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 ДЕБЮТ

Моноплан 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 ВКЛАД

А 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 – ФРАНЦУЗЫ

Надеюсь, 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.

РАЗВИТИЕ

В 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

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.

Изобретение самолета позволило не только осуществить древнейшую мечту человечества - покорить небо, но и создать самый быстрый вид транспорта. В отличие от воздушных шаров и дирижаблей, самолеты мало зависят от капризов погоды, способны преодолевать большие расстояния на высокой скорости. Составные части самолета состоят из следующих конструктивных групп: крыла, фюзеляжа, оперения, взлетно-посадочных устройств, силовой установки, управляющих систем, различного оборудования.

Принцип действия

Самолет - летательный аппарат (ЛА) тяжелее воздуха, оборудованный силовой установкой. При помощи этой важнейшей части самолета создается необходимая для осуществления полета тяга - действующая (движущая) сила, которую развивает на земле или в полете мотор (воздушный винт или реактивный двигатель). Если винт расположен перед двигателем, он называется тянущим, а если сзади - толкающим. Таким образом, двигатель создает поступательное движение самолета относительно окружающей среды (воздуха). Соответственно, относительно воздуха движется и крыло, которое создает подъемную силу в результате этого поступательного движения. Поэтому аппарат может держаться в воздухе только при наличии определенной скорости полета.

Как называются части самолета

Корпус состоит из следующих основных частей:

• Фюзеляж - это главный корпус самолета, связывающий в единое целое крылья (крыло), оперения, силовую систему, шасси и другие составляющие. В фюзеляже размещаются экипаж, пассажиры (в гражданской авиации), оборудование, полезная нагрузка. Также может размещаться (не всегда) топливо, шасси, моторы и т. д.
• Двигатели используются для приведения в движение ЛА.
• Крыло - рабочая поверхность, призванная создавать подъемную силу.
• Вертикальное оперение предназначено для управляемости, балансировки и путевой устойчивости самолета относительно вертикальной оси.
• Горизонтальное оперение предназначено для управляемости, балансировки и путевой устойчивости самолета относительно горизонтальной оси.

Крылья и фюзеляж

Основная часть конструкции самолета - крыло. Оно создает условия для выполнения главного требования для возможности полета - наличие подъемной силы. Крыло крепится к корпусу (фюзеляжу), который может иметь ту или иную форму, но по возможности с минимальным аэродинамическим сопротивлением. Для этого ему предоставляют удобно обтекаемую каплеобразную форму.

Передняя часть самолета служит для размещения кабины пилотов и радиолокационных систем. В задней части находится так называемое хвостовое оперение. Оно служит для обеспечения управляемости во время полета.

Конструкция оперения

Рассмотрим среднестатистический самолет, хвостовая часть которого выполнена по классической схеме, характерной для большинства военных и гражданских моделей. В этом случае горизонтальное оперение будет включать неподвижную часть - стабилизатор (от латинского Stabilis, устойчивый) и подвижную - руль высоты.

Стабилизатор служит для придания устойчивости ЛА относительно поперечной оси. Если нос летательного аппарата опустится, то, соответственно, хвостовая часть фюзеляжа вместе с оперением поднимется вверх. В этом случае давление воздуха на верхней поверхности стабилизатора увеличится. Создаваемое давление вернет стабилизатор (соответственно, и фюзеляж) в исходное положение. При подъеме носа фюзеляжа вверх давление потока воздуха увеличится на нижней поверхности стабилизатора, и он снова вернется в исходное положение. Таким образом, обеспечивается автоматическая (без вмешательства пилота) устойчивость ЛА в его продольной плоскости относительно поперечной оси.

Задняя часть самолета также включает вертикальное оперение. Аналогично горизонтальному, оно состоит из неподвижной части - киля, и подвижной - руля направления. Киль придает устойчивость движения самолету относительно его вертикальной оси в горизонтальной плоскости. Принцип действия киля подобен действию стабилизатора - при отклонении носа влево киль отклоняется вправо, давление на его правой плоскости увеличивается и возвращает киль (и весь фюзеляж) в прежнее положение.

Таким образом, относительно двух осей устойчивость полета обеспечивается оперением. Но осталась еще одна ось - продольная. Для предоставления автоматической устойчивости движения относительно этой оси (в поперечной плоскости) консоли крыла планера размещают не горизонтально, а под некоторым углом относительно друг друга так, что концы консолей отклонены вверх. Такое размещение напоминает букву «V».

Системы управления

Рулевые поверхности - важные части самолета, предназначенные для управления К ним относятся элероны, рули направления и высоты. Управление обеспечивается относительно тех же трех осей в тех же трех плоскостях.

Руль высоты - это подвижная задняя часть стабилизатора. Если стабилизатор состоит из двух консолей, то соответственно есть и два руля высоты, которые отклоняются вниз или вверх, оба синхронно. С его помощью пилот может менять высоту полета летательного аппарата.

Руль направления - это подвижная задняя часть киля. При его отклонены в ту или иную сторону на нем возникает аэродинамическая сила, которая вращает самолет относительно вертикальной оси, проходящей через центр масс, в противоположную сторону от направления отклонения руля. Вращение происходит до тех пор, пока пилот не вернет руль в нейтральное (не отклоненное положение), и ЛА будет осуществлять движение уже в новом направлении.

Элероны (от франц. Aile, крыло) - основные части самолета, представляющие собой подвижные части консолей крыла. Служат для управления самолетом относительно продольной оси (в поперечной плоскости). Так как консолей крыла две, то и элеронов также два. Они работают синхронно, но, в отличие от рулей высоты, отклоняются не в одну сторону, а в разные. Если один элерон отклоняется вверх, то другой вниз. На консоли крыла, где элерон отклонен вверх, подъемная сила уменьшается, а где вниз - увеличивается. И фюзеляж ЛА вращается в сторону поднятого элерона.

Двигатели

Все самолеты оснащаются силовой установкой, позволяющей развить скорость, и, следовательно, обеспечить возникновение подъемной силы. Двигатели могут размещаться в задней части самолета (характерно для реактивных ЛА), спереди (легкомоторные аппараты) и на крыльях (гражданские самолеты, транспортники, бомбардировщики).

Они подразделяются на:

• Реактивные - турбореактивные, пульсирующие, двухконтурные, прямоточные.
• Винтовые - поршневые (винтомоторные), турбовинтовые.
• Ракетные - жидкостные, твердотопливные.

Прочие системы

Безусловно, другие части самолета также важны. Шасси позволяют взлетать и садиться с оборудованных аэродромов. Существуют самолеты-амфибии, где вместо шасси используются специальные поплавки - они позволяют осуществлять взлет и посадку в любом месте, где есть водоем (море, река, озеро). Известны модели легкомоторных самолетов, оснащенных лыжами, для эксплуатации в районах с устойчивым снежным покровом.

Напичканы электронным оборудованием, устройствами связи и передачи информации. В военной авиации используются сложные системы вооружения, обнаружения целей и подавления сигналов.

Классификация

По назначению самолеты делятся на две большие группы: гражданские и военные. Основные части пассажирского самолета отличаются наличием оборудованного салона для пассажиров, занимающего большую часть фюзеляжа. Отличительной чертой являются иллюминаторы по бокам корпуса.

Гражданские самолеты подразделяются на:

• Пассажирские - местных авиалиний, магистральные ближние (дальность меньше 2000 км), средние (дальность меньше 4000 км), дальние (дальность меньше 9000 км) и межконтинентальные (дальность более 11 000 км).
• Грузовые - легкие (масса груза до 10 т), средние (масса груза до 40 т) и тяжелые (масса груза более 40 т).
• Специального назначения - санитарные, сельскохозяйственные, разведывательные (ледовая разведка, рыборазведка), противопожарные, для аэрофотосъемки.
• Учебные.

В отличие от гражданских моделей, части военного самолета не имеют комфортабельного салона с иллюминаторами. Основную часть фюзеляжа занимают системы вооружения, оборудование для разведки, связи, двигатели и другие агрегаты.

По назначению современные военные самолеты (учитывая боевые задачи, которые они выполняют), можно разделить на следующие типы: истребители, штурмовики, бомбардировщики (ракетоносцы), разведчики, военно-транспортные, специальные и вспомогательного назначения.

Устройство самолетов

Устройство летательных аппаратов зависит от аэродинамической схемы, по которой они выполнены. Аэродинамическая схема характеризуется количеством основных элементов и расположением несущих поверхностей. Если носовая часть самолета у большинства моделей похожа, то расположение и геометрия крыльев и хвостовой части могут сильно разниться.

Различают следующие схемы устройства ЛА:

• «Классическая».
• «Летающее крыло».
• «Утка».
• «Бесхвостка».
• «Тандем».
• Конвертируемая схема.
• Комбинированная схема.

Самолеты, выполненные по классической схеме

Рассмотрим основные части самолета и их назначение. Классическая (нормальная) компоновка узлов и агрегатов характерна для большинства аппаратов мира, будь-то военных либо гражданских. Главный элемент - крыло - работает в чистом невозмущенном потоке, который плавно обтекает крыло и создает определенную подъемную силу.

Носовая часть самолета является сокращенной, что приводит к уменьшению требуемой площади (а следовательно, и массы) вертикального оперения. Это потому, что носовая часть фюзеляжа вызывает дестабилизирующий путевой момент относительно вертикальной оси самолета. Сокращение носовой части фюзеляжа улучшает обзор передней полусферы.

Недостатками нормальной схемы являются:

• Работа горизонтального оперения (ГО) в скошенном и возмущенном крылом потоке значительно снижает его эффективность, что вызывает необходимость применения оперения большей площади (а, следовательно, и массы).
• Для обеспечения устойчивости полета вертикальное оперение (ВО) должно создавать негативную подъемную силу, то есть направленную вниз. Это снижает суммарный КПД самолета: из величины подъемной силы, которую создает крыло, надо отнять силу, которая создается на ГО. Для нейтрализации этого явления следует применять крыло увеличенной площади (а, следовательно, и массы).

Устройство самолета по схеме «утка»

При данной конструкции основные части самолета размещаются иначе, чем в «классических» моделях. Прежде всего, изменения коснулись компановки горизонтального оперения. Оно располагается перед крылом. По этой схеме построили свой ​​первый самолет братья Райт.

Преимущества:

• Вертикальное оперение работает в невозмущенном потоке, что повышает его эффективность.
• Для обеспечения устойчивости полета оперение создает положительную подъемную силу, то есть она добавляется к подъемной силе крыла. Это позволяет уменьшить его площадь и, соответственно, массу.
• Естественная «противоштопорная» защита: возможность перевода крыльев на закритические углы атаки для «уток» исключена. Стабилизатор устанавливается так, что он получает больший угол атаки по сравнению с крылом.
• Перемещение фокуса самолета назад при увеличении скорости при схеме «утка» происходит в меньшей степени, чем при классической компоновке. Это приводит к меньшим изменениям степени продольной статической устойчивости самолета, в свою очередь, упрощает характеристики его управления.

Недостатки схемы «утка»:

• При срыве потока на оперениях происходит не только выход самолета на меньшие углы атаки, но и его «проседания» вследствие уменьшения его общей подъемной силы. Это особенно опасно в режимах взлета и посадки из-за близости земли.
• Наличие в носовой части фюзеляжа механизмов оперения ухудшает обзор нижней полусферы.
• Для уменьшения площади переднего ГО длина носовой части фюзеляжа делается значительной. Это приводит к увеличению дестабилизирующего момента относительно вертикальной оси, и, соответственно, к увеличению площади и массы конструкции.

Самолеты, выполненные по схеме «бесхвостка»

В моделях данного типа нет важной, привычной части самолета. Фото летательных аппаратов «бесхвосток» («Конкорд», «Мираж», «Вулкан») показывает, что у них отсутствует горизонтальное оперение. Основными преимуществами такой схемы являются:

• Уменьшение лобового аэродинамического сопротивления, что особенно важно для самолетов с большой скоростью, в частности, крейсерской. При этом уменьшаются затраты топлива.
• Большая жесткость крыла на кручение, что улучшает его характеристики аэроупругости, достигаются высокие характеристики маневренности.

Недостатки:

• Для балансировки на некоторых режимах полета часть средств механизации задней кромки и рулевых поверхностей надо отклонять вверх, что уменьшает общую подъемную силу самолета.
• Совмещение органов управления ЛА относительно горизонтальной и продольной осей (вследствие отсутствия руля высоты) ухудшает характеристики его управляемости. Отсутствие специализированного оперения заставляет рулевые поверхности находятся на задней кромке крыла, выполнять (при необходимости) обязанности и элеронов, и рулей высоты. Эти рулевые поверхности называются элевоны.
• Использование части средств механизации для балансировки самолета ухудшает его взлетно-посадочные характеристики.

«Летающее крыло»

При данной схеме фактически нет такой части самолета, как фюзеляж. Все объемы, необходимые для размещения экипажа, полезной нагрузки, двигателей, топлива, оборудования находятся в середине крыла. Такая схема имеет следующие преимущества:

• Наименьшее аэродинамическое сопротивление.
• Наименьшая масса конструкции. В этом случае вся масса приходится на крыло.
• Так как продольные размеры самолета небольшие (из-за отсутствия фюзеляжа), дестабилизирующий момент относительно его вертикальной оси является незначительным. Это позволяет конструкторам либо существенно уменьшить площадь ВО, либо вообще отказаться от него (у птиц, как известно, вертикальное оперение отсутствует).

К недостаткам относится сложность обеспечения устойчивости полета ЛА.

«Тандем»

Схема «тандем», когда два крыла располагаются один за другим, применяется нечасто. Такое решение используется для увеличения площади крыла при тех же значениях его размаха и длины фюзеляжа. Это уменьшает удельную нагрузку на крыло. Недостатками такой схемы является большое увеличение момента инерции, особенно в отношении поперечной оси самолета. Кроме того, при увеличении скорости полета изменяются характеристики продольной балансировки самолета. Рулевые поверхности на таких самолетах могут располагаться как непосредственно на крыльях, так и на оперении.

Комбинированная схема

В этом случае составные части самолета могут комбинироваться с использованием различных конструкционных схем. Например, горизонтальное оперение предусмотрено и в носовой, и в хвостовой части фюзеляжа. На них может быть использовано так называемое непосредственное управление подъемной силой.

При этом носовое горизонтальное оперение совместно с закрылками создают дополнительную подъемную силу. Момент тангажа, который возникает в этом случае, будет направлен на увеличение угла атаки (нос самолета поднимается). Для парирования этого момента хвостовое оперение должно создать момент на уменьшение угла атаки (нос самолета опускается). Для этого сила на хвостовую часть должна быть направлена ​​также вверх. То есть происходит приращение подъемной силы на носовом ГО, на крыле и на хвостовом ГО (а следовательно, и на всем самолете) без поворота его в продольной плоскости. В этом случае самолет просто поднимается без всякой эволюции относительно своего центра масс. И наоборот, при такой аэродинамической компоновке самолета он может осуществлять эволюции относительно центра масс в продольной плоскости без изменения траектории своего полета.

Возможность осуществлять такие маневры значительно улучшают тактико-технические характеристики маневренных самолетов. Особенно в сочетании с системой непосредственного управления боковой силой, для осуществления которой самолет должен иметь не только хвостовое, а еще и носовое продольное оперение.

Конвертируемая схема

Построенного по конвертируемой схеме, отличается наличием дестабилизатора в носовой части фюзеляжа. Функцией дестабилизаторов является уменьшение в определенных пределах, а то и полное исключение смещения назад аэродинамического фокуса самолета на сверхзвуковых режимах полета. Это увеличивает маневренные характеристики ЛА (что важно для истребителя) и увеличивает дальность или уменьшает расход топлива (это важно для сверхзвукового пассажирского самолета).

Дестабилизаторы могут также использоваться на режимах взлета/посадки для компенсации момента пикирования, который вызывается отклонением взлетно-посадочной механизации (закрылков, щитков) или носовой части фюзеляжа. На дозвуковых режимах полета дестабилизатор скрывается в середине фюзеляжа или устанавливается в режим работы флюгера (свободно ориентируется по потоку).

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.

Для улучшения лётно-тактических характеристик боевых самолётов и вертолётов в странах агрессивного блока выполняются дорогостоящие программы, предусматривающие снижение веса конструкции летательных аппаратом за счёт применения новых, более перспективных материалов, к числу которых относятся так называемые композиционные материалы.

Ведущее место в капиталистическом мире по разработке композиционных материалов и их использованию в конструкциях летательных аппаратов (особенно военного назначения) принадлежит , где темпы работ и этой области непрерывно растут. Если в 1958 году на НИОКР по созданию таких материалов Пентагону было выделено 400 тыс. долларов, то к 1967 году расходы по той же статье поставили около 11 млрд. долларов. Координацию проводимых исследований (применительно к авиационным конструкциям) осуществляет лаборатория материалов ВВС США и . Лаборатория материалов занимается оценкой эффективности применения композиционных материалов к конструкции военных самолётов. В настоящее время по контрактам с ВВС и программам, финансируемым крупными авиастроительными фирмами, производится и испытывается большое количество элементов конструкции самолётов и вертолётов из композиционных материалов.

Композиционный материал (иногда его называют композит) состоит из высокопрочного наполнителя, ориентированного в определённом направлении, и матрицы. В качестве армирующих наполнителей (силовая основа композиции) применяются волокна бериллия, стекла, графита, стали, карбида кремния, бора или так называемые нитевидные кристаллы окиси алюминия, карбида бора, графита, железа и т. д. Матрицы изготовляются из синтетических смол (эпоксидных, полиэфирных, кремниево-органических) или сплавов металлов (алюминия, титана и других) Соединение волокон или нитевидных кристаллов с матрицей производится горячим прессованием, литьём, плазменным напылением и некоторыми другими способами.

Наибольшее распространение в авиа- и ракетостроении за рубежом получили композиционные материалы на основе высокопрочных волокон. Композиционный материал ведёт себя как единое структурное целое и обладает свойствами, которых не имеют составляющие его компоненты. Особенностью композиционных материалов является анизотропность их свойств (то есть зависимость, физических, в том числе механических, свойств материалов от направления), которая определяется ориентацией армирующих волокон. Заданную прочность материала получают, ориентируя волокна наполнителя в направлении действия основных усилии. Иностранные специалисты считают, что это открывает новые возможности при конструировании силовых элементов самолётов и вертолётов.

По мнению зарубежных специалистов, с точки зрения характеристик удельной прочности и удельной жёсткости наиболее перспективны композиционные материалы, в которых в качестве упрочняющей арматуры используются волокна бора, карбида бора и углерода. К таким материалам относятся бороэпоксидные материалы (боропластики, углепластики, бороалюминий).

Бороэпоксидные композиционные материалы

За рубежом наибольшее распространение получили материалы (боропластики) с армирующим наполнителем из волокон бора (бороволокон) и эпоксидными матрицами. По данным иностранной печати, применение боропластиков позволяет уменьшил вес конструкции на 20-40%, увеличить её жёсткость и повысить эксплуатационную надёжность изделия. Композиционные материалы на основе бороволокна имеют высокие показатели по прочности, жёсткости и сопротивлению усталости. Например, в иностранной печати отмечалось, что отношение удельной прочности боропластиков к удельной прочности алюминиевого сплава при растяжении составляет 1,3-1,9, сжатии - 1,5, сдвиге - 1,2, смятии - 2,2, а усталостная характеристика возрастает в 3,8 раза. Кроме того, боропластики сохраняют свои качества в диапазоне температур от -60 до + 177°С. Сочетание этих свойств и предопределило перспективность широкою использования боропластиков в авиационной и ракетно-космической технике.

Как следует из сообщении зарубежной печати, масштабы применения боропластиков в самолётостроении США уже в настоящее время весьма значительны. Например, на один истребитель расходуется около 750 кг боропластиков. Эти материалы используются для усиления элементов силового набора накладками из боропластика, что обеспечивает снижение веса элементов конструкции и повышение их несущей способности, а также для изготовления обшивок.

Благодаря применению боропластиков значительно упрощается технология производства, и, кроме того, возможно сокращение общего количества узлов и деталей в некоторых элементах конструкции самолёта. Например, по заявлению специалистов фирмы «Макдоннелл Дуглас», при изготовлении из боропластиков руля направления самолёта F-4 число деталей сократилось с 240 до 84.

Композиционные материалы с углеродными волокнами

Иностранные специалисты считают, что в условиях высоких температур, возникающих при сверхзвуковом полете, наиболее эффективны композиционные материалы на основе матриц, армированных волокнами графита (углерода). Использование этих материалов в конструкциях современных и перспективных сверхзвуковых самолётов выгодно с точки зрения экономии веса конструкции, особенно для узлов, вес которых в большей степени определяется требованиями жёсткости, чем прочности. Наибольшее распространение за рубежом получили материалы с углеродными волокнами на основе эпоксидных матриц (углепластики) и материалы на основе углеродных графитизированных матриц, армированных волокнами углерода («углерод-углерод»).

Углепластики

Иностранная печать отмечает, что углепластики имеют малый удельный вес - 1,5 г/куб.см. (алюминиевые сплавы 2,8 г/куб.см., титановые 4,5 г/куб.см); высокие жёсткость, вибропрочность и показатели усталостной прочности. Всё это делает их одними из самых перспективных материалов для производства авиационной и космической техники. Сообщается, при всех основных видах действующих нагрузок удельная прочность углепластиков оказывается выше прочности алюминиевого сплава. Иностранные специалисты отмечают, что прочность и жёсткость углепластиков примерно в шесть раз выше, чем у основных сортов стали, используемых в конструкциях самолётов.

В 1969 году лаборатория материалов ВВС США заключила с фирмой «Нортроп» контракт на разработку опытных образцов конструкции из композиционных материалов на основе графита. Первоначально использование углепластиков в конструкциях самолётов было незначительным из-за высокой стоимости углеродного волокна (700-900 долларов за 1 кг). Впоследствии, в результате организации широкого выпуска волокна, стоимость снизилась до 120-150 долларов. Но прогнозам американских специалистов, через три-пять лет она не будет превышать 50-80 долларов.

По данным зарубежной печати, в настоящее время применение углепластиков в авиастроении значительно возросло. Различные элементы конструкций из этого материала проходят испытания на самолётах F-5E, A-4D и F-111. Фирма «Боинг» по контракту с ВВС США исследует возможности использования этих материалов в конструкции крыла перспективного высотного беспилотного разведывательного самолёта. Подобные работы ведутся и в других капиталистических странах. Например, английская Фирма «Бритиш эркрафт» по контракту, заключённому с министерством обороны Великобритании, создаёт из углепластиков элементы планеров некоторых самолётов.

Композиционные материалы «углерод-углерод» обладают малым удельным весом (1,4 г/куб.см.), высокими теплозащитными свойствами, способностью сохранять прочностные характеристики при температурах свыше 2500 градусов Цельсия. Благодаря этим и другим качествам они считаются весьма перспективными для изготовления тех деталей и узлов самолётов, которые работают в условиях высоких температур, а также для теплозащитных экранов летательных аппаратов, прежде всего космических кораблей. По сообщениям зарубежной печати, в настоящее время из этого материала для самолётов разработаны детали колёсных тормозов, вес их составляет около 30% веса стальных тормозов. По мнению специалистов американской фирмы «Данлоп», ресурс тормозных устройств из этих материалов - 3000 посадок, что в пять-шесть раз превышает срок эксплуатации обычных тормозов.

Бороалюминиевый композиционный материал (бороалюминий)

В качестве армирующего наполнителя этого композиционного материала используются волокна бора (иногда с покрытием из карбида кремния), а в качестве матрицы - алюминиевые сплавы. Бороалюминий в 3,5 раза легче алюминия и в 2 раза прочнее его, что позволяет получить значительную весовую экономию. Кроме того, при высоких температурах (до 430°С) бороалюминиевый композиционный материал имеет в 2 раза большие значения удельной прочности и жёсткости по сравнению с титаном, что даёт возможность его применения для самолётов со скоростями полёта М=3, в конструкциях которых в настоящее время используется титан. Зарубежные специалисты считают бороалюминий также одним из перспективных композиционных материалов, применение которого может дать до 50% экономии веса конструкции летательных аппаратов.

По сообщениям иностранной печати, работы по исследованию характеристик бороалюминия и внедрению его в авиастроение выполняются несколькими американскими фирмами. Например, фирма «Дженерал дайнэмикс» из этого материала изготовляет элементы конструкции хвостовой части самолёта F-111, а фирма «Локхид» - экспериментальный кессон центроплана самолёта С-130 . Специалисты фирмы «Боинг» изучают возможность применения бороалюминиевого материала в стрингерах сверхтяжёлых самолётов.

В настоящее время бороалюминиевый композиционный материал находит все большее применение в конструкциях авиационных двигателей. По данным зарубежной печати, фирма «Пратт-Уитни» использует его при производстве лопаток вентилятора первой и третьей ступеней ТРДД JT8-D, TF-30, F-100, а Фирма «Дженерал электрик» - лопаток вентилятора двигателя J-79, что, по мнению специалистов фирмы, позволит получить около 40% экономии веса этих элементов.

В США существует 79 программ, в рамках которых ведутся работы по исследованию и практическому использованию композиционных материалов в авиастроении.

Анализируя полученные при выполнении экспериментальных работ результаты, иностранные специалисты считают, что композиты могут быть использованы при конструировании большинства узлов и деталей боевого самолёта. На рис. 1 показана схема планера боевого самолёта с указанием тех элементов, в конструкциях которых, по взглядам иностранных специалистов, возможно применение композиционных материалов.

Рис. 1. Схема планера боевого самолёта, изготовленного с использованием композиционных материалов: 1 - каркас остекления кабины; 2 - обшивка кабины; 3 - главные лонжероны; 4 - силовой набор крыла и хвостового оперения; 5 - пилон; 6 - обшивка фюзеляжа; 7 - предкрылки; 8 - закрылки, спойлеры, элероны: 9 - рули направления и высоты; 10 - места крепления двигателя и люки; 11 и 12 - конструкция пола кабины; 13 - передняя и задняя стенки кабины; 14 - основные элементы поперечного силового набора; 15 - бимсы;: 16 - топливный бак.

На создаваемом фирмой «Рокуэлл интернэшнл» стратегическом бомбардировщике В-1 внутренние и внешние лонжероны, расположенные в хвостовой части фюзеляжа, делаются с применением накладок из бороэпоксидного композиционного материала. Эти лонжероны состоят из сплошных боропластиковых накладок, соединённых с деталями из металлов. Металлические элементы (сталь, титан) обеспечивают прочность, а накладки из боропластика увеличивают жёсткость лонжеронов. Отмечается, что лонжероны такой конструкции не только обладают улучшенными механическими свойствами, но и на 28-44% легче цельнометаллических.

Предусматривая дальнейшее внедрение композиционных материалов в конструкцию бомбардировщика В-1, лаборатория материалов ВВС США заключила контракты с фирмой «Рокуэлл интернэшнл» на разработку киля из графитоэпоксидного и бороэпоксидного материалов, а с фирмой «Грумман» - на создание стабилизатора самолёта из этих материалов.

В соответствии с программой, осуществляемой фирмой «Дженерал дайнамикс» (по контракту с ВВС США), на изготовленной из высокопрочной стали нижней поверхности шарнирной опоры крыла истребителя-бомбардировщикa , устанавливаются усиливающие накладки из эпоксидного боропластика. Американские специалисты считают, что применение этих накладок более чем вдвое увеличивает усталостную прочность шарнирного соединения узла поворота крыла. На двух самолётах F-111A испытываются экспериментальные стабилизаторы из бороэпоксидного композиционного материала, которые, по данным иностранной печати, на 27% легче обычных.

В самолёте F-l4 применение композиционных материалов в силовой конструкции было предусмотрено в самом начале его проектирования. Из композиционного материала на основе бороволокна изготовляются четыре панели обшивки стабилизатора.

По данным иностранной печати, результаты проведённых испытании показали, что усталостные характеристики стабилизатора с обшивкой из боропластика в 2,5 раза выше заданных техническими требованиями, а но стоимости он в настоящее время эквивалентен цельнометаллическому. Общий вес стабилизатора с обшивкой из боропластика 350 кг; экономия в весе по сравнению со стабилизатором с титановой обшивкой 82 кг (или 10%). По сравнению со стабилизатором аналогичной конструкции из алюминиевых сплавов выигрыш в весе получается ещё больше - 117 кг (27%).

В конструкции самолёта F-15 (фирма «Макдоннелл Дуглас»), исходя из соображений обеспечения требуемой центровки с целью экономии веса хвостовой части самолёта, обшивка горизонтальных управляемых стабилизаторов и вертикального хвостового оперения выполнена из боропластика. По сообщениям зарубежной печати, завершены усталостные испытании планера самолёта F-15 с панелями обшивки из композиционных материалов. Продолжительность испытаний 10 тыс. ч., что в четыре раза превышает его нормальный ресурс. Затем были проведены статические испытания горизонтального управляемого стабилизатора при нагрузке в два раза больше расчётной разрушающей; стабилизатор выдержал и эти испытания. По сравнению с конструкцией горизонтального стабилизатора, выполненной из титана, экономия веса при использовании боропластиковых обшивок составила 22%.

Как отмечается в зарубежной печати, самолёт F-15 является первым военным самолётом ВВС США, на котором установлена тормозная система фирмы «Гудьир», детали которой изготовлены с использованием композиционного материала на основе углеродных волокон. Это обеспечило, по мнению американских специалистов, экономию веса (около 32 кг на каждый тормоз) и более плавное и в то же время более эффективное торможение, а также увеличило надёжность действия тормозной системы.

Фирма «Макдоннелл Дуглас» уже третий год ведёт исследования по специальной программе, предусматривающей применение композиционных материалов для различных элементов крыла самолёта F-15, что, по расчётам специалистов фирмы, позволит уменьшить вес крыла на 130-180 кг. В ходе прочностных испытаний крыло самолёта из композиционных материалов разрушилось при нагрузке, составляющей 110% расчётной разрушающей. Лётные испытания этого крыла планируется начать в 1976 году (в случае успешного завершения статических испытаний).

Иностранная печать сообщает, что высокая стоимость технической оснастки, необходимой дли изготовления деталей из таких материалов, не позволила в должном объёме использовать перспективные композиционные материалы. Однако применение композиционных материалов в конструкциях новых боевых самолётов США все возрастает. Опыт применения графитоэпоксидных композитных материалов, полученный Фирмой «Дженерал дайнемикс» при разработке самолёта F-111, учтён и при создании самолёта F-16 . Благодаря изготовлению обшивки киля, стабилизатора и руля направления из углепластика фирме удались снизить вес хвостовой части фюзеляжа самолёта F-16 примерно на 30%. В настоящее время фирма по контракту с ВВС разрабатывает переднюю часть фюзеляжа этого самолёта из графитоэпоксидных материалов.

Во время модернизации тяжёлого военно-транспортного самолёта С-5А при создании некоторых узлов и деталей планера самолёта (например, секции предкрылков) применяли композиционные материалы. На рис. 2 показана секция предкрылка, изготовленная с использованием бороэпоксидного материала, и обычная металлическая. Новая секция имеет повышенную прочность и жёсткость, она значительно легче металлической.

Рис. 2. Секция предкрылка тяжёлого военно-транспортного самолёта С-5А: вверху - изготовленная с использованием композиционных материалов; внизу - из алюминиевых сплавов

Предпринимаются попытки использовать композиционные материалы в вертолётостроении. В частности, с целью исследования возможности изготовления некоторых основных элементов конструкции вертолётов из таких материалов американские и западногерманские фирмы проводят ряд опытно-конструкторских работ. По данным иностранной печати, американская Фирма «Сикорский» участвует в программе, предусматривающей повышение усталостной долговечности и улучшение динамических характеристик вертолёта СН-54В за счёт упрочнения композиционными материалами его хвостовой балки. Сообщается, что в результате упрочнения стрингеров бороэпоксидным материалом ресурс планера вертолёта повысился в несколько раз, а вес снизился на 30% (рис. 3).

Рис. 3. Использование боропластика для усиления стрингеров хвостовой балки на тяжёлом вертолёте CH-54B.

В зарубежной печати сообщалось, что министерство обороны США заключило с фирмой «Хьюз» контракт стоимостью 1,2 млн, долларов на разработку из композиционных материалов лопасти несущего винта для вертолёта . По заявлению специалистов фирмы, применение композиционных материалов в конструкции лопасти позволит уменьшить её вес, сохранить прочностные характеристики, добиться относительной неуязвимости лопасти от пуль. Кроме того, такие лопасти будут иметь большой ресурс и малую стойкость, а их производство можно наладить на автоматизированной линии.

Широкое применение композиционных материалов в конструкции несущего винта запланировано также в рамках перспективной программы HLH, предусматривающей создание тяжёлого транспортно-десантного вертолёта максимальной грузоподъёмностью около 30 т. По данным иностранной печати, к настоящему времени фирма «Боинг», с которой министерство обороны США заключило контракт на выполнение работ по программе HLH, изготовила роторы с несущими винтами, в их конструкции использованы композиционные материалы.

На основе исследований, проводившихся крупнейшей американской вертолётостроительной фирмой «Сикорский» применительно к вертолёту CH-53D, сделан вывод о том, что широкое внедрение композиционных материалов в конструкциях вертолётов станет целесообразным в 80-х годах. Специалисты фирмы считают, что максимальная эффективность достигается при включении композиционных материалов в конструкцию фюзеляжа вертолёта; при этом в наиболее нагруженных элементах фюзеляжа следует применять материал на основе углерода. Проведённый анализ показал, что за счёт использования композиционных материалов вес конструкции вертолёта CH-53D может быть снижен на 18,5%.

Изучая опыт применения композиционных материалов в конструкциях самолётов, американские специалисты считают эти материалы с точки зрения веса и механических характеристик весьма перспективными для ракетно-космической техники. По сообщениям иностранной печати, в США при изготовлении головных частей ракет предполагается использовать композиционные материалы с углеволокнистой матрицей, обладающие высокой радиопрозрачностью. Сообщается также о проведении тепловых испытании сопла ракетного двигателя, выполненного целиком из композиционных материалов.

Из углепластиков в сочетании с алюминиевой сотовой конструкцией уже изготовляется ряд деталей искусственных спутников Земли, например каркасы антенн. Это обеспечило не только экономию веса по сравнению с алюминиевой конструкцией, но и стабильность размеров панелей, так как у углепластиков чрезвычайно низкий коэффициент теплового расширения (в 50 раз меньше, чем у металлов).

Композиционные материалы планируется широко использовать для изготовления некоторых элементов орбитальной ступени, разрабатываемой в США транспортно-космической системы «Шатл». В частности, для теплозащиты носка фюзеляжа, нижней поверхности носовой части фюзеляжа, передней кромки крыла будет применён композиционный материал «углерод-углерод». Фирмой «Боинг» разработана рама жидкостного реактивного двигателя основной двигательной установки орбитальной ступени, располагающаяся в хвостовой части фюзеляжа. Она сделана из бороэпоксидного композиционного материала в сочетании с элементами из титанового сплава. Эта конструкция, по данным фирмы, позволит по сравнению с обычной титановой достичь экономии в весе около 30%.

Исследования, выполненные рядом американских самолётостроительных фирм под руководством лаборатории материалов ВВС США, показали, что применение композиционных материалов в конструкции военных самолётов и вертолётов 80-х годов позволит не только значительно снизить их вес и стоимость, но и повысить живучесть.

По прогнозам зарубежных специалистов, к началу 80-х годов доля композиционных материалов в планере самолёта возрастёт до 50%. Это должно обеспечить 20-30% экономию веса в равной мере как для дозвуковых, так и сверхзвуковых самолётов. Достигнутое при этом снижение веса конструкции позволит увеличить запас топлива или боевую нагрузку или уменьшить размеры самолёта. Более того, считается, что высокие прочностные характеристики этих материалов могут привести к улучшению аэродинамических характеристик (путём уменьшения относительной толщины профиля и удлинения крыла), а в конечном итоге - к улучшению лётных характеристик самолёта.