При внедрении этих новых технологических процессов Черемухин организовал проведение прочностных испытаний, результаты которых показывали, насколько точно отработана и соблюдается. в производстве новая технология сборки. Благодаря организации производства Ту-4, способствовавшего резкому скачку в развитии многих отраслей промышленности СССР, конструкторы получили возможность применять более широкий сортамент полуфабрикатов и использовать новые технологии.
В связи с этим стали возможны новые решения, ставшие основой для создания в ОКБ Туполева серии самолетов с поршневыми двигателями: “70″, пассажирский, высотный, 72-местный самолет с герметизированной кабиной, с крылом и оперением с одного из самолетов Б-29 (1946 г.); “80″, модификация Ту-4 с увеличенными дальностью полета и боевой нагрузкой (1949 г.); “75″, военно-транспортный самолет на базе “70″ с крылом “80″ (1950 г.); – “85″ стратегический бомбардировщик с дальностью полета до 12 000 км – последний самолет ОКБ Туполева с поршневыми двигателями (1951г.).
При разработке конструкции самолета “70″ в ОКБ под руководством Черемухина впервые начали заниматься решением проблем создания герметичного фюзеляжа большого диаметра с учетом воздействия на фюзеляж, как внешних нагрузок, так и нагрузок от наддува. При создании “75″ были решены задачи создания силового пола (под нагрузку от тяжелых гусеничных и колесных машин) и большого выреза в герметичном фюзеляже под грузовой люк. На начальном этапе проектирования гибкого крыла самолета “85″ впервые изучались вопросы динамического нагружения самолета в полете и при грубой посадке. Исследования показали, что при учете деформации крыла из-за возникающего перераспределения нагрузок расчетные изгибающие моменты уменьшаются, что позволяет снизить его вес.
Самолет “85″ был одним из первых отечественных самолетов, в расчете которого учитывалось влияние деформации крыла на расчетную нагрузку. В практике ОКБ впервые для снижения изгибающего момента Черемухин предложил изменить порядок выработки топлива в полете таким образом, чтобы обеспечивалась максимальная разгрузка крыла. “Можно сказать, – вспоминает С.Д.Агавельян, – что машины “80″ и “85>> были спроектированы по “нормам Черемухина”. Когда эти самолеты были готовы, ЦАГИ все еще не выпускал новых Норм прочности, долго не давал разрешения на их первые полеты. Нормы прочности широко обсуждались в ЦАГИ. При создании Норм прочности продолжалось тесное сотрудничество Алексея Михайловича с ведущими специалистами ЦАГИ А.И.Макаревским, Т.А.Французом, Н.Н.Корчемкиным и другими.
Как правило, Андрей Николаевич в этих обсуждениях участия не принимал – главным представителем от ОКБ на них был Черемухин. При решении спорных вопросов он целиком опирался на результаты уже проведенных испытаний конструкций, спроектированных по американским нормам. Это позволяло ему твердо отстаивать свои позиции. Несмотря на убедительность представленных Черемухиным результатов испытаний, большинство участников обсуждения были против того, чтобы пересматривать Нормы прочности. Лишь ко времени создания Ту-16 новые Нормы были разработаны, в них в значительной степени были учтены предложения Черемухина”. Решением проблем нагружения упругого крыла Черемухин начал заниматься еще тогда, когда делали Ту-4. Один из его учеников, Ю.Е.Ильенко, вспоминает: “…Еще в то время, когда в ОКБ Туполева строили Ту-4, Алексей Михайлович в МАИ предложил мне, студенту, заняться задачей динамического нагружения упругого крыла… Позже, попав на преддипломную практику в ЦАГИ, в сектор А.И.Макаревского, я увидел, что Н.Н.Корчемкин и Т.Г.Васильева решали ту же задачу по заданию ОКБ-156, т. е. по заданию Черемухина.
Результат выполненного мной тогда расчета упругого крыла с учетом динамического нагружения свидетельствовал, что нагрузки на крыло Ту-85 получались примерно на 17 % ниже, чем при расчете по нормам (без учета упругости крыла) … Об этих результатах я рассказал Алексею Михайловичу, чем его весьма порадовал.
Особый интерес к проблеме нагружения упругог крыла, – продолжает Ю.Е.Ильенко, – возник в связи с инцидентом, произошедшим при подготовке к параду в Тушино, когда самолет Ту-82, пролетая на малой высоте с большой скоростью, едва не разрушился…”
При обсуждении этого случая, – вспоминал С.Д.Агавельян, – в ЛИИ на заседании высокой комиссии высказывались разные мнения о причинах аварии. Алексей Михайлович высказал предположение, что причина аварии – попеременное действие воздушных потоков на небольшой высоте полета в зависимости от рельефа местности поле – река – лес), начинающих при больших скоростях полета взаимодействовать с собственными частотами колебания крыла. Он сразу же дал и название явлению – “циклическая болтанка”. Нагружение от “циклической болтанки” довольно долго оставалось ненормируемым, поскольку расчетчики не располагали необходимыми данными статистики по такому нагружению в эксплуатации. Работа по сбору данных, количественной оценке и статистике случаев “циклической болтанки” была поручена Московскому филиалу ЦАГИ и выполнялась под руководством его начальника В.Н.Архангельского.
Впоследствии в Нормы прочности расчетный случай вошел с тем названием, который ему дал А.М.Черемухин. По его же предложению было принято решение установить на всех гражданских самолетах самописцы, регистрирующие перегрузки. Расчеты внешних нагрузок с учетом упругости, несмотря на их трудоемкость, успешно внедрялись в ОКБ. Трудоемкость расчетов главным образом определялась тем, что считать приходилось на конторских счетах, с помощью логарифмических линеек и в лучшем случае на арифмометрах. Неизбежны были ошибки, многократные проверки, повторные расчеты.
В середине 50-х годов в отделе динамической прочности ОКБ В.М.Мясищева инженером Ю.Е.Ильенко на электронном линейном интеграторе (ЭЛИ) была отработана методика расчета динамики нагружения упругого самолета. Ознакомиться с результатами этой работы и вычислительной техникой ОКБ Мясищева Алексей Михайлович пригласил А.Н.Туполева. Поездка к Мясищеву Андрея Николаевича вместе с Черемухиным состоялась летом 1953 г. После этой поездки было принято решение приобрести такую же вычислительную технику и начать работы по ее освоению. Алексей Михайлович возглавил эту работу. Когда первая ЭЛИ-12 была приобретена, по его инициативе ее освоение было поручено Б.Н.Соколову, который впоследствии стал организатором и руководителем подразделения динамических расчетов и вычислительной техники. О том, как все начиналось, Борис Николаевич вспоминает : Вскоре после защиты диплома меня неожиданно вызвал к себе Алексей Михайлович для разговора один на один. Общий смысл разговора сводился к следующему: конструкторское ОКБ Владимира Михайловича Мясищева (ОКБ-23) работает над созданием дальнего стратегического бомбардировщика с крылом большого удлинения. Самолет аналогичного назначения проектируют, уже строят и в нашем КБ. И наконец, четкая цель и смысл разговора:
- Для проведения этих работ (а нужно решать системы дифференциальных уравнений до 12-го порядка) мясищевцы приобрели специальную вычислительную машину. Опыт ее использования и методика работы освоены этим ОКБ и ЦАГИ. Узаконены требования Норм прочности по проблеме упругого крыла и динамики. Необходимо развернуть такие же расчетные работы у нас в ОКБ для Ту-16 и Ту-95. Мы с Андреем Николаевичем решили поручить это дело тебе, молодое дело надо делать молодым, Николай Андреевич (Н.А.Соколов – отец Б.Н.Соколова руководил бригадой вибрации. – Авт.) занимался близкими задачами, у тебя, кроме МАИ, два вечерних курса мехмата МГУ, так что продолжай. Пару дней подумай и заходи ко мне. И совершенно неожиданно, с хитринкой в умных глазах:
- А машину эту мы уже купили. Так в середине 1953 г. в ОКБ-156 начался этап компьютеризации расчетных и экспериментальных работ, так определилась моя дальнейшая инженерная судьба, так Алексей Михайлович начал и возглавил очередное новое дело, значимость которого для ОКБ и авиации в целом сегодня трудно переоценить.
Первые контакты с Алексеем Михайловичем после установки машины и получения первых “штатных”, тестовых результатов убедительно доказали мне, что его цепкий инженерный ум, широкое видение будущего вычислительной техники в ОКБ намного обогнали время. Он быстро и отчетливо осознал своим прагматическим умом, будущие возможности этой техники для ОКБ, безоговорочно, с первых шагов, принял ее как мощный инструмент для решения сложных расчетных задач.
Освоение простейшей, по нынешним понятиям, моделирующей вычислительной машины ЭЛИ-12 – 1 для наших авиационных задач, даже с учетом методической помощи ЦАГИ и ОКБ-23, шло не просто, а методом проб и ошибок. Алексей Михайлович, прекрасный талантливый популяризатор, умевший объяснить самые сложные явления, с первых шагов поставил передо мной задачу, помимо освоения вычислительной техники для динамических задач прочности, делать широкую рекламу и популяризировать возможности этой техники для решения наиболее сложных расчетных задач в различных бригадах ОКБ, а также обеспечить подготовку и переподготовку людей в этих подразделениях для такой работы. – Особенно молодых, с современным образованием и склонностями, – подчеркнул он”.
Современных прочностов, – вспоминает ученик Черемухина, ведущий инженер В.Б.Лоим, – удивляет, как малочисленный в прошлом состав отдела прочности в ОКБ Туполева, занимавшийся тяжелой авиацией, очень мало пополнившийся специалистами, справлялся с проектированием таких больших самолетов, как “70″, “80″, “85″ – сверхкрепостей и первых реактивных самолетов “77″, Ту-14, “82″. Срок постройки каждого из этих самолетов составлял всего 1 – 3 года, а всех вместе – 6 лет.
Работал отдел очень напряженно, его малочисленного состава было достаточно потому, что Алексей Михайлович перенес большую часть детальных расчетов непосредственно в конструкторские бригады. Работая с конструкторами практически ежедневно, Алексей Михайлович передавал им свой опыт создания и применения приближенных методов расчета. Благодаря четкой организации Черемухиным процесса подготовки и проведения испытаний образцов, конструкторы и расчетчики-прочнисты своевременно получали необходимую информацию для решения вопросов по прочности конструкции. Большую помощь оказывало и производство. Заказ с принятым тогда для опытных работ индексом “О” выполнялся как срочный, и заказываемые бригадами образцы и агрегаты изготавливались вне очереди. Окончательное заключение о работоспособности конструкции, подтверждение правильности или ошибочности расчетов давали статические испытания натурной конструкции самолета.
Программы статических испытаний строились Черемухиным так, чтобы изучить изменения напряженного состояния реальной конструкции при возможно большем числе вариантов внешних нагрузок прежде, чем конструкция будет разрушена.
Когда испытания проходили в ЦАГИ, программы испытаний создавались в творческом содружестве с цаговцами, начальником отдела статических испытаний М.П.Наумовым, ведущим инженером А.А.Соловьевой и другими и, наконец, обсуждались и согласовывались с руководством ЦАГИ. Алексей Михайлович придавал огромное значение проведению статических испытаний целого самолета, так как эти испытания позволяли последовательно, по мере нагружения, оценить фактическое напряженное состояние конструкции с учетом стеснений, статических неопределимостей и влияния взаимных деформаций элементов. Переходя от одной точки наблюдения к другой в процессе испытаний, Алексей Михайлович внимательно наблюдал за изменениями напряжений и деформаций конструкции.
Когда нагрузка подходила к расчетной величине, все его внимание было обращено на тот участок, где, по его мнению, разрушение было наиболее вероятно. Приостанавливая ход нагружения, Черемухин начинал осматривать конструкцию изнутри. А.П.Коротков вспоминал: … Идут статические испытания очередного “Ту”, в ЦАГИ довели нагрузку выше 60 % от расчетной. Где-то временами слышится срыв заклепок, внутри фюзеляжа слышен треск. Нагрузка держится. Можно грузить дальше.
Однако Алексей Михайлович дает команду: – Снизить нагрузку до 40 %.Снизили. Все спокойно. Алексей Михайлович приглашает: – Кто полезет со мной в фюзеляж для осмотра поломки?
Кто-то нехотя соглашается. Нехотя, потому что можно испачкать костюм, порвать его, самому ушибиться, да и фюзеляж-то все-таки под нагрузкой. Вдвоем, втроем по стремянке и неудобным трапам с лампочкой “времянкой” проникаем вовнутрь. При осмотре повреждения задача Черемухина – определить физическую картину происшествия и значимость этой поломки. Обычно бывает, что ломается деталь, не участвующая в общей прочности самолета, выполняющая второстепенную роль (закрепления несилового оборудования, пола, внутренней обшивки и прочего). Осмотр закончен. Если все в порядке, следует команда: – Можно грузить дальше”.
При осмотре разрушений далеко не всегда было очевидно, с какого элемента, фактически определившего прочность всей конструкции, началось разрушение. Черемухину удавалось найти этот элемент, требующий усиления, благодаря тщательному анализу результатов разрушения и его глубокому пониманию работы конструкции. При проведении испытаний задача осложнялась тем, что основным инструментом для измерений были механические тензометры. При приближении к расчетной нагрузке тензометры во избежание их разрушений приходилось снимать, и эксперимент проводили практически “вслепую”. Электрическая тензометрия, обеспечивающая возможность проводить измерения вплоть до момента разрушения, только начинала внедряться.
Несмотря на огромный объем статических испытаний, иногда в летных испытаниях обнаруживалось что-то “неожиданное”.
- Так, например, – вспоминает ведущий инженер И.А.Старков, – во время летных испытаний самолета “82″ на максимальную скорость происходило разрушение обшивки в зоне перехода от двигательных установок к носку крыла. Алексей Михайлович, проанализировав характер разрушения, дал рекомендацию, которой никто не ожидал, – он предложил сделать разрез в зоне разрушения. Во время одной из доработок на летной машине он предложил провести сравнительные испытания, которые подтвердили правильность его рекомендации. Повреждения обшивки прекратились.
После второй мировой войны реактивная и турбовинтовая авиация, имея значительные преимущества в скорости и высоте полета, начала энергично вытеснять самолеты с поршневыми двигателями, сначала в военной авиации, а затем и в гражданской, оставив им место в малой и спортивной авиации.
В первом квартале 1948 г. в ОКБ Туполева были начаты исследования по тяжелому реактивному самолету со стреловидным крылом, обеспечивающим возможность достижения околозвуковых скоростей. Начиная с этапа предварительного проектирования, Алексей Михайлович участвовал в исследованиях по выбору удлинения крыла в пределах от 6 до 11. Расчет крыла, особенно его корневой части, был одной из главных проблем, которую предстояло решать. Сложность задачи обуславливалась тем, что конструктивно один лонжерон в корневой части был длиннее другого, что приводило к увеличению нагрузки на короткий лонжерон вследствие меньшей его гибкости. В корневой части возникало сложное распределение силовых потоков, в том числе из-за стесненности кручения.
Как всегда, первое наглядное представление, на сей раз о силовой работе конструкции стреловидного крыла в корневой части, дала модель из ватмана, склеенная Черемухиным дома. Влияние жесткости лонжеронов и стыковой нервюры, места приложения нагрузки – все это удалось оценить на модели, которой жесткость элементов варьировалась толщиной бумаги, нагружение осуществлялось с помощью безмена на 1 кг, сделанного им еще в Омске во время эвакуации. После бумажной модели было сделано несколько моделей из тонкого целлулоида в сочетании с деревом, имитирующим пояса лонжеронов и нервюр, стрингера и т. д. На следующем этапе были сделаны металлические (дюралевые) модели плоских кессонов с наружными силовыми элементами для всестороннего исследования их напряженного состояния в лаборатории статических испытаний.
“К этой работе, – вспоминали ученики Черемухина, – Алексей Михайлович привлек известных профессоров: С.Н.Кана, И.А.Свердлова – своих бывших учеников, В.Ф.Киселева и других сотрудников ЦАГИ, занимавшихся теорией прочности стреловидных крыльев”. Под руководством Черемухина по результатам испытаний моделей была разработана инженерная методика расчета стреловидного крыла большого удлинения и стреловидного оперения. Разработанная методика расчета применялась в расчетной практике ОКБ Туполева, начиная с самолета “82″ и до момента внедрения в практику расчета конструкции методом конечного элемента с применением ЭВМ”. (И.Б.Гинко, Н.И.Зубов, Ф.К.Калиновский, М.М.Колобашкин, Л.П.Коротков, В. Б. Лоим, И.Н.Скородумов, И.П.Сухарев, В.Н.Шитов. Ученый, конструктор, воспитатель. – В кн: 60 лет ОКВ Туполева, Москва, 1982 г.).
Таким образом, к началу рабочего проектирования первого стреловидного оперения (самолет “73″, 1946 г.) и первого стреловидного крыла (самолет “82″, 1948 г.) Черемухин и его бригада имели качественное и количественное представление о силовой работе стреловидных кессонных конструкций.
Благодаря принятому А. Н. Туполевым решению о последовательном освоении техники, прочнисты успели разработать и расчетные методики для каждого из проектируемых самолетов. При проектировании самолета “77″ (Ту-12, 1946 – 1947 гг.), являющегося одной из модификаций Ту-2 (с двумя реактивными двигателями “НИН”), были разработаны расчетные методы учета нагрева конструкции от выхлопных труб и от газовых струй.
При проектировании следующего самолета “73″, в серии Ту-14 (1947 г.) были разработаны методики расчета герметизированной кабины и стреловидного горизонтального оперения. К началу проектирования самолета “82″ (1948 г.), первого бомбардировщика ОКБ Туполева со стреловидным крылом 35′ и стреловидным (40′) горизонтальным оперением, была подготовлена методика расчета стреловидного крыла.
В 1949 г. на смену Ту-4 была начата разработка проекта тяжелого дальнего реактивного бомбардировщика со стреловидным крылом (35′) с дальностью полета 5000 км. Особенность выбранной компоновки состояла в том, что двигатели, подвешенные на фюзеляж в месте выреза под бомбовый отсек, располагались за корневой частью крыла. Канал воздухозаборника, проходивший через кессон консоли крыла, прорезал стенки переднего и заднего лонжеронов вблизи зоны крепления консоли к центроплану.
Такая компоновка требовала от конструкторов и прочнистов решения новых для них задач, таких как компенсация выреза в стенках лонжеронов кессонного крыла, крепление центроплана и двигателей к фюзеляжу с большим вырезом с учетом всех взаимных деформаций и ряда других задач.
Для решения первой задачи, в отличие от уже известных конструкций, требовалось обеспечить связь кольцевых рам, заменяющих вырезанные стенки лонжеронов, с панелями кессонного крыла. Алексей Михайлович предложил сделать эти рамы состоящими из четырех частей, соединенных между собой на срезных болтах. Одной из 3-х проблем, было соединение рам с полками и стенками лонжеронов, с верхней и нижней панелями крыла. Для проверки расчетов были сделаны и испытаны образцы таких сборных рам.
О решении других проблем снова вспоминают ученики Алексея Михайловича: “Еще в 50-е годы Черемухин предложил скорректированную и проверенную большим объемом натурных испытаний самолетов методику расчета стыков крыла со шпангоутами. Эта методика широко используется в ОКБ Туполева и в настоящее время (1982 г. – Авт.).
Помимо уже названных решений, Алексей Михайлович принимал непосредственное участие в разработке инженерных расчетов бимсов, окантовок, больших вырезов под двери, грузовые люки, шассийные ниши, герметических кабин и других конструктивных элементов”.
Для решения комплекса проблем: соединения крыла с центропланом, крепления двигателя и обеспечения прочности фюзеляжа с большим вырезом – он широко применял метод моделирования. Начиная с бумажных моделей, которые он с успехом делал дома, он продолжал дальнейшее изучение проблем на схематизированных металлических моделях. На испытаниях первого опытного самолета были продемонстрированы его прекрасные летные данные. Однако с целью снижения веса при разработке второго самолета и особенно при подготовке чертежей к производству серийного самолета Ту-16 предстояло внести ряд существенных изменений в конструкцию. Одно из них – замена сборной кольцевой рамы на цельноштампованную. Процессу отработки технологии штамповки Алексей Михайлович уделял особое внимание и, как оказалось, не случайно. Как вспоминает И.Л.Головин, в то время главный металлург завода, по рекомендации материаловедов-виамовцев после штамповки требовалось искусственное старение рамы. Этот процесс приводил к тому, что сплав становился хрупким.
При статиспытаниях по программе Черемухина обнаружилось, что прочность рам недостаточна. Решили снять искусственное старение, что было с позиций авторов сплава вообще-то недопустимо. Однако рамы без искусственного старения перестали трещать и выдержали испытания. Несмотря на то что технология отступала от рекомендованной институтом, Черемухин подписал документ об установке на самолет рам, не прошедших искусственного старения.
С целью снижения веса конструкции планера перед металлургами была поставлена задача найти более прочный, чем Д16, алюминиевый сплав. ВИАМ предложил сплав В-95, прочнее Д-16 на 20 %.
Разброс данных по прочности больший, чем у Д-16, при уменьшенной пластичности и пониженных усталостных характеристиках нового сплава настораживал прочнистов ЦАГИ и ОКБ. “При обсуждении свойств сплава его авторы – специалисты ВИАМа, – вспоминал И.Л.Головин, – часто приводили “средние данные”, на что Алексей Михайлович замечал: – Средняя температура у больных в больницах нормальная, но в ней есть люди живые и мертвые. Так и свойства металла средние – хорошие, а минимальные – никуда не годные”.
С достаточной мерой осторожности Алексей Михайлович предложил использовать новый сплав в сжатых зонах силовой конструкции (верхние панели крыла, стрингерный набор фюзеляжа). В нижних панелях крыла он предложил сделать из нового сплава только обшивку в основных корневых зонах крыла на 1/2 размаха, оставив Д-16 в концевых зонах. Для подтверждения предложенных решений он организовал серию испытаний образцов панелей, заклепочных швов и т. п. По словам С.Д.Агавельяна, … как правило, решая вопросы создания самолетов, Андрей Николаевич работал с Алексеем Михайловичем заодно. Бывали, однако, случаи, когда их взгляды не совпадали. Об одном, относящемся ко времени летной эксплуатации Ту-16, вспоминали и С.Д.Агавельян, и Б.Н.Соколов: “Несколько случаев разрушения фюзеляжа Ту-16, по мнению А.Н.Туполева, были связаны лишь с ошибками летчиков при посадке самолета. Алексей Михайлович считал, что причина разрушений в том, что при любой грубой посадке с большой вертикальной скоростью происходит динамическое нагружение самолета, избежать разрушения от которого нужно усилением конструкции. Зная, что Андрей Николаевич против такой работы, Черемухин все же дал задание выпустить чертежи”.
Задачу определения динамических нагрузок он поручил Б. Н. Соколову. Проведенные им расчетно-экспериментальные исследования доказали, что возникающие при посадке упругого самолета дополнительные динамические нагрузки в 1,5 – 2 раза превышают нагрузки, предусмотренные нормами, по которым проектировался самолет.
Работа завершена была тем, что “исследования динамических нагрузок на самолет при посадке стали штатным требованием Норм прочности”. Так еще одно уточнение Норм состоялось благодаря исследованиям, организованным Черемухиным.
В 1949 г. в ОКБ Туполева было начато проектирование межконтинентального скоростного бомбардировщика со стреловидным крылом 35′ и удлинением крыла порядка 9. Еще до начала выбора компоновки внимание и Черемухина, и Туполева было сосредоточено на исследовании возможной силовой схемы конструкции с оптимальным размещением двигателей. После двухлетней работы ОКБ был создан проект самолета с четырьмя турбовинтовыми двигателями НК-12, расположенными на крыле. Самолет этот получил наименование Ту-95.
Как вспоминает В.А.Федотов, в то время один из заместителей В.М.Мясищева, коллективы А.Н.Туполева и В.М.Мясищева параллельно работали над созданием тяжелых стратегических бомбардировщиков. Было много общих проблем, в том числе и в области прочности. Все новшества вводились под нажимом прочнистов, возглавляемых А.М.Черемухиным в ОКБ Туполева и Львом Ивановичем Балабухом в ОКБ Мясищева. Общими усилиями добивались многих нововведений в Нормы прочности. Нам тогда, продолжает В.А.Федотов, очень помогли работы Черемухина, организовавшего проектирование всевозможных образцов конструкции, результаты испытаний которых убеждали в необходимости изменения Норм. Предложенный Черемухиным и примененный еще на машине “85″ метод расчета внешних нагрузок с учетом деформации крыла был им использован при проектировании Ту-95 с учетом особенности деформации стреловидного крыла. В соответствии с этим расчетом, учитывающим, что перераспределение в полете аэродинамических нагрузок с концевых участков к корню крыла приводит к снижению изгибающих моментов, обеспечивалась возможность облегчения конструкции крыла.
Совместные с ЦАГИ исследования в скоростных аэродинамических трубах моделей с деформированным под расчетные нагрузки крылом, а впоследствии и летные испытания подтвердили правильность предложенного метода расчета внешних нагрузок. С целью ускорения выпуска машин впервые в практике ОКБ было принято решение одновременно с проектированием начать работу по подготовке серийного производства. На серийном заводе изготавливалась оснастка, и подготавливались линии сборки. Это решение существенно повышало ответственность прочнистов за все конструктивные решения, так как следствием любых исправлений конструкции стали бы переделка оснастки и доработка самолета уже на сборочных линиях серийного завода или в эксплуатирующей части.
Возможность работы без ошибок была уже подготовлена в отделе прочности всем накопленным в оперативном проведении расчетов и экспериментальных работ опытом, получению которого так много уделял внимания А.М.Черемухин.
Самолет Ту-95 имел много модификаций и выпускался промышленностью до самого последнего времени. Некоторые модификации потребовали существенной доработки силовой конструкции.
Одним из примеров такой работы была модификация в 1956 – 1957 гг. самолета-бомбардировщика под вариант ракетоносца – Ту-95К. Доработка состояла в необходимости подвесить ракету весом 12 тонн вместо девятитонной бомбы. Предстояло увеличить размер грузового люка и одновременно усилить узлы подвески, чтобы воспринять вес ракеты с расчетной перегрузкой. Кроме того, надо было “спрятать” в фюзеляже оперение ракеты, что также потребовало серьезных конструктивных изменений хвостовой части фюзеляжа. Так возникла необычная схема, не встречавшаяся нигде ранее.
Поиски решения, как всегда, не давали Черемухину покоя и дома. “Однажды в один из приходов к Алексею Михайловичу, – вспоминал заместитель главного конструктора ОКБ Туполева В.И.Нижегородов, – я узнал от него, что дома он сделал модель средней части фюзеляжа. На его рабочем столе лежала готовая модель в 1:50 из ватмана. Диаметр фюзеляжа был порядка 150 мм. В модели уже был воспроизведен новый вариант доработки. – Мылся в ванне, – сказал Алексей Михайлович, – и вдруг пришла в голову идея конструкции. Вылез, достал ватман, клей … и модель готова. На этой модели прояснилось, как выглядит нагружение фюзеляжа новой конструктивной схемы.
Позже он предложил использовать для моделей дюралевые цилиндры, оставшиеся от старых экспериментов в лаборатории статических испытаний, выполнив необходимые доработки. Вспомнили, что для таких испытаний подойдут сдвигомеры. Из испытаний этих моделей получили представление о деформации и напряженном состоянии конструкции при такой схеме фюзеляжа. С учетом этих результатов доработали старый фюзеляж Ту-95 и провели сначала его статические испытания, потом создали из него натурный стенд. На нем впоследствии провели испытания по сбросу двадцатитонной подвески”.
В числе многих модификаций Ту-95 была проведена в 1957 г. работа по созданию носителя под подвеску весом 40 тонн. Еще одной известной модификацией Ту-95, которой занимался Черемухин, была доработка под 28-тонную водородную бомбу – “Ивана”. Этот вариант Ту-95 был сделан в одном экземпляре и после испытаний на нем “Ивана” использовался как учебный, и, наконец, на нем осуществлялись перевозки – на внешней подвеске – агрегатов Ту-144 в г. Новосибирск для проведения ресурсных испытаний в Сибирском научно-исследовательском институте авиации (СибНИА).
За работу по модификации Ту-95 по разнарядке ЦК КПСС предусматривалось присвоение звания Героя Социалистического Труда нескольким сотрудникам ОКБ и завода. В числе представленных к званию был и Черемухин. Однако ЦК дал указание, чтобы в списке было двое рабочих. А.Н.Туполев должен был решить, кого заменить. Посоветовавшись с Алексеем Михайловичем, он получил согласие на замену его кандидатуры. В результате “за выдающиеся заслуги” Черемухин получил другую награду – орден Ленина.
В те же годы, когда проектировался самолет Ту-95, в ОКБ были начаты исследования по созданию тяжелых самолетов с возможным на боевом режиме полетом со сверхзвуковой скоростью. Изучая возможные силовые схемы треугольного и стреловидного крыла, Алексей Михайлович и прочнисты ЦАГИ пришли к выводу, что треугольное крыло конструктивно проще, а также легче, чем стреловидное. Однако аэродинамики ЦАГИ рекомендовали для машин “98″ и “105″ крылья 55′ стреловидности. Прочнистам вместе с конструкторами в связи с этим предстояло создать конструкцию такого крыла. В отличие от конструкции крыльев Ту-16 и Ту-95 относительная толщина крыла этих самолетов была в два раза меньше, соответственно панели крыла кессонной конструкции были более нагруженными, что приводило к необходимости использования толстых (8 – 10 мм) обшивок. Первоначально предполагалось традиционное решение конструкции панелей кессона крыла.
С целью выбора наиболее рациональной конструкции Черемухин организовал проектирование опытных панелей, в которых варьировалась толщина силовых обшивок, размеры стрингеров, варианты их крепления с обшивкой и т. д.
Результаты проведенных совместно с ЦАГИ испытаний панелей свидетельствовали, что ни один из вариантов не удовлетворяет ни по технологичности, ни по весовым характеристикам и, следовательно, не может быть использован в конструкции крыла. Наиболее рациональной представлялась цельнопрессованная конструкция панелей. Технологи предложили делать такую панель в два этапа: сначала прессовать трубу, с расположенными снаружи стрингерами, а затем разворачивать эту ребристую трубу в панель. Несмотря на сложность процесса изготовления цельнопрессованной панели, эту конструкцию приняли исходя из того, что она легче и технологичнее клепаной.
В соответствии с заданием прочнистов металлурги исследовали влияние технологии на структуру материала панели и прочностные характеристики. Окончательно технология была принята, когда прочнисты ОКБ и ЦАГИ, испытав несколько готовых панелей, получили требуемые прочностные характеристики.
Понимая, что, используя стреловидное крыло, на сверхзвуковом самолете будет трудно решить как вопросы флаттера, так и вопрос создания простого по конструкции и легкого крыла, Черемухин продолжал в ОКБ начатые им в МАИ работы по исследованию оптимальной силовой схемы треугольного крыла.
В 1950 г., когда в ОКБ были начаты работы по проектированию дальнего сверхзвукового тяжелого самолета-носителя, Алексей Михайлович принял участие в экспериментальных модельных исследованиях по выбору силовой схемы крыла. При этом, как всегда, решались вопросы как статической, так и динамической прочности.
В конечном счете, выбор одной из рассмотренных при проектировании схем для первого сверхзвукового самолета (“121″, 1957 г.) с треугольным крылом определила ее технологичность.
Накопленный опыт исследований по треугольному крылу был использован в последующих проектах ОКБ Туполева: “123″ (1960 г.), “144″(1969 г.). В начале пятидесятых годов в ОКБ Туполева начали проектировать первый в СССР пассажирский реактивный самолет. Рассмотрев несколько вариантов проектов, А.Н.Туполев и его соратники пришли к единому мнению, что наиболее короткий путь, хотя “инженерно и не самый светлый”, – создавать такой самолет на базе серийно выпускаемого военного самолета Ту-16.
Туполев убедил руководство страны и промышленности в том, что путь постройки пассажирского реактивного самолета на базе военного Ту-16 прост и скор.
Добиться получения такого задания (а некоторые “наверху” поняли, что надо всего лишь изменить фюзеляж) эта идея, безусловно, помогла. В действительности самолет, проектируемый на базе самолета Ту-16, существенно отличался от последнего. Так, диаметр фюзеляжа был 3,5 м вместо 2,9 м, объем герметичной кабины значительно превышал объем кабин на Ту-16, к тому же конструкция фюзеляжа ослаблялась вырезами под иллюминаторы, двери, аварийные и багажные люки, являющиеся концентраторами растягивающих напряжений. Они возникают в каждом полете от избыточного давления, создаваемого для обеспечения пассажирам и экипажу нормальных условий пребывания в самолете, независимо от высоты полета.
Проект был утвержден в 1954 г. Построить этот самолет, получивший шифр Ту-104, удалось действительно очень быстро. Первый полет опытного самолета состоялся летом 1955 г., а в 1956 г. начались регулярные рейсы на линии Москва – Иркутск. Когда проектировался Ту-104, уже были известны два случая разрушения в полете фюзеляжей пассажирских реактивных самолетов “Комета” фирмы “Де-Хэвеленд”. Причина катастроф была связана с тем, что их конструкция была недостаточно изучена с точки зрения выносливости. Проведение испытаний на выносливость фюзеляжа первого отечественного пассажирского реактивного самолета стало первоочередной задачей.
Самолет Ту-104 проектировался задолго до того, как в 1973 – 1974 гг. во вновь созданной лаборатории ЦАГИ под руководством А. Ф. Селихова были разработаны методы проектирования конструкции самолетов под заданный ресурс. К тому же у отечественных самолетостроителей не было ни опыта создания пассажирских самолетов на длительную эксплуатацию, ни методов расчета таких конструкций, ни тем более опыта ресурсных испытаний конструкций такого объема.
Сложность задачи, решаемой прочнистами, состояла еще и в том, что все испытания машины на долговечность предстояло провести тогда, когда уже начались пассажирские перевозки.
Учитывая это, Черемухин предложил создавать конструкцию, доводимую до заданной долговечности в процессе эксплуатации. Его идея состояла в том, чтобы в процессе ресурсных испытаний выявить слабые места конструкции, а необходимые усиления провести в серийном производстве и при плановых ремонтах.
Впервые в отечественной практике предстояло провести ресурсные испытания фюзеляжа в системе целого самолета. Был известен зарубежный опыт таких испытаний в гидробассейне.
Несмотря на ряд недостатков, этот метод был использован потому, что обеспечивал безопасность при испытаниях фюзеляжа объемом 250 кубических метров избыточным давлением 0,5 – 0,7 атмосферы (повышение давления достигается накачиванием всего 800 литров воды вместо 150 кубических метров воздуха). Кроме того, небольшой объем расходуемой воды позволяет сделать время подъема – сброса давления необходимо малым и проводить каждый цикл нагружений за 4 – 5 минут. Алексей Михайлович был одним из идеологов создания гидробассейна, он же был организатором подготовки и проведения испытаний совместно с коллективом ЦАГИ. Рабочего времени ему, как правило, не хватало. Работа продолжалась и дома.
Приходя домой в 7-8 часов вечера, он после ужина отдыхал (спал часа два), а потом садился за письменный стол и снова работал два-три, а то и четыре часа. Эскизы гидробассейна, программы испытаний, циклограммы нагружений, наброски технических заданий, эскизы узлов и т. д. – всю эту работу он делал вечерами, ночами. Утром продуманное ночью обсуждалось с заказчиками, проектировщиками, строителями, испытателями. По мнению работавших с ним, Алексей Михайлович фактически был техническим руководителем всей программы испытаний. Будучи организатором всей работы, он неизменно участвовал в проведении испытаний. Программа предусматривала цикличность испытаний, причем в каждом цикле, кроме изменения внутреннего давления, воспроизводились все другие нагрузки, действующие на самолет в трехчасовом полете (нагрузки при взлете и посадке, а также все полетные нагрузки). Длительность цикла 4 – 5 минут была выбрана с целью опередить по количеству нагружений (полетов) в испытаниях в два-три раза число нагружений любого самолета, находящегося в летной эксплуатации.
Испытания начались в ЦАГИ в июле 1956 г. Основной задачей была оценка долговечности конструкции и установление срока эксплуатации самолета. С целью обнаружения трещин и других усталостных повреждений осмотр наружной и внутренней поверхности фюзеляжа производился через каждую тысячу циклов. Осмотр начинался сразу после слива воды из фюзеляжа и бассейна. При этом, вспоминают очевидцы, как в бассейне, так и в фюзеляже грязи было достаточно.
Алексея Михайловича, однако, это не смущало. В багажнике его автомобиля на этот случай имелся специальный комбинезон. Он надевал его и вместе с испытателями ЦАГИ приступал к осмотру. Кстати, как правило, въезд личных автомобилей на территорию ЦАГИ не разрешался. Для Черемухина было сделано исключение.
Для ускорения выявления дефектов Черемухин предложил использовать при осмотре фюзеляжа незначительный наддув воздуха до 0,1 – 0,2 кг на кв. см. “Впервые, – вспоминал А.В.Мещеряков, главный инженер опытного завода, – Алексей Михайлович предложил дать наддув, когда проверяли на герметичность первый фюзеляж Ту-104, построенный на опытном заводе. Тогда никак не могли обнаружить место течи. Алексей Михайлович пригласил с собой вовнутрь фюзеляжа желающих участвовать вместе с ним в эксперименте. Когда мы вместе с ним вошли в испытываемый фюзеляж, он попросил дать избыточное давление. По звуку шипящего воздуха он сразу определил основное место течи. Дефект был устранен”.
А.В.Мещеряков вспоминал еще об одном случае, когда Черемухин помог производству: “При проведении испытаний в ЦАГИ на фюзеляже появилась значительная трещина. Предстояла приостановка испытаний на длительный срок. Как правило, когда обнаруживалось, что требуется ремонт, Черемухин, чтобы не задерживать испытаний, не поручал эскиз доработки кому-либо, а делал его тут же на месте сам и сразу передавал его в производство. Если к утру на заводе успевали изготовить накладку или какую-либо деталь, он на своей машине привозил ее в ЦАГИ, чтобы провести доработку и продолжать испытания. Так было и на сей раз. Через 10 – 15 дней испытания были продолжены”.
Помимо испытаний на долговечность фюзеляжа, в лаборатории статических испытаний ОКБ Туполева на долговечность были испытаны пилотская кабина с фонарями пилотов, отдельные отсеки фюзеляжа, панели с вырезами и различными вариантами заклепочных швов и т. д. Помещения лаборатории было явно недостаточно. Это не останавливало Черемухина – он организовал проведение испытаний везде, где только было возможно. Испытания отсеков фюзеляжа водой проводились в мойке гаража или в бассейне термического цеха. Летом натурные пилотские кабины испытывались водой из водопровода до разрушения прямо на улице. Если давления не хватало, пользовались пожарным насосом.
Алексею Михайловичу легко удавалось убедить руководителей производства в необходимости проведения тех испытаний, которые он считал необходимыми. В вопросах прочности он был непререкаемым авторитетом.
За два года в гидробассейне было проведено 72 000 циклов нагружений (эквивалентных полетов) и выявлено около полусотни недостаточно выносливых мест конструкции.
Возможность проведения испытаний в полном по количеству циклов объеме была обеспечена благодаря четко организованной Черемухиным работе по оперативному проведению местных доработок.
Одновременно под его руководством для серийных и ремонтных заводов готовились более рациональные решения, обеспечивающие повышение выносливости отдельных элементов и создание эксплуатационно выносливой конструкции всего самолета. В серии впоследствии было доработано более 40 участков. Благодаря предложенному Алексеем Михайловичем методу доводки конструкции пассажирские самолеты Ту-104 за 20-летний срок выполнили по 15 000 полетов и были списаны только в 1978 – 1979 гг. после отработки ресурса. Опыт и методы проектирования Ту-104 были началом систематической работы ОКБ по созданию конструкций с большим ресурсом и были использованы при проектировании нового пассажирского самолета Ту-114 (1957 г.), создававшегося на базе самолета Ту-95.
При проектировании Ту-114 значительно расширился объем испытаний на выносливость. Зная, что долговечность фюзеляжа обеспечивается поведением заклепочных швов и окантовок вырезов, Черемухин увеличил объем ресурсных испытаний, главным образом так называемых “чечевичных” панелей – натурных участков фюзеляжа размером 1,5 Х 2 м, составленных попарно в герметические коробки. На этой многократно нагружаемой избыточным давлением изнутри простой конструкции были испытаны разные варианты заклепочных швов и окантовок вырезов.
В результате таких испытаний был выбран оптимальный заклепочный шов. Долговечность этого шва для Ту-114 при толщине обшивки фюзеляжа 1,3 мм получилась равной долговечности шва на Ту-104 с обшивкой 1,5 мм. Благодаря предварительным испытаниям “чечевиц” и панелей с вариантами ответственных участков конструкции был создан фюзеляж, выдержавший в процессе испытаний в гидробассейне в 1960 – 1964 гг. до 50 000 циклов без серьезных повреждений.
Алексею Михайловичу принадлежала инициатива развития темы усталости в отделе прочности и конструкторских отделах. При нем было начато проведение специальных расчетов долговечности конструкций, ослабленных стыками, вырезами и другими концентраторами напряжений. Развивались работы по ресурсу, несмотря на то, что в ОКБ не было ни традиций, ни специалистов для решения этих вопросов.
Сначала экспериментальные работы по обеспечению ресурса проводились только по герметичному фюзеляжу. Выносливость таких агрегатов, как, например, моторные рамы, нагруженные вибрациями от двигателей, механизмы систем управления, выпуска-уборки механизации, элементы конструкции шасси и т. п., проверялись расчетами в процессе их проектирования. Усталостные разрушения, вызванные нагружениями, возникающими в нормальной эксплуатации: неспокойный воздух (“болтанка”), маневр и движение по неровной ВПП, были обнаружены на всех агрегатах пассажирских самолетов, после того как время их налета стало превышать время налета военных самолетов. В эксплуатации Ту-104 и других пассажирских самолетов были обнаружены усталостные разрушения и на других агрегатах. Впервые с проблемой долговечности и особенностями усталости силовой конструкции крыла столкнулись в 1960 г. при испытаниях на выносливость самолета Ту-16. Позже с подобной проблемой встретились на Ту-95К. Пользуясь методами, использовавшимися в свое время Черемухиным, а именно широко применяя эксперимент, сравнивая результаты расчета с экспериментом, а также изучая опыт эксплуатации, которую Алексей Михайлович считал продолжением испытаний, были решены возникшие проблемы.
Усталостные разрушения от мало изученных в то время акустических нагрузок от выхлопной струи двигателей появились сначала в герметичной зоне фюзеляжа самолета Ту-104 (из-за особенностей расположения на нем двигателей). Несколько позднее, на половине срока службы самолета Ту-104, повторные нагрузки тали вызывать появление трещин на тонкостенных элементах конструкции оперения и хвостовой части фюзеляжа. Устранению этих дефектов также помогли методы А.М.Черемухина, ими широко пользовались его ученики. Последней из пассажирских машин, в проектировании которой Алексей Михайлович принимал участие, был самолет Ту-124, представлявший по схеме уменьшенную копию самолета Ту-104. Одна из задач, которую пришлось ему решать, была связана с тем, что разъем крыла был сделан не по борту фюзеляжа, а по центроплану, более широкому, чем фюзеляж.
Такая схема была проверена ранее на самолете Ту-110 (четырехдвигательном варианте Ту-104).
“Для работы над модификацией конструкции самолетов или при доработках, – вспоминал В.И.Нижегородов, – Алексей Михайлович предложил метод сравнения. В специальные таблицы сводились данные по основной машине и ее модификации, включая основные отличия конструкции, в таблицах были показаны критические сечения, нагрузки и прочее. Этот метод нравился всем: и исполнителям работ, и цаговцам – материал, представляемый им, давал наглядную картину того, в каком направлении должна идти доработка или модификация машины, позволял анализировать изменение распределения силовых потоков и выбирать новую расчетную схему”.
Этот метод был широко использован при создании Ту-110, Ту-124 и других самолетов. При разработке конструкции Ту-124 под руководством Черемухина был выполнен комплекс расчетных и экспериментальных работ, аналогичных комплексу работ, проведенных при создании Ту-114.
Обеспечение прочности каждого вновь проектируемого самолета было огромной работой коллектива прочнистов-соратников, помощников, учеников и сослуживцев Алексея Михайловича, направляемых его идеями, опытом в сочетании с инициативой каждого из них. Участники этой работы тепло вспоминали и вспоминают Черемухина.
Наиболее полные воспоминания о нем оставил Алексей Петрович Ганнушкин, заместитель главного конструктора, один из руководителей службы прочности ОКБ Туполева.
Его воспоминания, а также некоторые другие помогут представить читателю стиль и методы работы А.М.Черемухина. Рабочий день Алексея Михайловича начинался обычно с того, что с утра он обходил всех сотрудников своего отдела, задерживаясь у тех столов, где в работе исполнителя возникали затруднения, или там, где требовались дополнительные разъяснения. Неторопливо, вежливо что-то подскажет, поправит. В процессе такого неспешного общения у него самого накапливалась полная информация о состоянии работ. Его небольшой кабинет в торце старого здания КОСОС всегда был полон народа, его стол постоянно окружали инженеры-прочнисты, конструкторы, сотрудники других отделов. Для стиля работы Алексея Михайловича Черемухина было характерно широкое обсуждение, в котором участвовали не только те, кто обсуждал с ним тот или иной вопрос. Все присутствующие в его кабинете, пришедшие со своими вопросами, становились участниками беседы. Анализ сложной конструкции был интересен всем, так как его проводил не только специалист в области прочности, но человек, обладающий исключительной эрудицией и многолетним личным опытом проектирования. Черемухин никогда не навязывал своих решений – ни глубоко продуманных, ни тех, к которым он приходил в процессе обсуждения. Каждое из них он выносил на обсуждение и критику присутствующих. На любой стадии обсуждения можно было высказать критические замечания по поводу его соображений или предложений. Это никогда не вызывало даже тени недовольства. Он всегда с интересом выслушивал другое мнение, был готов отказаться от собственной точки зрения и принять точку зрения своего собеседника, если она оказывалась более правильной. Однако, его утверждения редко бывали ошибочными.
Меньше всего, обсуждая технические вопросы, Черемухин ссылался на свой авторитет, служебное положение или опыт. Единственный бог, которому он поклонялся во всей своей деятельности, был разум, и только логичные технические доводы и цифры могли убедить его отказаться от своей точки зрения. Алексей Михайлович никогда не делал секрета из тех методов, которыми он пользуется, из той логики рассуждений, которую он применяет, из тех соображений, которыми он руководствуется, принимая те или иные решения. Наоборот, каждое свое решение он логически обосновывал, обсуждая с собеседником, проверяя по его реакции правильность своих мыслей, правильность своих соображений. К тому же он располагал к себе тем, что никогда не повышал голоса, речь его была живой, образной. Он терпеливо слушал других, а если надо, вставлял острое словцо, чтобы разрядить обстановку. Он не стеснялся сказать: “Повторите, я Вас не понял”, и ему можно было сказать: “Я не понял Вашей мысли, повторите”.
Для него было характерно не переходить к обсуждению вопроса по существу, пока не становилась ясна мысль собеседника. И он терпеливо повторял свою мысль, пока собеседник не начинал понимать его, а иногда еще вопросами проверял – действительно ли он его понял. У него всегда хватало терпения объяснять, пока его собеседник или оппоненты не приходили к единой точке зрения. Только в этом случае Черемухин считал вопрос окончательно решенным, а решение принятым.
А.М.Черемухин, вспоминают многие, часто повторял: “Никогда не бойтесь признать свою ошибку, – это не роняет, а повышает авторитет инженера” и еще: “Никогда не бойтесь признаться в том, что вы чего-то не знаете или не понимаете”. Сам Черемухин строго придерживался этих принципов.
Возглавляя подразделение прочности, будучи ученым-прочнистом, Черемухин-инженер не просто любил конструкторскую работу. Своей главной задачей он считал силовую увязку всей конструкции. Эту сторону его творчества высоко оценил А.Н.Туполев: “Формально он руководил у нас отделом прочности, но в действительности он ведал более широкой областью – вопросами прочности и тем, как скомпоновать конструкцию, чтобы она была прочной и легкой”. Инженер широкого профиля, он не ограничивался решением только вопросов прочности. Он принимал самое активное творческое участие в проектировании, разработке конструкции, в постройке самолета и решении вопросов, связанных с технологией производства, всевозможными испытаниями и летной доводкой всех самолетов ОКБ.
Рубрики: