De Havilland Comet: инженерные уроки первого реактивного лайнера

2 мая 1952 года пассажиры авиакомпании BOAC впервые поднялись на борт реактивного самолета, который изменил представление о воздушных перевозках. De Havilland Comet летел выше, быстрее и тише любых поршневых машин той эпохи. Казалось, что гражданская авиация наконец-то шагнула в будущее. Но спустя всего два года именно этот лайнер заставил авиационных инженеров пересмотреть многие подходы к проектированию.

Самолет, который опередил свое время

После окончания Второй мировой войны развитие пассажирских поршневых самолетов постепенно приближалось к пределам своих возможностей. Большие четырехмоторные лайнеры вроде Douglas DC-6 или Lockheed Constellation уже обеспечивали надежные дальние перевозки, но дальнейшее увеличение скорости становилось все сложнее. Рост мощности поршневых двигателей приводил к увеличению массы, расхода топлива и усложнению конструкции.

Следующий шаг был очевиден — реактивная тяга.

Еще во время войны британское руководство начало определять направления развития послевоенной гражданской авиации. В 1943 году был создан Комитет Брабазона, одной из задач которого стал поиск перспективных типов пассажирских самолетов. Компания de Havilland предложила создать принципиально новый реактивный лайнер, получивший обозначение DH.106.

Проект возглавил главный конструктор Рональд Эрик Бишоп — британский инженер, ранее руководивший созданием скоростного истребителя de Havilland Mosquito. На ранних этапах рассматривались различные варианты будущего самолета, включая нестандартные аэродинамические схемы. После оценки их сложности и технических рисков конструкторы остановились на более традиционной компоновке со стреловидным крылом.

Итоговый DH.106 Comet сочетал несколько решений, которые для начала 1950-х годов были передовыми: герметичный фюзеляж, стреловидное крыло и четыре двигателя de Havilland Ghost, размещенные попарно внутри корневой части крыла. Такая схема уменьшала аэродинамическое сопротивление и уровень шума в салоне, но одновременно усложняла обслуживание силовой установки и предъявляла повышенные требования к прочности конструкции.

Новая категория самолета требовала новых методов проверки. Еще до начала эксплуатации отдельные элементы конструкции и герметичные секции фюзеляжа проходили стендовые испытания, включая многократные циклы изменения давления, имитирующие будущую работу в полете.

Первый прототип поднялся в воздух 27 июля 1949 года. Испытания прошли успешно, и спустя три года Comet начал выполнять регулярные пассажирские рейсы.

Полет на новой высоте

Для пассажиров Comet стал переходом к новой эпохе авиаперевозок. Самолет развивал скорость около 800 км/ч и выполнял полеты на высоте 11-12 километров, где давление воздуха примерно в четыре раза ниже, чем у поверхности Земли. Именно эта высота создавала главную инженерную проблему.

Чтобы пассажиры могли находиться на такой высоте без кислородных масок, фюзеляж сделали герметичным. Каждый рейс превращался для конструкции в повторяющийся цикл нагружения: при наборе высоты давление внутри салона возрастало, заставляя корпус немного расширяться, а при снижении давление уменьшалось, после чего конструкция возвращалась к исходному состоянию.

Один такой цикл не представлял опасности. Проблема возникала из-за их количества. В начале 1950-х годов инженеры хорошо умели рассчитывать прочность конструкций при больших нагрузках, но опыт эксплуатации тонкостенных герметичных корпусов, которые должны были выдерживать тысячи повторений таких циклов, был ограниченным.

Катастрофы без понятной причины

Первое время эксплуатация Comet проходила успешно. Самолет получил признание, а британская промышленность выглядела одним из лидеров новой эпохи авиации.

Однако в первые годы эксплуатации произошел ряд серьезных аварий. Всего из девяти построенных самолетов первой серийной версии Comet 1 пять были потеряны в катастрофах. Причины этих происшествий были разными: часть аварий была связана с ошибками эксплуатации и сложностью управления новым типом самолета, но две катастрофы 1954 года поставили перед инженерами принципиально новую задачу.

10 января 1954 года Comet 1 авиакомпании BOAC разрушился в воздухе возле острова Эльба вскоре после взлета из Рима. 8 апреля того же года еще один самолет этого типа авиакомпании South African Airways потерпел катастрофу над Средиземным морем.

Эти два происшествия отличались от предыдущих. Не было признаков пожара, отказа двигателей или сообщений экипажа о серьезных проблемах. Самолеты разрушались внезапно на большой высоте, а первоначальный осмотр обломков не позволял сразу определить причину. Эксплуатацию всего парка Comet остановили, а расследование этих катастроф стало одним из самых сложных инженерных исследований в истории ранней реактивной авиации.

Расследование аварий Comet

Расследование возглавил директор Royal Aircraft Establishment Арнольд Александр Холл. Специалисты изучали поднятые со дна фрагменты самолетов и пытались определить, где именно началось разрушение конструкции.

Одной из первых зон внимания стали технологические вырезы в обшивке фюзеляжа. Особое внимание привлекли два выреза под антенны автоматического радиокомпаса, расположенные в верхней части корпуса возле кабины пилотов. В этих местах возникали повышенные концентрации напряжений.

Дополнительный анализ показал, что важную роль сыграли особенности изготовления: отверстия под заклепки располагались близко к краям вырезов, а процесс сверления и клепки мог создавать микроповреждения в тонкой алюминиевой обшивке. При последующих циклах полётных нагрузок такие дефекты становились местами зарождения усталостных трещин.

Чтобы проверить поведение конструкции при длительных циклических нагрузках, один из фюзеляжей Comet поместили в испытательный бассейн. Внутрь корпуса подавали воду, после чего давление многократно повышали и снижали, имитируя изменения нагрузки при наборе высоты и снижении. Использование воды позволяло проводить испытания безопаснее, поскольку при разрушении конструкции не происходило резкого расширения сжатого воздуха.

В ходе испытаний в обшивке появились трещины. Их расположение совпало с характером повреждений на обломках потерпевших катастрофу самолетов. Исследование показало, что причиной стало усталостное разрушение металла: при повторении тысяч циклов герметизации в наиболее нагруженных местах постепенно формировались микротрещины, которые со временем приводили к разрушению фюзеляжа.

Итог

De Havilland Comet не стал самым успешным коммерческим лайнером своей эпохи. После появления Boeing 707 и Douglas DC-8 рынок реактивных перевозок быстро перешел к американским производителям.

Но опыт его эксплуатации Comet 1 изменил подходы к проектированию пассажирских самолетов. Инженеры начали уделять значительно больше внимания усталости материалов, расчету ресурса герметичных конструкций и испытаниям, которые должны были воспроизводить годы реальной эксплуатации до начала серийного производства.