От циркуля до виртуальной реальности. Начало
Фото: пресс-служба Госкорпорации Ростех
Создание каждого нового самолета начинается с получения технического задания и разработки проекта. Проект разрабатывается в конструкторском бюро силами инженеров и конструкторов. На заре авиации самолеты мог проектировать, строить и испытывать один человек. Но по мере усложнения авиационной техники созданием новых крылатых машин стали заниматься целые инженерно-конструкторские коллективы, а для производства и выпуска самолетов строились огромные авиационные заводы.
Поговорим об эволюции методов проектирования летательных аппаратов, а также о тех средствах, которые имелись в арсенале авиационных конструкторов и помогали им создавать авиационную технику.
На заре авиастроения
Самые первые самолеты создавались энтузиастами-одиночками, реже — небольшими коллективами, объединенными общей целью. Часто это были фамильно-родственные союзы. В качестве примера можно отметить братьев Вуазен — Шарля и Габриэля, а также, собственно, самих пионеров авиации — братьев Райт, Орвилла и Уилбурна. Первые летательные аппараты строили методом проб и ошибок, больше полагаясь на интуицию и наблюдательность.
Первая мировая война стала рождением нового вида вооруженных сил — боевой авиации. Возникла необходимость проектирования новых, более совершенных самолетов и их массового выпуска. Одиночки с этим справиться уже не могли, поэтому возникли авиационные производства — фабрики и заводы, при которых появились свои проектно-расчетные и конструкторские отделы, возглавляемые, как правило, главными конструкторами этих самых предприятий.
Истребитель Nieuport 17, пилотируемый французским летчиком Рене Дормом во время битвы на Сомме, одного из крупнейших сражений Первой мировой войны, конец 1916 года
Одним из наиболее массовых аэропланов того времени были самолеты французской фирмы «Ньюпор». Проектировщиком этих машин являлся Густав Деляж, основные узлы, агрегаты и детали «Ньюпоров» были регламентированы, но в то же время многие элементы самолетов строились «по месту», без чертежей. Например, в истребителе «Ньюпор-17» 1916 года место пилота, баки, двигатели и оружие были плотно скомпонованы, но в производстве размеры планера не всегда выдерживались из-за отсутствия компоновочных схем и чертежей.
Основными инструментами авиаконструктора тех лет являлись лист плотной бумаги типа ватман, линейка, остро заточенный карандаш ну и, конечно, обычная бумага для черновых расчетов. Самолеты тех лет проектировались и строились по смешанному типу конструкции. Например, фирма «Фоккер» в те же годы на своих самолетах использовала сварную конструкцию из стальных труб, деревянный каркас и полотняную обшивку.
Как проектировал Туполев
Двадцатые годы прошлого века — время формирования отечественной конструкторской школы проектирования и постройки летательных аппаратов. Несмотря на молодой возраст, наша авиационная конструкторская школа быстро заявила о себе созданием сразу нескольких типов самолетов, ставших этапными и в некоторой степени даже революционными для развития всей мировой авиации. Это такие машины, как ТБ-1, ТБ-3, АНТ-20, АНТ-25 и СБ, разработанные и спроектированные в Центральном аэрогидродинамическом институте, который возглавлял Андрей Туполев, а также истребители И-15 и И-16 КБ Николая Поликарпова, скоростные пассажирские самолеты ХАИ-1 Иосифа Немана и АНТ-35 разработки ОКБ Туполева. Здесь уже проектирование самолетов и, соответственно, инженерно-конструкторская работа шагнули на более высокий уровень.
Например, самолеты, разработанные конструкторским коллективом под руководством А.Н. Туполева в ЦАГИ в 1920–1930-х годах, проектировались с использованием математических расчетов, экспериментальных методов и внедрения новых технологий. Туполев изучал зарубежный опыт авиастроения, но при этом создавал свои, «фирменные» конструкции, а также последовательно проводил политику, как бы мы сказали сегодня, импортозамещения в области новейших материалов, приборов, агрегатов и двигателей. Одним из основных методов, применявшихся в ЦАГИ при создании новых образцов авиационной техники, стал метод, основанный на математически выверенных расчетах новейших материалов и аэродинамических конструкций.
Испытания Ту-2 в аэродинамической трубе Т-101. Фото: ЦАГИ
Андрей Николаевич не зря являлся лучшим учеником великого русского аэродинамика, профессора Жуковского, ведь именно он одним из первых призвал точную науку на службу авиационному проектированию и строительству. Например, Туполев научно обосновал рациональность схемы свободнонесущего цельнометаллического моноплана с профилем крыла большой строительной высоты и двигателями, расположенными в носке крыла. Кроме этого, им активно применялся метод макетирования, в основе которого лежит решение задач пространственной компоновки на деревянных макетах.
Еще одним важным новшеством, внесенным Туполевым, стала отработка и применение метода последовательного проектирования самолетов. Он заключался в том, что каждый новый проект опирался на полученный предыдущий опыт и включал в себя только минимальный объем нового — не более 30%. Помимо всего прочего, в ЦАГИ очень активно шло использование аэродинамических труб. Практически все модели новых самолетов «продували» в них вплоть до натуральных размеров. Например, уже в 1920-х годах в ЦАГИ была крупнейшая в мире экспериментальная аэродинамическая установка — труба Т-1-Т-2. Впоследствии, уже после Великой Отечественной войны, для испытаний двигателей и других авиационных систем, начали применять летающие лаборатории, созданные на базе серийных самолетов.
Помощники конструктора
Арсенал специальных принадлежностей и инструментов, помогавших авиационному конструктору в его деятельности в предвоенное время, существенно расширился. В обиход прочно вошли кульман, рейсфедер, логарифмическая линейка.
Кульман — чертежный прибор в виде доски, установленной вертикально или под некоторым углом, предназначенный для упрощения черчения и позволяющий проводить прямые линии заданной длины под любыми углами в плоскости доски. Кульман был изобретен в Германии в начале XX века, но в конструкторский арсенал попал несколько позднее, в 1920-1930-е годы. Инструмент под названием рейсфедер тоже пришел в конструкторские бюро из Германии. Этот инструмент для черчения был известен еще в XVIII веке, но массовое применение ему нашлось намного позже.
Почтовая марка к 100-летию со дня рождения советской летчицы, Героя Советского Союза Марины Расковой. На марке изображено снаряжение штурмана – компас, транспортир и логарифмическая линейка
Рейсфедером называется чертежный инструмент для проведения линий и знаков на бумаге тушью или краской. Он состоит из двух пружинящих створок, соединенных в одной точке ручкой. Щель между створками заполняется тушью или краской. Ширина линии регулируется поворотом небольшой гайки с насечкой. Конструкторские чертежи в то время выполнялись карандашами, тушью либо чернилами. Соответственно, под рукой у конструктора всегда находились чертежные металлические перья разного размера и различных шрифтов и несколько чернильниц, различающихся по цветам.
Кроме приборов и принадлежностей для черчения, на вооружении инженеров-конструкторов имелось также одно из первых счетно-решающих устройств — логарифмическая линейка (ее также называют счетной линейкой). Это аналоговое вычислительное устройство, которое позволяет выполнять несколько математических операций, в том числе умножение и деление чисел, возведение в степень, вычисление квадратных и кубических корней, логарифмов, тригонометрических и гиперболических функций.
Чертежи в натуральную величину
Советская авиационная промышленность перед Великой Отечественной войной сделала резкий технологический рывок, во многом связанный с внедрением нового плазово-шаблонного метода проектирования и производства. Ценность его заключалась в том, что он позволял в несколько раз увеличить выпуск самолетов. Это обстоятельство способствовало расширению производственных мощностей авиапрома и явилось одним из важных факторов, обеспечивших превосходство над фашистской Германией в годы войны.
Совещание в ОКБ Туполева, кадр из кинофильма «Взлет». На столе разложены чертежы узлов сверхзвукового самолета Ту-144
Если говорить простым языком, то плазово-шаблонный метод состоит в следующем: изначально чертеж деталей и частей летательного аппарата выполняли на листах фанеры (плазах), позже — металлических или винипрозовых листах, по которым затем изготавливались эти детали. Суть же метода заключается в использовании единой системы жестких носителей форм и размеров взаимно сопрягаемых элементов конструкции для их изготовления и геометрической увязки между собой. В основе этой системы лежит теоретический плаз-шаблон агрегата самолета. По теоретическому плазу изготавливаются основные шаблоны, которые несут в себе всю необходимую информацию. По ним создаются приспособления для изготовления деталей и сборки изделий.
Этот новаторский метод был разработан в начале 1930-х годов в США, а в СССР он пришел вместе с лицензией на производство самолета «Дуглас» ДС-3. Советские авиаконструкторы и инженеры-технологи смогли в кратчайшие сроки успешно освоить и внедрить данный метод в производство. Налажен был и выпуск отечественного самолета Ли-2, явившегося технологически-конструкторским переосмыслением американской машины в отечественных условиях. Нужно отметить, что лицензию на «Дуглас» приобрел тогда целый ряд развитых промышленных стран, но только нашим конструкторам, инженерам и технологам удалось благополучно и в самые кратчайшие сроки преодолеть возникавшие то и дело трудности и в итоге организовать серийное производство своего варианта ДС-3.
Продолжение следует...