Институт

Все эти детские впечатления сконцентрировались у меня на сравнении полета птицы и самолета. Я не знал тогда, что самолет, так же как и птица при взлете и посадке, увеличивает площадь крыла, раздвигает отдельные "перья", хотя часто видел взлетающего или застывшего в парящем полете коршуна.

Конструкторы самолетов всегда пытались подражать птицам, и первые конструкции крыла и особенно руля и элерона были по силовой схеме чем-то похожи на перо птицы (фиг. 1). Основным силовым элементом руля была труба с прикрепленными к ней нервюрами, определяющими аэродинамический профиль. Выполненный таким образом каркас обтягивался полотняной обшивкой. Такой руль, почти как и перо птицы, изгибается одинаково легко как в направлении , так и в направлении то есть изгибные жесткости его соответственно и примерно одинаковы.

Правда, некоторые конструкторы, стараясь придать каркасу большую жесткость, соединяли углы каркаса расчалками (гибкими тросами) так, как изображено на фиг. 1 пунктирными линиями. Это приводило к тому, что жесткость становилась значительно больше, чем , то есть в таком виде руль по своим жесткостным свойствам уже не напоминает перо птицы. Плохо это или хорошо?

Для рулей с полотняной обшивкой факт >> можно считать положительным, так как рули эти крепились к стабилизатору самолета или к его килю как правило на двух опорах (шарнирах) и большая лобовая жесткость не приводила к каким либо особенностям. Но это авиаконструкторы осознали позднее.

Бурное развитие авиации в 50-х годах привело к появлению металлической обшивки. Лобовая жесткость руля и элерона еще больше возросла по отношению к нормальной . Соотношение

(1)

выросло до = 40 - 50 и наметился дальнейший рост этого числа.

Методы расчета на прочность крыла (оперения) с элероном (рулем), созданные в 30-е годы, когда рули и элероны выполнялись с полотняной обшивкой и были действительно похожи на перо птицы, автоматически без изменений перенесли на новые конструкции крыла и оперения с многоопорными элеронами и рулями.

Это было в то время, когда автор этих строк поступил в Казанский авиационный институт и услышал о традиционных методах расчета оперения с рулем, воспринимая все как должное и незыблемое. Да разве мог этот деревенский паренек перенести свои детские ощущения от пера птицы на те теории расчета, которые описаны в учебниках или прочитаны в лекциях маститых профессоров.

А методы, расчета до появления работы автора, основывались на предположении, что между рулем и стабилизатором существуют усилия взаимодействия, представляющие собой реакции и руль при этом не отклонен системой управления, то есть угол = 0. На фиг. 2 поворот руля на угол изображен пунктиром. Вот с такими представлениями о расчете рулей автор этой лекции вышел из стен ВУЗа и пришел работать мастером цеха Горьковского авиационного завода (ныне это Нижний Новгород).

ЗАВОД

Так случилось, что я стал работать в цехе сборки хвостовой части фюзеляжа, в том числе и киля. И первое, что меня чрезвычайно удивило - это киль с рулем, лежащий своими концами на стремянках (фиг. 2). Я подошел к нему и хотел повернуть руль относительно оси шарниров. Казалось ничто этому не мешало, качалка управления еще не была присоединена и руль, навешенный на трех кронштейнах (фиг. 2), должен был легко повернуться. Однако я почувствовал, что не могу этого сделать. Руль сопротивляется. Упруго, но сопротивляется и у меня не хватает сил, чтобы отклонить сколько-нибудь существенно его от нейтрального положения. В чем же дело, ведь когда киль уже установлен на самолете, я легко поворачиваю его, почти без усилий? Действительно, по оси шарниров в кронштейнах навески руля установлены идеально выполненные подшипники. В чем же отличие, установлен киль вертикально, или лежит горизонтально?

Киль, лежащий на стремянках, прогибается под действием собственного веса. Ось шарниров искривляется. Представьте себе дверь, которой добавили третий шарнир, но установили его не по оси двух первых, то есть создали кривую ось. В этом случае каждому из вас становится ясно, что эта ситуация не приведет ни к чему хорошему. Открывая такую дверь, вы или вырвете крепление петли шарнира, или лопнет сам шарнир, может разрушиться косяк двери или сама дверь. Все зависит от того, что окажется менее прочным.

Вернемся теперь снова к нашему рулю. Те массовые нагрузки, которые я наблюдал в цехе, в полете почти на порядок больше. Так при эксплуатационной перегрузке = 8 (что может быть у маневренного самолета, например у истребителя) массовые силы любой - й точки, обладающей массой , возрастают пропорционально величине ее ускорения . То есть массовая (инерционная) сила

(2)

по второму закону Ньютона. Умножим и разделим это выражение на ускорение земного притяжения , тогда

.

Учитывая, что вес - й точки , перегрузка , получим

, (3)

то есть массовая нагрузка на оперение в полете может быть в восемь раз больше веса. Известно, что аэродинамическая нагрузка почти на порядок больше массовой. А это значит, что те прогибы, которые я наблюдал в цехе завода, в полете могут быть почти в сто раз больше. Однажды так промыслив, я навсегда связал свою судьбу с исследованиями поведения конструкций при больших перемещениях - с геометрически нелинейной механикой авиаконструкций. Для этого оказалось необходимым покинуть тот цех и завод, где так счастливо связались детские ощущения от изгиба пера птицы и изгиба оперения самолета.