«Чрезвычайное происшествие» с шаром показало, что турбулентность присуща не только течению жидкостей, но и воздушному потоку. А раз так, значит полету самолета, ракеты, вертолета и даже планера. На примере парителя и познакомился с «сюрпризами» турбулентности наш известный авиаконструктор и большой поклонник планерного спорта Олег Константинович Антонов.
Летом двадцать седьмого года Антонов вместе с группой товарищей закончил постройку легкого планера собственной конструкции. В соответствии с традициями тех лет планер был назван инициалами автора — «ОКА-II» — и вытащен на «Жареный бугор» под Саратовом для испытаний. Конструктор, летные доспехи которого в ту пору состояли из трусов и тапочек, занял место пилота, шестеро крепких ребят дружно взялись за веревки, заменяющие буксировочный трос, и со всей прытью молодых ног кинулись вниз по склону бугра.
По всем расчетам конструктора, планер должен был полететь. Конечно, он мог летать и плохо и хорошо — опыта пока было маловато. Но планер упорно не хотел покидать надежную землю. Все усилия молодых авиаторов кончались тем, что паритель отрывался от земли и тут же грузно плюхался обратно. Неудачей закончились и все последующие попытки загнать «бессовестную птицу» в небо. Ни сильный ветер, ни различные ухищрения пилота, ни самоотверженные усилия «стартовой команды» — ничто не могло заставить планер взлететь. Каникулы подходили к концу, пора было отправляться в институт, и Олег Константинович покинул Саратов, так и не испытав собственного планера. Но его товарищи не сдались. Весной следующего года они снова вытащили «ОКА-II» на тот же бугор, предварительно покрыв тонкую полотняную обшивку планера раствором крахмала. Подобную операцию пробовали проделать и в прошлом году, но бросили: по выражению самого конструктора, полотно провисало между деталями каркаса, «как на ребрах худой лошади».
Снова веревки в руки и опять, памятуя о прошлогодней неудаче, со всех ног вниз по склону. И тут свершилось невероятное: с первых же метров разбега планер легко взмыл в воздух и поплыл, слегка покачивая крыльями, в долину. Планер полетел, а конструктору оставалось только ломать голову над странной загадкой: почему не летал раньше и почему полетел теперь?
В аэродинамике есть такое понятие — «пограничный слой». Так называют тонкий слой воздуха, текущий в непосредственной близости от поверхности обтекаемого предмета — фюзеляжа, оперения и, конечно, крыла. И от того, как ведут себя частицы воздуха в этом слое, зависит очень многое. В частности, поведение частиц в пограничном слое крыла оказывает существенное влияние и на создаваемую им подъемную силу и на неизменно сопутствующую полету силу сопротивления.
Попав на крыло, частицы сначала ведут себя вполне благопристойно — неподалеку от носка профиля крыла поток сохраняет столь приятный авиаторам «полосатый» вид. Но по мере того как частицы удаляются от носка, их поведение начинает меняться. Трущийся о крыло слой воздуха постепенно теряет скорость, а вместе с ним теряют скорость и частицы. Наконец, наступает момент, когда они, словно снаряд на излете, перестают выдерживать прежнее направление полета и начинают двигаться хаотически — ламинарный поток превращается в турбулентный. В этом месте пограничный слой сразу становится толще, как говорят аэродинамики, «набухает». А сопротивление крыла резко увеличивается, словно за счет выросшего пограничного слоя крыло стало толще.
Но и на этом сюрпризы турбулентности не оканчиваются: потерявшие скорость частицы начинали вращаться в набухшем пограничном слое. Вспыхнувшие на крыле вихри постепенно раскручиваются все сильнее и, наконец, словно камень из пращи, отрываются от крыла и улетают прочь. Срыв потока… Когда в авиации кто-нибудь произносит это сочетание слов, ясно: крыло или его часть перестали «нести» — создавать необходимую подъемную силу. И здесь можно ждать любых неприятностей, начиная от резких провалов летящей машины вниз и кончая сваливаниями на крыло или в штопор.
На долю будущего генерального конструктора и его «ОКА-II» выпал наименее опасный из фокусов пограничного слоя — крыло отказалось создавать нужную подъемную силу. И всему виной была реденькая обшивка планера: она пропускала воздух, который заставлял набухать этот самый коварный пограничный слой. Когда же клейстер из крахмала закупорил отверстия между нитями, все пошло как по маслу. «Так, — писал впоследствии в увлекательной книжке своих воспоминаний Олег Константинович, — из-за неуважения к пограничному слою я лишился удовольствия первым испытать свой планер…»
Трудно сказать, предопределило ли это первое знакомство с пограничным слоем дальнейшую судьбу конструктора, но только потом ему еще много раз приходилось уделять этому слою особое внимание. И именно тогда, когда речь шла о взлете и, конечно, посадке. Но это было значительно позднее. А пока…
ВОТ ОН, ФЛАТТЕР!
Авиационный 1934 год ознаменовался большим количеством удивительных на первый взгляд сенсаций. Началось с того, что в многодневном перелете Англия — Австралия первое место неожиданно для всех занял английский самолет «Комета» фирмы «Де-Хевиленд», который по своим характеристикам, казалось бы, явно уступал лучшим военным самолетам-истребителям тех лет. Не остыли еще страсти после первой сенсации, как поклонникам авиации вновь пришлось удивляться… В соревнованиях на кубок Дейч-де-ля-Мер побеждает пилот Арну на самолете «Кондор-450», также, казалось бы, уступающем лучшим самолетам того времени. Но своеобразным триумфом был рекорд в классе гоночных гидросамолетов, установленный итальянским летчиком Аджелло: его «Макки-Кастольди» пролетел три километра с невиданной по тем временам скоростью — 709 километров в час. В чем дело?..
У английской «Кометы» мощность мотора действительно была почти в два раза меньше, чем у истребителей того же веса. Но зато у нее… Впрочем, для того чтобы оценить это свойство, необходимо сказать о том, как выглядели самолеты двадцатых годов. А выглядели они, по нашим сегодняшним представлениям, не очень изящно. Толстое крыло или даже два крыла крепились к фюзеляжу многочисленными подкосами, расчалками и растяжками. Гофрированная металлическая обшивка машин была усеяна миллионами заклепочных головок. Трубчатые фермы подпирали фюзеляж — снизу к ним крепились колеса, сверкающие в полете своими велосипедными спицами. А спереди торчали ребристые головки цилиндров мотора и козырек кабины пилота. И вся эта ощетинившаяся армия деталей старательно превращала набегающий воздушный поток в турбулентный.
Иное дело «Комета». Ее фюзеляж имел благородную каплевидную форму, и над ним едва заметной надстройкой возвышался обтекаемый закрытый фонарь пилотской кабины. Исчезли расчалки и подкосы — тонкое крыло плавно уходило в стороны от закрывших стык с фюзеляжем зализов. Двигатели, установленные под крылом, оделись в обтекаемые гондолы с маленькими отверстиями для доступа охлаждающего воздуха. И в эти же гондолы в полете убирались колеса шасси самолета. Весь облик машины, казалось, говорил только об одном — вот что такое совершенная аэродинамика!
Еще ощутимей могущество аэродинамики проявлялось при взгляде на гоночный гидроплан «Макки-Кастольди». Его узкий фюзеляж походил на вытянутое веретено корпуса ракеты. В машине все было подчинено одной цели — скорость, скорость, скорость!..
Конечно, всеми этими победами авиация была обязана не только успехам аэродинамики: двигателисты создали к этому времени новые, легкие и мощные моторы, способные работать без остановки длительное время, а конструкторы самолетов — они разработали совершенные и технологичные конструкции, позволяющие сочетать в одной машине сразу целый ряд необходимых качеств. И если аэродинамика сказала решающее слово в борьбе за скорость, то конструкторы самолетов и двигателей открыли авиации дальние маршруты.
«Рекорд дальности» — так была названа построенная в 1933 году новая советская машина, конструкцию которой разработал П. О. Сухой под руководством А. Н. Туполева. Под маркой «АНТ-25» она навечно вошла в историю, как образец незаурядной «летучести». Длинные крылья этого самолета были способны покрыть без посадки расстояние в десять тысяч с лишним километров — цифра достаточно внушительная даже для наших дней. Именно на этом самолете и совершили позднее свои знаменитые перелеты по маршруту СССР — Северный полюс — США экипажи Чкалова и Громова.
Одновременно со строительством новых самолетов в нашей стране непрерывно расширяется сеть пассажирских воздушных линий. Авиация начинает использоваться в сельском хозяйстве. Летчики высаживают экспедиции во льдах Арктики, устанавливают все новые и новые рекорды. Трудно перечислить все достижения этих лет — авиация стремительно движется вперед. И вдруг останавливается, словно бегун, под ногами у которого разверзлась бездна…
Волна необъяснимых воздушных катастроф прокатилась по всем странам. Аварии случались с самолетами самых разных конструкций и назначения. Полет, казалось, протекал нормально, и вдруг машина словно взрывалась в воздухе. Спасшиеся на парашютах не могли сказать что-нибудь конкретное — все происходило слишком быстро: невиданной силы удар, треск, грохот, короткая агония — и от самолета остаются исковерканные куски металла, падающие вниз.
Только позднее удалось установить, что причиной аварий являются мощные вибрации крыла или оперения самолета, возникающие при взаимодействии аэродинамических сил и сил упругости самой конструкции. Самым страшным было то, что эти вибрации возникали совершенно неожиданно и в течение нескольких секунд достигали такой мощи, что разрушали машину. Новому противнику авиации дали название «флаттер» (от английского слова «трепетать»).
Встреча с флаттером была неожиданностью не только для пилотов. Ни конструкторы, ни ученые до тех пор еще не встречались ни с чем похожим на это явление. Неизвестно было и как с ним бороться. Оставалось одно — искать. Искать причины, искать способы борьбы.
И поиски начались. Теория полета пока ничем не могла помочь исследователям: флаттер как таковой в те дни еще не числился в ее «подопечных». А без теории путь был один — эксперименты, продувки в аэродинамических трубах и главное — летные испытания. Все, что было сделано для обуздания флаттера на земле, следовало проверить в полете: условия опыта и реальность далеко не всегда совпадают. Словом, необходимо было «нащупать» флаттер в полете и после этого вернуться на землю, чтобы чуткие и бесстрастные свидетели — приборы могли рассказать об «услышанном» и «увиденном» в воздухе. Одним из первых доставил на землю потрепанный флаттером самолет Герой Советского Союза Михаил Михайлович Громов, А позднее аналогичную задачу поручили ныне известному всей стране заслуженному летчику-испытателю, Герою Советского Союза Марку Лазаревичу Галлаю. Ему предстояло опробовать в полете аппаратуру, извещающую о приближении флаттера.
Для проведения эксперимента был выбран скоростной бомбардировщик «СБ», который намеренно «испортили»: сняли с него уже известные к тому времени так называемые противофлат-терные балансиры. Испытываемая аппаратура заняла свое место в кабине, и пилот отправился «трогать чудище за бороду». Не сразу состоялась встреча с грозным противником. Но когда она все же состоялась, действительность превзошла самые страшные предсказания. Вот как описывал позднее свою встречу с флаттером сам пилот: «И вдруг — будто огромные невидимые кувалды со страшной силой забарабанили по самолету. Все затряслось так, что приборы на доске передо мной стали невидимыми, как спицы вращающегося колеса. Я не мог видеть крыльев, но всем своим существом чувствовал, что они полощутся, как вымпел на ветру… Грохот хлопающих листов обшивки, выстрелы лопающихся заклепок, треск силовых элементов конструкции сливались во всепоглощающий шум. Вот он, флаттер!..»
Галлай вышел победителем из этого неравного поединка с флаттером, он сумел доставить смертельно раненную машину на землю, и чуткие самописцы рассказали ученым немало интересного. Так в содружестве ученых и испытателей и родилась теория флаттера, которой с успехом пользуются при проектировании самолетов и по сей день. И по тому, как сравнительно быстро была добыта эта победа, уже можно было судить — наука стала могучим союзником полета.
Могучий союзник… Именно ему авиация была обязана успехами, достигнутыми в тридцатых годах, он же открыл и пути дальнейшего развития. Не все было гладко в этом неуклонном движении вперед; в авиации едва ли не четче, чем в других областях знания, ощущается справедливость бессмертных слов Маркса: «В науке нет широкой столбовой дороги…»
ПОБЕЖДАЯ САМИХ СЕБЯ…
Несколько лет назад в машинном зале одного из авиационных научно-исследовательских институтов ежедневно можно было услышать один и тот же диалог:
— Ну как?
— Держится.
— А ветер?
— На пределе.
— Пилот?
— Спит пилот.
— И держится?
— Стоит.
И снова люди вспарывали пеструю начинку электронных блоков, в десятый раз меняли схемы и программы, сверяли затертые диаграммы и графики и снова с надеждой и тревогой бросались к голубому экрану осциллографа. Но безжалостная молния, взлетев к самому обрезу экрана, каждый раз возвращалась вниз. И каждый раз все озабоченнее становились лица людей — для этого у них были веские основания…
Во время испытательного полета потерпел аварию один из новых высотных самолетов. Погибла машина, которая, казалось бы, не могла и не должна была погибнуть. Все говорило против случившегося: надежная конструкция и двигатели лайнера, оставшиеся позади серьезные испытания, высокое мастерство экипажа.
«Бросило! Падаем!..» — вот и все, что успел передать на землю радист. И эта короткая фраза заставила насторожиться конструкторов, инженеров, ученых.
В авиации есть такой термин — «полет в неспокойной атмосфере». В обиходе же смысл такой обтекаемой формулировки значительно точнее передается одним словом — «болтанка». Это один из самых давних и серьезных противников полета.
Летчиков сравнительно мало волнуют солнце и дождь. Но ветер всегда остается предметом особого внимания. Особенно с его восходящими и ниспадающими ураганами, страшным ветровым колесом. Оно внезапно обрушивает на машину стремительный, подобный удару кинжала поток, который может швырнуть самолет на несколько сотен метров вверх или вниз, сбросить в сторону или вздыбить, как норовистого коня. И горе пилоту, если он вовремя не вступит в борьбу: секундное промедление грозит тем, что органы управления самолетом уже не могут справиться с вынужденным «курбетом». Вот почему самолет проектируется с таким расчетом, чтобы болтанка ему была не страшна.
Точно так же проектировался и погибший самолет. Но тем загадочнее звучало донесшееся из эфира: «Бросило!..» По всем расчетам, машина должна была справиться с болтанкой. И если она не справилась, значит где-то скрывается коварный дефект. Ошибка в расчетах? И в конструкторском бюро тщательно проверяют ровные колонки цифр, продувают модели самолета в аэродинамических трубах, а летчики-испытатели готовятся отправиться на «близнеце» погибшего на поиск причины.
Одновременно приняли решение исследовать поведение самолета при болтанке и на специальной моделирующей электронной установке. Для этого все характеристики самолета сначала превратили в графики и формулы, которые затем были занесены в машину в виде строгого сочетания конденсаторов, сопротивлений, емкостей и прочих деталей электроники, — так родилась модель самолета. Аналогичным образом в память машины занесли модель полета и модель… летчика — в виде тех отклонений рулей, которыми пилот управляет. Была заложена в машину и модель болтанки.
За те годы, что существует авиация, ученые собрали достаточно богатую статистику всевозможных сюрпризов атмосферы. Изучили и то, какой мощности порывы ветра могут обрушиться на самолет на той или иной высоте. Все эти сведения после соответствующей обработки и позволили установить нормы, с помощью которых учитывается болтанка. Обычно эти нормы задаются в виде графика, глядя на который можно узнать, что наиболее мощные порывы ветра встречаются у земли, там, где сказывается влияние ландшафта нашей планеты: гор, морей, материков. А с подъемом на высоту эти порывы постепенно сходят на нет — не случайно пассажиры современных крылатых лайнеров почти не ощущают «неровностей» воздушных дорог. Вот такой-то график «нормированного порыва» и послужил прообразом модели болтанки.