История самолётов 1919 – 1945 - Д. Соболев

Иногда влияние сжимаемости проявлялось и на самом самолете, обычно при пикировании на больших высотах, где волновой кризис наступает примерно на 150 км/ч раньше, чем при полете у земли. Из-за возникновения скачков уплотнения на крыле начиналась вибрация, самолет затягивало в пикирование. Чаше всего это случалось на американских Р-38 и Р-47. имевших Мкрит=0,7 (на них даже пришлось установить специальные закрылки для вывода из пикирования), реже — на Р-51 с ламинарным профилем (Мкрит=0.,8), еще реже — на «Спитфайре», отличавшимся тонким крыльевым профилем (Мкрит=0,9) [13,с.32; 17, с. 143]. На советских истребителях, действовавших на небольших высотах, случаев влияния сжимаемости не отмечалось.

Итак, становилось ясно, что, несмотря на все ухищрения (введение форсированных режимов работы мотора, применение нагнетателей, использование энергии выхлопа с помощью специальных реактивных насадок), возможности двигателя внутреннего сгорания с воздушным винтом исчерпаны. Для освоения новых диапазонов скорости и высоты полета требовался переход к другому типу силовой установки — реактивному двигателю.

Паллиативной мерой явилось создание двигателей комбинированного типа, с использованием реактивной тяги в качестве дополнительного ускорителя в полете. Для этого под фюзеляжем или на крыльях устанавливали небольшие реактивные двигатели типа ПВРД или ЖРД. Наибольший размах эти работы имели в СССР, где к концу войны из-за меньшей мощности поршневых двигателей наметилось отставание военных самолетов по высоте и скорости от лучших образцов зарубежной авиационной техники. Впервые возможность применения ПВРД на истребителе испытали в 1940 г. на самолетах И-15бис и И-153, расположив под крыльями два таких двигателя. Позднее в качестве эксперимента прямоточные воздушно-реактивные двигатели ставили на истребителях ЛаГГ-3 и Як-7Б.

Рис. 4.63. Изменение КПД винта на околозвуковых скорости

Включение ПВРД давало прирост скорости на 30–50 км/ч, однако из-за большого аэродинамического сопротивления этих двигателей максимальная скорость истребителя с неработающими ПВРД была заметно меньше, чем у такого же самолета без вспомогательных силовых установок. Кроме того, «прямоточки» расходовали массу горючего (60–70 кг/мин). Поэтому вскоре от такого способа отказались.

Установка ЖРД в хвостовой части фюзеляжа не вела к увеличению Схо. Кроме того, при испытаниях в 1943–1945 гг. на бомбардировщике Пе-2 и истребителях Як-3, Jla-7 и Су-7 было установлено, что использование ЖРД-ускорителя (РД-1 с тягой 300 кг) дает более заметый прирост скорости: от 70 до 180 км/ч. Но недостаточная надежность работы жидкостно-ракетного ускорителя и необходимость иметь на борту запас едкой азотной кислоты, используемой в качестве окислителя, сильно затрудняли эксплуатацию. К тому же РД-1 оказался сшс более «прожорливым», чем ПВРД-ускорители: за одну минуту он сжигал 90 кг топлива. Поэтому и этот метод увеличения максимальной скорости полета не получил распространения в ВВС [18; 44].

Другим типом комбинированного воздушно-реактивного двигателя была мото- компрессорная силовая установка. Первый самолет этого типа построили в Италии на фирме Капрони в августе 1940 г. (рис. 4.64). Силовая установка состояла из поршневого двигателя «Изотта-Фраскини» мощностью 900 л.с., который приводил в действие трехступенчатый компрессор расположенного сзади воздушно-реактивного двигателя. Такая конструкция позволяла обойтись без турбины, являвшейся камнем преткновения на пути создания ТРД из-за того, что материал лопаток не выдерживал сверхвысоких температур за камерой сгорания. Однако полетные испытания показали бесперспективность этой силовой установки — из-за ее низкого КПД максимальная скорость самолета составила всего 330 км/ч [39, с. 72].

Рис. 4.64. Экспериментальный самолет Капрони-Кампиии

В экспериментальной реактивно-винтовой моторной установке, сконструированной в 1943–1945 гг. в СССР под руководством К. В. Холщевникова, тяга создавалась совместным действием воздушного пропеллера и ВРД с осевым компрессором, приводимым во вращение от поршневого мотора ВК-107 с помощью удлинительного вала. Истребители с таким двигателем И-107(Су-5) и И-250(МиГ-13) испытывались в марте-апреле 1945 г., а последний даже строился небольшой серией [8, с. 431–435].

Из-за большого веса поршневого двигателя и нерешенных проблем, обусловленных падением КПД пропеллера па высоких скоростях, создание силовых установок комбинированного типа не оправдало себя. Реальный скачек в развитии летно-технических характеристик самолетов был достигнут только тогда, когда двигатель внутреннего сгорания был окончательно заменен реактивным.

Первой страной, наладившей серийный выпуск реактивных самолетов, была Германия. Как отмечалось, опыты с реактивными самолетами немецкие конструкторы начали еще до войны. Работы велись в двух направлениях: создание ракетных самолетов с ЖРД и создание турбореактивных самолетов (табл. 4.15).

* — расчетные значения

Испытания первого в мире ракетного самолета Не-176 летом 1939 г. показали принципиальную возможность полета с помощью ЖРД, однако максимальная скорость, которую достиг этот летательный аппарат после 50 секунд работы двигателя, составила только 345 км/ч. Полагая, что одной из причин этого является консервативная «классическая» схема самолета Хейнкеля, руководители Исследовательского отдела Министерства авиации предложили использовать ракетный двигатель на «бесхвостке». По их заказу немецкий авиаконструктор А. Липпиш, занимавшийся до этого проектированием аппаратов типа «летающее крыло», в 1940 г. построил экспериментальный самолет-«бесхвостку» DFS-I94 с таким же ЖРД Вальтер R1-203. Из-за небольшой тяги двигателя (400 кг) и непродолжительности его работы (I мин.) скорость самолета оказалась не больше, чем у винтомоторных самолетов. Однако вскоре был создан ЖРД Вальтер R2-203, способный развивать тягу 750 кг. Заручившись поддержкой фирмы Мессершмитт, Липпиш выпустил новый ракетный самолет Me-163Л, с двигателем R2-203. Воктябрс 1941 г. X. Диттмар, после подъема самолета на буксире на высоту 4000 м, запустив двигатель, через несколько минут полета на полной тяге достиг невиданной прежде скорости — 1003 км/ч [45, с. 46]. Казалось бы, после этого немедленно последует заказ на серийное производство самолета в качестве боевой машины. Но немецкое военное командование не торопилось. В то время ситуация в войне складывалась в пользу Германии, и нацистские лидеры были уверенны в скорой победе с помощью имеющихся у них вооружений.

Однако к 1943 г. положение стало иным. Немецкая авиация быстро утрачивала свое лидирующее положение, ухудшилась ситуация на фронтах. Над территорией Германии все чаще появлялись самолеты противника, все более мощными становились бомбовые удары по немецким военным и промышленным объектам. Это заставило серьезно задуматься над усилением истребительной авиации, и идея создания высокоскоростного ракетного истребителя-перехватчика стала чрезвычайно заманчивой. К тому же, был достигнут прогресс в развитии ЖРД — новый двигательфирмы Вальтер HWK 109-509А с увеличенной температурой сгорания топлива мог развивать тягу до 1700 кг. Самолет с этим двигателем получил обозначение Me-163В. В отличие от экспериментального Ме-163А он имел пушечное вооружение (2x30 мм) и бронезащиту пилота, т. е. представлял собой боевой самолет.

В связи с тем, что доводка HWK 109-509А затянулась, первый серийный Ме-163В поднялся в воздух только 21 февраля 1944 г., а всего до конца войны было построено 279 таких самолетов [45, с. 53]. С мая 1944 г. они принимали участие в боевых действиях в качестве истребителя-перехватчика на Западном фронте. Так как радиус действия Me-163 был невелик — всего окаю 100 км, предполагалось создать целую сеть специальных групп перехвата, расположенных на расстоянии примерно 150 км друг от друга и защищающих Германию с северного и западного направлений.

Ме-163 представлял собой «бесхвостку» со стреловидным крылом (рис. 4.65). Фюзеляж имел металлическую конструкцию, крыло — деревянную. Стреловидность крыла в сочетании с аэродинамической круткой использовалась для продольной балансировки самолета без горизонтального оперения. Вместе с тем, как выяснилось позднее, применение стреловидного крыла позволяло снизить волновое сопротивления на околозвуковых скоростях полета.

Из-за большой тяги двигателя по скорости Me-163 превосходил другие реактивные самолеты периода второй мировой войны и обладал невиданной прежде скороподъемностью — 80 м/сек. Однако его боевую эффективность сильно снижала очень малая продолжительность полета. Вследствие большого удельного расхода горючего и окислителя жидкостно-ракетным двигателем (5 кг/сек) их запаса хватало только на 6 минут работы ЖРД на полной тяге. После набора высоты 9-10 км летчик имел время только на одну короткую атаку. Весьма сложным были также взлет и посадка из-за необычного шасси в виде отдаляемой тележки (посадка осуществлялась на выдвигаемую из фюзеляжа лыжу). Частые случаи остановки двигателя, высокая посадочная скорость, неустойчивость при разбеге и пробеге, большая вероятность взрыва ракетного топлива при ударе — все это, по свидетельству очевидца событий, явилось причиной множества катастроф [46].