Страница 14 из 54
Из своего прошлого опыта присутствия на прочностных испытаниях конструкций я знал, что разные материалы разрушаются по-разному. Если надавить на концы длинной стойки или тонкой пластины, можно заметить, что деталь прогибается сильнее по мере увеличения прилагаемого усилия. Вначале, когда нагрузка мала, деталь возвращается к своей нормальной форме после снятия нагрузки. Но если вы продолжите увеличивать усилие, деталь сломается на некотором критическом пределе, за которым она больше не сможет нести нагрузку. Важно заметить, что конструкция такого типа способна восстанавливать свою первоначальную форму почти до самого момента разрушения.
Различия в механике деформации и разрушения у деталей различной формы (доработанная иллюстрация из оригинала).
Это означает, что максимальная нагрузка, которую такая деталь может выдержать без разрушения, близка к разрушающей нагрузке. С другой стороны, растягиваемые детали, предназначенные для восприятия осевых растягивающих нагрузок, или короткие толстые сжимаемые элементы будут необратимо деформироваться при уровнях нагрузки, которые заметно ниже пределов их разрушающей нагрузки. В таких случаях допускаемая повторяющаяся максимальная сила и близко не приближается к разрушающей силе.
Эти две различных механики разрушения подсказали мне способ снижения веса «Прототипа 12». Давайте предположим, что мы изготавливаем два разных типа деталей, обе из которых сломаются под воздействием силы в 10G. Длинная тонкая деталь может нести нагрузку около 9G, что очень близко к пределу в 10G, сохраняя при этом способность восстанавливать свою первоначальную форму. Напротив, растягиваемые детали или толстые сжимаемые детали могут выдержать нагрузку лишь около 6 или 7G до того, как возникнет необратимое повреждение. Это означает, что, если мы используем эти две детали в самолёте, который будет подвергаться максимальной нагрузке в 6 или 7G, длинная тонкая деталь будет иметь избыточную прочность.
«Вот оно!» – понял я, – «Я могу снизить коэффициент безопасности для деталей, имеющих такую избыточную прочность». Когда я обдумал суть дела, мне показалось неразумным требовать единого коэффициента безопасности 1,8 для тонких длинных деталей только потому, что 1,8 требовался для толстых сжимаемых деталей или растягиваемых деталей. Вес самолёта можно было бы снизить, если бы концепция единого коэффициента безопасности была пересмотрена. Поскольку в самолёте много тонких длинных деталей, я пришёл к выводу, что коэффициент безопасности около 1,6 был бы для них вполне удовлетворительным.
После войны коэффициент безопасности был снижен до 1,5 по всему миру, что фактически подтвердило правильность моих наблюдений. К сожалению, в то время у нас не было времени оспаривать или обсуждать существующие общемировые требования. Для тонких длинных деталей на «Прототипе 12» мы ввели умеренную практику использования коэффициента безопасности чуть ниже 1,8. И, хотя я не мог рассчитать общее снижение веса планера в результате этого шага, я был уверен, что удастся сэкономить значительную массу. С этим прорывом я почувствовал, что появилась надежда на достижение целей, поставленных перед «Прототипом 12».
Разумеется, наши усилия по снижению веса предпринимались во всех областях. Например, несколько ранее мы рассматривали возможность проектирования крыла «Прототипа 9» в виде единой конструкции от корня до законцовки, вместо разделения на центроплан и отъёмные консоли. Этот метод позволил бы избавиться от необходимости использования тяжёлых стыковочных узлов на плоскостях. Хотя на «Прототипе 9» эта идея так и не была реализована, мы решили применить её для «Прототипа 12». Тем более, что компания «Накадзима» уже внедрила данную технологию на своём армейском истребителе «Тип 97».
Нужны более лёгкие материалы
В нашей программе снижения веса для «Прототипа 12» тип используемого материала являлся важнейшим фактором. Каких улучшений можно было достичь, чтобы увеличить прочность существующего дюралюминия? Возможно, существовал более лёгкий и качественный материал, который мы могли бы применить? Эти вопросы постоянно крутились в моей голове. Затем ко мне как-то заглянул господин Кимура, инженер по закупкам материалов. «Господин Хорикоси, – сказал он, – я слышал, что компания «Сумитомо» близка к завершению разработки очень прочного алюминиевого сплава».
*
По его словам, «Сумитомо» находилась на стадии запуска опытного производства, создав материал повышенной прочности путём незначительного изменения химического состава существующего дюралюминия.
Я был окрылён этой информацией и запросил у компании подробности. Представитель «Сумитомо», руководивший проектом, рассказал мне о нём и пригласил посетить завод. Я поспешил в Осаку и изучил новый материал. Слушая объяснения инженеров «Сумитомо», я понял, что мы сможем использовать этот новый сплав. Я также спросил их, на какие проблемы нам следует обратить внимание при его применении.
Предположив, что материал будет использован хотя бы только в лонжеронах крыла, я сделал грубую оценку, согласно которой удалось бы сэкономить около тридцати килограммов веса! Мы запросили разрешение на использование нового сплава у Управления морской авиации. ВМС, судя по всему, уже знали об этом материале и собирались разрешить его использование, так что наш запрос был оперативно одобрен.
Помимо крупномасштабного снижения веса, я не пренебрегал ни единым граммом даже в мелких деталях. К примеру, однажды молодой инженер закончил чертёж узла крепления, предназначенного для поддержки механизма управления элеронами. Вместо того чтобы утвердить его чертёж, я написал подробные инструкции на полях, велев ему переделать работу, поскольку посчитал, что мы можем сэкономить 40 процентов веса, если используем деталь из алюминиевого сплава вместо стальной. Я сказал «40 процентов», но это составляло всего около 75 граммов, или 1/30 000 от конечного веса самолёта. Тем не менее, наша концепция заключалась в контроле любого элемента, который весил более 1/100 000 от конечной массы.
Следующее не относится к весу, но я помню, как в одном из чертежей, представленных молодым, неопытным помощником из прочностной подгруппы, я обнаружил, что кронштейн ролика проводки тяг управления был прикреплён непосредственно к внешней обшивке фюзеляжа. А основное правило конструирования требует крепить подобные элементы непосредственно к шпангоуту фюзеляжа, иначе «это всё равно что вешать картину на занавеску».