Клей и фанера, или слюда в планерах
И если все летит к чертям, вбивай громадный гвоздь.
Тот факт, что прочность конструкционных материалов составляетобычно 1-5% от прочности химических связей, до недавнего времени не имелособого практического значения: соединения деталей и элементов в конструкцияхбыли настолько плохими, что даже такая прочность материалов едва ли использоваласьполностью. Правильно сделанные узлы и сплетения канатов дают от 40 до 80%прочности исходного каната. Соединения древесины гвоздями, шурупами, штифтами,шипами еще менее эффективны. Более прочные соединения дают такие операции,как связывание ремнями, шитье, заклинивание; ими пользовались еще первобытныелюди и - до недавних пор - моряки; еще и сейчас так делают сани. В 20-егоды корпуса гидросамолетов сшивали, используя в качестве нитки меднуюпроволоку.
Шурупы, которые с удовольствием применяют плотники-любители, являютсясамым плохим способом соединения. Между первой и второй мировыми войнамив Германии предметом серьезных исследований был гвоздь; немцами были разработаныновые и очень разумные формы механических соединений. Результаты этих работиспользуются иногда и сегодня в строительстве деревянных домов, но в целоммеханические соединения древесины сейчас отодвинуты на задний план операциейсклеивания. Современные клеи позволяют использовать древесину с большейэффективностью, но вместе с тем возникли, конечно, и новые трудности, иновые проблемы.
Клеи
Стараниями многих ученых мужей и научных комитетов на проблему склеиваниянаброшен полог таинственности. В действительности же элементарная теориясклеивания достаточно проста, трудна практика клейки. Как мы видели в главе 2,любая поверхность обладает энергией - это следует из самого факта существованияповерхности, твердой или жидкой. Если мы возьмем твердое тело и жидкость поотдельности - каждое вещество в контакте с воздухом,- то их поверхности будут иметь свои значения поверхностной энергии. Но если жидкость попадает на твердое тело и смачивает его, то энергия поверхностираздела между ним и жидкостью будет меньше суммы исходных энергий этихповерхностей в контакте c воздухом. Смачивание, таким образом, связано спонижением энергии и будет иметь место всегда при контакте жидкости с твердымтелом[41].
Жидкость на поверхности твердого тела может тем или иным путем затвердеть,например она может замерзнуть. Энергия границы раздела при этом существенноне изменится. Следовательно, чтобы убрать затвердевшую жидкость с твердойповерхности механическим путем, придется воспользоваться энергией деформации,то есть приложить механическую силу. Таким образом, адгезия (приклеивание,прилипание) в принципе очень похожа на когезию (внутреннее сцепление).Принципиальной разницы между прочностью склейки и прочностью твердого теланет. Обычно энергия поверхности раздела между клеем и твердым телом несколькоменьше энергии свободной поверхности прочного тела, но эта разница не слишкомвелика. К тому же она и не имеет особого практического значения; реальнаяпрочность все равно значительно меньше, чем, казалось бы, должна быть.Причины слабости адгезии сегодня мы понимаем, пожалуй, хуже, чем причинымалой фактической прочности. Несомненно лишь одно - они имеют сходный характер.
Таким образом, любые два твердых тела можно приклеить одно к другому,если мы найдем жидкость, которая будет смачивать их обоих и затем затвердевать.Трудности здесь носят чисто практический характер. Дерево очень хорошоклеится замерзшей водой - такая склейка успешно пройдет большую часть обычныхиспытаний. Столярный, или мездровый, клей можно рассматривать как модификациюименно такого клея - лед, температура плавления которого поднята до болееприемлемого уровня. Мездровый клей - то же самое, что и подаваемое к столужеле, лишь воды к желатину добавлено поменьше, а сам желатин может бытьполучен из костей, кожи, копыт, рыбы и т.д. Концентрированный раствор желатинаразмягчается при нагреве до 70-80°С. Намазанный на древесину, он прочноприхватывается к ней при охлаждении, и соединение вскоре готово. К сожалению,этот процесс легко обратим при нагревании или намокании. Кроме того, желатин- прекрасная пища для грибков и бактерий. Поэтому мездровый клей пригодендля использования только в закрытых помещениях. Несмотря на это, его применялив первых самолетах. Места склейки покрывали защитным слоем лака, но этоне всегда достигало цели. Тот же клей в спиннинговых удилищах защищаетсяот воздействия внешней среды путем пропитки всего удилища в формалине.Такая обработка не могла применяться к самолетам только из-за размерових конструкции. Как бы плохи ни были желатиновые клеи, их конкуренты -гуммиарабики и клейстеры, которые варились из некоторых сортов муки, -уступали им. Но как ни странно, намного лучший клей был известен давным-давно,веками оставаясь в тени. Еще древние египтяне использовали в качестве клеяказеин, а средневековые художники применяли его как растворитель для красок.Затем с начала XIX века им начали клеить в Германии и Швейцарии. Не ясно,почему казеин раньше не использовался в технике. Но примерно с 1930 годаон стал признанным клеем для самолетов и яхт, сделав реальностью деревянныесамолеты и современную оснастку яхт.
Казеин - это содержащаяся в молоке сыворотка, и, следовательно, он подобенсыру. Сыворотка растворима в щелочной воде, но не растворима в кислотах.Поэтому она выделяется из молока любой слабой кислотой, для детского питанияказеин получают с помощью сока ревеня, для технических нужд - воздействиемслабой соляной кислоты. Выделенную сыворотку можно снова растворить в воде,содержащей немного каустической соды. Казеин медленно реагирует с известью,образуя нерастворимый казеинат кальция.
Казеиновый клей продается в виде сухого белого порошка, состоящего извысушенной сыворотки, каустической соды (или другой щелочи) и извести.Если этот порошок замесить на холодной воде, он прежде всего растворяется,образуя белую, похожую на сметану пасту а затем медленно затвердевает.Этот клей очень прост в применении; единственное, о чем следует помнить,- это о том что крышка банки с клеем при длительном хранении должна бытьплотно закрыта, так как в противном случае в банку будет попадать влагаи преждевременно пойдет реакция образования казеината кальция. Казеиновыйклей схватывается за один-два дня, причем швы получаются более или менеевлагостойкими. Однако, хотя казеинат кальция и не растворим в воде, принамокании он немного размягчается. Казеиновые клеи очень широко использовалисьв самолетостроении во время войны, и вот однажды кто-то обнаружил, чторазрывная прочность образцов влажного казеина составляет всего лишь пятуючасть прочности сухого казеина. Не без оснований появились опасения, чтопрочность мокрых самолетов с казеиновыми склейками может быть в пять разменьше прочности сухих самолетов. В смятении мы набрали сотню примерноодинаковых деревянных стабилизаторов на казеиновом клее. Половину из нихопустили на 6 недель на дно пруда, вторую половину держали сухой. Тем временемподготовили установку, которая нагружала стабилизаторы примерно такимиже силами, какие действовали на них в полете; когда все было готово, мыиспытали всю партию. К нашему удивлению, все стабилизаторы ломались примернопри одной и той же нагрузке под аккомпанемент многочисленных вздохов облегчения.Причина такого счастливого исхода поучительна. Дело в том, что распределениенапряжений в склейке далеко не однородно. В типичном случае, показанномна рис. 41, практически вся нагрузка воспринимается концевыми участкамисклейки и очень небольшая ее часть передается через центральные областишва. Это один из вариантов уже знакомой нам концентрации напряжений, котораятак много значит в технике и науке о материалах. Между прочим, в результатепрочность клеевого соединения зависит главным образом от его ширины, ане от площади. Кстати сказать, то же самое справедливо и для механическихсоединений: основную нагрузку несут первый и последний болты (или заклепки).Это одно из обстоятельств, которые отравляют жизнь конструктора.
Рис 41. Клеевое соединение внахлестку; внизупоказано распределение напряжений вдоль соединения.Максимальное напряжение - в точках А и B.
Итак, казеин в твердой хрупкой форме передает нагрузку в лучшем гуковскомстиле. Когда напряжения на концах склейки достигают прочности сухого казеина,в соединении появляются трещины со своими собственными местными концентрацияминапряжений, в конце концов трещина проскакивает через середину клеевогосоединения примерно так, как это было бы в стекле.
Влажный казеин очень похож на мягкий сыр, и его поведение не имеет ничегообщего с гуковским. В результате в местах концентрации напряжений, у концовсклепки он интенсивно течет, передавая часть нагрузки на центральную частьклеевого шва. Поэтому подобные казеину клеи снимают некоторые проблемы,в частности прочность склейки в сухом и влажном состояниях почти одна ита же. Это, конечно, превосходная характеристика и одна из причин популярностиказеина. Если бы мир был стерильным, казеин был бы практически идеальнымклеем. К сожалению, казеин представляет собой, как мы уже говорили, смесьсыра и извести и c течением времени портится так же, как и сыр. Его последниечасы напоминают заключительный этап жизни камамбера: казеин превращаетсяв жидкость с дурным запахом и выползает из соединений, оставляя после себялишь грязные пятна. Интересно, что добавка фунгицидов в клей не улучшаетего.
Все это заставило предпринять значительные усилия (на них ушли годы),чтобы разработать синтетические смолоподобные клеи, основанные на полимерныхвеществах. Пожалуй, лучшим и наиболее долговечным решением было использованиев те годы фенол-формальдегидной смолы, или бакелита. В исходном состояниибакелит представляет собой либо жидкость, напоминающую по виду патоку,либо сухой порошок. Под действием тепла и давления порошок становится жидкостью,которая со временем затвердевает, если действие тепла и давления продолжается.Получившееся твердое нерастворимое вещество практически не подвержено гниению.Фенол-формальдегид стал основой целой серии действительно великолепныхклеев. Правда, использовать их можно лишь тогда, когда допустима тепловаяобработка при температуре около 150° С. Важно также, чтобы при склейкене было заметного зазора в соединении. Поэтому операция склейки на практикедолжна выполняться на гидравлических прессах с подогревом. Такая склейкаоказалась очень удобной только в производстве фанеры, где она имела огромныйуспех.
Фенол-формальдегидные клеи позволили получать хорошую водостойкую фанеру.Но проблема клеевых соединений в самолетах и на судах оставалась нерешенной,потому что на практике оказывается трудным аккуратно нагревать стыки вбольших конструкциях. Вообще говоря, фенол-формальдегидные смолы могуттвердеть и без нагрева, но для этого в них следует добавить большие количествахимических катализаторов, способствующих твердению. Такими катализаторамислужат сильные кислоты, которые разрушают древесину да еще и оказываютсятоксичными.
Первые синтетические клеи для сборки деревянных конструкций были основанына карбамидной смоле, которая может твердеть со значительно более слабымикатализаторами. Эти первые клеи были довольно хорошими, но, надо сказать,таили в себе некоторые опасности для конструкций. Для предварительно хорошопригнанного шва тонкая клеевая прослойка была достаточно надежной. Но когдасоединение было подготовлено плохо, так что слой клея был толстым, усадкаи внутренние напряжения, сопровождающие его твердение, разрушали склейку.Поскольку проверить качество подгонки шва после сборки и склепки невозможно,клеевые соединения были потенциальной причиной катастроф.
Другое неудобство состояло в том, что время твердения клея после добавкикатализатора, а следовательно, и время, в течение которого с таким клеемможно было работать, ограничивалось несколькими минутами. Более того, отвердеющем клее нельзя было сказать, сколько минут назад в него был добавленотвердитель. Эти обстоятельства в сочетании с известными человеческиминедостатками часто приводили ко всякого рода ошибкам. Правда, впоследствиибыли разработаны отвердители, которыми можно было смазывать одну деталь,в то время как другая смазывалась самим клеем - твердение и схватываниеначиналось лишь после того, как поверхности прижимались одна к другой.Дальнейшим шагом в сторону повышения надежности (учитывались все те жечеловеческие недостатки) была окраска клея и отвердителя в разные характерныецвета.
Положение дел с клеем к концу войны было, таким образом, следующим.Прекрасная и чрезвычайно водостойкая фанера стала универсальным материалом.В качестве сборочных клеев конкурировали казеин и карбамидная смола. Казеинбыл исключительно прост в использовании и обладал прекрасной прочностьюкак в сухом, так и во влажном состояниях, но в то же время при первой жевозможности он катастрофически разлагался. Карбамидный клей не подверженразложению, но поначалу при клейке он требовал определенной сноровки, дак тому же случалось, что он ни с того ни с сего рассыпался. С тех пор карбамидныеклеи были значительно усовершенствованы, а два теперешних синтетическихклея, резорцин-формальдегидная и эпоксидная смолы, будучи, правда довольнодорогими, обладают практически всеми необходимыми достоинствами. Нужнолишь иметь в виду, что эпоксидная смола часто вызывает воспаление.
Когда необходимо сделать выбор из десятков современных клеев, то главнымиаргументами за и против обычно служат легкость применения, долговечностьи стоимость. Правильно сработанное соединение при использовании любогохорошего клея бывает прочнее окружающей древесины. Как правило, разрушениепроисходит не по самому шву, и слой клея оказывается покрытым тонким слоемдревесины.
Гвозди и шурупы не увеличивают прочности хорошего клеевого шва, но впроцессе твердения всякий клей требует, чтобы склеиваемые поверхности былиплотно прижаты одна к другой, а это проще всего достигается с помощью гвоздейи шурупов. Ну, а коль уж гвоздь забит, нет особого смысла вытаскивать егопосле схватывания клеем. Более того, если склейка по каким-либо причинамоказалась неудачной, механическое крепление будет полезной страховкой.В те времена, когда был еще только казеин, в тропиках о некоторых самолетахговорили, что они собраны на гвоздях без шляпок. В большинстве случаевэто было, конечно, клеветой, но я сам несколько раз был свидетелем того,что это не так уж далеко от истины. Лично я, когда речь идет о клеях, непостеснялся бы надеть и ремень, и подтяжки.
Слоистая древесина и фанера
Использование древесины всегда было связано с заботами о том, чтобыполучить материал нужных размеров и быть уверенным, что полученный материалне содержит скрытых дефектов. Давно прошли те времена, когда можно былокупить огромные бревна сосны каури из Новой Зеландии или желтой сосны из-подКвебека, которые были практически совершенными. В наше время в техникечаще всего используется слоистая древесина. Бревна, как правило, разрезаютсяна сравнительно небольшие куски, которые затем склеиваются в пакеты; делаетсяэто обычно на гидравлических прессах с помощью синтетического клея. Такимспособом можно получить листы любых размеров. При этом на деле используетсявесь объем как больших, так и малых деревьев; любой серьезный дефект нетрудновыявить и провести отбраковку. Легко могут быть изготовлены клееные элементыизогнутой формы, на дорогах Англии нередко создают помехи движению грузовики,перевозящие огромные деревянные арки для разного рода архитектурных сооружений.Нехватка высококачественной древесины для авиа- и судостроения могла быстать серьезной проблемой во время войны, если бы обычная древесина недоводилась до нужных кондиций путем создания слоистых материалов.
Эти слоистые материалы были просто-напросто обычной древесиной, разрезаннойна куски и затем снова склеенной. Но существовал, однако, печальный опытматериалов, известных как “улучшенная древесина”, свойства и судьба которойбыли, казалось, предопределены этим громким названием. Как “улучшалась”древесина? Сначала ее пропитывали некоторым количеством смолы, а затемпрессовали до значительно большей плотности. Считалось, что при этом механическиесвойства материала должны улучшиться. И они действительно улучшались, но,как правило, лишь пропорционально увеличению плотности. В то же время упрессованной древесины значительно снижалась трещиностойкость. Что ещехуже, этот материал разбухал в воде до своих начальных размеров, и разбуханиеэто было почти всегда непредсказуемым и необратимым. И все-таки какое-товремя прессованная древесина использовалась для изготовления пропеллеровнекоторых типов самолетов.
Совсем иное дело - фанера, которую, пожалуй, следует считать новым ичрезвычайно удачным материалом. Она получается путем склеивания трех илиболее листов шпона, то есть тонких слоев древесины с перекрестным направлениемволокон. Шпон либо нарезается тонкими слоями из бревна на машине, оченьнапоминающей большой рубанок, либо получается с помощью лущения. Круглоебревно сначала прогревается в течение суток в паровой траншее, а затемустанавливается на специальном лущильном станке. Бревно вращается в станке,а длинный нож врезается в него и начинает по кругу снимать тонкие слоидревесины с такой скоростью, что на это зрелище прямо-таки залюбуешься.Далее шпон режется, сушится, из него удаляются дефектные места, и наконец,спрессованный и склеенный на больших прессах, он превращается в фанеру.
Поначалу фанера склеивалась растительными или животными клеями, поэтомуона совершенно лишена была влагостойкости и чуть ли не стала почти чтобранным словом. Внедрение фенольных клеев все изменило и, между прочим,занятнейшим образом проиллюстрировало, как может трансформироваться отношениек материалу. Современная фанера на фенольных клеях совершенно не поддаетсяводе - она не расслаивается, когда намокает. Поэтому она широко используетсяв судостроении.
Как и следовало ожидать, размер фанеры при колебаниях влажности изменяетсявдвое меньше, чем у обычной древесины. Это значит, что максимальные измененияразмеров в двух направлениях составят около 5%. На практике эта величиназначительно ниже. Но если поверхностные слои высушиваются, например нагорячем солнце, они оказываются под напряжением, растягивающим их поперекволокон. В результате фанера может покрыться густой сеткой малых трещинок.Сами по себе они не слишком страшны, но незакрашенные складки становятсяловушками для влаги и бактерий, что таит в себе известные неприятности.Горячее прессование убивает почти все бактерии и грибки, но после растрескиванияпопадающая на древесину инфекция в сочетании с водой приводит к быстромуее гниению.
Аэропланы
Никогда не следует относиться с презрением к каким бы то ни было конструктивнымформам, в том числе и к биплану, построенному на струнах и стержнях. Главныйпоказатель, который определяет выбор материалов и конструктивных форм,-это отношение нагрузки на конструкцию к ее размерам. Когда нагрузки сравнительноневелики по отношению к размерам, обычно лучше сосредоточить сжимающиесилы в нескольких компактных стержневых элементах (стойках) и распределитьрастяжение в обшивке и струнах. Именно так построены оснастка парусныхкораблей, палатки, ветряные мельницы. С некоторыми оговорками это справедливои для воздушных шаров. Любые другие решения в подобных случаях приводилибы к тяжелым, дорогим и менее удобным конструкциям.
По понятным причинам все первые самолеты имели очень малую нагрузкуна крыло. Размеры во многих случаях были не намного меньше, чем у соответствующихсовременных самолетов, ну а вес такого самолета составлял менее 10% весасовременной машины с жесткой обшивкой. В таких условиях конструкция изткани, натянутой на каркас из древесины и бамбука, была и логичной, и эффективной.При мощности тогдашних двигателей аэроплан другой конструкции просто неподнялся бы с земли. Форма биплана позволяла построить отличную решетчатуюферму и кессоны - очень жизнеспособные и легкие конструкции. Массивныеэлементы были нужны только для того, чтобы воспринимать сжатие, и, посколькуглавная опасность в таких условиях крылась в потере устойчивости, эти элементыдолжны были быть возможно более простыми: лучше всего этим целям служилибамбук и ель. Для растянутых элементов использовалась рояльная проволока.Однако соединение бамбуковых элементов, работающих на растяжение, всегдабыло серьезной проблемой.
Такой способ конструирования давал отличные прочные самолеты лишь тогда,когда конструктор твердо знал, какой элемент будет нагружаться растяжением,а какой - сжатием. Ведь если стойка при необходимости и могла принять насебя растяжение, то уж проволока никогда не сопротивляется сжатию. В некоторыхбипланах посложней не всегда можно было проследить пути, по которым передаетсянагрузка. Недаром в ходу была банальная шутка: лучший способ проверитьправильность оснастки крыла биплана - посадить в середину канарейку; еслией удастся вылететь наружу - в конструкции какой-то непорядок.
Печально известен случаи с бипланом “Кафедральный собор”. Его создательС.Ф. Коуди питал пристрастие к сложной путанице расчалок, но ему не хваталотехнической грамотности. Мой дед, один из пионеров авиации, рассказывалмне, что однажды он долго спорил с Коуди по поводу того, будет ли в полетекакой-то элемент испытывать растяжение или сжатие. Коуди настаивал, чтоэлемент будет растянут, и поставил струну. Правота моего деда обернуласьдля Коуди трагически - он погиб через несколько минут после взлета. Естькакая-то ирония судьбы в том, что ситуация с “Кафедральным собором” былапрямо противоположна неприятностям с кладкой каменных соборов: они рушилисьиз-за того, что в тех местах, где, по предположению строителей, должнобыло быть сжатие, оказывалось растяжение.
Потребовалось немало времени и жизней, прежде чем были в достаточной степениизучены и поняты условия нагружения, в которых оказывается самолет в полете.Англичане во многом обязаны этим достижением группе одаренных людей,собравшихся в Фарнборо в первую мировую войну (знаменитая Чадлайфскаякучка[42]).
Принципы расчета и испытаний самолетов на прочность остаются и сейчас,в эпоху сверхзвуковых истребителей, во многом теми же, что и в годы деревянныхбипланов, хотя в практике этих операций появилось много нового.
Когда самолет спроектирован и построен, полноразмерный образец его долженбыть проверен на прочность и жесткость. Испытания на жесткость сравнительнопросты, но прочностные испытания иногда требуют громоздких и сложных приспособлений.В 1914 году самолет обычно переворачивали вверх ногами и затем на плоскостикрыла укладывали мешки с песком или свинцовой дробью, распределяя их так,чтобы они представляли аэродинамическую нагрузку на самолет в самых опасныхусловиях полета, например в случае выхода из пике. Довольно скоро нагрузкина самолет стали слишком большими и воспроизвести их этим методом уже неудавалось (хотя мешки с дробью иногда все еще используются для кое-какихпростых испытаний). В наши дни обычно прибегают к помощи гидравлическогодомкрата, который передает нагрузку на крыло через изощренную систему рычагов,напоминающую родословное древо. Каждая ветвь этого древа заканчиваетсякреплением на поверхности крыла. Благодаря тому, что точек крепления много,распределенный характер аэродинамической нагрузки можно имитировать оченьхорошо (рис. 42).
Рис. 42. Схема испытания крыла самолета. Нагрузка прикладывается к крылу всотнях точек, распределенных по обеим поверхностям. 1 - стальная рама;2 - гидравлический домкрат: 3 - крыло; 4 - имитация крепления кфюзеляжу.
Лучшие образцы деревянных бипланов, такие, как “Авро-504” и серия “Мотс”(“Мотылек”), были почти вечными. Разрушить их можно было, разве что врезавсо всего маху в землю. Чувство конструктивной надежности в полете на такихсамолетах, которые держались на стойках и расчалках, было очень приятным,настроение могли испортить лишь двигатели. Монопланы с консольными крыльямиказались намного опасней.
Однако с ростом нагрузок общая тенденция проектирования твердо повернуласьв сторону монококовой конструкции, то есть моноплана с жесткой обшивкой.Нагрузки в ней по возможности воспринимались обшивкой. Тонкая мембранаотлично сопротивляется растяжению; трудности связаны здесь с тем, как заставитьее воспринимать сжатие без выпучиваний. На практике этот вопрос решил компромисс:тонкая обшивка разделила нагрузку с лонжеронами и стрингерами. Вся этадовольно сложная конструкция образовала жесткую на изгиб, а следовательно,устойчивую против выпучивания оболочку.
Отличным примером первых таких самолетов был DC-3 позже известный как“Дакота”. Затем последовали “Спитфайер” и многие другие знаменитые самолетывторой мировой войны. Все они были металлическими, алюминиевые листы обшивкиклепались к стрингерам уголкового профиля. Такая конструкция оказаласьпо весовой эффективности практически эквивалентной деревянно-тканевой.Преимуществами ее были более гладкая наружная поверхность и силовая рама,почти полностью исключавшая уход за ней. Конструкция такого типа остаетсяи сейчас основной при проектировании самолетов.
В 1939 году широко распространилось мнение, что деревянным самолетампришел конец. Может быть, так оно и случилось бы, не возникни во времявойны нехватка алюминия, а также оборудования и квалифицированных кадров.Кроме того, мебельные фирмы сократили производство, да и время разработкидеревянного самолета всегда было намного короче, чем металлического.
Один многоопытный эксперт заработал своего рода славу, категорически заявив,что построить современный самолет из дерева технически невозможно. Едва успелипросохнуть чернила на его бумагах, как появился “Москито”. Этот деревянныйсамолет был одной из самых удачных машин, он был построен в 7781 экземпляре.Быть может, немцы не любили его больше, чем любой другой английскийсамолет[43].
Кроме “Москито” и учебно-тренировочных машин, огромную серию деревянныхаппаратов составили планеры. Большинство планеров имело значительные размеры,размах их крыла доходил до 35 метров. Зачастую они предназначались дляпереброски танков и другого тяжелого снаряжения. Вначале предполагали строитьпланеры в расчете лишь на один полет. Однако это оказалось непрактичным:необходимы были машины для тренировок, нужно было перебазировать планерыс аэродрома на аэродром в связи с изменениями стратегической и тактическойситуаций и - что более важно - рука не поднималась строить аэроплан толькодля одного полета. Практически эти планеры были очень похожими на самолет,разве что не имели двигателя.
В целом деревянный самолет был чрезвычайно удачным и, я думаю, сыгралнемалую роль в войне. Однако он задал в свое время немало разного родатехнических задач, которые с головой завалили работой небольшую группухимиков-органиков Авиационного центра в Фарнборо. Значительным в этой работеоказался вклад молодого кембриджского биолога Марка Прайера, специальноотозванного из прожекторной команды. Во многом благодаря Прайеру сократилосьчисло аварий, и большинство планеров долетало до Франции в удовлетворительномсостоянии. Немало солдат и авиаторов обязаны жизнью этому неутомимому биологу,который с аэродрома, мчался к микроскопу, от микроскопа - на самолетныйзавод, оттуда опять к микроскопу и так на протяжении нескольких лет.
Взвешивая сейчас все обстоятельства этой истории, трудно утверждать,что можно было бы заблаговременно предвидеть все возникшие тогда проблемы.К старым обтянутым тканью бипланам не было никаких претензий: их собиралииз небольших кусков дерева, содержали в добротных сухих ангарах, они самипо себе хорошо вентилировались. С самолетами военного времени все былоне так. Прежде всего новые машины имели монококовую конструкцию со сравнительнотяжелыми лонжеронами и стрингерами, жестко приклеенными к толстым фанернымстенкам и обшивке. (Мы еще поговорим позже о некоторых последствиях, ккоторым привело такое изменение конструкции). Самолет был разделен на большоечисло плохо вентилируемых и труднодоступных отсеков. В отсеках самолетов,оказавшихся под английским или тропическим дождем, воздух быстро становилсязатхлым, на дне их часто появлялись лужи. В таких условиях нескольких месяцеввполне хватало не только на разложение клея, но и на гниение древесины.Нелегко наладить вентиляцию, если конструктор о ней забыл, и очень частосамое лучшее, что можно было сделать, это оставлять все контрольные люкиоткрытыми во время стоянки на земле.
Однако во многих аэропланах свободная вода собиралась часто в самыхнедоступных местах. Нужно было позаботиться, следовательно, о дренажныхотверстиях, делать их следовало не где попало, а в самой нижней точке каждогоотсека. Поначалу из этого почти ничего не получилось. Просверленные в фанереотверстия изнутри окружала небольшая корона из щепок, которую нельзя былоне только удалить, но и увидеть. Щепки быстро забивались всяким пухом игрязью, блокировали отверстие, и снова появлялась лужа. Пришлось прожигатьотверстия раскаленным прутом - казалось бы, очевидное решение, стоило лишьоб этом подумать заранее. Такая процедура применялась как к самолетам,так и к торпедным катерам.
Прожженные дренажные отверстия, безусловно, помогали, но возникла новаяпроблема - грязь, которая забрасывалась вместе с водой не только в дренажные,но и во все другие отверстия колесами самолета при взлете и посадке. Водастекала, оставляя слой влажной грязи, часто содержащей семена различныхрастений. Семена попадали при этом примерно в те же условия, в которыхпрорастают семена огурцов или салата, завернутые во влажную тряпочку. Такойогород в самолете был, конечно, ни к чему.
В целом эти неприятности были особенно опасными в планерах. Самолеты,естественно, летают более часто, а сквозняки в полете идут на пользу конструкциии во вред грибку. Но планеров делали все больше и больше, в ангарах дляних не было места, так что их держали под дождем на задворках аэродромов.Более 5000 планеров ожидали начала военных действий. “Эксперты” не моглиуследить за состоянием всех этих машин, поэтому по инструкции Марка Прайераони должны были докладывать ему, учуяв исходящее от планера зловоние.
Причин зловония в деревянной конструкции может быть три: отсутствиедренажа, мыши и гниение. Все запахи одинаково неприятны и трудно различимымежду собой. Дренажные запахи исходят от недренируемой сточной воды, повреждающейконструкцию. Мыши, забираются в самолет за добычей - под досками пола онинаходят крошки от сэндвичей рабочих-сборщиков. К тому времени, когда грызунысъедают все крошки, они забывают путь наружу и, голодные, начинают пожиратьизоляцию проводов. С мышами Прайер боролся с помощью кошек. Проблема гниениябыла более сложной и трудной. В тогдашних обстоятельствах некоторые типыразложения в той или иной степени были почти неизбежными в большинствепланеров. В военное время не до погони за совершенством, нужда заставлялаотбраковывать лишь планеры, которые были поражены в опасной степени, пытатьсяприостановить гниение тех планеров, в которых оно только начиналось. Сделатьэто было непросто, так как существует около сорока различных типов гниения,степень повреждаемости от них неодинакова и не всегда пропорциональна внешнимпроявлениям.
Проблема гниения все время не давала нам покоя, но были и другие неменее серьезные проблемы. Как я уже сказал, общая схема конструкции этихаэропланов сильно отличалась от старых бипланов. Главные лонжероны и другиеосновные элементы конструкции представляли собой увесистые брусья слоистойдревесины, имевшие несколько дюймов в поперечнике; с трех сторон к нимобычно примыкали фанерные стенки, воспринимавшие сдвиг, и обшивка. Но разбуханиеи усадка еловых лонжеронов вдвое превышают разбухание и усадку фанеры,к которой они приклеены. Естественно, в результате этой разницы возникаютзначительные напряжения в клеевых соединениях двух разнородных материалов(рис. 43).
Рис. 43. Типичное для времени второй мировой войны деревянное крыло самолета.Темная часть конструкции - из слоистой ели, светлая - фанера. а -поперечное сечение; б - еловая полка лонжерона деформировалась больше, чемфанерные обшивка и стенки, в - разрушение полки лонжерона.
Большие куски древесины требуют довольно долгого времени чтобы прийтив равновесие с влажностью окружающей среды. Поскольку погода в Англии оченьпеременчива в деревянных деталях самолетов не успевали возникнуть большиенапряжения и, пока самолеты были в Англии, особых оснований для забот небыло. Но стоило им попасть за границу, ситуация резко менялась. Во многихстранах долгие сухие периоды сменяются не менее длительными дождями, втечение каждого из этих отрезков времени древесина успевает как полностьювысушиться, так и до предела пропитаться водой; усадка и разбухание огромны.Вот тут-то и начинаются серьезные заботы. Вдоль склейки появляются большиенапряжения. При плохом состоянии клея разрушается соединение; если оновыдерживает, разрушается древесина вблизи склейки. Спасти эти самолетыот такой напасти можно было, лишь отправив их назад в Англию.
Неприятности со склейкой возникали не только от самих клеев, но и подругим причинам. Наихудшим случаем было так называемое “закалочное” разрушение.Вы представляете себе, конечно, что способов испытаний клеевых соединений,которые фактически являются неотъемлемой частью самолета, не существует.Испытать их можно только ценою поломки всего самолета, а это значило бынаносить ущерб самим себе. Поэтому остается полагаться в значительной степенина внешний вид склейки да на контроль в процессе производства. И вот вскорепосле того, как было развернуто крупносерийное производство деревянныхаэропланов, выяснилось, что некоторая часть авиационной фанеры вообще несклеивалась. Места склейки, выполненной со всей необходимой аккуратностью,выглядели вполне нормально, но не имели никакой прочности. В некоторыхслучаях их легко можно было разорвать руками. Хуже всего то, что невозможнобыло сказать, какой лист фанеры плох, а какой - хорош.
А дело оказалось вот в чем. Древесина состоит из трубочек с довольнотонкими стенками. Когда она разрезается, трубки на срезах очень редко бываютпараллельны их поверхности. Поверхность образуется большим числом трубок,выходящих наружу под малым углом, то есть она представляет собой наборнаклонных отверстий. В то же время операция разрезки в микроскопическоммасштабе - действие довольно грубое, поэтому кромки среза у трубок поврежденыи механически довольно слабы. Чтобы склейка была надежной, клей долженпроникнуть в эти трубки на некоторую глубину, схватывание происходит тогдамежду их неповрежденными частями.
Если что-то мешает клею просочиться в трубки, склейка произойдет междуих поврежденными кромками, которые при малейшей нагрузке легко разрушаются.В процессе изготовления “закаленной” фанеры кромки трубок загнуты внутрьгорячими плитами пресса. Они преграждают путь клею внутрь трубок, и клеевоесоединение не имеет прочности (рис. 44).
Рис. 44. «Закаленная» (а) ихорошо зачищенная (б) фанера. В первом случае выходящие на поверхностькромки клеток в процессе горячего прессования загнулись внутрь и клей неможет попасть в трубочки древесины. Во втором случае клей попадает в трубочкина значительную глубину, обеспечивая надежную склейку
Такая фанера была смертельно опасной, в ней крылась причина многих аварийи жертв. Единственный путь избежать этих опасностей заключался в снятииповрежденного слоя фанеры путем зачистки поверхности шкуркой. Зачисткадолжна была быть основательной, легкое царапание ничего не давало. Определить,какие листы в дальнейшем не поддадутся склейке, заранее не удавалось, поэтомунадо было зачищать всю фанеру, которая использовалась в самолетостроении.Оказалось, что это не так-то просто организовать. Полагаться на ручнуюзачистку оказалось невозможным, и была разработана система механизированнойобработки, после которой на фанере ставился специальный штамп.
Древесина - не тот материал, который может все стерпеть, и громаднымчислом неприятностей деревянные аэропланы обязаны небрежности, котораямогла встретиться на любом этапе их создания и эксплуатации. Некоторыеконструкторы считали, что дерево “обязано” вести себя подобно металлу.И если они совершали ошибки по этой причине, то, по их мнению, виновнымбыло дерево, а не они сами. Военные авиатехники, особенно новички, быливоспитаны в почтении к металлу, и для работы с древесиной им зачастую нехватало терпения. Бывало и такое: один техник, в гражданской жизни - владелецгаража, каждое утро выстраивал свои самолеты на асфальтированной площадкеи основательно поливал их из шланга.
На заводах недоставало опытных контролеров, они работали с перегрузкой.И если некоторые ошибки объяснялись непониманием каких-то тонкостей, то,боюсь, что остальные - только преступной глупостью и безответственностью.Всегда найдутся люди, для которых ничего не значат абсолютно очевидныетехнические нормы и последствия отступлений от них. Склеивание - работа,требующая не столько специальных навыков, сколько ответственности. Малейшаянебрежность может иметь опасные последствия.
С этим, я думаю, связаны истинные трудности изготовления деревянныхаэропланов. Нужны они были в больших количествах, и делали их в спешкенеквалифицированные рабочие. Древесина же - материал для мастера, она неответит добром на отступления, неизбежные в чрезвычайном положении.
По всем этим причинам деревянные самолеты теперь в немилости. Однаколишь очень смелый оракул скажет, что им никогда не вернуться. Нельзя предсказать,в какой области техники древесина появится в следующий раз. Сейчас естьочень хорошие автомобили с деревянной рамой. Говорят, их не обошел своеймилостью коммерческий успех.