Почему иллюминатор круглый — и что случалось когда он был квадратным

10 января 1954 года.

Самолёт BOAC вылетел из Рима в Лондон. Через двадцать минут после взлёта, на высоте около восьми тысяч метров, пилот другого борта услышал в радиоэфире обрывок фразы — и тишину. Свидетели на острове Эльба видели, как горящие обломки падают в море. Все 35 человек на борту погибли.

Через три месяца — 8 апреля 1954 годаб то же самое произошло с другим самолётом той же модели. Рим, набор высоты, обломки в Средиземном море.

Ещё 21 погибший.

Самолёт назывался de Havilland Comet. Первый в мире коммерческий реактивный авиалайнер. Гордость британской авиации. И у него были прямоугольные окна.

2 мая 1952 года. Лондон, аэропорт Хитроу.

36 пассажиров садятся в самолёт на рейс до Йоханнесбурга. Пять промежуточных посадок — Рим, Бейрут, Хартум, Энтеббе, Ливингстон — и весь маршрут в 11 000 километров занял чуть меньше 24 часов. Пропеллерные самолёты тратили на то же 27 часов.

Comet крейсировал на скорости 720 км/ч на высоте 10 000-12 000 метров. Это вдвое выше и вдвое быстрее любого пассажирского самолёта того времени. Пассажиры смотрели в огромные по тем меркам иллюминаторы и видели землю с высоты, которую до этого видели только лётчики-испытатели.

Писали, что на Comet «нет никакого шума». Восторг был большой.

Но высота 10 000 метров создавала проблему, которую до Comet в пассажирской авиации никто не решал.

На высоте 10 000 метров снаружи примерно 0,26 атмосферы. Людям для нормальной жизни нужно около 0,75. Фюзеляж герметичен, он удерживает эту разницу. Изнутри он буквально раздут давлением, как воздушный шар.

Каждый рейс — один цикл: взлетели, фюзеляж под давлением расширился, сели, давление сбросили, фюзеляж вернулся к исходной форме. Металл это чувствует. Каждый цикл — микроскопические изменения в структуре. Невидимые трещины. Через тысячи циклов они накапливаются — и в один момент металл не выдерживает.

Это называется metal fatigue, усталостное разрушение. Явление было известно инженерам. Но насколько быстро оно наступает на герметичном фюзеляже реактивного лайнера — этого никто не считал, просто потому что таких самолётов до этого не было.

Инженеры de Havilland прогнали испытательный фюзеляж через цикл давления несколько тысяч раз и решили что запас достаточный. Они не ошиблись в понимании явления — они ошиблись в том, насколько острые углы окон ускоряют процесс.

Возьмите лист металла и растяните его. Теперь проделайте в нём отверстие.

Напряжение в листе, которое раньше распределялось равномерно, теперь вынуждено обтекать это отверстие. Там где поток напряжений резко меняет направление — оно концентрируется. Это называется stress concentration, концентрация напряжений. В этих точках металл нагружен сильнее, чем везде остальном, и устаёт быстрее.

Если отверстие круглое — напряжение огибает его плавно.

Концентрация есть, но умеренная, примерно в три раза выше среднего. Это известный результат из теории упругости — решение Кирша, 1898 год. Если отверстие прямоугольное с острыми углами — в каждом углу поток напряжений поворачивает на девяносто градусов. Концентрация там значительно выше. Именно в углах металл устаёт в разы быстрее чем весь остальной лист.

Каждый взлёт — чуть глубже трещина. Через тысячи взлётов — разрыв.

На Comet иллюминаторы были прямоугольными с закруглёнными, но всё ещё достаточно острыми углами. Расчёты обещали ресурс в 10 000 полётных циклов — с запасом. Оказалось что нет.

После второй катастрофы в апреле 1954 года Comet заземлили окончательно. Уинстон Черчилль лично заявил: «Стоимость разгадки тайны Comet не должна измеряться ни деньгами, ни человеческими ресурсами». Расследование возглавил сэр Арнольд Холл из Королевского авиационного института.

BOAC отдала следователям один из своих Comet — борт G-ALYU — для испытаний. В Фарнборо построили специальный водяной бак, достаточно большой чтобы вместить фюзеляж целиком. Фюзеляж погрузили в воду и начали снова и снова накачивать давлением — имитируя взлёт и посадку.

Почему вода, а не воздух? При разрушении под давлением воздуха происходит взрыв — энергия сжатого газа мгновенно высвобождается. Вода несжимаема: при разрушении просто вытекает. Безопаснее, и место разрыва можно изучить.

24 июня 1954 года, после 3 057 циклов — 1 221 реального полёта плюс 1 836 симулированных в баке — фюзеляж разорвался. Холл немедленно вызвал Джеффри де Хэвилленда и главного конструктора.

Место разрыва: болтовое отверстие рядом с прямоугольным вырезом в верхней части фюзеляжа — технологическое окно для навигационной антенны ADF в крыше над кабиной. Не пассажирский иллюминатор, но та же механика.

Прямоугольный вырез, острые углы, концентрация напряжений, усталостная трещина.

И ещё одна находка: при ближайшем рассмотрении выяснилось, что рамы иллюминаторов на производстве крепили заклёпками — хотя по оригинальным спецификациям должны были приклеивать. При клейке нагрузка распределяется по площади. При заклёпках — концентрируется в точках крепления. Дополнительное ускорение усталости поверх уже проблемных углов.

Вот это мне в этой истории нравится больше всего: каждая отдельная ошибка была маленькой. Углы не такие уж острые. Заклёпки вместо клея — мелочь. Расчёты показывали запас. Но три мелочи сложились — и самолёт разваливался в воздухе.

De Havilland переработала конструкцию. Comet 4 — следующая версия, полетевшая в 1958 году — получил скруглённые иллюминаторы, более толстую обшивку и изменённый способ крепления рам.

Но куда важнее что изменилось во всей авиационной инженерии.

До катастроф Comet усталостное разрушение фюзеляжа под давлением не было в списке критических рисков, которые обязательно проверять. После — вошло навсегда. Все авиалайнеры, которые появились после — Boeing 707, Douglas DC-8, советский Ту-104 — проектировались с обязательным расчётом усталостного ресурса фюзеляжа. Методика испытаний в водяном баке стала стандартом.

Интересная деталь в том, что официальное расследование в своих выводах не предписывало менять форму окон. Де Хэвилленд сделал это сам, по своей инициативе.

Comet вернулся в эксплуатацию с Comet 4 в 1958 году и летал до 1997-го. Но рынок он потерял безвозвратно. Пока де Хэвилленд переделывал самолёт, Boeing выпустил 707: тот же маршрут через Атлантику, 120 пассажиров вместо 80 у Comet 4.

В каждом современном иллюминаторе внизу есть крошечное отверстие. Его замечали почти все. Что это — почти никто не знает.

Иллюминатор состоит из трёх слоёв акрила. Внешний держит давление — он толстый и прочный. Внутренний — декоративный. Между ними средний слой с дырочкой в раме.

Отверстие выравнивает давление между внешним и средним слоями. Без него средний слой испытывал бы тот же перепад давления что и внешний — и мог треснуть. С дырочкой весь перепад несёт только внешний, а средний живёт при давлении кабины. Плюс отверстие отводит влагу — иначе стекло запотевало бы изнутри намертво.

В итоге самолётный иллюминатор круглый не потому что так красиво. Он круглый потому что прямые углы убили 56 человек в 1954 году.

Если зашло — я пишу про авиацию именно в таком формате в телеграм-канале «Будни пилота». Как устроены самолёты, что происходит в кабине, почему всё сделано именно так, а не иначе.

Заходите: t.me/budnipilot