Борьба с «дрожью»: как советские ученые победили явление флаттера в скоростных самолетах

С ростом скорости самолетов их пилоты столкнулись с таким явлением, как флаттер. В переводе с английского слово flutter означает «дрожание», «трепетание». И действительно, главным проявлением флаттера стала вибрация крыльев и органов управления самолета, а позже – несущих винтов вертолетов.
Известный советский летчик-испытатель, Герой Советского Союза Марк Лазаревич Галлай в своей книге «Через невидимые барьеры» писал: «С появлением новых скоростных самолетов в авиации едва ли не всех передовых стран мира прокатилась волна таинственных, необъяснимых катастроф. Случайные свидетели, наблюдавшие эти катастрофы с земли, видели во всех случаях почти одинаковую картину: самолет летел совершенно нормально, ничто в его поведении не внушало ни малейших опасений, как вдруг внезапно какая-то неведомая сила, будто взрывом, разрушала машину – и вот уже падают на землю изуродованные обломки: крылья, оперение, фюзеляж».
В Советском Союзе проблемой флаттера занялись в 1932 году в Экспериментальном аэродинамическом отделе ЦАГИ. Один из участников исследований, физик А.А. Борин так объяснял физическую природу явления: «Флаттер относится к категории автоколебаний, то есть периодическая возмущающая сила возникает в процессе самих колебаний. При флаттере таким возмущающим воздействием являются аэродинамическая сила и момент».
Большой вклад в решение проблемы внесли ученые Е.П. Гроссман и М.В. Келдыш, будущий идеолог советской космической программы. Примененный Келдышем и его соратниками новый теоретический подход к решению проблем аэродинамики в соединении со здравым инженерным анализом сыграли центральную роль в изучении флаттера. Летные испытания, подкрепленные экспериментами в аэродинамических трубах, полностью подтвердили теорию. Для подавления флаттера органов управления самолета Келдыш использовал нелинейный анализ математических моделей и метод гармонического баланса.
В 1939 году Наркомат авиационной промышленности СССР обязал всех авиаконструкторов «проводить» через отдел Келдыша в ЦАГИ расчет на флаттер всех самолетов новых конструкций. В 1940 году Келдыш в качестве итогового документа исследований по проблеме флаттера выпустил «Руководство для конструкторов», в котором были представлены методы расчета на флаттер и практические рекомендации по предотвращению этого явления. Результаты работ ученых ЦАГИ позволили более эффективно, чем в других странах (например, в той же Германии), обеспечить флаттерную безопасность советских самолетов с самого начала Великой Отечественной войны.
Одной из разработок с высокими противофлаттерными свойствами стал дальний бомбардировщик ДБ-3 (ЦКБ-30), созданный под руководством С.В. Ильюшина. Работая в научно-техническом комитете ВВС страны, Сергей Владимирович Ильюшин как никто другой понимал трудности, стоящие перед авиаконструкторами. Растущие скорости истребительной авиации заставляли улучшать летно-технические данные бомбардировщиков. В своем самолете Сергей Владимирович сумел совместить большую дальность полета с большой скоростью, что казалось невозможным в то время.
Ильюшин предложил для своего самолета крыло с умеренным удлинением. Расчеты показали, что проектируемое воздушное судно будет иметь не только необходимую дальность, но и скорость его будет существенно выше, чем у других подобных самолетов.
В результате было спроектировано крыло с большой нагрузкой и с мощной механизацией (выдвижными щитками). К числу новшеств относятся и разгрузка крыла топливными баками, представлявшими собой герметичные отсеки крыла − прообраз кессон-баков. Умеренное удлинение крыла позволило увеличить жесткость его конструкции и, соответственно, противофлаттерные свойства.
В историю отечественной авиации новый самолет вошел под названием ДБ-3 («Дальний бомбардировщик-3»). Рекордные перелеты неоднократно подтверждали отличные летно-технические характеристики и прочность самолета. В августе 1941 года группа ДБ-3Т из состава 1-го минно-торпедного авиаполка ВВС Балтийского флота нанесла удар по целям фашистской Германии, в том числе по Берлину. Ил-4, сменивший ДБ-3, стал дальнейшим развитием конструкторского решения Ильюшина по созданию скоростного бомбардировщика с умеренным удлинением крыла, экономичными двигателями и высоким уровнем аэродинамического и весового совершенства.