Текст книги "Реактивные первенцы СССР – МиГ-9, Як-15, Су-9, Ла-150, Ту-12, Ил-22 "
Автор книги: Николай Якубович
Жанр:
Технические науки
сообщить о нарушении
Текущая страница: 9 (всего у книги 13 страниц)
Для расширения боевых возможностей истребителя на концах крыла БИ-6 смонтировали ПВРД М. М. Бондарюка и в мае 1944 года исследовали его в натурной аэродинамической трубе ЦАГИ. Но до полетов машины с комбинированной двигательной установкой дело не дошло.
Что касается 30 серийных планеров БИ, то из-за отсутствия потребности в них их утилизировали.
Концепция газодинамического единства
В 1941 году в Омске, куда был эвакуирован завод № 156 с тюремным конструкторским бюро ЦКБ-29, Р. Л. Бартини начал прорабатывать предложение по реактивному самолету «Р».
Если присмотреться к проектам летательных аппаратов, разработанных под руководством Роберта Людвиговича, то можно обнаружить общую черту: конструктор стремился, чтобы как можно больше агрегатов планера создавало подъемную силу при минимальном лобовом сопротивлении. По тому же пути он пошел и в годы войны, предложив проект «Р».
Для самолета «Р» была предложена несущая система типа биплана Буземана, не создающая волновое сопротивление и представляющая собой плоский прямоточный двигатель, в котором горючее и окислитель поступали вдоль размаха крыла в виде перегретых паров. Камеры сгорания изнутри выложены тонкими трубами прямоточного котла, по которым под высоким давлением проходили горючее и окислитель по принципу противотока к инжектору.
Таким образом, на старте двигательная установка работала как жидкостно-реактивный двигатель (ЖРД) с подсосом воздуха, а при больших скоростях – как прямоточный воздушно-реактивный двигатель с использованием инжекции паров горючего. Проведенные опыты с инжектором такого рода подтвердили правильность предложенной концепции.
По образному выражению И. Берлина, это была концепция «газодинамического единства планера и силовой установки».
Много лет спустя, и особенно на рубеже 1950–1960 годов, задачи тесного взаимодействия планера, силовой установки и воздушного потока, обтекающего летательный аппарат, стали доминирующими не только в работах Бартини, но и предметом исследований, направленных на создание сверхзвуковых самолетов. Достаточно отметить такие проекты, как пассажирский самолет Ту-144, бомбардировщик-ракетоносец Ту-160, многоцелевой Т-4 ОКБ П. О. Сухого, американского XB-70 «Валькирия» и др. Особенно остро этот вопрос стоит и сегодня при проектировании гиперзвуковых летательных аппаратов с воздушно-реактивными двигателями, и Бартини в этом отношении был первопроходцем.
Суть своего предложения Бартини изложил в «Объяснительной записке по определению летных данных самолета «Р», подготовленной в эвакуации в Омске и датированной 21 января 1941 года, откуда следует, в частности:
«Основная идея заключается в следующем:
1. Для рациональной компоновки реактивного двигателя с самолетом целесообразно создать машину, в которой струи двигателя и самолета взаимодействуют т. о., что(бы) интерференция увеличила тягу, уменьшила сопротивление и увеличила подъемную силу.
Такая схема осуществима путем расположения вытянутой вдоль размаха выходной щели газов реактивного двигателя на верхней стороне крыла. Тогда разряжение, созданное крылом, увеличивает скорость истечения газов реактивного двигателя, обдув же верхней стороны крыла дает уменьшение сопротивления и увеличение подъемной силы.
Данное обстоятельство, а также отсутствие винта и большое уменьшение веса машины в полете приведут к созданию самолета особой схемы.
2. Для улучшения работы воздушно-реактивного двигателя, в особенности на больших скоростях, целесообразно использовать кинетическую энергию перегретых паров топлива, вводимых в камеру сгорания. Мощность струи этих перегретых паров значительна. Если, например, на взлете расход топлива 2 кг/с и скорость его паров 1220 м/с, то их мощность равна 2000 л.с., что может быть использовано для увеличения компрессии в двигателе.
Наддув может быть осуществлен двумя различными путями:
а) непосредственно струями паров топлива через инжекцию при низком КПД компрессора, но при минимальном весе механизмов;
б) с помощью аксиального нагнетателя, приводимого в движение парами топлива, при высоком КПД, но при большом весе механизмов».
Как известно, одной из трудностей при выполнении аэродинамического расчета околозвукового самолета в те годы было определение волновой составляющей лобового сопротивления. Бартини, рассчитывая аэродинамические характеристики проекта «Р», как следует из той же пояснительной записки, «определял внешнее сопротивление <…> с учетом влияния числа Маха на Cx[11]11
Коэффициент лобового сопротивления. – Прим. авт.
[Закрыть] по эмпирическим данным.
В папке № 4 получен новый метод расчета тяги реактора при заданном геометрическом и термическом профиле канала. Этот метод дает более строгое решение величин, определяющих тягу, применение графического метода для решения дифференциального уравнения dV/ds упрощает технику вычисления».
Рисунок ракетоплана «114Р». Реконструкция М. В. Орлова.
Во многих публикациях о Бартини можно прочитать, что машина «Р» была предложена по схеме бесхвостка с крылом переменной по размаху стреловидности и двухкилевым вертикальным оперением на его концах. Лично я не встречал в архивах схему этого самолета, но документы, с которыми я работал, подтверждают лишь наличие на крыле шайб (высотой 1 метр) и сложную конфигурацию крыла средней относительной толщиной восемь процентов. Более того, как следует из упомянутой пояснительной записки, расчетная скорость самолета «Р» не должна была превышать 1250 км/ч на высоте 10 000 метров, а продолжительность полета не более 30 минут. Получается, что в январе 1941 года Бартини вполне серьезно рассматривал возможность полета со скоростью в 1,15 раза, превосходившую звуковую.
В то же время Роберт Людвигович очень осторожно относился к полученным результатам и в том же документе, подстраховав себя, приписал: «Учитывая предварительный характер расчетов, можно полагать, что максимальные горизонтальные скорости (будут) порядка 1000 км/ч».
Учел Бартини в своем предложении и вес вооружения, но поскольку все кончилось лишь прикидочными расчетами, то его состав не конкретизировался.
В любом случае сегодня это предложение выглядит просто фантастическим и не только потому, что оно было сделано, когда Красной Армии благодаря огромным усилиям удалось отбросить немецкие войска от стен Москвы. В своем предложении, а иначе это назвать нельзя, Бартини замахнулся на совершенно новые, еще не существовавшие технологии как проектирования летательных аппаратов, так и их изготовления.
В условиях, отличных от советских, предложение Роберта Людвиговича стимулировало бы развитие авиастроения путем расширения объема научно-исследовательских работ. Для этого требовалось прежде всего значительное финансирование и молодые высококвалифицированные специалисты. Ни тем, ни другим в то время Советский Союз не располагал, а в тюрьме, тем более во время страшнейшей войны, говорить о каком-либо техническом прогрессе не приходилось.
В те годы область аэродинамики летательных аппаратов, способных летать с околозвуковой и тем более сверхзвуковой скоростью, еще не была исследована, а конструкторы, берясь за разработку скоростного истребителя, как правило, пытались совместить планер дозвуковой конфигурации с реактивным двигателем. Исключение составили лишь советские конструкторы А. Москалев, Р. Бартини и немец А. Липпиш. Попытку создания реактивного самолета приписывают и К. Калинину, но найденные впоследствии документы показывают, что его проект самолета с треугольным крылом есть не что иное, как летающий автомобиль. Но если Москалев обосновал форму крыла в плане использованного в проекте самолета САМ-4 «Сигма», исходя из поперечного сечения артиллерийского снаряда, то Липпиш пришел к идее треугольного крыла по аналогии с конусом Маха. Бартини же в проекте «Р» пошел дальше всех, предложив форму несущей поверхности, близкую к оживальной, позволяющую, как известно, существенно снизить лобовое сопротивление и сократить диапазон смещения аэродинамического фокуса при преодолении звукового барьера.
О состоянии исследований в области аэродинамики сверхзвуковых скоростей можно судить по «Справочнику авиаконструктора», вышедшему из печати в 1937 году. В этом фундаментальном трехтомнике выражение «сверхзвуковая скорость» упоминается лишь три раза. Сначала разъясняется, что «при скоростях полета, больших, чем скорость звука, возмущающее действие тела не простирается вне конической звуковой волны (волны Маха), представляющей собой огибающую всех сферических звуковых волн, возбужденных движущимся телом…
Чем скорее летит тело, тем острее угол Маха».
Затем в разделе, посвященном аэродинамике воздушных винтов, говорится, что «лобовое сопротивление крыла при увеличении скорости растет сначала медленно, а по мере приближения к критической скорости значительно быстрей. Есть ПРЕДПОЛОЖЕНИЕ (выделено авт.), что коэффициент лобового сопротивления будет возрастать до достижения скорости звука, а при дальнейшем ее увеличении будет несколько убывать, оставаясь все же выше, чем при малых скоростях».
Чтобы не быть голословным, скажу, что в Советском Союзе в то время имелось лишь две сверхзвуковых аэродинамических трубы: одна в ЦАГИ (Т-15) с рабочей частью размером 100х100 мм, а другая – в Харьковском авиационном институте – с цилиндрической рабочей частью диаметром менее 50 мм. Испытываемые модели иначе как миниатюрными назвать нельзя.
Этого было явно недостаточно, чтобы определить облик сверхзвукового самолета. Ведь в те годы не было полноценных экспериментальных установок – сверхзвуковых аэродинамических труб и оборудования с рабочей частью, позволявших исследовать обтекание простейших тел и, тем более моделей самолетов, с точностью, необходимой для выбора сложной формы несущей поверхности.
Так что советским инженерам в своей работе приходилось больше рассчитывать на свою интуицию, чем на результаты чьих-то исследований.
Создавая очередной самолет, конструктор заботится не только о его аэродинамике, но и пытается решить множество сложнейших задач, одной из которых является минимизация его веса. Значительная доля веса самолета приходится на его силовую установку, создаваемую в специализированных КБ и которую конструктор не в силах облегчить. Но Бартини и здесь нашел «золотую середину», поставив задачу разработать силовую установку совместно с планером, так, чтобы она стала его неотъемлемой частью – своего рода «крыло-двигатель».
Роберт Людвигович работал на будущее, искал нестандартные, наиболее выгодные решения, но, к сожалению, по этой причине не находил сторонников среди «приземленных» чиновников.
Будущим инженерам, решившим посвятить себя авиации, хочется посоветовать не искать легких путей, иначе вы будете «топтаться» на одном месте. Смелее применяйте новые технические идеи и в то же время не превращайтесь в фантастов, не забывайте опыт Р. Л. Бартини.
Дальнейшим развитием идеи самолета «Р» стал истребитель-перехватчик «114Р», с чьей-то легкой руки получивший обозначение в советской печати Р-114. Самолеты «Р» и «114Р», на мой взгляд, разделять не следует, поскольку это были звенья одной цепи, свойственные одному проекту, только Бартини в поисках реальной конструкции пошел не по проторенному пути «от простого – к сложному», а по дороге «от сложного – к реальному», потратив на это около полутора лет.
«Если бы удалось создать самолет с вертикальной скоростью, равной уже достигнутой скорости пикирования, — рассуждал Бартини, – то дополнительно к существующим средствам противовоздушной обороны появилась бы зенитная авиация. Летчик-артиллерист выходит на огневые позиции со скоростью зенитного снаряда. Режим полета на больших скоростях изучен по опыту пикирующих истребителей. Значит, необходимо решить такую конструкторскую задачу – построить самолет, прочность которого при вертикальном подъеме будет такой же, как при пикировании».
Общий вид ракетоплана «114Р». Реконструкция М. В. Орлова.
Как свидетельствует И. Берлин, Роберт Людвигович анализировал барограммы полета снарядов разных калибров, выпущенных из зенитных орудий, и, разработав методику расчета вертикальных траекторий в среде переменной плотности, пришел к выводу, что тяговооруженность (отношение тяги двигателя к весу самолета) зенитного истребителя лишь ненамного должна превышать единицу.
Исходя из этого, в 1942 году Бартини предложил проект зенитного истребителя-перехватчика «114Р» с четырьмя жидкостно-реактивными двигателями конструкции В. П. Глушко тягой по 300 кгс. Как следует из отечественной технической литературы, крыло этого самолета имело угол стреловидности 33 градуса по передней кромке. На нем были предусмотрены устройство управления пограничным слоем крыла, инфракрасный локатор, разработанный К. Е. Полищуком, сбрасываемые после взлета колесные «тележки-шасси» и посадочная лыжа – полоз с амортизатором в виде резиновой воздушной камеры. Кроме этого, рассматривался старт перехватчика с аэроматки на высоте около 10 000 метров. Если при взлете с земли его расчетный потолок достигал 24 000 метров, то после отцепки от самолета-носителя – 40 000 метров!
Перехватчик «114Р» должен был развивать невиданную для тех лет скорость, соответствующую числу М=2! Все это по замыслам конструктора должно было обеспечить машине преимущество в бою над немецкими самолетами.
Я не видел графического изображения перехватчика, но имел удовольствие ознакомиться с «синьками» его безмоторного варианта «114Р-б», выполненного по классической схеме и датированного 17 января 1943 года. Судя по этому чертежу, планер имел управляемый стабилизатор, а для снятия усилий с ручки управления предусмотрели штурвал, с помощью которого изменялся угол установки горизонтального оперения.
Кстати, проект планера был утвержден (или согласован) известным до войны конструктором планеров А. А. Дубровиным, поскольку его фамилия фигурирует на «синьках». Особенностями планера «114Р-б», как, впрочем, и самолета, были герметичная кабина летчика и профили крыла, разработанные Бартини, так называемые дужки «Р».
На самолете предполагалось использовать связку ЖРД, разработанных под руководством В. П. Глушко также в тюремном конструкторском бюро, находившемся в годы войны в Казани, в виде эжекторного двигательного блока суммарной тягой 1200 кгс, в перехватчике, вероятнее всего, она находилась в хвостовой части фюзеляжа.
«Следов» же устройства, предназначенного для управления пограничным слоем крыла, и узлов крепления двигателей на сохранившихся чертежах машины «114Р-б» обнаружить не удалось, хотя известно, что отсос пограничного слоя с крыла осуществлялся струями ЖРД.
Построить ни «114Р», ни его безмоторный вариант так и не удалось. В. Б. Шавров объясняет это тем, что чиновники из Наркомата авиационной промышленности сетовали на отсутствие экспериментальных данных по стреловидным крыльям. Тем не менее есть все основания считать, что проект «114Р», разработанный в 1942 году, является первым в мире реальным предложением по созданию самолета со стреловидным крылом, угол которого по линии фокусов составлял 35 градусов. Поясню, что при такой стреловидности крыла волновой кризис, связанный с образованием сверхзвуковых течений на его поверхности, начинается при числе М, большем на 10 % по сравнению с прямым, свойственным дозвуковым летательным аппаратам. Впервые идею стреловидного крыла огласили в 1935 году доктор А. Буземан из Германии и профессор Т. Карман из США. Произошло это в Риме в ходе работы Международного конгресса по аэродинамике. Но это были результаты теоретических исследований. Первым же, кто предложил проект самолета с реактивным двигателем и стреловидным крылом, был Роберт Людвигович Бартини, обогнавший своих зарубежных коллег, но на этот отечественный приоритет почему-то до сих пор никто не обратил внимания.
Пользуясь случаем, следует отметить, что разработкой ракетных истребителей-перехватчиков в годы Второй мировой войны занимались лишь в СССР, Германии, Японии и США. Наибольших успехов в этом направлении добились в странах с тоталитарным режимом, и прежде всего в Германии и Советском Союзе. Причем главными аргументами авиационных конструкторов были мнимая дешевизна и короткие сроки создания подобных машин. Так рассуждали, казалось, умудренные опытом В. Ф. Болховитинов и А. М. Исаев, создавшие первый и единственный в нашей стране ракетный истребитель-перехватчик «БИ». Самолет был построен с использованием дозвуковой аэродинамики, что негативно влияло на его управляемость после преодоления рубежа скорости, соответствующей числу М>0,6. Доводкой самолета занимались до 1946 года, но с опозданием осознали всю бесперспективность этого направления в авиации.
Сравнение возможностей самолета «БИ» и проекта «114Р» показывает, что последний, в силу значительно большей тяговооруженности, превзошел перехватчик Березняка и Исаева по летным характеристикам, но только на бумаге, поскольку его создание в те годы было просто невозможно.
Осенью 1943 года, когда положение советских войск на фронтах Великой Отечественной войны после Курской битвы существенно улучшилось, группу Р. Л. Бартини реорганизовали и специалистов передали в другие подразделения.
Незавершенные проекты
В начале 1942 года авиационный инженер Л. Г. Головин предложил построить малоразмерный самолет войскового сопровождения, который можно считать ближайшим отечественным аналогом немецкой «Гадюки». По замыслам конструктора, перехватчик с лежачим положением летчика, оживальным крылом малого удлинения и твердотопливным ракетным двигателем должен был стартовать с подвижной пусковой установки в расположении войск, охраняемых объектов или с палубы корабля.
Впоследствии по рекомендации военных это предложение доработали, и в окончательном виде цельнодеревянный перехватчик приобрел классическую компоновку с сидячим расположением пилота и пушечным вооружением. Но идея подвижного старта с наземной или корабельной установки сохранилась. По расчетам получалось, что при среднем полетном весе 270 кг можно было получить скорость 1060 км/ч, скороподъемность до 270 м/с и динамический потолок 7500 метров. При этом крыло удлинением 3,6 имело площадь всего 1 м2.
Но проект так и остался на бумаге. Экспертная комиссия посчитала, что постройка машины нецелесообразна из-за малой высоты действия (5500–7500 метров), на которой сохраняла свою эффективность зенитная артиллерия.
Еще одно предложение по ракетному перехватчику исходило от Н. Н. Поликарпова. В июне 1943 года в ОКБ-51 под руководством Николая Николаевича приступили к разработке самолета под обозначением «изделие 51», или, как его еще называют, «Малютка». Как и предшественники, из-за отсутствия выбора двигателя ставку сделали на ЖРД Д-1А-1100. Позже, когда появилась информация о разработке двухкамерного ЖРД РД-2М-2, проект переделали под этот двигатель. Истребитель предполагалось оснастить двумя 23-мм пушками.
Истребитель войскового сопровождения – ИВС.
По расчетам истребитель (взлетный вес 2795 кг) с двигателем Д-1А-1100 должен был летать со скоростью до 890 км/ч, подниматься на 5000 метров за 1 минуту и иметь практический потолок 16 000 метров.
Постройка прототипа началась в 1944 году, однако смерть Н. Н. Поликарпова, последовавшая 30 июля того же года, замедлила ход работ, а в конце года и вовсе проект был свернут.
Ракетоплан НИИ-1
Весной 1944 года в НИИ-1, куда вместе В. Ф. Болховитиновым был переведен и И. Ф. Флоров, под руководством Ильи Флорентьевича и началась разработка самолета «4302» (02) с двигателем РД-1 А. М. Исаева. Поскольку двигатель РД-1 в производстве был трудоемок, дорог и тяжел (почти 100 кг), то почти одновременно с разработкой самолета «4302» приступили и к модернизации этого ЖРД в вариант РД-1М. Осенью 1945 года нашли горючее, с помощью которого удалось осуществить химическое зажигание.
Планер самолета «4302» с колесами от истребителя Ла-5.
Первый экземпляр самолета предназначался для планерных испытаний, и на нем использовалось неубираемое шасси с колесами от истребителя Ла-5.
Определенное влияние на создание самолета оказало появление в СССР в 1945 году трофейных экземпляров Me-163, с которых заимствовали идею сбрасываемой стартовой тележки и посадочной лыжи. Под аналогичное стартовое устройство построили второй экземпляр машины.
Для определения летных характеристик, включая взлет с тележки и посадку на лыжу (первые два этапа), самолета «4302» в планерном варианте приказом НКАП № 670 от 18 октября 1946 года назначили ведущим инженером А. И. Хохлачева и летчика-испытателя майора А. К. Пахомова.
Для дальнейших испытаний привлекли летчика-испытателя майора И. Ф. Якубова и ведущего инженера по самолету Т. В. Забродского.
Самолет «4302» на взлетной тележке.
Для буксирования самолета выделили буксировщик B-25 «Бостон» с экипажем во главе с В. А. Гинце.
В июле 1946 года двигатель РД-1М прошел стендовые испытания, и в декабре приступили к пробежкам самолета с использованием ЖРД. Этот двигатель отличался от предшественника не только простотой конструкции, при весе 59 кг он развивал тягу 1300 кгс.
Безмоторные полеты самолета «4302» проводились довольно долго, и лишь 25 июня 1947 года А. К. Пахомов и Т. В. Забродский подписали заключение о возможности продолжения дальнейших летных испытаний с ЖРД. В нем, в частности, говорилось: «На основании представленных[12]12
Комиссии. – Прим. авт.
[Закрыть] отчета о летных испытаниях в планерном варианте и наземных испытаний с работающим двигателем (Исаева РД-1М) <…> «4302» может быть допущен к первому вылету с работающим ЖРД.
Взлетный вес при первом вылете – 2000 кг, скорость – 600 км/ч».
Полеты с ЖРД начались в конце 1947 года, при этом была достигнута скорость 825 км/ч на высоте 5000 метров.
Третий экземпляр самолета строили с двухкамерным ЖРД РД-2М-3, но его так и не изготовили. Одной из причин тому могла стать разработка в ОКБ А. И. Микояна более прогрессивного самолета И-270.
