Фридляндер Иосиф Наумович
академик,начальник
научно-исследовательского отделения ГНЦ РФ «ВНИИ авиационных
материалов».
Из выступления на заседании Президиума РАН ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК том 72, №1, с. 70-78 (2002).
Конкуренция с "Concorde"
В 60-х годах стало известно, что Англия и Франция решили создать сверхзвуковой пассажирский самолет, которому дали название "Конкорд" ("Согласие"). Две страны договорились согласно работать над этой машиной. Самолет рассчитывался на скорость полета 2200-2300 км/ч. При такой скорости трение обшивки о воздух приводит к повышению температуры конструкции до 120-125°С, а кромок крыльев - до 150°С. Ресурс самолета - 30 тыс. часов. Перелет "Конкорда" из Европы в Америку должен был занимать три часа вместо семи-восьми на обычных самолетах.
Догнать и перегнать
Реакция Никиты Сергеевича Хрущева на это сообщение было молниеносной: "Мы должны сделать свой советский ультразвуковик, при этом летать он должен быстрее "Конкорда"". Вся работа была поручена Андрею Николаевичу Туполеву. Самолету присвоили марку Ту-144, строиться он должен был на Воронежском авиазаводе, а его появление на свет раньше "Конкорда" стало важнейшей политической задачей СССР. Денег на Ту-144 не жалели.
Нужен новый алюминиевый сплав
Сбор специалистов назначен в КБ Туполева. У Андрея Николаевича маленький, скромный кабинет, он в какой-то толстовке или спецовке. Женщин на совещании нет, они мешают Туполеву четко выражать свои мысли, перемежая литературную речь ненормативной. Первый вопрос: из какого сплава делать конструкцию. Если увеличить скорость полета Ту-144 до 2600-2800 км/ч, как это требует партийное начальство, то температура конструкции повысится до 170-180°С. Алюминиевые сплавы такой температуры при ресурсе 30 тыс. часов не выдержат, надо переходить на сталь или титан, что сильно усложнит технологию.
Умудренный опытом Андрей Николаевич в узком кругу сподвижников рассуждал так: сделаем самолет, как и "Конкорд", на 2200-2300 км/ч, а официально объявим скорость 2600-2800 км/ч. Пока мы сделаем машину, все успеют забыть, что скорость немного занижена. Англичане и французы используют для "Конкорда" жаропрочный алюминиевый сплав AU2GN, легированный медью, магнием, железом и никелем. Два последних элемента дополнительно повышают жаропрочность. У нас из аналогичного сплава АК4-1 давно изготовляют жаропрочные детали авиадвигателей. Есть у нас и новый алюминиево-литиевый сплав ВАД23. Литий - самый легкий металл, соответственно новый сплав намного легче АК4-1 и существенно превосходит его по прочности и другим характеристикам. Однако опыта применения ВАД23 нет.
Я договариваюсь с Туполевым широко опробовать этот сплав. Во Всесоюзном институте авиационных материалов (ВИАМ) работы со сплавом ВАД23 проводили З.К. Арчакова, О.А. Романова, B.C. Сандлер. И вот новая встреча с Туполевым по сплаву ВАД23. Главный металлург КБ И.Л. Головин говорит, что нужны очень большие плиты с высокими механическими свойствами. Таких плит мы раньше не делали.
Начальник Всесоюзного института легких сплавов (ВИЛС) А.Ф. Белов (позднее академик) и его заместитель В.И. Добаткин (позднее член-корреспондент АН СССР) вместе со мной возражают. Андрей Николаевич полушутливо замечает: "Вы оппортунизмом не занимайтесь, а то напущу я на вас Мао Цзедуна. Я вам приказываю: сделайте мне эти плиты". И хотя мы трое Андрею Николаевичу не подчиняемся, воздействие его имени таково, что мы больше не возражаем и подписываем соответствующую бумагу.
Через некоторое время французы увеличили число пассажиров на "Конкорде", соответственно, мы увеличили число пассажиров еще больше. В результате размеры полуфабрикатов колоссально возросли: площадь сечения каждой плиты и профиля - до 1400 см2 масса - до 3 т. (Если плиты и профили таких размеров сделать из стали, то их вес составит 9 т.) Мы опять возражаем, говорим, что у французов максимальная площадь сечения 140 см2, то есть в 10 раз меньше. Но представители КБ Туполева уверяют, что нужны плиты именно такого размера. Почему столь сильное расхождение с "Конкордом", мы, металлурги, понять не можем. Узнать что-либо в КБ об их истинных мотивах невозможно, это будет известно лет через десять, но из сплава ВАД23 нельзя получить хорошие полуфабрикаты подобного размера, и мы от него отказываемся.
Проблема длительной прочности
В ВИАМе в лаборатории алюминиевых сплавов есть залы для испытания на длительную прочность и ползучесть. Конечно, промышленность не может ждать 30 тыс. часов (более трех лет), когда эти испытания будут закончены, поэтому используются ускоренные методы с прогнозированием на весь ресурс самолета. Установлено, что сплав АК4-1 имеет сопротивление ползучести ниже, чем уровень длительной прочности. Лимитирующим фактором является сопротивление ползучести, которое не должно превосходить 0.2%, чтобы не допустить значительного изменения геометрии самолета. Потоки воздуха по крылу, начиная от основания и до его окончания, должны продвигаться ламинарно, без образования вихрей или срыва потока, что может вызвать тряску машины и увеличить сопротивляемость полету. ВИАМ выдает КБ Туполева все расчеты свойств сплава АК4-1, а Воронежскому авиационному заводу -производственные инструкции. (Работы по сплаву АК4-1 выполнили О.А. Романова, В.Н. Бобовников, С.И. Кишкина, Е.И. Шилова, О.Г. Никитаева, Л.П. Ланцова.)
В ВИЛСе прошло совещание с французскими авиаметаллургами. Мы направили во Францию слитки и плиты из АК4-1 и от них получили слитки и плиты из сплава AU2GN. И вот теперь обсуждались результаты исследования. Практически AU2GN и АК4-1 одинаковы. Сплав АК4-1, как и французский AU2GN, при хорошей жаропрочности имеет низкую вязкость разрушения.
Наши товарищи, ездившие во Францию на советско-французские семинары, вернулись с совершенно определенным впечатлением об алюминиевом сплаве AU2GN. Один из них, А.3. Воробьев - главный идеолог Центрального аэрогидродинамического института (ЦАГИ) по алюминиевым сплавам, сделал в ВИАМе довольно длинный доклад. Он вынужден был признать, что вязкость разрушения у AU2GN меньше, чем у АК4-1. Может быть, она ниже потому, что мы применяем более мягкий режим старения, который, однако, несколько снижает коррозионную стойкость. Французы спрашивали: не боимся ли мы коррозии. На что наши отвечали - не боимся, ибо, мол, Франция страна морская, а мы сухопутная. Но я-то лично коррозию побаиваюсь. "Ну и как же, -спрашивал французов Воробьев, - вы обходитесь с такой низкой вязкостью?". - Те отвечали: "Приспосабливаемся".
Другой участник советско-французских семинаров, В.В. Сулеменков - ведущий прочнист КБ Туполева, сообщил мне в личном разговоре, что, по словам французского прочниста (фамилию он не помнил), они мучаются со сплавом AU2GN. Испытания "Конкорда" показали, что в лонжеронах довольно быстро появляются трещины, которые долго остаются маленькими, но потом бурно развиваются. Французы изготовили дефектоскоп на принципе вихревых токов со специальной формой головки, позволяющий контролировать труднодоступные места, где могут появляться трещины. Все "Конкорды" были проверены, и в одном случае обнаружили начало трещины. Регистр - государственный орган, следящий во Франции за безопасностью полетов, - обязал сделать накладки на каждом крыле, на каждом лонжероне. Всего их десять на "Конкорде". Из чего изготовлены накладки, Сулеменкову узнать не удалось, но размеры их солидные. Вообще-то Вячеслав Васильевич Сулеменков - человек знающий, по мере возможности старающийся быть объективным.
Ту-144 поднялся в воздух
31 декабря 1968 г. Ту-144 поднялся в воздух - на два месяца раньше "Конкорда" к великой радости Туполева и Министерства авиационной промышленности. 4 января 1969 г. во всех газетах было напечатано фото Ту-144 и официальное сообщение: "Впервые в мире 31 декабря 1968 г. в Советском Союзе совершил полет сверхзвуковой пассажирский самолет Ту-144. Этот полет является новым достижением советской науки и техники".
Летом 1971 г. Ту-144 был показан на авиасалоне в Ле Бурже (Франция). Пролетел он очень хорошо, с меньшим шумом и без дымных хвостов от двигателей, как у "Конкорда". Советский салон посетил французский президент Жорж Помпиду и поздравил советскую делегацию с успехом. Вместе с министром авиационной промышленности П.В. Дементьевым он поднялся на борт Ту-144.
Вскоре после Ле Бурже в Воронеж вылетела мощная делегация авиационных специалистов (в основном начальники авиационных институтов), в которую входил и я. Туда же прилетел и министр Дементьев. Министру дела на заводе понравились. На собрании начальников цехов он сказал: "Ту-144 имеет большое значение, в том числе международное. К нам в Париже приходили руководители компартии Франции и Италии и говорили: "Своим Ту-144 вы помогаете нам"". Дементьев продолжил: "Вы должны хорошо организовать работу и наладить серийный выпуск Ту-144. Дадим дополнительно станки. Особое значение имеет машина номер пять, она предназначена для статических испытаний, после нее менять ничего нельзя". Выступал он по обыкновению без всяких записок, убежденно, энергично, со знанием дела.
Вскоре 50-минутный полет успешно совершил второй Ту-144. Через какое-то время пришло сообщение об успешных полетах "Конкорда". Однако разрешения на полеты в США "Конкорд" сразу не получил. Причина отказа - производимый им шум. Действительно, шум при переходе через звуковой барьер подобен артиллерийскому залпу. Однако позднее США разрешили регулярные рейсы "Конкорда" в Нью-Йорк и Вашингтон.
Катастрофа в Ле Бурже Ту-144
В 1973 г. на очередном авиасалоне в Ле Бурже Ту-144 разрушился на глазах сотен тысяч зрителей, когда ему пришлось сделать крутой вираж, чтобы уйти от появившегося внезапно французского истребителя "Мираж". Экипаж погиб, несколько зрителей погибли под обломками самолета. Сразу же были освобождены от работы главный конструктор КБ Туполева С.М. Егер, руководивший работой по Ту-144, и главный прочнист этого КБ И.Р. Бонин, новым главным прочнистом стал В. В. Сулеменков.
В Париже проводилось расследование причин катастрофы Ту-144. Общепринятый в авиации порядок: расследование ведет та страна, на территории которой произошла катастрофа. Расследование велось долго, к нему были привлечены советские специалисты, но ясных результатов оно не дало. Было составлено обтекаемое заключение: катастрофа вызвана действием ряда случайных факторов. Франция не была заинтересована в глубоком изучении причин и создании атмосферы подозрительности вокруг Ту-144, ибо это могло вызвать неуверенность и в иадежности его близнеца "Конкорда".
Трещины растут
В 1975 г. начались полеты Ту-144 с грузом в Ташкент, Алма-Ату и Баку.
В 1976 г. Ту-144 проходил в ЦАГИ испытания на повторные нагрузки, потом дали статическую нагрузку. Самолет "сел" при нагрузке 70% от расчетной: разрушилась панель из АК4-1, сделанная из плиты толщиной 42 мм. Испытатели заметили появление трещины, но не успели добежать до пульта, чтобы прекратить испытания, как конструкция разрушилась. Трещина началась от ряда заклепок, которые крепили на верху самолета небольшой сигнальный фонарь. Он расположен вплотную к основному заклепочному шву. Таким образом, повышается местная концентрация напряжений, и довольно массивный фонарь вызывает местные изгибающие напряжения. Этих условий оказалось достаточно, чтобы появилась и стала катастрофически развиваться трещина.
На следующий день вместе с Софьей Исааковной Кишкиной - главным прочнистом ВИАМа по алюминиевым сплавам, еду в ЦАГИ. По лестнице взбираемся на крыло самолета. Какая же огромная поверхность! От тонкой перемычки, где появилась трещина усталости, в обе стороны идут огромные трещины длиной несколько метров. Мама Соня, как зовут ее сотрудницы, вздыхает: "Какая же это безопасно повреждаемая конструкция, если от небольшой трещины сложился весь самолет".
Действительно, в последние десятилетия большие самолеты создаются по принципу безопасной повреждаемости. Самолеты дорогие. Чтобы они себя окупили, срок эксплуатации увеличили до 30 тыс. часов, а позднее - до 60 тыс. Если рассчитывать такие самолеты, не допуская появления трещин, то сечения деталей и узлов настолько увеличиваются, что машины не могут поднять ни пассажиров, ни грузы. Приходится допускать появление трещин, но они не должны быстро развиваться и приводить к разрушению конструкции. К материалам предъявляются новые требования: они должны быть вязкими (не давать хрупкого разрушения), иметь очень малую скорость развития трещин. Кроме того, необходимо предусмотреть конструктивные меры, блокирующие рост трещины. Большие американские самолеты В747 с трещиной на крыле длиной 1м и на фюзеляже длиной 400мм сохраняют ресурс еще тысячу часов полета. Это не значит, что в эксплуатации такие трещины допускаются (как только ее обнаруживают, тут же блокируют), но приведенные цифры показывают гигантский запас надежности конструкции.
Вместе с Кишкиной составляем заключение по Ту-144. Мы считаем, что разрушение началось от небольшой усталостной трещины, но специалист по статике из ЦАГИ В.Ф. Кутьинов не согласен с нашей формулировкой. Он думает, что перемычка могла разрушиться и без начальной небольшой трещины усталости, ведь все были уверены, что после повторных нагрузок самолет должен был спокойно выдержать 100%-ное статическое нагружение, а он разрушился при 70%-ной нагрузке. Мы соглашаемся с Кутьиновым и формулируем: разрушение началось от тонкой перемычки при статической нагрузке 70% от расчетной. Наше заключение ставит под вопрос надежность конструкции. Кишкина подготавливает письмо на имя начальника ЦАГИ академика Г.П. Свищева, в котором отмечено, что напряжение в лонжеронах Ту-144 на 40% больше, чем в "Конкорде". Начальник ВИАМа А.Т. Туманов его подписывает.
Тепловые испытания
Через некоторое время в Новосибирске при натурных испытаниях фюзеляжа Ту-144 на сопротивление тепловым и технологическим нагрузкам, имитирующим реальные условия полета, фюзеляж разрушился досрочно. В громадную тепловую камеру, нагретую до 130-150°С, помещается фюзеляж, и он то расширяется, то сжимается, как это происходит в полете. На высоте 10 км внешнее давление воздуха значительно снижается, а давление внутри фюзеляжа изменяется мало, в результате фюзеляж расширяется. При посадке на землю фюзеляж сжимается и возвращается к прежним размерам. Поскольку самолет летит со сверхзвуковой скоростью, его обшивка нагревается до 125°С. Вот эти условия полета и имитируют испытания: расширение и сжатие фюзеляжа при одновременном температурном воздействии.
Загадка больших сечений профилей
В Сибирь мы прилетели вдвоем с Сулеменковым. За несколько дней до нас Новосибирск посетил министр авиационной промышленности Дементьев. Он посмотрел, как идут испытания. Обычно при таких испытаниях конструкция оглушительно скрипит, поэтому Дементьев посочувствовал фюзеляжу и сказал: "Ну, конечно, вы его разрушите". Он и разрушился. Картина разрушения примерно та же, что и в Москве: в тонкой перемычке, являющейся частью большого фрагмента фюзеляжа, выфрезерованного из толстой плиты, возникла трещина и побежала в обе стороны на многие метры.
Мы с Сулеменковым сели в автобусик того типа, что именуется "коробочкой", и благо погода была теплой, выехали из города. Расположились на опушке леса и выпили за упокой души безвременно скончавшегося фюзеляжа. Казалось, обстановка располагала к откровенности. Я спросил Вячеслава Васильевича: "Почему все-таки КБ пошло на такие огромные сечения профилей и плит, в 10 раз больше, чем на "Конкорде"? Ведь какие трудности это создало для металлургии и насколько ухудшило качество металла". Сулеменков промолчал.
Причины катастрофы Ту-144 в Париже и преждевременных разрушений крыла и фюзеляжа оставались невыясненными, когда в 1977 г. начались полеты с пассажирами в Алма-Ату. Поскольку "Конкорды" летали, дабы не уронить престижа Ту-144, который взлетел раньше "Конкорда", не должен был сидеть на земле. Но в 1978 г. произошла катастрофа Ту-144 под Егорьевском, и полеты были прекращены, как оказалось, навсегда.
Причины катастрофы проекта
Почему же так бесславно закончилась история этого грандиозного проекта, который должен был продемонстрировать всему миру торжество советской науки и техники, мощь советской индустрии?
Одновременно с созданием Ту-144 КБ Туполева вело разработку массового пассажирского самолета Ту-154 и сверхзвукового бомбардировщика 22М, известного на Западе как "Бигфаейр" -"Большой огонь". (У самолета два мощных двигателя, которые при взлете, при работе на форсированном режиме окружает ореол пламени. Американский спутник засек 22М в первом же полете, так и появилось обозначение "Бигфайер'".) Все три машины должны были как можно быстрее появиться на свет, ибо это отвечало политической установке тех лет: быстрее всех, дальше всех, выше всех. Естественно, на КБ Туполева легла колоссальная нагрузка, с которой оно не справилось: был взят курс на использование высоких эксплуатационных напряжений, а при расчетах и конструировании допущены серьезные ошибки. Они проявились самым роковым образом при полетах и испытаниях Ту-144, а позднее и при создании Ту-154.
Обычно самолеты строятся из листов и профилей и клепаются. Число заклепок достигает двух-трех миллионов. Когда в такой конструкции появляется трещина усталости, она доходит до заклепочного отверстия, где заканчивает свое существование. Если повышенные напряжения продолжают действовать, может возникнуть новая трещина. Но для ее появления требуется длительное время и много циклов повторных нагрузок, и она прекращается на следующем заклепочном отверстии. Это - один из элементов концепции безопасной повреждаемости.
Ту-144 делался по-другому: из огромных плит шириной 120-140 см, длиной до 15 м, толщиной 30-80 мм путем механической обработки получалась готовая фигура крупного фрагмента крыла или фюзеляжа - наружная обшивка, внутренние продольные и поперечные ребра. Поскольку крыло имеет двоякую кривизну, а фюзеляж сложную форму, размеры плит и профилей должны вписываться в толщину исходной заготовки, отсюда их гигантские толщины - в 10 раз превосходящие по плоскости сечения плиты и профили для "Конкорда".
Конструкция Ту-144 была полностью подчинена светлой технологической идее: поставил заготовку на автоматический станок с программным управлением - и больше не о чем беспокоиться: приходи через два дня или через неделю (в зависимости от объема механической обработки) - и огромный фрагмент крыла или фюзеляжа полностью готов. Сработала автоматика. При этом забывалось, что для огромных полуфабрикатов нужны очень большие слитки. Их сложно получать, и в них металл недостаточно проработан: с'охр"няются местные неоднородности и дефекты, ослабляющие металл. После механической обработки в реальной конструкции Ту-144, сделанной из плиты большой толщины, в отдельных местах остаются перемычки толщиной 2 мм, они и рвутся.
Концепция безопасной повреждаемости предусматривает помимо требований к материалу, также конструктивные меры, останавливающие рост трещин. Например, крыло гигантского самолета Антонова "Руслан" состоит из восьми прессованных панелей шириной 900 мм. Поперечная трещина доходит до конца панелей и останавливается. Даже при двух разрушенных панелях, крыло работает и самолет не гибнет. В случае Ту-144 у выточенного из большой заготовки цельного фрагмента крыла или фюзеляжа ничто не останавливало трещину. К тому же Ту-144 изготовлен из жаропрочного сплава АК4-1, который хорошо сопротивляется длительному воздействию высоких температур, но, как и аналогичный французский сплав AU2GN, имеет пониженную вязкость разрушения и склонен к появлению усталостных трещин и их быстрому распространению. Поэтому при создании конструкции требовалась особая предосторожность, что, кстати, было учтено при строительстве "Конкорда".
Как только для Ту-144 была принята технологическая концепция изготовления больших монолитных фрагментов конструкции из огромных плит, самолет был обречен. Гигантские усилия, направленные на обгон "Конкордов", ожидал крах. Вместо безопасно повреждаемой конструкции был создан ее антипод - опасно повреждаемая конструкция.
Послесловие
В 1996 г. по контракту с НАСА Ту-144 совершил без больших перегрузок 35 полетов в качестве летающей лаборатории для уточнения некоторых параметров, необходимых для создания американского сверхзвукового пассажирского самолета нового поколения. Осенью 2000 г. один Ту-144 был продан за 500 тыс. долл. США частному музею в Германии, отправившись туда водным путем.