Текст книги "Сверхзвуковые самолеты"

Автор книги: Эдмунд Цихош

сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 42 страниц)

Именно поэтому была разработана концепция многоцелевого истребителя, который вначале, кроме способности к перехвату, мог атаковать также и наземные цели. В последующие годы универсальность назначения неуклонно расширялась по мере появления новых потребностей и совершенствования авиационной техники. Однако приспособление самолетов к выполнению все более трудных задач привело к увеличению взлетной массы с 5-7 т (французские «легкие истребители») до 9-11 т, усложнению конструкции и оборудования и возрастанию закупочной цены. Введение самолетов новых типов в вооруженных силах отдельных стран привело в свою очередь к изменению тактики действия авиации во время подавления противовоздушной обороны противника. Ведь еще в начале 50-х годов в военной авиации западных стран был распространен тезис о нечувствительности современных бомбардировщиков к атакам самолетов-истребителей. Поэтому в Великобритании, например, в 1951-1952 гг. были испытаны три самолета-бомбардировщика так называемой серии V: «Вэлиент» фирмы «Виккерс», «Вулкан» фирмы «Хоукер» и «Виктор» фирмы «Хэндли Пэйдж» – с максимальной скоростью около 1000 км/ч и потолком 15 000 – 18 500 м, предназначавшиеся для стратегических бомбардировок с использованием ядерных бомб. Появление ракетных комплексов класса земля– воздух с системами активного радиолокационного наведения существенно снизило вероятность выхода таких самолетов на цель. Потребовался переход к полетам на малых высотах, т.е. ниже зоны радиолокационного обнаружения и эффективного действия активных средств противовоздушной обороны. Поскольку специальных самолетов еще не существовало, такие полеты были возложены на обычные бомбардировщики. Однако опыт показал, что полеты на малых высотах с околозвуковой или сверхзвуковой скоростью имеют свою специфику и значительно отличаются от полетов на крейсерских высотах (гл. 2).

Рис. 1.5. Американские истребители-бомбардировщики «Тандерчиф» F-105 в полете.

С учетом этого начались исследования самолетов, специально предназначенных для полетов и выполнения заданий на небольших высотах со сверхзвуковыми скоростями. Первым из них в Западной Европе должен был стать самолет TSR.2. Кроме полезных для небольших высот пилотажных свойств, а также высокой эксплуатационной гибкости, он мог бы использовать ядерное и обычное вооружение различных видов, а также осуществлять фотографическую и радиолокационную разведку в любых погодных условиях днем и ночью. Этот самолет предполагалось приспособить к эксплуатации с полевых аэродромов (что упрощает рассредоточение и уменьшает уязвимость в отношении воздушных налетов), т.е. обеспечить его независимость от крупных аэродромов и комплексов наземных средств.

Правда, работы над самолетом TSR.2 закончились на этапе летных испытаний опытного образца, однако тем не менее они выявили сложность проблемы и тем самым принудили конструкторов к поиску иных, менее сложных решений. В первую очередь была рассмотрена проблема уменьшения тактического радиуса действия ввиду большого удельного расхода топлива при полете на малых высотах. Вначале наиболее рациональным решением было признано перемещение баз самолетов ближе к линии фронта. На практике оказалось, что таким путем нельзя выполнить поставленные задачи, поскольку приближение баз к зоне боевых действий увеличивает опасность уничтожения аэродромов и самолетов. Поэтому было решено приспособить самолеты к базированию на грунтовых аэродромах (путем использования эффективных средств механизации крыла и шасси с пониженным давлением в пневматиках), а также использовать маскировку самолетов от воздушного обнаружения. Для увеличения ресурса была усилена конструкция планера, а улучшение условий работы экипажа было достигнуто с помощью автоматов, обеспечивающих продольную стабилизацию самолета. Однако все эти мероприятия в совокупности привели к дальнейшему росту взлетной массы самолета до 12-16 т.

В США переход на концепцию атомного вооружения (с учетом вероятности его использования противником) имел в вопросах ведения воздушных боевых действий значительно большие последствия. Прежде всего было признано, что утратила значение обычная противовоздушная оборона, которую стали считать недостаточной для обеспечения возможностей ответного удара. Впоследствии, в конце 50-х годов, было проведено быстрое перевооружение истребительных подразделений противовоздушной обороны на тяжелые сверхзвуковые самолеты-перехватчики с высокой скороподъемностью, а также введены постоянные боевые дежурства, которые должны были сократить время перехвата до минимума. С другой стороны, было признано, что преодоление противовоздушной обороны противника, точный выход самолета на цель и осуществление ядерной бомбардировки будут возможны лишь при условии оснащения самолетов новыми совершенными навигационными средствами и электронным оборудованием, а также высокоэффективными системами управления вооружением самолета. Так как в США считается, что самолеты должны иметь большой радиус действия (3500-4500 км, тогда как в Западной Европе считается достаточным радиус действия 1800-2300 км), то взлетная масса самолетов выросла еще больше.

В этой ситуации было сочтено, что уменьшение затрат на все более дорогие самолеты возможно только путем вооружения тактической авиации истребителями-бомбардировщиками, приспособленными к выполнению и других задач, в частности разведки.

Первым американским сверхзвуковым истребителем, пригодным к транспортировке ядерного оружия (т.е. истребителем– бомбардировщиком), был F-105, а затем F-4. Они соответствовали концепции сбрасывания ядерных бомб с малой высоты, требующей соответствующего бортового оборудования. Самолет F-4, помимо основного варианта, выпускался также как перехватчик и разведчик.

Второе поколение сверхзвуковых самолетов

Прогресс в разработке двигательных установок и конструкции планера, а также достижения в области аэродинамики и технике управления привели к созданию на рубеже 1960-1970-х годов сверхзвуковых самолетов, которые обычно называют самолетами второго поколения. Для них характерно использование двухконтурных (турбовентиляторных) реактивных двигателей, которые, развивая такую же тягу, как одноконтурные, расходуют значительно меньше топлива. Использование таких двигателей позволило не только уменьшить массу самолета и увеличить его грузоподъемность, но также и уменьшить отношение массы самолета к тяге двигателя ниже 1 кг/даН, что вместе с другими усовершенствованиями привело к заметному увеличению маневренности, набора скорости и скороподъемности самолетов 70-х годов в сравнении с самолетами 50-х годов. Первым западным самолетом, положившим начало новому поколению, стал F-111, за ним были испытаны «Мираж» F.1 и «Вигген».

Кроме нового типа двигателя, эти самолеты имеют значительно более эффективные аэродинамические схемы, обеспечивающие высокую крейсерскую скорость в сочетании с небольшими скоростями взлета и посадки для возможности эксплуатации со срочно подготовленных аэродромов или гражданских автомобильных дорог. Для обеспечения таких характеристик первый из названных выше самолетов был выполнен с крылом изменяемой геометрии, второй-с крылом небольшой стреловидности, а третий-как биплан-тандем с треугольными крыльями. В самолете «Вигген» в дополнение к этому имеется устройство реверса тяги.

От самолетов первого поколения новые машины отличались главным образом меньшими скоростями приземления (около 220 км/ч) и взлета, а также возможностью их базирования на наскоро подготовленных аэродромах. Высокие летно-технические характеристики самолетов второго поколения связаны с использованием крыла изменяемой геометрии с разнообразной и эффективной механизацией, а также экономичных двигательных установок большой тяги, облегченных конструкций и т.п.

Некоторые данные выпускаемых серийно истребителей обоих поколений приведены в табл. 2.

Сейчас все шире распространяется мнение, согласно которому разработанные образцы сложной авиационной техники морально устаревают уже к моменту их принятия на вооружение. Это происходит не только ввиду разработки очередных типов в конструкторских бюро, но также (а может быть, и главным образом) ввиду изменения принципов использования авиации. Новый тип самолета, который должен эксплуатироваться в качестве боевой единицы не меньше 10 лет, требует почти столько же времени на прохождение от стадии обоснования тактико-технических характеристик проекта до начала серийного производства. Это означает, что намерения и возможности вероятного противника необходимо прогнозировать на период около 20 лет.

Как следует из сказанного выше, изменение взглядов на принципы применения авиации было столь частым и радикальным, что сегодняшнее прогнозирование на ближайшее двадцатилетие может оказаться фикцией. С учетом этого в Западной Европе установилось мнение, что снижение финансовых затрат и риска создания морально устаревших систем оружия может быть достигнуто, в частности, путем разработок многоцелевого самолета, который после определенной модернизации будет соответствовать текущим требованиям, т.е. сможет конкурировать даже с новейшими средствами более узкого назначения. Дополнительно уменьшить риск, а значит, увеличить вероятность успеха можно путем сохранения в тайне работ, связанных с новой программой, так как это затрудняет противнику прогнозирование развития собственных боевых средств. Так же как и в предыдущие годы, была заметна разница в концепциях самолетов второго поколения, созданных в Западной Европе и в США.

В проектах сверхзвуковых истребителей, разрабатывавшихся в 50-х годах, почти повсеместно принималось за аксиому то, что уничтожение наземных целей будет вестись с использованием траекторий полета, условно названных «высоко-низко-высоко». Это означает подлет к цели на большой (обычно оптимальной для данного самолета) высоте-снижение и до лет до цели (около 100 км) на малой высоте, выполнение задания и отлет на дистанцию около 100 км-возвращение на большой высоте с экономичной скоростью.

Развитие пассивных и активных средств противовоздушной обороны опровергло эти принципы и, как упоминалось выше, принудило авиацию к использованию траектории полета типа «низко-низко– низко», а следовательно, к выполнению продолжительных полетов на малой высоте с до– или сверхзвуковой скоростью.

С усложнением конструкции планера и оборудования самолета росла его масса, что влекло за собой рост закупочных цен и эксплуатационных затрат. К этому надо прибавить затраты на специализированные самолеты, предназначаемые для выполнения узкой задачи (такие самолеты создаются и в наше время). Тогда становится понятным появление концепции «легкого, простого и дешевого» многоцелевого самолета с отличными способностями проникновения в тыл врага на малой высоте и одновременно с хорошими летными данными на большой высоте.

Представителями этого направления развития боевой авиации являются в Западной Европе «Ягуар», «Торнадо», «Вигген» и «Мираж» F.I. Считается, что в европейских условиях понятие универсальности назначения следует значительно расширить, с тем чтобы в круг задач самолета входили не только перехват, но также ближняя и дальняя поддержка с воздуха, разведка и учебные задачи (учебно-тренировочные самолеты). Созданные многоцелевые самолеты имеют таким образом разработанную конструкцию, оборудование и вооружение, что смена этого оборудования и вооружения может производиться быстро и непосредственно перед полетом. Это означает, что универсальность применения указанных самолетов достигнута путем замены лишь немногих элементов, т. е. способность выполнять разные задачи связана не с различными вариантами конструкции, а лишь с заменой одних видов оборудования и вооружения на другие. Правда, принятие концепции универсальности повлекло за собой увеличение взлетной массы «легкого, простого и дешевого» самолета до 15 000-20 ООО кг, дополнительное усложнение конструкции и оснащения, а также повышение закупочных цен до 4-6 млн. долл. за экземпляр, но и это оказалось выгодным с военной и экономической точек зрения.

Таблица 2. Данные сверхзвуковых истребителей первого и второго поколений

1) Скорость подхода на посадку.

2) Номинальный радиус действия.

3) Удельная нагрузка на крыло для максимального угла стреловидности.

Рис. 1.6. Западноевропейский многоцелевой самолет «Ягуар».

Рис. 1.7. Западноевропейский многоцелевой самолет «Торнадо».

С военной точки зрения эта концепция обеспечивает гибкость и высокую эффективность использования малого числа боевых средств (уменьшение числа самолетов), а также упрощает обслуживание и материальное обеспечение (малое число типов). Выгодна она также в отношении экономики и организации, так как позволяет ограничить число профилей подготовки летного и наземного персонала, уменьшить производство запасных частей, упростить ремонт и т.п.

Поскольку разработка нового самолета становится сейчас все более сложной и дорогостоящей, каждый новый самолет является своего рода компромиссом, и даже суммой компромиссов, причем не только между разного рода техническими соображениями, но также и между более сложными факторами, учитывающими экономические возможности и оперативные требования. «Ягуар», выпускаемый совместно Францией и Великобританией, служит примером такого компромиссного подхода. Во французских оперативных требованиях было оговорено, что самолет должен выполнять учебные, тактические и морские задачи (британские требования оговаривали только первые два вида задач). Очевидно, во Франции стремились к разработке самолета настолько «типового», чтобы избежать производства трех различных типов самолетов, и вместе с тем настолько «гибкого», чтобы он был пригоден к выполнению всевозможных задач. К ним относятся:

– боевая подготовка пилотов и тренировка в полете по приборам;

– уничтожение целей на дистанции до 500 км за линией фронта;

– прикрытие наземных войск, и в частности поддержка с воздуха тактических соединений наземных сил, участие в борьбе за превосходство в воздухе;

– разведка поля боя;

– действия с палубы авианосца и поражение морских целей.

В тактико-технических требованиях были оговорены требования самостоятельного запуска двигательной установки, легкого доступа к важнейшим узлам конструкции и оборудования, высокой надежности, простого пилотирования и эксплуатации на земле, времени подготовки к полету не более 10-15 мин, времени технического обслуживания не более 10 ч на 1 ч полета и времени эксплуатации между капитальными ремонтами до 1000 ч.

С целью удовлетворения этих требований (а также финансовых, предусматривающих низкую единичную цену и минимальные эксплуатационные затраты) было решено сконструировать один самолет, способный при незначительной модификации выполнять все предполагаемые задания, а также подобрать планер, двигательную установку и оборудование настолько простые, чтобы обеспечивалось удобство эксплуатации, и вместе с тем настолько совершенные, чтобы могли быть выполнены все оперативные требования. Различия между видами задач, определенными для самолета британской и французской авиацией, привели к тому, что британский и французский «Ягуары», имея одинаковые планер, двигательную установку и шасси, а также оборудование общего характера (гидравлическое, электрическое, оборудование системы кондиционирования и т. п.), различаются оснащением, связанным непосредственно с выполнением заданий (главным образом навигационным оборудованием и средствами управления огнем).

Иную концепцию западноевропейского истребителя представляет «Торнадо». В соответствии с требованиями, заложенными в техническое задание, он должен был иметь:

– свойства самолета короткого взлета и высокие ускорения при околозвуковых скоростях, обеспечивающие выполнение заданий с полевых аэродромов и быструю адаптацию к изменению ситуации в воздухе;

– сверхзвуковую скорость и высокую устойчивость в бреющем полете на очень малой высоте с целью захвата врасплох противовоздушной обороны противника;

– большую тяговооруженность для быстрого набора высоты и скорости до М = 2 на больших высотах с целью успешного перехвата или быстрого отступления в разведывательных полетах;

– способность к действиям в любую погоду против наземных сил, аэродромов и т.п., а также к перехвату днем, ночью и во время неблагоприятных метеорологических условий;

– большую грузоподъемность, а также гибкость в ее использовании (вооружение, топливо, оборудование), обеспечивающую эффективность перехвата и атакующих действий для различных вариантов задач (цель, расстояние).

Рис. 1.8. Американский истребитель YF-16.

Удовлетворение этих требований должно было обеспечить выполнение самолетом шести типов задач, к которым относятся непосредственная поддержка войск, атака системы коммуникаций в зоне тактических действий, завоевание превосходства в воздухе над полем боя, перехват воздушных целей, воздушная разведка и поддержка действий подразделений военно– морских сил.

Это означает, что в Западной Европе концепция многоцелевого назначения боевых самолетов останется обязательной и в будущем, так как с западноевропейской точки зрения она выгодна по многим пунктам. Зато в военных кругах США во второй половине 60-х годов сформировалось мнение, что возрастание закупочных цен на многоцелевые самолеты, а также их недостаточная пригодность к воздушному бою (большая масса, низкая маневренность) требуют поиска новых решений.

Результатом этого подхода явилась программа разработки всепогодных истребителей F-14 (для авиации ВМС) и F-15 (для ВВС), которые должны были обеспечивать превосходство в воздухе. Однако в начале 70-х годов затраты на разработку и производство этих самолетов так возросли, что стала необходимой формулировка новых тактико-технических требований. Их основная идея отвечает европейской концепции легкого самолета-перехватчика 50-х годов с учетом последних достижений авиационной техники. На основе новых требований были разработаны два самолета-YF-16 и YF-17,– предназначенные исключительно для перехвата и только для дневных действий. Благодаря ограничению максимальной скорости новые самолеты отличаются не только малой массой и низкой стоимостью (по представлениям середины 70-х годов), но также высокой маневренностью и быстрым набором скорости в области околозвуковых скоростей полета (М = 0,8 4-1,2), которые, как следует из опыта 60-х годов, чаще всего используются во время воздушного боя.

Однако в 1976-1977 гг. выяснилось, что самолет F-14 не обладает требуемыми характеристиками, и для их достижения необходима замена двигателя (стоимость этой операции оценена в 1,7 млрд. долл.), а самолет F-16 нужно модернизировать в направлении универсальности, что наверняка отразится на его летных показателях, достигнутых к тому времени. Это касалось также самолета F-18, разработанного для авиации военно-морского флота США, который уже в тактико-технических требованиях был определен как многоцелевой. Очевидно, что не только теоретические концепции, но и военный опыт имел определяющее влияние на возвращение самолету его первостепенной роли в системе вооруженных сил.

2. Преодоление барьеров

Эволюция принципов использования сверхзвуковых самолетов происходила параллельно с объективной необходимостью непрерывного совершенствования техники, что побуждало к разработке и выпуску самолетов со все более высокими параметрами, среди которых на первый план выдвинулась максимальная скорость горизонтального полета. Конструкторская практика показала, что требование увеличения скорости связано с необходимостью преодоления своего рода барьеров, затрудняющих либо вообще делающих невозможным без изменения конструкции самолета механическое увеличение скорости полета за счет использования двигательных установок все большей тяги.

Наибольшие трудности вызвали в свое время «звуковой барьер» и «тепловой барьер», хотя и другие препятствия технического и нетехнического характера составляли определенные проблемы, требующие специальных исследований и соответствующих усовершенствований конструкции самолета. К таким проблемам относили проблему управляемости самолета при околозвуковых скоростях, проблему полета на малой высоте, условно названную «психологическим барьером», а также экономические факторы, вытекающие из непрерывного и быстрого роста затрат на реализацию новых разработок. Ориентировочно можно принять, что в 40-х годах основные усилия конструкторов были направлены на решение проблемы управляемости самолета и преодоления звукового барьера, в 50-х-теплового барьера, в 60-х-психологического барьера. Для 70-х годов было характерно в принципе отсутствие технологических препятствий для дальнейшего совершенствования самолета, но одновременно и существование «экономического барьера», определяющего не столько технический уровень и летные качества самолета, сколько количественный состав авиации.

Общепринято считать, что главным препятствием к достижению самолетом сверхзвуковой скорости был звуковой барьер, который проявлялся в неожиданном резком росте аэродинамического сопротивления самолету. В действительности резкое возрастание сопротивления при околозвуковых скоростях-лишь один из аспектов звукового барьера, которому сопутствуют изменение величины и точки приложения подъемной силы самолета (а вследствии этого-утрата устойчивости), ухудшение либо полная потеря управляемости (иногда даже с противоположным эффектом управляющих воздействий), тенденция к возникновению самовозбуждающихся колебаний (особенно опасных для конструкции) и т. д. Ввиду этого многие специалисты придерживаются мнения, что преодолеть околозвуковой максимум аэродинамического сопротивления было все же относительно просто, тогда как действительным барьером оказалась проблема обеспечения самолету необходимой устойчивости, а особенно эффективности действия управляющих поверхностей во время прохождения диапазона околозвуковых скоростей. Впрочем, с этой проблемой сталкивались уже раньше.

Во время второй мировой войны авиационные поршневые моторы достигли предельных возможностей, благодаря чему самолеты в горизонтальном полете приобрели максимальную скорость ~ 700 км/ч. Попытки дальнейшего увеличения скорости полета путем оснащения самолетов двигательными установками все большей тяги приводили к неудачам. Потребовалось выяснить физические причины отрицательных явлений, которые сопутствовали таким скоростям. Оказалось, что важнейшими из них являются изменение устойчивости самолета с одновременным снижением эффективности управляющих поверхностей, а затем резкое возрастание аэродинамического сопротивления. Таким образом, оказалось, что аэродинамический расчет самолетов, развивающих во время пикирования максимальную скорость, соответствующую М = 0,7-^-0,75, не учитывает важных явлений аэродинамики, и дальнейший прогресс авиации возможен лишь при изменении аэродинамической схемы самолетов и использовании реактивного двигателя.

Рис. 1.9. Американские экспериментальные самолеты (слева снизу по часовой стрелке): Х-1А, D-558-I, XF-92A, Х-5, D-558-II, Х-4 и Х-3 (в центре).

Тем не менее проблема еще не была осознана полностью, и первые реактивные самолеты проектировались в соответствии с требованиями аэродинамики винтомоторных самолетов, либо (даже чаще) планеры этих самолетов модифицировались лишь в пределах, необходимых для установки реактивного двигателя. Однако реактивные самолеты развивали большую скорость, чем самолеты с винтомоторной силовой установкой, поэтому острота проблемы стала нарастать. Полет, в котором возникали указанные выше явления, часто заканчивался катастрофой. Причины таких катастроф были окончательно выяснены лишь в последующие годы, и только изменение аэродинамической схемы околозвукового самолета (а позднее-сверхзвукового) позволило окончательно решить эту проблему.

Стали создаваться самолеты со все большей стреловидностью крыла, меньшей относительной толщиной профиля и большей удельной нагрузкой на крыло. Очевидно, именно такое, а не иное направление развития самолета было связано с главной целью-увеличением максимальной скорости полета. Однако такая эволюция в области аэродинамики и конструкции была в принципе односторонней, так как следствием ее было не только уменьшение коэффициентов сопротивления при высоких скоростях, но и уменьшение коэффициента подъемной силы при любых скоростях. Это отрицательно повлияло, в частности, на посадочную скорость, которая с точки зрения безопасности экипажа и надежности конструкции должна быть как можно меньшей.

Резкое увеличение аэродинамического сопротивления самолета при околозвуковых скоростях полета требует увеличения тяги, необходимой для его преодоления, или изыскания способов снижения этого сопротивления. Первый путь весьма неэкономичен, поскольку двигатель большой тяги не только потребляет значительно большее количество топлива, но и, использованный в аэродинамически несовершенных самолетах, лишь несущественно увеличивает скорость полета. Такой способ вынужденно применялся в экспериментальных самолетах на начальном этапе развития сверхзвуковой авиации. Например, самолет Х-1 фирмы «Белл», сверхзвуковая скорость полета которого была достигнута именно таким путем, мог летать с работающим двигателем не дольше 5-10 мин и поэтому не был способен выполнять какие-либо боевые задания. Кроме того, как выяснилось при испытаниях этого самолета, достижение им сверхзвуковых скоростей было связано с нарушением устойчивости и управляемости и даже приводило к аварийным ситуациям. Именно с этих позиций второй путь достижения сверхзвуковых скоростей полета является экономичным, а его реализация – выдающимся этапом развития авиации.