устремился навстречу судьбе. На максимальной скорости разрушилась носовая часть фюзеляжа, и обломки, попав в сопла двигателей, вывели их из строя. Самолет мог лететь только со снижением. Чтобы покинуть его необходимо было разгерметизировать кабину. На это требуется некоторое время. В результате успел выпрыгнуть и то очень низко только один человек, а восемь остались в упавшем в лес и взорвавшемся самолете.

Описанные случаи относятся к так называемой статической прочности самолета. Есть еще понятие прочности динамической. С первых лет авиации её преследовало грозное, опасное явление ФЛАТТЕР. Это вибрация, наступающая на определенной скорости полета с бы-стронарастающей амплитудой, приводящей к разрушению конструкции самолета. Это явление стало объектом исследования ученых. Еще в тридцатые годы была выяснена аэродинамическая природа этого явления. Было определено понятие критической скорости, при которой наступает флаттер. Задачей летных и теоретических исследований стало определение этой скорости и возможностей её увеличения за пределы эксплуатционных значений. Первые летные исследования на эту тему проводил в 1940 году летчик-испытатель ЦАГИ и ЛИИ М.Л.Галлай. Полет по этой программе чуть не кончился катастрофой. Самолет был деформирован до полного списания и с. большим трудом посажен. В том же году из-за флаттер-ного разрушения на самолете Поликарпова СПБ погиб летчик-испытатель М. А. Липкин. В дальнейшем, к счастью, результаты теоретических и лабораторных исследований оказались очень эффективными, и в последующие годы необходимость в рискованных летных испытаниях отпала. Случаи флаттера имели место на опытных самолетах еще в шестидесятые годы, но уже не носили того разрушительного характера, а летные испытания имели чисто исследовательский характер. Особая роль в победе над флаттером принадлежит М.В.Келдышу, бывшему в тридцатых годах научным сотрудником ЦАГИ (впоследствии президенту Академии наук).

Теперь расскажем, зачем Юлиан Пионтковский делал роковую бочку. Вот что рассказал в 1959 году М.Л.Галлаю А.А.Головин, который в 1940 г. был представителем моторного ОКБ Климова на фирме Яковлева и регулировал моторы на двух первых экземплярах И-26. Пионтковский летал на первом экземпляре, на втором - Корзинщиков. У Пионтковского грелся мотор, так как масляный радиатор был установлен сверху капота, И воздух его обходил. У Корзинщикова радиатор был под мотором, и все было нормально. Корзинщиков после задания крутил над аэродромом бочки, А. Пионтковскому было не до бочек: дай бог сесть, все температуры у красной черты. Но аэродромная молва, которая доходила до Пионтковского, трактовала это так: "Один может, а другому слабо."

И вот Юлиан решил тоже крутануть бочку. В то время бочки делались не так, как на современных самолетах. Тогда бочки делались с предварительным созданием перегрузки. Почему крыло отломилось у Пионтковского, а у Корзинщикова - нет? Почему из двух одинаково "виновных" "наказанным" был один Пионтковский? Вероятно, Корзинщиков делал бочки с меньшей перегрузкой. В общем это уже капризы проказницы Фортуны. А малопочтенная традиция соревновательности без обоснования профессиональной необходимости сохраняется и до сих пор, и катастрофа Пионтковского по этой причине, к сожалению, не была последней.