Легкий и прочный. Надежный и дешевый. Простой в производстве и обслуживании. Еще братья Райт искали для своего первого самолета материалы, обладающие этими характеристиками. И эти поиски продолжаются, благо, ученые постоянно подкидывают новые разработки, которые позволяют летательным аппаратам становиться быстрее, выше, безопаснее и дешевле.
Из полотна и палок
Flyer I, впервые поднявшийся в воздух в 1903 году, был сделан из ткани, древесины ели и небольшого количества стальной проволоки. Впрочем, главный авиационный металл алюминий в конструкции тоже использовался: из него были сделаны детали двигателя, специально сконструированные для первого самолета. Это позволило значительно уменьшить вес аппарата.
Большая часть самолетов на заре авиастроения имела деревянный каркас, а на крылья и фюзеляж натягивали ткань. Позже ткань стали заменять на фанеру — несколько слоев тонкой древесины, соединенной клеем. Такие модификации требовали более мощного мотора, ведь увеличивался вес аппарата, зато были более прочными и надежными.
Однако такая конструкция довольно быстро завела самолетостроение в тупик. У деревянных аппаратов было высокое сопротивление воздуха, а их двигатели, нагревавшиеся во время полета, создавали риск пожара. Кроме того, деревянный каркас набухал от влаги, фанера отслаивалась, а самолет начинал просто-напросто гнить.
Впрочем, до конца Первой мировой войны, в которой самолеты уже вовсю начали участвовать в боевых действиях, революционного скачка в их конструировании не произошло. Хотя инженеры уже начали задумываться об использовании в авиастроении металла — впервые эту идею воплотили в жизнь в Германии.
Мета-а-а-ал!
В 1910-х «деревянно-тканевая» технология была общепринятой и казалась всем настолько очевидной и единственно возможной, что любые иные варианты подвергались беспощадной критике. Использование металла казалось вовсе невозможным: такой аппарат представлялся слишком тяжелым, чтобы оторваться от земли.
Впрочем, Хуго Юнкерс был уверен в том, что будущее авиации — именно за цельнометаллическими самолетами. С этой идеей он и пришел к германским военным, которые уже вели мировую войну и были заинтересованы над превосходством в небе. Однако концепция Юнкерса их не заинтересовала, и денег на нее не дали. Тогда конструктор решил все сделать сам, и к 1915 году построил J1 — первый в мире самолет из стали.
Наблюдатели от военного министерства единодушно считали, что аппарат не оторвется от земли, и были весьма удивлены, когда самолет не только взлетел, но и совершил круг над аэродромом. Впрочем, военные все равно не заинтересовались разработкой: J1 был слишком тяжел, неповоротлив и мог нести полезную нагрузку всего 110 килограммов.
Хуго Юнкерс и сам понимал, что сталь — совершенно не то, что нужно самолетам. В поисках же нужного он обратил внимание на то, что уже использовалось в воздухоплавании.
В 1903 году Альфрде Вильм, инженер-металлург Dürener Metallwerke обнаружил, что сплав алюминия с четырьмя процентами меди в течение 4–5 суток после закаливания становится значительно прочнее. Так Вильм открыл дюралюминий, который «взяли на вооружение» конструкторы дирижабль. Сплав был легким, как алюминий, но в 5–6 раз прочнее чистого металла.
Уже в 1917 году Юнкерс представил J7 — первый самолет с фюзеляжем из алюминия. Эта разработка заинтересовала военных, и производство дюралюминиевых самолетов немедленно поставили на поток. Это обеспечило германской авиации превосходство в небе, но, конечно, уже не спасло от поражения в войне.
Ну ты композитор!
Алюминий по-прежнему является основой авиастроения. Основная масса современных самолетов приходится как раз на этот металл. Правда, сейчас применяют уже не дюраль, а сплав 7075 — самый прочный алюминиевый сплав.
Впрочем, алюминиевые сплавы потихоньку уступают место другим разработкам — композитным материалам. Если коротко, то композитным можно назвать любой материал, который состоит из нескольких компонентов с разными свойствами, сочетание которых приводит к появлению новых свойств. Забавно, что фанера, которая широко использовалась в ранних самолетах, — это, по сути, композитный материал.
Композиты заинтересовали авиастроителей, потому что были легче и прочнее традиционных сплавов. Например, материалы на основе углеродных волокон — углепластики — прочнее стали, но легче алюминия. Композитами все еще нельзя заменить все детали, так что производители применяют его там, где можно. Например, Airbus A320 и Boeing 747 состоят из композитных материалов на 20–25 %, российский МС-21, который планируется ввести в эксплуатацию в 2022 году, — на 40 %. Всех уделал в этом плане Boeing 787 Dreamliner, который стал первым широкофюзеляжным магистральным самолетом с широким использованием композитных материалов — их доля достигает 50 %.
Какие перспективы?
Ученые работают над тем, чтобы создавать новые композитные материалы. У существующих есть две основные проблемы. Во-первых, они дорогие и сложные в производстве по сравнению с традиционными сплавами металлов. Во-вторых, например, углепластики имеют низкую стойкость к ударным нагрузкам. Повреждение конструкции из углепластика может быть невидимо глазу, но иметь фатальные последствия для самолета.
Перспективным для авиационных композитов выглядит графен — модификация углерода. Построенный из такого материала фюзеляж снижает вес самолет, имеет лучшую аэродинамику за счет снижения силы трения, и не обмерзает при низких температурах.
В мае 2021 года австралийские ученые сообщили об открытии материала, состоящего из скандия, алюминия, вольфрама и кислорода. Он имеет нулевой коэффициент теплового расширения в диапазоне от –269 до + 1126 градусов. Такой материал можно использовать в производстве деталей для космических кораблей и самолетов.
Самолеты будущего должны быть легче, прочнее, экономичнее и быстрее современных, так что поиск новых материалов и конструктивных решений будет продолжаться.