История алюминия в самолетостроении

Конец XIX в. – это время, когда стала приобретать конкретные очертания мечта о свободном полете. На шарах летали уже не первый век, попривыкли. Но аппарат легче воздуха слишком зависим от капризов атмосферы. Воздухоплавание, это – не полет птицы или насекомого, скорее – путешествие на облаке. Мечта о «птицеподобности» (в переводе на латынь – «авиации») продолжала будоражить умы. Заметим, что в конце XIX в. идея полета притягивала уже не только самых романтически настроенных изобретателей, но и людей вполне прагматичных. И каких только летательных аппаратов не придумывали. В общем, все примерно так же, как сейчас с аппаратами для полета в космос. Современному кошмару «звездных войн» соответствовало в те времена предчувствие «воздушных сражений».

Братья Райт в 1899 г. они сами занялись проблемами управляемого свободного полета. В декабре 1903 г., после четырех с лишним лет упорных исследований, проб и ошибок (на что уходил практически весь доход от их весьма успешного бизнеса), Райты полетели. Им повезло, потому что они смогли в полной мере воспользоваться плодами труда предшественников. Они смогли добиться успеха там, где другие терпели неудачу. Как заметил один классик (Карл Маркс): «Когда истории требуется личность, она ее находит».

В немалой степени усилия братьев Райт увенчались успехом потому, что они действовали методично и последовательно, не пытаясь, как многие предшественники, сразу начать с постройки летательной машины с двигателем. Сначала следовало научиться летать без мотора, освоить навыки управления, понять важнейшие закономерности, соблюдение которых абсолютно необходимо. Планеры и воздушные змеи в «просвещенный век» уже никого не удивляли. Уилбур и Орвилл выучились летать на планерах. С 1899 по 1903 гг. в известном сегодня на весь мир (именно благодаря Райтам) местечке Китти Хок, штат Северная Каролина, они испытали три модели планера, причем достаточно большие, способные поднять человека. Специалистам известно, что часть полученных братьями в 1903 г. патентов была связана с конструкцией именно планеров, а не их первого самолета с двигателем внутреннего сгорания.

На своем третьем планере они совершили более тысячи успешных полетов. Райты, прежде чем приступить к строительству самолета с двигателем, стали, наверное, самыми искусными и опытными в мире пилотами-планеристами. От этого оставался буквально шаг до полета свободного. Конструкторы поняли, что не так важно будет оторвать конструкцию от земли, как обеспечить управление самолетом в воздухе. Поэтому они потратили большую часть своего времени и усилий на то, чтобы изобрести методы управления и стабилизации полета, открыть способы изменения направления вектора подъемной силы.

Райты заметили, что для управления по крену птицы отклоняют вверх или вниз задние кромки раскрытых крыльев. Конструкторы попробовали таким же образом управлять коробчатым воздушным змеем. С помощью специального тросика Райты с земли отклоняли передние и задние кромки его крыльев. Направление вектора подъемной силы менялась, и змей послушно кренился в одну или в другую сторону (впоследствии этот метод был назван «гошированием» – с французского «перекашивание»). Заметим, что на самолете Райтов синхронно с отклонением кромок крыла с помощью другого тросика отклонялся руль направления. Еще до самолета братья построили полноразмерный планер, который по всем трем пространственным осям (тангажу, рысканью и крену) управлялся с помощью рулей высоты, направления и гоширования крыльев, причем руль высоты у планера располагался перед крылом. Сегодня подобная аэродинамическая схема называется «уткой».

Аэродинамики как науки в то время еще не существовало. Масса разрозненных сведений (при этом большая часть на уровне догадок) была ненадежной опорой, практически использоваться ею не представлялось возможным. В связи с этим Райты были вынуждены построить собственную аэродинамическую трубу и в ней испытать более двухсот профилей крыла. Результаты экспериментов сводились в таблицу, описывающую изменение параметров воздушного потока в зависимости от формы крыла. На основе этих данных впоследствии была выбрана профилировка и форма крыльев самолета. И все же эти исследования не привели бы к желаемому результату, не появись в то время достаточно мощный бензиновый двигатель. Чуть более ранние попытки построить летательный аппарат с громоздкими и малоэффективными паровыми двигателями были заведомо обречены на неудачу. Так, в 1881 г. русский исследователь и конструктор-изобретатель А.Ф.Можайский, а в 1892 г. британский изобретатель и оружейник американского происхождения Хайрем Стивенс Максим (автор знаменитого пулемета) были вынуждены применить именно такую силовую установку, что вполне закономерно привело их в тупик: удельная мощность оказалась недостаточной для осуществления полета. В отличие от великих предшественников братья Райт занялись созданием самолета, когда двигатели внутреннего сгорания были уже изобретены. Может быть, потому-то они этим и занялись, что имели внутреннее ощущение разрешимости проблемы мотора; ведь интуиция – это неосознанный опыт.

И все же существовавшие в начале ХХ в. двигатели внутреннего сгорания были слишком тяжелыми для того, чтобы их можно было использовать для летательного аппарата. Братья Райт решили действовать уже опробованным методом: они сами (с помощью механика Чарли Тейлора) разработали конструкцию двигателя и сами его построили. Их гениальность проявилась в том, что, затратив сравнительно немного времени на проектирование мотора, они сумели осуществить двигатель, превосходивший по удельной мощности все существовавшие в то время. Часть деталей братья изготовили у себя в мастерской, а остальные заказали на стороне. Первый авиационный мотор получился даже более мощным, чем рассчитывали его создатели (16 л.с.). Впрочем, и такая, невероятно большая по тем временам мощность для взлета была недостаточной. Поэтому братья устанавливали свой аппарат на специальную тележку, которую помогала разгонять по рельсам команда «добровольных бурлаков».

Оригинальный двигатель с водяным охлаждением, выполненный из сплава алюминия и меди, был рядным, четырехцилиндровым, с диаметром цилиндров 101,6 мм и таким же ходом поршня, а шатуны были трубчатыми. Одна из интересных особенностей – использование стальных гильз, ввинченных в алюминиевый блок цилиндров. Стенки гильз обрабатывались на токарном станке, но не полировались. Братья Райт рассчитывали, что поверхности отполируют сами поршни, по мере износа приработав поверхности.

Самолет, названый «Флайер» («Летун»), впервые поднялся в воздух 17 декабря 1903 г. Во время первого полета, совершенного Орвиллом Райтом, самолет пролетел 12 секунд и покрыл расстояние всего в 36 м. Последний (четвертый) полет, в котором участвовал Уилбур Райт, длился 59 секунд. В этот день налетевший шквал перевернул «Летуна», стоявшего на земле, в результате чего крепление мотора не выдержало. Детали двигателя от «Флайера-1» пошли на создание следующей модели мотора.

Сегодня алюминий по выплавке уверенно удерживает среди металлов второе место вслед за железом. Ни у кого нет сомнений в важности и нужности этого легкого материала. Но долгое время отношение к нему было весьма сдержанным. Что можно ожидать от металла, который разрушается слабыми щелочами и кислотами, в то время как едва ли существует жидкость, не содержащая несколько кислоты или щелочи и поэтому легко разрушающая прекрасную наружность алюминия или уничтожающая всю его массу. Чай, вино, пиво, кофе и все плодовые соки уничтожают алюминий, и даже пот снимает с него палитру, обращая часть металла в обыкновенный глинозем…

В начале XX в. немецкий химик Альфред Вильм возглавил сектор металлургии в исследовательском институте, расположенном в пригородах Берлина. Он экспериментировал, пытаясь найти высокопрочный сплав алюминия, и в сентябре 1906 г. испытывал очередной сплав, в который, помимо алюминия, входило 4% меди и по 0,5% марганца и магния. Никаких особенных оснований рассчитывать на успех не было. Прочность сплавов оценивали по измерениям твердости. В час дня в субботу твердость была измерена и составила 70 (условных единиц). После этого все сотрудники отправились проводить выходной в Берлин. Немцы – люди аккуратные, и, поскольку в предвкушении отдыха измерения могли быть проведены недостаточно тщательно, в понедельник Вильм распорядился их повторить. Ко всеобщему удивлению, твердость составляла уже 100. В последующие дни твердость продолжала возрастать.

Эффект самопроизвольного упрочнения сплавов назвали старением. Ни сам Вильм, ни другие специалисты не знали, чем он вызван. Но среди алюминиевых сплавов стареющие выделялись по прочности, и это Вильм быстро использовал: рецепт сплава был запатентован. А в 1911 г. немецкие промышленники уже выпустили первую партию сплава Вильма, который нарекли дюралюминием или дуралюмином по названию города Дюрена, где развернулось его производство. Во время первой мировой войны сплав уже активно использовался – из него изготовляли детали немецких цеппелинов. Так дуралюмин предвосхитил судьбу своих более поздних собратьев – других алюминиевых сплавов. Сочетание прочности и легкости сделало их ведущим материалом самолетостроения.

Достоинства дюренерского «алюминия» оценил профессор термодинамики, авиаконструктор Ахенского университета Хуго Юнкерс. Он неоднократно пытался собрать цельнометаллический самолет, смелое решение построить свою крылатую машину из металла. Никто и нигде в мире об этом еще не задумывался. После первого успеха братьев Райт (1903 г.) все аэропланы были похожи на летающие этажерки, имея деревянный каркас, обтянутый полотном. 15 декабря 1915 г. на военном аэродроме города Деберица прошли испытания планера J1, сделанного из листового железа. Но представители военного ведомства самолет «забраковали», назвав его «жестяным ослом»: слишком тяжелый, с низкой скороподъемностью и маневренностью, J1 не соответствовал требованиям военной авиации. Юнкерс понимал, что главный «виновник» провала – металл. Нужна была альтернатива толстым (до 1 мм) железным листам.

Дюралюминий отвечал всем требованиям Хуго Юнкерса – высокая прочность, ковкость и необыкновенная для металла легкость пришлись очень кстати. Уже в 1917 г. на аэродроме Адлершоф поднялся в воздух истребитель J.7, полностью построенный из «легкого» металла.

В том же году начался серийный выпуск военных самолетов Junk J.1, заказанных оборонным ведомством Германии для участия в кампаниях Первой мировой войны. Во время боевых действий дюралюминий полностью оправдал расчеты Юнкерса – металл надежно защищал пилота от пуль и снарядов. Самолеты Junk J.1 были названы летающими танками: известен случай, когда дюралюминий выдержал 480 пулевых прострелов крыльев и фюзеляжа; при этом самолет не просто выполнил боевое задание, но и благополучно приземлился на базу.

Успех первых J.7 и Junk J.1 предопределил рывок в развитии немецкой военной авиации – дюралюминий стал фаворитом конструкторского бюро Юнкерса. Германия выиграла битву за небо, однако ее соперники сдаваться не собирались – в СССР и США полным ходом шли разработки сверхпрочных алюминиевых сплавов.

В 1918 г. по настоянию советского авиаконструктора А.Н.Туполева и профессора Московского государственного университета Н.Е.Жуковского был создан Центральный аэрогидродинамический институт (ЦАГИ), в котором начались разработки новых моделей самолетов и исследования металлических сплавов. ЦАГИ работал совместно с некоторыми металлолитейными заводами, что позволяло оперативно получать и тестировать новые варианты металла. Однако целых четыре года старания исследователей были безрезультатны – созданные сплавы не проходили проверку на прочность.

С выбором материала было сложнее. Отечественные самолеты были деревянными. Даже четырехмоторный гигант первой мировой войны «Илья Муромец» строился из дерева, в основном из импортных пород – орегонской сосны, спруса (разновидность ели), гикори. У сторонников продолжения традиционного самолетостроения были веские доводы: наличие действующих заводов с отработанной технологией изготовления самолетов, опытные инженерно-технические кадры, простота ремонта при эксплуатации. Большие лесные массивы страны позволяли надеяться на бесперебойное снабжение авиационных заводов строительными.

А для строительства самолетов из металла не было ровным счетом ничего. Не было заводов, производящих металл, технологии его применения и людей, умеющих с ним обращаться. Несмотря на печальную действительность, А.Н.Туполев в конце 1922 – начале 1923 гг. возглавил научно-техническую интеллигенцию, считавшую, что будущее авиации (особенно тяжелой) – в цельнометаллическом самолетостроении. Обосновывая недостатки деревянных конструкций, они указывали на отсутствие единых методов механических и физических испытаний древесины, удовлетворяющих требованиям авиационной техники; отсутствие методов исследования заготавливаемых модельных кряжей, большую подверженность атмосферным влияниям.

Они обращали внимание на достоинства строительства самолетов из металла: металл с его практической однородностью (в чем его отличие от древесины) позволит точно производить расчеты; при серийном (массовом) производстве положительно скажется технологичность металла; по мере совершенствования металлургии сплавов и накопления опыта по их применению в конструкции, ее относительная масса будет падать и станет меньше, чем у аналогичной конструкции из дерева.

Весной 1922 г. в ЦАГИ произошло знаменательное событие: в институт был доставлен фюзеляж сбитого истребителя Junkers D.I – бесценный с точки зрения отечественной авиации трофей. Для изучения состава металлического покрытия самолета была организована отдельная группа «Секция испытания материалов». Исследователи не просто определили формулу дюралюминия, но и смогли разработать более прочный вариант сплава, способный конкурировать с иностранными разработками. Результаты их работы были направлены на Латунный и меднопрокатный завод товарищества Кольчугина и на ленинградский завод «Красный Выборжец».

Комиссии предстояло изучить возможность применения кольчугалюминия в качестве материала для самолетостроения, выработать сортамент полуфабрикатов и приступить к созданию отечественных цельнометаллических самолетов.

Постройка самолета началась в апреле 1922 г. Она была в самом разгаре, когда приступила к работе комиссия по металлическому самолетостроению, т.е. начало действовать КБ А.Н.Туполева. К этому времени уже были получены первые полуфабрикаты – листы и гнутые профили из кольчугалюминия. Испытания образцов показали, что сплав можно рекомендовать в качестве материала для цельнометаллических самолетов. Вполне естественно, что энтузиасты решили ввести кольчугалюминий в конструкцию строящегося самолета.

Кольчугалюминий отличается от немецкого дюралюминия присутствием никеля и несколько иным соотношением меди и марганца (медь – 4,5%, марганец – 0,7%, никель – 0,3%, магний – 0,5%, алюминий – 94%). Различались три вида кольчугалюминия: мягкий – отожжённый при температуре 400° C, закалённый – при температуре 500° C, и нагартованный.

Пришлось провести дополнительные расчеты, новые статические испытания отдельных узлов. Конечно, такое решение задержало постройку, но зато АНТ-1 стал первым отечественным монопланом со свободнонесущим крылом и рядом деталей из кольчугалюминия. Первым отечественным монопланом со свободнонесущим крылом, но деревянной, а не смешанной конструкции, был одноместный истребитель ИЛ-400. Самолет, построенный советским авиаконструктором, главой ОКБ-51 Н.Н.Поликарповым в содружестве с выдающимся инженером И.М.Косткиным, совершил первый полет в мае 1923 г. Самолет АНТ-1 – это первая русская конструкция, в которой был применен кольчугалюминий. Назначение – спортивная одноместная авиетка.

Алюминий играл важную роль во время Второй мировой войны. Неоценимый вклад в создание оборонной мощи Советской Армии внес Уральский алюминиевый завод (УАЗ). Первая очередь УАЗа была пущена в сентябре 1939 г. Накануне войны здесь выпускалось 36% алюминия, производившегося в стране. Высокопрочные дюралюминиевые листы и плиты служили основным материалом для обшивки самолетов. Из них получали заготовки сложной формы для деталей авиадвигателей, винтов, шасси, силового набора в фюзеляже самолета. Из пластичного малолегированного дюралюминия и алюминиево-магниевых сплавов прокатывали проволоку для заклепок, соединительные элементы обшивки, из листов сплава алюминия с марганцем сваривали емкости для горючего. Без магниевых и алюминиевых порошков нельзя было выпускать бомбы, снаряды, осветительные ракеты.

Обширные исследования сплавов системы Al-Zn-Mg-Cu с добавками марганца и хрома были проведены под руководством советских ученых Б.Е.Воловика, С.М.Воронова и И.Н.Фридляндера. В 40-х гг. XX в. в ВИАМе под руководством И.Н.Фридляндера разработан новый высокопрочный сплав, превосходящий по прочности дуралюмины, – В95 (марка отражает основных разработчиков сплава: В – ВИАМ, 95 – завод 95, на котором в то время работал С.М.Воронов). Примерно в то же время аналогичный сплав (7075) был получен в США.

В последующие годы для удовлетворения конкретных запросов советской промышленности под руководством советского металловеда, создателя сплавов, академика И.Н.Фридляндера был разработан сплав В95пч.

В сплавах А1-Zn-Mg-Сu добавки переходных металлов, особенно хрома, эффективно повышают стойкость сплавов против коррозии под напряжением. Все сплавы системы А1-Zn-Mg-Сu подвергают закалке и искусственному старению. Закалку проводят с температуры 460...470° С в холодной или подогретой (до 80... 100° С) воде.

Из всех рассмотренных сплавов В95 – наиболее универсальный конструкционный материал, из него изготавливают все виды деформированных полуфабрикатов: листы, плиты, профили, трубы, поковки, штамповки.

Сплавы системы А1—Zn—Mg—Си (в основном В95 и В93) нашли широкое применение в авиационной промышленности, но все же они не вытеснили ранее внедренные, хотя и менее прочные сплавы систем Al-Cu-Mg (Д16) и Al-Cu-Mg-Si (АК6, АК8). Это объясняется рядом недостатков сплавов системы А1-Zn-Mg-Си. Например, по сравнению с дуралюмином Д16 они более чувствительны к концентраторам напряжений, имеют меньшую вязкость раз­рушения, склонны к коррозии под напряжением и характеризуются низкой жаропрочностью. Так, сплав В95 при температурах выше 125° С уступает по прочности сплаву Д16, хотя при 20° С он значительно прочнее дуралюмина. Поэтому сплавы системы А1-Zn-Mg-Си мало перспективны для скоростных сверхзвуковых самолетов, обшивка которых испытывает аэродинамический на­грев (до 125... 150° С).

Сегодня алюминий используется в авиационной промышленности повсеместно. От 2/3 до 3/4 сухого веса пассажирского самолета и от 1/20 до ½ сухого веса ракеты вот доля алюминия в летающих конструкциях. Из алюминиевых сплавов была изготовлена оболочка первого советского искусственного спутника Земли. Оболочка корпусов американских ракет «Авангард» и «Титан», применявшихся для запуска на орбиту первых американских спутников, а позднее и космических кораблей, также была выполнена из сплавов алюминия. Из них делают различные детали космической аппаратуры – кронштейны, крепления, шасси, футляры и корпуса для многих инструментов и приборов.

В авиации широко применяются сплавы серии 2ххх, Зххх, 5ххх, 6ххх и 7ххх. Серия 2ххх рекомендована для работы при высоких рабочих температурах и с повышенными значениями коэффициента вязкости разрушения. Сплавы серии 7ххх – для работы при более низких температурах значительно нагруженных деталей и для деталей с высокой сопротивляемостью к коррозии под напряжением. Для малонагруженных узлов применяются сплавы серии Зххх, 5ххх и 6xxx. Они же используются в гидро-, масло- и топливных системах.

Бесспорное преимущество имеется у алюминиевых сплавов при создании объектов космической техники. Высокие значения удельной прочности, удельной жесткости материала позволили обеспечить изготовление баков, межбаковых и носовых частей ракеты с высокой продольной устойчивостью. К достоинствам алюминиевых сплавов (2219 и др.) следует отнести их работоспособность при криогенных температурах в контакте с жидким кислородом, водородом и гелием. У этих сплавов происходит так называемое криогенное упрочнение, т.е. прочность и пластичность параллельно растут с понижением температуры.

Алюминиевые сплавы являются широко распространенными в промышленности и строительстве конструкционных материалов: полуфабрикаты – листы, фасонные профили, прутки и трубы. Технология изготовления полуфабрикатов из алюминиевых сплавов отличается своей сравнительной простотой, они обладают хорошим внешним видом и безукоризненной поверхностью. Инженеры и конструкторы не перестают изучать свойства алюминия, разрабатывая все новые сплавы для строительства воздушных и космических судов.