Авиация еще воспринималась как чудо, технический фокус, опасный трюк, а смелая мысль, опережая время, отважно заглядывала в будущее. Слова нашего гениального соотечественника К. Э. Циолковского о том, что за эрой аэропланов винтовых наступит эра аэропланов реактивных какими парадоксальными казались они на заре авиации!—стали пророческими… Еще в 1910 году, лишь через год после бурных успехов европейских пилотов, нашелся безумец, рискнувший упразднить… сам воздушный винт, человек, которому знаменитый Густав Эйфель сказал: «Вы опередили свою эпоху на тридцать, а то и на все пятьдесят лет!» 24-летний румын Анри Коанда, выставивший на Парижском авиасалоне 1910 года необычный безвинтовой самолет, рискнул взлететь на нем, И хотя полет не удался — машина упала, едва перемахнув забор, у винтомоторной силовой установки, которой суждена была долгая служба, появился пока слабенький, но вполне реальный конкурент — реактивный двигатель.
В сущности, силовая установка этого самолета была настоящим воздушно-реактивным двигателем. Правда, вместо современной турбины, преобразующей энергию газовой струи во вращательное движение компрессора, на аэроплане Коанда стоял обычный поршневой 50-сильный мотор. Он и приводил в действие центробежный компрессор, снабжавший прожорливую камеру сгорания большими массами воздуха… Талантливый румынский инженер замахнулся на пропеллер слишком рано. Воздушный винт еще несколько десятилетий исправно «таскал» самолеты всех видов и назначений, помогал рекордным аппаратам достигать максимальных скоростей, обосновался на вертолетах и автожирах. Разведав с помощью гоночных и стратосферных самолетов-рекордсменов новые скоростные и высотные диапазоны, авиаконструкторы подтягивали до рекордных величин и летные данные боевой авиации.
С каждым годом такая гонка за лидером становилась все труднее. Тысячесильные двигатели спортивных машин обладали ресурсом лишь в несколько десятков минут, а весили все больше и больше, ибо даже незначительный прирост скорости требовал сотен добавочных лошадиных сил. Если моторостроителям и удавалось построить двигатель той же мощности, но с большим, подходящим для боевой авиации «сроком жизни», удельный вес силовой установки почти не снизился с 1920 по 1945 год и составлял около 1 кг общего веса двигателя, винта и вспомогательных агрегатов на 1 л. с. А это означало, что увеличение мощности, скажем, на 100 л. с. утяжеляло силовую установку на добрый центнер. Чрезвычайно быстро набирал вес и сам воздушный винт. 140-килограммовый пропеллер 1000-сильного мотора нужно было заменить при двойном приросте мощности винтом, вес которого составлял уже 400 кг. В перспективе выходило, что дальнейший рост скорости приведет к вырождению боевой машины, превратит ее в аппарат, способный нести лишь самого себя. Для орудия, радиооборудования, брони и сколько-нибудь подходящего запаса горючего на борту не оставалось места. Исчерпаны были и весовые резервы: более тяжелый мотор при сохранении боевой нагрузки увеличивает полетный вес машины. Это, в свою очередь, заставляет конструкторов увеличить площадь крыла. Возрастает аэродинамическое сопротивление несущей поверхности. Чтобы компенсировать ухудшение аэродинамики, нужно повысить мощность двигателя.
Круг, как говорится, замкнулся! Хотя различными ухищрениями—главным образом за счет «слизывания» очертаний самолетов, увеличения КПД винта, использования крыльев малой площади — и удавалось оттянуть кризис винтовой авиации, он все-таки подстерегал скоростные машины на рубеже 750—850 км/ч. За этими отметками из реального, предельно доведенного истребителя самолет превращается для проектировщиков в нечто неосуществимое. Заставив, например, летать со скоростью 800 км/ч истребитель с 4000-сильным мотором, они не могли даже представить себе конструкцию с двигателем мощностью в 40 тыс. л. с. Десятикратное увеличение тяги требовалось для скачка скорости всего лишь на 150 км/ч. И это при сохранении полетного веса исходного образца! Поршневой двигатель с его «замерзшим» на одной точке удельным весом и заслуженный винт не годились на скоростях свыше 800—850 км/ч. Ровно через 30 лет после неудачного старта Анри Коанда, в точности оправдав пророчество Эйфеля, в небо поднялся самолет с принципиально такой же силовой установкой. И хотя внешне итальянский «Капрони-Кампини» мало напоминал своего реактивного предка, его летные данные оказались более чем скромными. При изрядном весе (4200 кг) цельнометаллическая машина развивала скорость лишь до 375 км/ч и поднималась до 3950 м. Мотокомпрессорная силовая установка сохранила все недостатки поршневого двигателя, но развивала слишком маленькую тягу. Куда больше привлекал авиаконструкторов жидкостно-реактивный ракетный двигатель.
Чрезвычайно простой в своей принципиальной схеме, ЖРД сулил огромную тягу при небольшом собственном весе. Правда, в отличие от любого поршневого или воздушно-реактивного двигателя он поглощает кислород не из окружающей среды, а из бортовых запасов окислителя — как правило, перекиси водорода. К тому же ЖРД требует даже для непродолжительной работы (в течение считанных минут) сотен литров горючего и окислителя. В феврале 1940 года летчик В. Федоров испытал в полете ракетопланер РП-318И, созданный будущим конструктором ракетно-космических систем С. Королевым. Основой машины послужил двухместный планер СК-9, оснащенный ЖРД с тягой 140 кг. Отличные мощностные данные ЖРД и использовали конструкторы, чтобы создать боевые самолеты-перехватчики. Главное для такой машины: быстро стартовать, стремительно набрать высоту, настичь и уничтожить любого врага. Возвратиться на свой аэродром после охоты можно в принципе по-планерному, с неработающим двигателем. Топлива и окислителя на борту хватит на несколько минут, в течение которых длится активная фаза полета—собственно перехват. Первым самолетом с ЖРД, предназначенным именно для такой работы, был советский ракетный истребитель БИ-1. Он был не просто летающей лабораторией для летных испытаний ЖРД, а боевым, оснащенным двумя 20-мм ШВАКами аппаратом.
Проект БИ-1, начатый накануне войны сотрудниками КБ В. Ф. Болховитинова Александром Яковлевичем Березняком и его коллегой Алексеем Михайловичем Исаевым, Наркомат авиационной промышленности одобрил и первый же день войны, 22 июня 1941 года. Через три недели проект был готов. На его реализацию — выпуск чертежей и постройку машины в металле—отпустили… 35 дней! Через 40 дней БИ-1, правда, пока не в металле, а дереве — дюраль стал большим дефицитом — выкатили из цеха. Увы, машина была еще просто планером — ракетный двигатель Л. С. Душкина оказался «сыроват» для летных испытаний. Даже на земле двигателисты не рисковали приближаться к работающему ЖРД—прятались в укрытии. К тому же окислитель — азотная кислота — активно разрушал баки, трубопроводы, все, с чем соприкасался. Пока доводили двигатель, самолет побывал все же в воздухе. Его испытал в безмоторном, по-планерному, полете летчик-испытатель Б. Н. Кудрин. «Меня,— вспоминает Кудрин,— буксировали на Пе-2 Якимов, Байкалов и некоторые другие летчики. Я не помню сейчас, сколько было сделано буксировочных полетов, но, во всяком случае, немало. Я снял целый ряд характеристик, пригодившихся впоследствии на первом огневом вылете…» Первый «огневой вылет» уже в эвакуации, на Урале, совершил летчик-испытатель Григорий Яковлевич Бахчиванджи. Произошло это 15 мая 1942 года. Очевидец полета, известный ученый, профессор В. С. Пышное так вспоминал о том знаменательном дне: «На уральском аэродроме собрались инженеры, техники, летчики, ученые.
Впервые я увидел, сколько людей настроено на реактивную «волну», сколь велика армия первооткрывателей. Все они были людьми реактивной эры, пришедшими к ней в полной готовности, с пониманием ее смысла и значения. Каждый был загружен до предела. Взгляды всех собравшихся обратились к реактивному соплу. И вот из него вырвалось сначала слабое пламя, а затем раздался оглушительный рев. Огненный факел вытянулся на 3—4 метра. Самолет тронулся, быстро ускоряя движение. Он побежал по летной полосе, легко оторвался и стал набирать высоту…» Позже испытания этого уникального самолета и его модификаций продолжили летчики Б. Кудрин, К. Груздев и А. Пахомов. Расчетная скорость БИ должна была превышать 900 км/ч. В одном из полетов Бахчиванджи достиг 800 км/ч, но погиб на вышедшей из подчинения машине. Особое значение к концу войны приобрели ракетные перехватчики для немцев: фронт приближался к Германии, рейх непрерывно бомбила советская и союзная авиация. Противодействовать бомбардировщикам и должны были стремительные ракетопланы. Практически одновременно, но независимо друг от друга, начались в разных странах исследовательские и конструкторские работы над турбореактивными силовыми установками.
В нашей стране зачинателем ТРД стал А. Люлька, чей конструкторский коллектив еще в 1937 году выдвинул проект авиационного ТРД РД-1. По расчетам, двигатель обладал тягой, достаточной для разгона самолета до 900 км/ч. К началу войны успели изготовить около 70% узлов и деталей опытного образца. Английский конструктор Френк Уиттл занимался поначалу ТРД на свой страх и риск, без всякой поддержки со стороны официальных ведомств. Помогли ему частные фирмы, на средства которых и был построен первый, пока еще слабенький и ненадежный экземпляр двигателя. Наконец после многочисленных переделок ТРД обосновался на специально построенном самолете «Глостер» (Е.28/39), который совершил первый полет в мае 1941 года. Успех подстегнул министерство авиации и правительство. Заниматься ТРД типа Уиттла поручили фирме «Ровер». Ее специалисты сумели спроектировать и построить несколько опытных образцов. С 1942 года заказ передали известной моторостроительной фирме «Роллс-Ройс». С двигателями «Ровер» и «Роллс-Ройс» поднимались в небо несколько самолетов с маркой «Глостер». Один из них, 0.40, впервые стартовал в 1941 году, развил в 1943 году скорость 745 км/ч.
Летом 1942 года с испытательного аэродрома взлетел двухдвигательный «Глостер» 0.40. Американцы в конце 30-х годов интересовались больше мото компрессорными установками — наподобие итальянских. Эксперименты с комбинированным агрегатом—поршневой мотор «Уосп» и одноступенчатый осевой компрессор — продолжались без особого успеха до 1943 года. Установку так и не испытали в полете — слишком много она весила и потребляла горючего. Помощь пришла из-за океана—в 1941 году из Англии поступили чертежи и опытные образцы ТРД Уиттла. В 1942 году построенный фирмой «Белл» в первый полет стартовал двухдвигательный Р-59А «Эркомет». Серийное производство самолета, максимальная скорость которого составляла лишь 660 км/ч, началась в 1944 году. Всего построили 30 машин. Использовали их в качестве учебно-тренировочных истребителей. В боевых действиях «Эркомет» не участвовал. Для этого, как выразился командующий ВВС США генерал Арнольд, у самолета были «ноги коротки». Судя по всему, американцы возлагали на Р-59 немалые надежды. Специально для его испытаний выделили и строго засекретили самую отдаленную часть авиационной базы Мюрок, расположившейся на дне сухого озера Роджерс Драй Лей к в Южной Калифорнии. С тех времен база стала основным летно-испытательным центром ВВС США. Позже ее переименовали в авиабазу Эдварде. «Весной 1946 года я впервые вылетел на реактивном самолете Белл Р-59,— вспоминает известный летчик-испытатель Френк Эверест.— Он был выпущен четыре года назад и являлся первым американским реактивным самолетом…
В управлении самолет был хорош, но летные данные его были неважными, и, кроме того, на нем был установлен маломощный двигатель. Скорее это был просто планер с двигателем». Пожалуй, Эверест передает довольно типичное для тех времен ощущение полета на реактивных самолетах с ТРД; слишком маломощны были еще двигатели, и без того работавшие на пределе своих еще скромных возможностей. То и дело прогорали камеры сгорания, ломались лопатки турбин и осевых компрессоров и, отделавшись от ротора, превращались в снаряды, сокрушавшие корпус двигателя, фюзеляж, крыло… По сравнению с «гадкими утятами» — первыми реактивными истребителями — изящные, с мощнейшими «движками» «Кобры», «Мустанги», «Лайтнинги» выглядели благородными и выносливыми рысаками…. Но и поршневые ветераны, скорость которых перевалила за 700 км/ч, стали вдруг проявлять норов. «Мустанги» и «Лайтнинги» последних моделей вдруг выходили из-под контроля и вопреки усилиям пилотов переходили в неуправляемое пикирование. Случалось, самолеты устремлялись к земле, когда их пилоты и не думали пикировать. «Сэр, наши самолеты уже сейчас очень строги. Если появятся машины с еще большими скоростями, мы не сможем летать на них,—рассказывал генералу Арнольду один американский пилот.— На прошлой неделе я на своем «Мустанге» «пикнул» на Ме-109. Управление заклинилось, и самолет затрясся, словно пневматический молоток. Я никак не мог вывести его из пике. Всего в трехстах метрах от земли я с трудом выровнял машину…»
Как это ни парадоксально, беда подстерегала самолеты и на значительно меньших скоростях. Испытатели первых моделей «Лайтнинга» докладывали, что при пикировании на высоте 7500 м при скорости около 560 км/ч нос машины внезапно «тяжелел», начиналась сильная вибрация. Так продолжалось, пока не уменьшалась высота полета. Затягивание в пикирование, тряска и прочие неприятности были первыми «звоночками», извещавшими о приближении авиации к так называемому звуковому барьеру. И вопреки распространенному представлению преодолевать это препятствие пришлось не одним только машинам, способным обогнать звук. О том, насколько самолет близок к звуковому барьеру, нельзя судить лишь о скорости полета. Барьер сравнительно далеко, если развить у самой земли, скажем, 700 км/ч, но до него рукой подать (при той же скорости) на высоте 8—10 тыс. м. Все зависит от отношения скорости полета к скорости звука. А он распространяется с разной быстротой на разных высотах. В плотном, приземном воздухе быстро (340 м/с), и медленнее в разреженной атмосфере (в стратосфере — 295 м/с). Вот и выходит, что отношение скоростей полета и звука (а это и есть число Маха, М) растет не только с разгоном самолета, но и с его подъемом на высоту. В любом случае, начиная с М=0,7—0,75, в зависимости от величины подъемной силы крыла на нем и других частях машины появляются местные струйки воздуха, текущие со скоростью звука на данной высоте. Число М, при котором это происходит, называется критическим. С дальнейшим увеличением быстроты полета местные течения становятся сверхзвуковыми. Но скорость потока на разных участках профиля разная и, поскольку ее величина тесно связана с давлением, разные и давления. Граница между дозвуковыми и сверхзвуковыми участками образуется так называемыми скачками уплотнения. Из-за резких переходов обтекающего потока с дозвуковой к сверхзвуковой скорости к традиционным составляющим аэродинамического сопротивления добавляется еще одно — волновое сопротивление.
Волновой кризис по-разному проявляется на разных крыльях. Ведь с появлением скачков уплотнения меняется вся картина распределения на крыле местных скоростей и давлений. «Взаимоотношения» этих важнейших параметров воздушного потока подчиняются уже не закону Бернулли для идеальной, несжимаемой жидкости, а в соответствии с законами, которые описывают поведение сжимаемой среды. Центр давления, «фокус» крыла, перемещается в сторону задней кромки. Обтекание нестационарно. Так возникает разбалансировка самолета, «тяжелеет» нос. Подъемная сила крыла, условная точка приложения которой (центр давления) смещается назад, и образует относительно центра тяжести машины мощный момент на пикирование. Теория, анализ летных происшествий, аэродинамические продувки позволили ответить не только на вопрос, почему это происходит. Конструкторы хотели знать, как справиться с сжимаемостью воздуха, оттянуть до больших значений М перераспределение на крыле местных скоростей и давлений. Оказалось, кризис наступает позже на тонком крыле, точнее, на несущей поверхности с малой относительной толщиной. Относительной, потому что «полнота» крыльевого профиля сравнивается обычно с его длиной, так называемой хордой. Если говорят, например, что относительная толщина профиля 12%, то это означает: его истинная максимальная толщина составляет 12% от длины по хорде. Так вот, конструкторам пришлось «сплющить» и без того гонкие крылья, доставшиеся реактивным истребителям в наследство от последних винтовых истребителей, что обрекло прочнистов на головоломные поиски новых силовых схем несущих поверхностей и заставило специалистов по шасси либо убирать «ноги» самолета в фюзеляж, либо уменьшать их и «вписывать» в тонкие крылья. Если в 1940 году относительная толщина профиля составляла 12—15%, то к 1950 году, через десятилетие, ее пришлось свести до 6—7%. Изменились и очертания профилей. Место, где они достигали наибольшей «полноты», переместилось ближе к середине, дальше от носка.
Теперь авиаконструкторы могли с открытыми глазами взяться за создание военных самолетов. И хотя в этих машинах конца войны и первых послевоенных лет много от винтовых предшественников, в облике первых турбореактивных МиГов, «Лавочкиных», Яков, «Глостеров» и «Локхидов» угадываются черты нынешней сверхзвуковой авиации. Схема английского Глостер «Метеора»—классическая, с двумя двигателями на крыле — зародилась еще в начале 40-х годов, когда не было ТРД достаточной мощности. Пришлось оснастить машину двумя. Но — сказалась ли инерция мышления проектировщиков или другие причины?— разместили ТРД на консолях крыла так, как если бы это был обычный двухмоторный «Москито». Позже появились двигатели подходящей мощности, но схема «Метеоров» разных модификаций и лет осталась неизменной. Правда, такая компоновка избавляет конструкторов от хлопот, связанных с подводом к ТРД больших масс воздуха и устройства соплового аппарата. Недостаток схемы — сложность полета на одном двигателе: его ось на изрядном расстоянии от продольной оси машины, отсюда большой момент, стремящийся развернуть самолет. Два массивных «нароста» на крыле — а оно должно быть тонким и прочным — снижают критическое число М несущей поверхности. Двигатели уже упоминавшегося Р-59 «Эркомет» расположились под крылом, впритык к фюзеляжу. Специалисты КБ А. Микояна и М. Гуревича скомпоновали первый советский истребитель с ТРД, МиГ-9 (1946), но иной и, как выяснилось позже, перспективной компоновке, предложенной лично Артемом Ивановичем Микояном. Оба двигателя расположили в фюзеляже, рядышком.
Воздухозаборник устроили в носу самолета. Сопла под фюзеляжем, точнее, под хвостовой балкой. В результате крыло вышло совершенно чистым. Всю заднюю кромку заняла взлетно-посадочная механизация, закрылки, столь важные при большой удельной нагрузке на каждый квадратный метр небольшого крыла, и элероны. На фюзеляж перекочевали и основные стойки шасси—тогда их не смогли упрятать в тонкое скоростное крыло. 24 апреля 1946 года опытный истребитель И-300 (Ф) под пилотированием летчика-испытателя А. Гринчика совершил первый полет. Второй и третий экземпляры будущего МиГ-9 испытали М. Галлай, Г. Шиянов, Ю. Антипов. Скорость самолета превысила 900 км/ч. Новая техника — новые проблемы. Одну из них МиГ-9 преподнес в самом конце государственных испытаний. Вылетев на отстрел пушек в воздухе, летчик-испытатель А. Кочетков вернул на аэродром самолет сразу с двумя остановившимися двигателями, Заглохли они, едва прозвучали первые выстрелы. Поначалу конструкторы грешили на пороховые газы, будто бы задушившие воздухолюбивые ТРД. Но причина оказалась вовсе не в химии, а в аэродинамике. Горячие струи газов, возникшие перед воздухозаборниками двигателей, так меняли обтекание компрессора, что передние лопатки поток обтекал под слишком большим углом атаки. В результате — срыв потока с лопаток, сильная вибрация. Двигатель захлебывался из-за так называемого помпажа. С ним удалось сладить, и вскоре МиГ-9 поступил на вооружение Советских ВВС. К необычной компоновке прибегла английская фирма «Де Хевиленд», построившая в 1945 году серийный истребитель ОН-100 «Вампир» с одним ТРД. Разместили двигатель в хвостовой части короткого, каплевидного фюзеляжа. От комсолей крыла тянулись назад две хвостовые балки, связанные на концах горизонтальным оперением.
Воздухозаборник ТРД — у основания консолей. Удобство схемы — двигатель и воздухозаборник не мешают расположить в «капле» кабину, оборудование, элементы управления и оружие. Первый реактивный истребитель ВВС США, Локхид Р-80 «Шуттинг Стар», также был оснащен одним турбореактивным двигателем. Место для него нашли в задней части обычного фюзеляжа. Воздухозаборники, как и у «Вампира», в корневой части крыльевых консолей. Правда, пришлось в этих местах несколько утолщить корпус, что, конечно, испортило чистоту его аэродинамических форм. Необычно—и по компоновке и, самое главное, по назначению!— «летающее крыло» ХР-79В фирмы «Нортроп» для таранных атак. Управлялся этот цельномагниевый истребитель сварной конструкции, с мощной передней кромкой крыла, «клапанными» рулями. На концах крыла установили трубы с клапанами. Надо повернуть, скажем, влево — перекрывается левая труба. Из-за разницы в сопротивлении концов крыла и возникал разворачивающий момент… Прошло два-три года, и безвинтовые самолеты, созданные в 1945—1946 годах, практически вытеснили из боевой авиации заслуженные машины с поршневыми моторами. А вскоре на военных аэродромах появились сотни и тысячи машин второго и третьего поколений. Этим самолетам и предстояло полностью взять на себя боевые функции, освоить околозвуковую и сверхзвуковую области скоростей.
Литература:
Андреев И., Захаров А. «Боевые самолеты» 1992г.
Попова С. «Аэрофлот от А до Я» 1986г.
