Вертолет, 2010 №01

В результате вертолет продольной схемы Як-24 в 1956 году закончил государственные испытания, но доводки продолжались и позже. Имелось несколько модификаций, небольшое количество вертолетов было построено и некоторое время эксплуатировалось, но Як-24 так и не увидел широкой эксплуатации. Этот пример достаточно убедительно подтверждает, что если динамические проблемы недостаточно глубоко изучены на стадии проектирования, то последующие доводки хоть не поставят крест на машине, то сильно «съедят» ее летно-технические характеристики.

.Когда М.Л. Миль принял решение строить вертолет поперечной схемы (В-12), очень большое внимание было уделено выбору силовой схемы (распределению масс элементов конструкции), а также разработкам расчетных методик. Наверное, поэтому мы избежали поражения, хотя одну небольшую ошибку все же допустили. Но ее можно было быстро исправить.

На Московском вертолетном заводе я работал в области прочности, поэтому все, что излагается дальше, касается именно проблем прочности. В 1954 году произошла катастрофа вертолета: в полете разрушился комлевый стык лопасти. Предварительно этот стык был испытан на действие главной нагрузки – центробежной силы и не разрушился при почти шестикратном запасе. Почему же это произошло в полете, недоумевали мы. Но довольно скоро поняли, что причина произошедшего в усталостном разрушении в его классическом виде. Это разрушение не могло не произойти: мы не понимали, что конструкция лопасти, находящаяся в поле переменных и постоянных нагрузок, сопротивляется совсем иначе, чем при однократной (так называемой статической) нагрузке. Не было представления и о том, как в такой сложной конструкции распределяются напряжения, как взаимодействуют между собой составные части комлевого стыка. Мы не понимали, как можно и нужно определять несущую способность конструкции в поле действия вышеуказанных сил и назначать в соответствии с этим ресурс.

Конструирование летательных аппаратов производится в поле действия различных нормативных актов, руководств и законов. Одним из таких законов являются «Нормы прочности вертолетов». Эти законы, в том числе и «Нормы прочности», необходимы при разработке конструкций: они прямо указывают, на какие нагрузки должны быть рассчитаны вертолетные конструкции, какие должны быть запасы прочности, на что должны быть испытаны конструкции. Однако нормы, как и всякие жесткие законы, могут создавать психологические «шоры», закрывающие часть «горизонта», что иногда приводит к негативным последствиям. Нельзя сказать, что «Нормы прочности вертолетов» препятствовали конструированию с учетом усталости, нет, они просто не сосредотачивали внимание разработчиков на этом. Беда в том, что эти нормы строились по аналогии с самолетными. Но «Нормы прочности самолетов» были вполне логичными и охватывали все условия жизни этих летательных аппаратов. Все дело в том, что при тех скоростях, на которых летали в те годы самолеты, большие переменные нагрузки не возникали, а если и встречались, то их количество было невелико, они измерялись десятками тысяч циклов. Поэтому при назначении ресурсов самолетов достаточно было обеспечить статическую прочность с заданными запасами. Но агрегаты вертолета: лопасти несущих и рулевых винтов, втулки и системы управления – работают в совсем другой области кривой Велера, а именно, в области десятков миллионов циклов, если иметь в виду экономически целесообразные сроки эксплуатации.

Хотя в начале проектирования Ми-4 и было понимание этих особенностей, достаточно глубокого их осознания не было. В общем, «колокол не звонил», мы не понимали, в какую новую неизведанную зону проблем вступаем. Но после катастрофы все изменилось, пришло ясное осознание проблемы. А комлевый стык лопасти, о котором я упомянул вначале, – просто первый пример нового подхода к конструированию (примером такого подхода является комлевый стык Ми-1, который стоит в музее М.Л. Миля). Этот подход заключается в том, что проектирование конструкций осуществляется одновременно со скрупулезным анализом напряженного состояния конструкции и именно такой анализ генерирует необходимые идеи для конструирования. Разработка нового стыка шла именно путем, который привел к созданию долговечной конструкции для лопастей несущих винтов вертолетов Ми-1 и Ми-4, и больше ни на каких лопастях никаких вертолетов фирмы М.Л. Миля не было разрушений, связанных с усталостной прочностью, которая является следствием недостаточной проработки конструкции. Это стало началом нового подхода к конструированию, в том числе и лопастей вертолетов.

Когда мы, как нам казалось, научились правильно конструировать с учетом усталости, встал вопрос, как же назначать ресурс этим конструкциям. Приходится опять сослаться на практику самолетостроения. Как я понимаю, величина ресурса назначалась на основе опыта эксплуатации аналогичных конструкций и в итоге получалось, что обеспечение статической прочности давало хорошие ресурсы для самолетов. Вместе с тем, всегда можно было организовать так называемую лидерную эксплуатацию. Ее смысл заключался в том, что группа самолетов той или иной конструкции опережала по налетам самолеты основного парка. Лидерная эксплуатация имела смысл потому, что сравнительно небольшое рассеяние характеристик выносливости в зоне кривой Велера, актуальное для самолетов, позволяло считать эту группу репрезентативной для оценки долговечности всей серии. Иными словами, возникновение каких-либо неполадок в этой группе позволяло своевременно получать оценку и вносить изменения в конструкцию основной массы эксплуатирующихся машин. Такая же практика вначале применялась и для вертолетов. Однако рассеяние характеристик выносливости для парка одноименных вертолетов таково, что число часов до разрушения различных экземпляров этого парка может различаться в сотни и более раз. Поэтому с точки зрения назначения ресурса и обеспечения безаварийной эксплуатации по условиям усталостной прочности практика лидерной эксплуатации лишена смысла. Однако потребовалось довольно много усилий и времени, чтобы эта практика прекратилась (необходимость лидерной эксплуатации определялась отнюдь не только разработчиками авиатехники).

Однако ресурсы назначать надо, поэтому пришлось на ходу вырабатывать схему действий, которая позволяла бы назначать достаточно надежные ресурсы и в то же время не «зарезала» их. Разумеется, мы не были единственными, кто был озабочен проблемами ресурса. Пришлось переработать и переосмыслить почти все, что было наработано в самых разных областях техники, и приспособить к нашим потребностям.

По существу, мы решали триединую задачу. Первое: испытания агрегатов не должны задерживать эксплуатацию, а потому их нужно проводить в весьма ограниченные сроки на заметно больших нагрузках, чем в реальной эксплуатации. Второе: необходимо научиться пересчитывать результаты на реальные условия. Третье: необходимо научиться воссоздавать как можно более точно всю необходимую комбинацию нагрузок, для чего требуется построить специальные стенды.

Для обеспечения безопасности эксплуатации пришлось научиться применять достижения теории вероятности и представления о поведении материалов и конструкций во всем диапазоне циклов нагружения. Не обошлось и без разработки концепций, и, хотя их можно упрекнуть в недостаточной строгости и обоснованности, они позволили создать достаточно стройную систему. Надо сказать, что эти концепции не «железобетонные» и поэтому требуют от специалистов и сейчас высокой квалификации в каждом конкретном случае. Над вопросами обеспечения безопасности эксплуатации вертолетов работали не только мы. Успешно работала группа отделения прочности ЦАГИ под руководством А.Ф. Селихова. Результаты этой работы оказались для нас чрезвычайно важными.

По инициативе Михаила Леонтьевича на всех серийных заводах в составе ОТК были созданы лаборатории усталостных испытаний, которые ежегодно проверяли задаваемый уровень усталостной прочности. Надо сказать, что Казанский вертолетный завод быстрее всех откликнулся на этот новый подход и освоил такие испытания. Началось с лопастей, а затем распространилось на другие вертолетные агрегаты. Работа с казанским заводом всегда проходила в атмосфере взаимной заинтересованности в общем успехе. Наверное, поэтому на КВЗ впоследствии и появились свои кадры, которые смогли начать успешное проектирование своих собственных вертолетов. «Ансат» тому хорошее подтверждение.