Развитие самолетов-истребителей
Развитие самолетов-истребителей
Истребители являлись существенной составной частью военно-воздушных сил. К сентябрю 1939 г. истребительная авиация составляла 35,1 % самолетов Люфтваффе, в ВВС Англии доля истребителей равнялась 48 %, в ВВС Франции — 41 %, в ВВС Италии — 25 %. в ВВС Японии — 34 %, в ВВС США — 34 %, в советской авиации — 38.6 % [1, с. 178].
Различный «удельный вес» истребителей в отдельных странах объясняется особенностями военных доктрин этих стран. Так, родина доктрины Дуэ Италия делала ставку на развитие бомбардировщиков; Германия, разработавшая концепцию «молниеносной войны» («Блицкриг»), считала, что авиация в первую очередь должна применяться для внезапного массированного удара по наземным целям и использоваться как своего рода «летающая артиллерия», а истребители должны вступать ь дело уже позднее, для окончательного завоевания господства в воздухе. Этих ж. взглядов придерживалось военное руководство Японии. В США налагали, что океанские просторы, отделяющие их континент от театра военных действий, являются, надежной защитой от вражеских бомбардировщиков, и поэтому не уделяли разработке истребителей такого внимания как в Европе. Наиболее активно развивали истребительную авиацию СССР, Англия и Франция — страны, находившиеся (¦ непосредственной близости от агрессивно настроенной Германии и понимавшие необходимость защиты своего воздушного пространства. Следует, правда, отметить что в Советском Союзе долгое время делалась ставка на нанесение мощного ответного удара по тылам противника (в 1937 г. на 8139 находившихся на вооружении самолетов приходилось всего 2225 истребителей [2, с. 183]), поэтому к моменту вторжение Германии в Польшу относительная доля истребителей в нашей стране была несколько меньше, чем в Англии и Франции.
В дальнейшем доля истребителей в общем выпуске военных самолетов неуклонно возрастала (исключение из этой закономерности представляет СССР, где с 1941 г делался акцент на выпуск самолетов-штурмовиков: в 1942–1943 гг. их построили почти столько же, сколько истребителей).
Характерно, что чем ближе к поражению находилась страна, тем больше было относительное число выпускаемых ею истребителей (табл. 4.1).
Таблица 4.1. Доля истребителей в обшем выпуске самолетов (в процентах) [3;4:5]
Основные типы истребителей, имевшиеся на вооружении в 1939 г, а также годы их выпуска и число построенных экземпляров показаны в таблице 4.2. Технические особенности этих машин рассматривались в предыдущей главе. Все представленные истребители можно разделить на две группы: 1) морально устаревшие или неудачные самолеты, которые были сняты с производства в самом начале 40-х годов: 2) самолеты, имевшие потенциал для развития и выпускавшиеся в больших количествах в течение всей или почти всей войны.
К первой группе относятся все японские и советские истребители, английский Глостер «Гладиатор», первые американские истребители со свободнонесущим крылом Северский Р-35 и Кертисс Р-36, итальянские самолеты фирмы «Фиат». Многие их этих машин имели устаревшую схему биплан («Гладиатор», Фиат CR.42. И-15бис. И-153), а у самолетов с монопланным крылом из-за недостаточно мощных двигателей и посредственной для конца 30-х годов аэродинамики максимальная скорость не превышала 500 км/ч.
К числу самолетов-«долгожителей» относятся немецкие Мессершмитт Bf. 109 и Bf. 110 (последний, однако, из-за своей ограниченной скорости и маневренности с 1940 г. чаще применялся как ночной истребитель, разведчик и самолет поддержки наземных войск), английские Хокср «Харрикейн» и Супермарин «Спитфайр» и американский Ксртисс Р-40. Все эти истребители принимали участие в боевых действиях с первого дня войны (Р-40 — в ВВС Франции), а их общий выпуск составил почти 90 тысяч.
Таблица 4.2. Основные типы истребителей, находившихся на вооружении к началу второй мировой войны
Примечание: в скобках — годы выпуска/общее количество построенных самолетов
СССР. Италия, Япония и США. воспользовавшиеся непродолжительным временем с сентября 1939 г. до вступления этих стран в войну[26], сумели наладить выпуск более отвечающих современным требованиям истребителей, большинство из которых также можно отнести к разряду «долгожителей». В Советском Союзе это были Як-l, ЛаГГ-3 и МиГ-3, в Италии — Макки МС-200, в Японии — Мицубиси А6М, более известный в Европе и США как «Зеро», Накадзима Ki-43 и двухмоторный Кавасаки Ki-45, в США — Р-38 «Лайтнинг» и Р-39 «Эркобра».
Для СССР необходимость создания новых типов истребителей выявилась в последние годы войны в Испании, после появления там немецкого Мессершмитт Bf.109E с двигателем DB-601 мощностью 1100 л.с., обладающего явным превосходством над И-16 по скорости на всех высотах. В техническом превосходстве немецких самолетов убеждали также командировки советских авиационных специалистов в Германию осенью 1939 г. «Германское самолетостроение шагнуло весьма далеко и вышло на первое место мировой авиационной промышленности», — таково было мнение известного советского конструктора истребителей Н. Н. Поликарпова [6].
В разработке нового истребителя приняло участие 12 конструкторских коллективов. Для серийного производства выбрали три машины: Як-1 (первоначальное обозначение — И-26) А. С. Яковлева, ЛаГГ-3 (И-301) конструкторов С. А. Лавочкина, В. П. Горбунова и М. И. Гудкова и МиГ-3 (И-200) А. И. Микояна и М. И. Гуревича. Все эти самолеты представляли собой одноместные низкопланы с двигателями водяного охлаждения; они имени практически одинаковые размеры и площадь крыл.: (табл.4.3).
Таблица 4.3. Характеристики крупносерийных истребителей СССР, Италии, Я по нии и США, принятых на вооружение в период с 1 сентября 1939 г. до времени вступления указанных стран в мировую войну
Примечания: Максимальная скорость дана на высоте, приведенной в скобках
Вместе с тем, каждый самолет обладал характерными особенностями. Як-1 (рис. 4.1) был самым легким и имел смешанную конструкцию. Фюзеляж был выполнен из сварных хромансилевых труб, с дюралюминиевой, а за кабиной — с полотняной обшивкой. Крыло имело деревянные коробчатые лонжероны и фанерную обшивку. Для экономии веса его выполнили неразъемным, т. е. консоли нельзя было отстыковать от центроплана.
Особенностью ЛаГГ-3 с таким же двигателем М-105П являлась его цельнодеревянная конструкция, наиболее нагруженные элементы изготавливались из дельта- древесины. Это было сделано для того, чтобы избежать проблем с дефицитным в нашей стране дюралюминием, особенно при необходимости массового выпуска самолетов. Самолет получился перетяжеленным, примерно на 200 кг тяжелее, чем Як-1. Возросшая нагрузка на мощность негативно сказалась на скороподъемности и маневренности истребителя. Кроме этого, самолет оказался тяжелым в управлении, был склонен к штопору и поэтому не пользовался любовью летчиков.
Нис.4.1. Истребитель Як-1
Наибольшие надежды связывали с истребителем МиГ-3 (рис. 4.2). Как и Як-1, он имел смешанную конструкцию, однако вместо полотна повсюду применили фанерную обшивку. При испытаниях в августе 1940 г. опытный экземпляр самолета достиг скорости 651 км/чна высоте 7000 м [7,с. 10] — значительно больше, чем истребители других стран. По максимальной высоте полета — 12000 м — он также не имел себе равных среди серийных машин. Такие характеристики были достигнуты благодаря установке на самолете мощного высотного двигателя АМ-35А с односкоростным центробежным нагнетателем, обеспечивающим на номинальном режиме давление наддува 1040 мм — больше, чем на других серийных моторах того времени. В результате на высоте 6000 м АМ-35А на 40 % превосходил по мощности мотор М-105 |8. с. 25 |. Правда, и весил такой двигатель больше — 800 кг (вес М-105 равнялся 600 кг) [9, с. 226].
Как отмечалось в предыдущей главе, предположение, что будущая война в воздухе будет происходить на больших высотах, имело немало приверженцев. К этому, казалось бы, вела и логика развития военной авиации, сформулированная в лозунге «Выше! Быстрее! Дальше!». Поэтому МиГ-3 расценивался как весьма перспективная машина. Не случайно, что до 22 июня 1941 г. этих самолетов было выпущено значительно больше, чем других советских истребителей «нового поколения».
Однако, как показала жизнь, подавляющее большинство воздушных боев между советскими и немецкими истребителями происходило на высотах до 4500 м. Это объясняется тем, что в условиях активных боевых действий на земле самолеты применялись, в основном, для непосредственной поддержки войск, т. е. для прикрытия пехоты, боевой техники, транспортных коммуникаций — объектов, которые противник атаковал с малых высот. В этих обстоятельствах тяжелый МиГ-3 заметно уступал по характеристикам другим истребителям из-за бесполезных у земли потерь мощности на привод нагнетателя своего высотного двигателя[27]. Другим недостатке самолета являлось отсутствие пушечного вооружения, снижавшее эффективное г его боевого применения. Оставляли желать лучшего и пилотажные качества самолс та, требовавшие от летчика высокой квалификации. В 1942 г. выпуск МиГ-3 прекратили.
Рис. 4.2 Истребитель МиГ-3
Таким образом, лучшим из «тройки» новых советских истребителей оказался самолет Яковлева. И это не случайно. В отличие от создателей МиГ-3 и ЛаГГ-3 А. С. Яковлев имел опыт проектирования спортивных монопланов и мог опереться на него при разработке истребителя. Благодаря этому ему удалось добиться удачного сочетания скоростных качеств истребителя с маневренностью и легкостью в управлении, характерных для спортивного самолета. Следует отметить высокую культур;, весового проектирования Як-1 — самого легкого из советских истребителей нового поколения.
В Италии в конце 1939 г. на вооружение поступил Макки МС-200 (рис. 4.3) — первый итальянский истребитель, развивающий скорость более 500 км/ч. Его конструктором был создатель известных гоночных гидросамолетов М. Кастольди. Недостатками МС-200 являлись сравнительно маломощный двигатель воздушного охлаждения, открытая кабина, вызывающая дополнительное сопротивление в полете, и отсутствие пушечного вооружения. Однако отличная маневренность, обусловленная малой нагрузкой на крыло, в значительной степени компенсировала эти недостатки. В результате в начальной стадии войны МС-200 успешно соперничал с более скоростным, но менее вертким «Харрикейном».
Рис. 4.3. Истребитель МС-200
Япония, так же как СССР, в 1940–1941 гг. сумела обеспечить себя новыми типами истребителей взамен устаревших Мицубиси А5М и Накадзима Ki-27 — монопланов с неубираюшимся шасси и максимальной скоростью полета около 450 км/ч. На смену им пришли палубный истребитель Мицубиси А6М и самолет Накадзима Ki-43 для армейской истребительной авиации.
Как и А5М, А6М был создан под руководством конструктора Йиро Хорикоши. В соответствии с требованиями ВМС от 1937 г., он должен был иметь скорость не менее 500 км/ч, очень мощное для того времени вооружение — 2 пушки и 2 пулемета, и при этом не уступать по маневренности своему предшественнику — А5М [5. с. 224]. Конструкторам фирмы Мицубиси удалось не только удовлетворить, но да же превзойти эти требования. Хорошая аэродинамика обеспечила самолету при сравнительно маломощном двигателе максимальную скорость более 500 км/ч. Он отличался большой дальностью, необходимой для сопровождения палубных бомбардировщиков и торпедоносцев, а легкость конструкции и сравнительно большая площадь к рыла дал и A6М превосходные маневренные характеристики. На внешней подвеске машина могла нести бомбы весом до 120 кг или подвесной топливный бак. Следует, правда, отмстить, что самолет имел не протектированные баки и отсутствовала бронезащита пилота, но в начале 40-х годов японские авиаконструкторы еще не считали это недопустимым недостатком.
Первый полет Мицубиси А6М (рис. 4.4) состоялся 1 апреля 1939 г. Летом того же ода самолет стал поступать на вооружение. Первые 15 серийных самолетов превосходно зарекомендовали себя в небе Китая, а к моменту нападения Японии на Пирл Харбор японский флот располагал уже 400 А5М2 — модификацией с более мощным двигателем и складывающимися законцовками крыла.
Рис. 4.4. Истребитель Мицубиси А6.М1
Армейский Накадзима Ki-43 внешне весьма напоминал своего палубного собрата Он также был снабжен двухрядным 14-цилиндровым звездообразным двигателем фирмы «Накадзима», имел низкорасположенное крыло, каплевидный фонарь кабины летчика, убирющееся в крыло шасси. По сравнению с А6М Ki-43 был меньше, легче, дешевле в производстве. Но по летным свойствам самолет оказался менее удачным. Рекордно низкая нагрузка на крыло (вдвое меньше, чем у английских, немецких и советских истребителей) делала Ki-43 очень маневренным, но ухудшала скоростные качества машины, максимальная скорость которой оказалась всего 495 км/ч. Вместо пушек были установлены пулеметы, что заметно снижало боевую мощь самолета. Сверхлегкая конструкция плохо «держала удар» в бою — известны случаи, когда всего несколько попаданий из крупнокалиберного пулемета приводили к разрушению самолета в воздухе [10, с. 163]. Тем не менее, этот технологичный и недорогой маневренный самолет выпускался в течение всей войны и. благодаря своей исключительной маневренности, иногда выходил победителем в схватке с более скоростными английскими и американскими истребителями.
Специально для охраны тяжелых бомбардировщиков в 1941 г. начал поступать на вооружение двухместный двухмоторный истребитель Кавасаки Ki-45 с дальностью полета более 2000 км. По схеме и характеристикам это был самолет типа немецкого Мессершмитт Bf. 110. Похожа и судьба этих машин: обладающие достаточно высокой скоростью, но тяжелые и маломаневренные, они не смогли конкурировать в бою с одноместными истребителями и после непродолжительного периода применения по прямому назначению, сопровождавшегося их тяжелыми потерями, были переведены в разряд ночных истребителей-перехватчиков, штурмовиков или разведчиков.
Американские истребители Р-38 и Р-39, выпуск которых начался в 1940 г., отличались необычностью конструкторских решений. Первый из них был создан в ответ на тактико-технические требования военного ведомства США от 1937 г. на новый высотный истребитель-перехватчик, он же — истребитель сопровождения. Согласно этим требованиям самолет должен был развивать скорость не менее 580 км/ч на высоте 6100 м и 467 км/ч у земли, высоту 6 км достигать не более, чем за 6 минут и, к тому же, иметь большую дальность полета [5, с. 230].
Большинство авиастроительных фирм посчитали такие условия невыполнимыми, но конструкторы фирмы Локхид X. Хаббард и К. Джонсон решили пойти на риск и попытаться исполнить заказ. Чтобы достичь требуемых скоростных и высотных характеристик, они остановили выбор на двухдвигательном варианте, а двигатели решили снабдить недавно вышедшими из стадии экспериментов турбокомпрессорами. Кроме двигателей с турбонаддувом самолет имел множество других характерных технических особенностей. Это и общая его схема — двухбалочный моноплан с короткой гондолой-фюзеляжем, и впервые примененное на истребителе убираемое шасси с носовой стойкой, и каплевидный фонарь кабины пилота (рис. 4.5).
Очень большое значение удалялось уменьшению аэродинамического сопротивления. Так, листы обшивки соединялись встык, а не внахлест, как на других американских истребителях, повсеместно применялись заклепки с потайными головками, радиаторы двигателей были расположены по бокам хвостовых балок, а радиатор для охлаждения поступающего от турбокомпрессоров воздуха поместили внутрь крыла. Так как самолет отличался очень высокой нагрузкой на крыло — 235 кг/м?, на крыле установили выдвижные закрылки Фаулера.
Первый полет машины, получившей название «Лайтнинг» («Молния»), состоялся 27 января 1939 г. Вскоре на нем был осуществлен перелет через США от Тихого до Атлантического океана за рекордно короткое время — 7 часов 2 минуты, всего с двумя посадками для дозаправки. Максимальная скорость машины при испытаниях составила 655 км/ч (т. е. на 85 км/ч больше заданной), потолок — 12000 м. Необычно мощным было вооружение самолета: в свободной от двигателя носовой части фюзеляжа располагались 37-мм пушка и 4 крупнокалиберных пулемета.
Рис. 4.5. Истребитель Локхид Р-38 «Лайтнинг»
Рис. 4.6 Силовая установка самолет P-39
Несмотря на высокую стоимость Р-38 — 120400 долларов (в три раза больше, чем стоимость «Харрикейна») [1, с. 496], характеристики истребителя произвели такое впечатление на военных, что уже в апреле 1939 г. последовал заказ на серию этих машин. Первая партия — 36 самолетов P-38D, была изготовлена в 1940 г., а с 1941 г начался выпуск Р-38Е с менее крупнокалиберной, но зато более скорострельно. 20-мм пушкой. В отличие от опытного образца, эти самолеты имели протектированные топливные баки.
Интересно, что Р-38 стал первым американским истребителем, уничтожившим немецкий самолет поете вступления США во вторую мировую войну. Это случилось 7 декабря 1941 г., когда пилот Р-38Е сбил четырехмоторный FW-200 над Атлантикой, вблизи побережья Исландии [10, с. 227].
Почти одновременно с Р-38 на испытания вышел другой американский истребитель — Белл Р-39 «Эркобра». Так же как самолет фирмы Локхид. он создавался как высокоскоростной истребитель-перехватчик с двигателем водяного охлаждения Аллисон V-1710 с турбокомпрессором. Однако «техническая изюминка» Р-39 заключалась в другом: конструкторы, под руководством Р. Вуда, решили расположить двигатель за кабиной пилота, вблизи центра тяжести самолета. Установленный в носу пропеллер приводился в движение с помощью вала длиной 2,5 м, соединяющего двигатель с редуктором воздушного винта (рис. 4.6). В освободившееся в носовой части пространство убиралась передняя стойка шасси; там же располагались стреляющая через ось пропеллера 37-мм пушка и два синхронных 12,7-мм пулемета.
Основными преимуществами указанной компоновки были меньший продольный момент инерции самолета (наиболее массивный агрегат — двигатель — находился е центре фюзеляжа) и, следовательно, лучшая маневренность истребителя, удобство размещения оружия, обтекаемая форма суживающейся вперед носовой части фюзеляжа и хороший обзор из кабины. При испытаниях весной 1939 г. Р-39 показал скорость 627 км/ч и отличную скороподъемность. Однако последующая доработка, заключавшаяся в введении бронезащиты, протектировании топливных баков, установке двух дополнительных пулеметов и усилении задней части фюзеляжа и узлов крепления двигателя (для уменьшения опасности, что при ударе двигатель сорвется со своего места и раздавит пилота), привела к перетяжелению самолета примерно на 800 кг. Летные характеристики еще больше ухудшились после того, как в 1941 г. на модели P-39D вместо турбонагнетателя установили обычный одно- скоростной нагнетатель с механическим приводом[28].
В результате самолет перестал удовлетворять требованиям к высотному истребителю-перехватчику. Основной потенциальный заказчик Р-39, ВВС Англии, отказался от самолета, и большую часть построенных машин направили в СССР в качестве помощи по «ленд- лизу» (рис. 4.7). При сравнительно небольших высотах, на которых происходили воздушные бои на Восточном фронте, в нашей стране они сослужили неплохую службу. Позднее в СССР поступал истребитель Белл Р-63 «Кингкобра», являвшийся модификацией Р-39. Он имел более высотный двигатель с двухступенчатым нагнетателем, улучшенный профиль крыла, увеличенные размеры крыла и вертикального оперения [8, с. 247–252].
* * *
Как известно, в условиях войны самолет быстро устаревает, требуется все более совершенная техника. Характерной чертой развития авиации в годы второй мировой войны было то, что совершенствование истребителей шло, в основном, по пути модификации созданных в конце 30-х — начале 40-х годов образцов, тогда как в период 1914–1918 гг. ежегодно появлялись новые конструкции, отличавшиеся по схеме, материалам, типу двигателя. Этому можно дать несколько объяснений. Во-первых, к концу 30-х годов сложилась оптимальная схема винтомоторного самолета — свободнонесущий моноплан с работающей обшивкой и тянущим пропеллером. Во-вторых, производство самолетов велось теперь конвеерным методом, и коренное изменение конструкции вызвало бы временную остановку производственного процесса, что в условиях напряженных боевых действий и необходимости постоянно восполнять боевые потери являлось недопустимым. В годы первой мировой войны самолеты были значительно проще по конструкции, их производство нередко велось полукустарными методами, и смена модели мало отражалась на общих темпах выпуска боевой авиатехники.
Рис. 4.7. «Эркобра» в СССР
Рассмотрим процесс модификации самолетов на примере четырех самых массовых истребителей периода второй мировой войны: «Спитфайр», Bf. 109, «Як» и «Ла» («ЛаГГ»). Каждая из этих машин была построена в количестве более 20 тысяч экземпляров.
Таблица 4.4. Модификации истребителей «Спитфайр», Bf.109, «Як» и «ЛаГГ»(«Ла»)
«Спитфайр» Мк. I ……….1938 ……«Мерлин-2»…… 1000/1050….. 2640 …..117……. 2.64/2,51….. 8x77
«Спитфайр» Мк. V……….1941……. «Мерлин-45»…. 1115/1150….. 2920….. 130……. 2,62/2.54….. 2x20 4x7.
Введено бронирование летчика и агрегатов. Усилены лонжероны крыла. Полотняная обшивка элеронов заменена металлической.
«Спитфайр» Мк. IХ……..1942 …… «Мерлин-66»…. 1410/2170…… 3290….. 146……. 2.41/1,56…. 2x20 4x7.7
Установлен радиатор охлаждения топливной смеси. Применен 4-лопастный винт. Носовая часть фюзеляжа удлинена на 0,6 м. Увеличен размер руля направления, рули высоты — с металлической обшивкой. Для лучшего обзора увеличена выпуклость фонаря кабины
«Спитфайр» Мк. ХIV……1943…… «Гриффон-66»…1540/2450….. 3810….. 169……. 2,47/1,56…. 2x20 4x7.7
Установлен 5-лопастной винт. Увеличена площадь радиаторов. Хвостовое колесо сделано убирающимся. Усилено шасси. Увеличена площадь киля.
«Спитфайр» Мк.21……..1945……. «Гриффон-61». 1740/2450….. 4224….. 186……. 2.54/1,72…. 4x20
Усилена конструкция планера. Новое крыло с цельноштампованными лонжеронами. Введены щитки ниш уборки шасси. Изменена форма законцовок крыла. Увеличены размеры элеронов.
Bf.109Е-3…………………… 1939……. DB-601A……….. 1000/1175…… 2610….. 159……. 2,61/2,22…. 2x20 2x7.9
Bf.109F-1…………………… 1941……. DB-601N……….. 1100/1270…… 2750….. 170……. 2,50/2,17…. 1x15 2x13
Улучшена форма капота двигателя. Увеличен размер кока винта. Радиаторы сильнее «утоплены» в крыло. Скруглены законцовки крыла. Ликвидирован подкос горизонтального оперения. Хвостовое колесо сделано полуубираюшимся.
Bf.109G-2…………………… 1942……. DB-605A………. 1380/1800…… 3100…… 191…… 2,25/1,72…. 1x20 2x13
Для большей высотности применена система впрыска закиси азота в двигатель. Усилена конструкция планера и шасси.
Bf.109G-10…………………. 1944……. DB-605D……….. 1380/2000….. 3680…… 229…… 2,67/1,84…. 1x30 2x13
Для кратковременного форсирования мощности применена система впрыска в двигатель водо-метаноловой смеси. Улучшены обводы маслорадиатора. Усилено бронирование.
Bf.109К-4…………………… 1944……. DB-605DCM…. 1435/2000…… 3380…… 210…… 2,36/1.69…. 1x30 2x13
Упрощена конструкция фонаря кабины. Введена дополнительная бронезащита пилота. В конструкции оперения и задней части фюзеляжа металл заменен на дерево. Установлены щитки, закрывающие ниши уборки шасси. Хвостовое колесо — полностью убирающееся.
Як-1………………………….. 1940……. М-105П…………. 1050…………… 2950…… 171……. 2,79………… 1x20 2x7.6
Як-7Б………………………… 1942……. М-105ПФ……… 1180/1260…… 3010…… 175……. 2,55/2,39…. 1x20 2x12,7
Измененена конструкция моторамы. Центровка самолета смещена вперед. Хвостовое колесо сделано убирающимся. Усовершенствована форма всасывающих патрубков, улучшена внешняя отделка планера. Введены щитки, закрывающие ниши уборки шасси.
Як-9………………………….. 1942……. М-105ПФ……… 1180/1260…… 2870…… 167……. 2,43/2,28…. 1x20 1x12,7
Деревянные лонжероны крыла заменены металлическими. Для улучшения обзора понижен гаргрот за кабиной.
Як-3………………………….. 1944……. М-105ПФ2……. 1240/1290…… 2700…… 182……. 2,18/2,09…. 1x20 2x12.7
Площадь крыла уменьшена на 2,3 кв. м, На 2 % уменьшена относительная толщина профиля. Применен новый, более «утопленный» в фюзеляж водорадиатор. Маслорадиаторы из-под двигателя перемешены в центроплан крыла. Полотняная обшивка фюзеляжа заменена фанерной. Улучшены формы зализов крыла, кока винта, козырька фонаря кабины. Улучшена герметизация фюзеляжа.
Як-9У……………………….. 1944……. ВК-107А……….. 1500/1650…… 3200….. 187…….. 2,14/1,94…. 1x20 2x12.7
Установлены новые водо- и маслорадиаторы увеличенной площади. Крыло сдвинуто на 0,1 м вперед. Толщина обшивки фюзеляжа увеличена с 2 до 3 мм. Улучшена оттделка внешней поверхности.
Лагг-3………………………. 1940……. М-105П…………. 1050……………. 3150….. 180……. 3,0…………….1x20 1x12,7
Ла-5…………………………. 1942……. М-82……………… 1330/1700……. 3210….. 182……. 2,41/1,89….. 2x20
В связи с заменой двигателя изменена форма передней части фюзеляжа. Хвостовое колесо сделано убирающимся. В конструкции дельта-древесина постепенно заменена недефицитной сосной.
Ла-5Ф………………………. 1943……. М-82Ф………….. 1540/1700…….. 3326…. 192……. 2,20/1,96….. 2x20
Улучшен обзор из кабины. кроме переднего бронировано также заднее стекло фонаря кабины.
Ла-5ФН……………………. 1943……. М-82ФН……….. 1630/1850…….. 3290…. 188……. 2.02/1,78….. 2x20
Применен непосредственнный впрыск топлива в цилиндры. Облегчено шасси. Улучшена теплоизоляция кабины. Снижены усилия на ручке управления.
Ла-7…………………………. 1944……. АШ-82ФН…….. 1630/1850…….. 3315…. 189……. 2,03/1,79….. 3x20
Деревянные лонжероны заменены металлическими. Воздухозаборник перенесен с капота в центроплан крыла, масло радиатор — под фюзеляж за центропланом. Улучшена герметизация.
Как следует из таблицы 4.4., совершенствование самолетов-истребителей заключалось, главным образом, в:
— повышении мощности силовой установки;
— улучшении аэродинамики самолета;
— усилении конструкции планера и его боевой живучести;
— установке более мощного вооружения.
Мощность двигателя может быть повышена за счет увеличения объема цилиндров, числа оборотов, а также большего расхода рабочей смеси вследствие искусственного наддува во входном коллекторе. Последний метод был наиболее предпочтителен (увеличение размеров цилиндров вело к росту габаритов и веса силовой установки, а число оборотов ограничивалось прочностными пределами материала конструкции › и поэтому применялся чаше других. Именно таким образом осуществлялось повышение мощности двигателей Роллс-Ройс «Мерлин» для «Спитфайров». Благодаря росту эффективного давления с 11.4 кг/см? на модели «Мерлин» II до 19,4 кг/см? на «Мерлин» 66 при неизменных размерах и числе оборотов номинальная мощность силовой установки возросла более, чем на треть. Во избежание тепловых перегрузок мотора и для повышения КПД силовой установки на самолете «Спитфайр Mk.lX применили двухступенчатый нагнетатель с устройством для охлаждения топливной смеси перед поступлением ее в двигатель (рис. 4.8), а на снабжение ВВС начало поступать авиационное горючее с октановыми числами 100 и более.
Когда возможности двигателя полностью исчерпывались, на самолете приходилось устанавливать новый двигатель, с большим рабочим объемом. В 1943 г. на смену 27-литровому „Мерлину“ пришел 36-литровый Ролл-Ройс „Гриффон“. Он применялся на последних модификациях „Спитфайра“, начиная с Mk.XIV.
Рис. 4.8 Схема наддува двигателя Мерлин 61 А — центробежный нагнетатель, В — всасывающий патрубок. С — радиатор охлаждения смеси. D — входной коллектор, Е — насос, F — основной радиатор
Рис. 4.9. Режимы работы двигателя „Мерлин“ 65 [40, с. 48]. I — номинальный, 2- боевой, 3 — чрезвычайный.
Во время воздушного боя пилоту часто бывало необходимо на короткое время резко увеличить мощность двигателя, чтобы догнать противника или, наоборот, уйти от преследования. Поэтому наряду с обычным номинальным режимом конструкторы моторов ввели форсированные режимы, предусматривающие перегрузку двигателя по оборотам и (или) наддуву. Обычно таких режимов было два — боевой (разрешенная продолжительность без опасности повреждения двигателя — 15 минут) и чрезвычайный (не более 5 минут). Мощность при этом возрастала на 30–50 % (рис. 4.9).
Развитие двигателей для истребителей семейства „Як“ происходило, так же как у „Мерлинов“, в основном за счет усиления наддува. Правда, из-за отсутствия в стране высокооктановых сортов топлива (только к концу войны удалось наладить выпуск бензина с ОЧ=100) они не имели форсированных режимов. Более того, у последней модели — ВК-107А, из-за очень напряженного теплового режима работы даже на „номинале“ ресурс не превышал 25 часов [8, с. 170].
Особенностью немецких двигателей фирмы Даймлер-Бенц и советского М-82ФН была система непосредственного впрыска топлива в цилиндры. По сравнению с обычным карбюраторным двигателем это позволяло повысить „приемистость“ самолета, уменьшить пожароопасность, улучшить экономичность двигателя благодаря более равномерному распределению топлива по всем цилиндрам. Кроме того, отсутствовала опасность прекращения посту пления бензина в двигатель при отрицательных перегрузках, например в „перевернутом“ полете.
Другой отличительной чертой „Мессершмитта“ с двигателем DB-605 являлась система привода нагнетателя через турбомуфту, плавно регулирующую передаточное число от мотора к крыльчатке нагнетателя. Это позволяло более точно изменять параметры наддува в зависимости от высоты полета и избежать „провала“ мощности, происходящего при переключении с одной скорости на другую на обычном двухскоростном нагнетателе.
Вместе с тем, немцы, как и советские конструкторы, не имели в своем распоряжении топлив с таким высоким октановым числом как в Англии или США; основной немецкий „истребительный“ двигатель DB-605 выпускался в двух вариантах: для горючего с ОЧ=87 и с ОЧ=96. Поэтому возможности повышения мощности за счет увеличения давления нагнетания были ограничены. Для улучшения высотно-скоростных характеристик самолета немецкие конструкторы применили весьма оригинальный метод — впрыск в нагнетатель закиси азота, являвшейся мощным окислителем и позволявшей компенсировать нехватку кислорода на большой высоте (система GM-1). Резервуары с закисью азота находились в баллонах за кабиной летчика, система подачи окислителя — вытеснительная, с помощью сжатого воздуха.
Чтобы форсировать мощность на небольших высотах, была разработана система впрыска водо-метаноловой смеси (MW-50). Так как давление в двигателе при этом сильно возрастало, форсаж мог быть включен на время не более 10 минут. Перед повторным включением требовался, как минимум, 5-минутный перерыв. Надо также отметить, что при использовании форсажа резко сокращался ресурс работы двигателя. Так, свечи зажигания в этом случае приходилось заменять через каждые 15–20 часов.
Указанные способы повышении мощности давали значительный эффект. Благодаря подаче закиси азота DB-605 сохранял мощность 1250 л.с. на высоте 8500 м. а форсирование мотора путем впрыска водо-метаноловой смеси увеличивало мощность у земли с 1475 до 1800 л.с. Однако и весовые издержки были немалыми: только одна система GМ-1 весила 180 кг [12]. По этой причине аппаратура GМ-1 и MW-50 применялась всегда по отдельности, в зависимости от того, предполагаются ли бои на большой высоте или вблизи земли.
Вовремя первой мировой войны подавляющее большинство европейских истребителей имело звездообразный двигатель воздушного охлаждения. В рассматриваемый же период, наоборот, в Англии, Германии и СССР конструкторы истребителей отдавали предпочтение двигателям водяного охлаждения. Они имели меньшие поперечные размеры, чем „звезда“, а в развале блока цилиндров можно было установить пушку, стреляющую через ось пропеллера.
Замена двигателя водяною охлаждения на звездообразный с воздушным охлаждением на истребителях Лавочкина в 1942 г. (ЛаГГ-3 — Ла-5) была вынужденной мерой. Как уже отмечалось, цельнодеревянный „ЛаГГ“ оказался слишком тяжелым для стандартного советского „истребительного“ мотора М-105. Более мощных серийных двигателей водяного охлаждения в СССР в то время не имелось, поэтому С.А.Лавочкин решился на установку 14-цилиндровой „двойной звезды“ М-82, имевшей номинальную мощность 1330 л.с. на высоте 2000 м и взлетную мощность 1700 л.с. Сложность такой модификации усугублялась тем, что по размерам новый двигатель выходил за габариты фюзеляжа, а переделка всего самолета под двигатель означала бы длительную задержку в выпуске, что в то напряженное время являлось недопустимым. Выход был найден в установке второй (несиловой) обшивки по бортам фюзеляжа, сглаживающей разницу в размерах двигателя и планера самолета.
Эксперимент оказался удачным. Благодаря приросту мощности максимальная скорость самолета Ла-5 (рис. 4.10) возросла примерно на 50 км/ч, значительно улучшились характеристики приемистости, скороподъемности и вертикальной маневренности. В следствии меньшей уязвимости двигателя воздушного охлаждения (отсутствует радиатор» его живучесть была выше, чем у двигателя водяного охлаждения, что благоприятно сказалось на живучести самолета в целом. Из «лакированного гроба», как называли летчики «ЛаРГ». самолет превратился в один из лучших истребителей второй мировой войны.
Рис. 4 10. Истребитель Ла-5
В целом, в результате модификации силовых установок истребителей их максимальная мощность за годы войны возросла в среднем почти в два раза. Это было достигнуто повышением их литровой мощности и. в меньшей степени, увеличением рабочего объема (табл. 4.5). Наиболее форсированными по оборотам и наддуву были двигатели фирмы «Роллс-Ройс». Это неудивительно, т. к. за основу силовой установки «Спитфайров» были взяты двигатели «Роллс-Ройс» для гоночных «Супсрмаринов»
Таблица 4.5. Развитие некоторых параметров двигателей истребителей «Спитфайр», «Мессершмитт», «Як» и «Ла» 18; 11:401
Другим важным направлением в улучшении скоростных качеств истребителей являлось усовершенствование их аэродинамики.
Этот путь, в принципе, был более рациональным, т. к. повышение мощности вызывало увеличение веса, расхода топлива, усиление нежелательного реактивного момента и др. Улучшение же форм самолета давало «чистый плюс».
Сложность заключалась в том, что к началу второй мировой войны внешние формы летательных аппаратов, рассчитанных на скорости 500–600 км/ч, были близки к совершенству. Оставалось идти по пути мелких аэродинамических усовершенствований, заключавшихся в устранении или улучшении формы небольших выступающих в поток деталей, лучшей внутренней герметизации планера и т. д.
Важнейшую роль в деле аэродинамического «облагораживания» самолетов сыграло создание натурных аэродинамических труб. В трубе Т-101 ЦАГИ в годы войны были исследованы все основные типы серийных самолетов (рис. 4.11). Более двадцати моделей военных самолетов прошли испытания в натурной аэродинамической трубе в исследовательском центре Ленгли в США. При этом использовалась следующая методика: с летательного аппарата снимались или тщательно закрывались обтекателями выступающие в поток детали (радиаторы, вооружение, антенны и др.), герметизировались все щели и после этого замерялся коэффициент лобового сопротивления «идеального» самолета. Затем поэтапно убирали обтекатели или устанавливали ранее снятые агрегаты и замеряли долю отдельных элементов в общем сопротивлении самолета. Если эта доля была значительной, изыскивались способы перекомпоновки данного агрегата для улучшения обтекаемости [13, с. 110].
Рис. 4. 11. Ла 5 в аэродинамической трубе ЦАГИ
Отдельные доработки приводили, казалось бы, к незначительному эффекту, однако в сумме эти изменения дали существенное улучшение аэродинамики и заметный прирост скорости. Тщательное усовершенствование серийного самолета нередко создавало больший эффект, чем разработка новой машины.
Для подтверждения сказанного приведу два примера. Уборка в полете хвостового колеса шасси у истребителя «Спитфайр» дала прирост скорости в 8 км/ч, улучшение формы кока винта — 6 км/ч, применение щитков ниш уборки шасси — 5 км/ч, изменение формы антенны — 1 км/ч, устранение аэродинамических компенсаторов на элеронах — 10 км/ч, замена плоского лобового стекла выпуклым — 10 км/ч, изменение конструкции выхлопных насадок двигателя — 6 км/ч, улучшение отделки внешней поверхности самолета — 14 км/ч, изменение формы законцовок крыла — 1,5 км/ч, усовершенствование формы обтекателя зеркала заднего вида — 1,5 км/ч 114]. Суммарное увеличение скорости составило 63 км/ч.
Результаты изучения самолета Лa-5 в ЦАГИ в 1942 г. дали следующий эффект: за счет улучшения внутренней герметизации (капот, противопожарная перегородка и др.) скорость машины возросла на 12,1 км/ч, внешней герметизации (швы капота, створки и т. д.) — на 11,7 км/ч, закрытия ниш шасси — на 6,2 км/ч, усовершенствования формы фонаря кабины — на 2,7 км/ч, уменьшения щелей на органах управления — на 2,3 км/ч; итого удалось добиться увеличения скорости на 35 км/ч [15, с. 66]. Большой эффект был достигнут и на модификации Ла-7. Как следует из рис. 4.14 г, благодаря лучшей аэродинамике его максимальная скорость на номинальном режиме была на 25–30 км/ч больше, чем у Ла-5ФН, при одинаковой мощности двигателей. В целом же только за счет аэродинамических усовершенствований скоростные характеристики истребителей Ла-5 (Ла-7) возросли на 60–65 км/ч, что равноценно результатам, полученным на «Спитфайре». Такой прирост скорости эквивалентен увеличению мощности мотора более чем на треть, причем без увеличения веса самолета [16, с. 18].
Рис. 4.12. Истребитель Мессершмитт Bf. 109F
Улучшение аэродинамики «Мессершмитта» за первые два года войны можно проследить при сравнении моделей Bf. 109Е (см. рис. 3.36) и Bf. 109F (рис. 4.12). Как видно из фотографий, на модификации «F» конструкторы значительно увеличили размеры кока винта, более обтекаемым стал капот двигателя, радиаторы глубже «утопили» в крыле, закруглили законцовки крыла, убрали подкос к горизонтальному оперению. Это, наряду с 10-процентным повышением мощности двигателя, дало прибавку в скорости примерно на 50 км/ч. В последующие годы модернизация истребителя происходила, в основном, за счет увеличения мощности силовой установки.
Очень большое внимание улучшению аэродинамического совершенства истребителей уделял коллектив Л.С.Яковлева. Как уже отмечалось, из-за отсутствия высокооктанового горючего и сверхжаропрочных материалов возможности форсирования двигателей M-105 были ограничены, и основные надежды приходилось возлагать на уменьшение аэродинамического сопротивления самолета и его взлетного веса.
Лучшим серийным истребителем Яковлева был Як-3 (рис. 4.13). А.С.Яковлев писал: «При разработке этого самолета проводилось коренное усовершенствование аэродинамики и тщательная ревизия всех деталей. Увеличение производства цветного металла в стране позволило тяжелые деревянные лонжероны крыла заменить дюралевыми. Маслорадиатор перенесли из-под фюзеляжа в крыло, а водорадиатор предельно утопили в фюзеляж, улучшили форму кабины, сделали убирющимся костыльное колесо. Площадь крыла уменьшилась с 17,15 до 14,85 м?» [18,с.81]. По оценке известного аэродинамика В.С.Пышнова, лобовое сопротивление Як-3 по сравнению с Як-1 уменьшилось на 20 % [19, с. 54].
Рис. 4.13. Истребитель Як-3
Рис. 4.14 Высотно-скоростные характеристики истребителей «Спитфайр» (А). «Мессершмитт» (Б), «Як» (В) и «ЛаГ Г»/«Ла» (Г) [8; 17]
Благодаря повышению мощности и высотности силовой установки и уменьшению лобового сопротивления истребителей их высотно-скоростные характеристики значительно улучшились. Как видно из рис. 4.14, скорость самолетов на малых и средних высотах возросла в среднем на 100–120 км/ч. Наибольшей скоростью на больших высотах (8-10 км) обладали «Спитфайры», что объясняется их более совершенной системой наддува с двухступенчатым нагнетателем и системой промежуточного охлаждения смеси. На Восточном фронте, в отличие от Западного имеющего четкую линию фронта, бои между самолетами происходили на сравнительно небольшой высоте (обычно до 4.500 м), поэтому на советских истребителях стояли менее высотные моторы. Немцы, вынужденные вести боевые действия как вблизи земли, так и на больших высотах — при отражении налетов англо-американских бомбардировщиков. применяли на «Мессершмиттах» систему впрыска закиси азота для улучшения высотности двигателя.
Увеличение веса силовой установки и рост аэродинамических нагрузок из-за возросших скоростей привели к необходимости усиления конструкции планера самолета. На истребителе «Спитфайр» Мк.21 даже пришлось полностью заменить крыло, т. к. прежняя конструктивно-силовая схема при малой относительной толщине профиля уже не обеспечивала требуемой жесткости, были случаи реверса элеронов. С ростом взлетной массы приходилось также усиливать шасси. Из-за большого скоростного напора применяемую ранее полотняную обшивку на рулевых поверхностях и задней части фюзеляжа заменили на жесткую — фанерную (на «Яках») или дюралевую (на «Спитфайре»).
Чтобы избежать увеличения веса, на последних моделях «Спитфайра», отличающегося крылом малой толщины, дюралюминиевые лонжероны заменили на стальные. Это позволило сохранить и даже уменьшить относительный вес конструкции — с 0,33 на Mk.l до 0,29 на Мк.21 [14,с.771].
Еще большими резервами для модернизации располагали советские самолетостроители. В конструкции первых «Яков» и «ЛаГГов» широко применялось дерево и полотно. В начале войны это решение вполне себя оправдало, так как позволило после эвакуации в трудных производственных условиях наладить массовый выпуск истребителей из доступных материалов, в обстановке острого дефицита алюминиевых сплавов. Однако при схеме свободнонесущий моноплан с относительно тонким крылом деревянные силовые конструкции проигрывали в отношении веса по сравнению с металлическими. Поэтому, когда советская промышленность, благодаря созданию новых предприятий на востоке страны и помощи союзников, вновь начала массовый выпуск алюминиевых сплавов, на самолетах стали более широко использовать металл. В 1942 г. тяжелые и громоздкие сосновые коробчатые лонжероны крыла истребителя «Як» заменили на металлические — с дюралюминиевой стенкой и стальными полками. В результате этого вес конструкции крыла уменьшился на 79 кг, внутри появилось дополнительное пространство, позволившее увеличить объем крыльевых топливных баков [9, с. 194]. В 1943 г. такое же изменение претерпело крыло истребителя Лавочкина.
Обратный процесс — замена дюралюминия деревом — происходил в конце войны на «Мессершмиттах». Изнуренная бомбардировками и лишившаяся источников бокситов германская индустрия уже не могла удовлетворять требованиям авиапромышленности. Поэтому на последней модели «Мессершмитта» — Bf.109K — задняя часть фюзеляжа и оперение были выполнены из дерева. Технологию производства самолета максимально упростили с расчетом на его массовый выпуск руками малоквалифицированных рабочих, в основном женщин и подростков. Вообще ситуация с авиацией в Германии в последние месяцы войны во многом напоминает положение в этой области в СССР во второй половине 1941 — начале 1942 гг.
Иногда истребители специально приспосабливали для выполнения той или иной боевой задачи, которая ранее не ставилась. Например, когда в 1943 г. началось наступление советских войск, для их поддержки и сопровождения бомбардировщиков стало необходимым повысить дальность полета истребителей. В результате появились специальные варианты самолета Як-9 с увеличенными запасом топлива и дальностью. Так как все топливо сумели разместить во внутренних баках, модификация не вызвала роста аэродинамического сопротивления и скорость уменьшилась мало (табл. 4.6). В Англии и США для повышения дальности истребителей широко применялись подвесные сбрасываемые в полете топливные баки.
Таблица 4.6. Дальние истребители — модификации самолета Як-9
Выпускались также специальные высотные варианты истребителей, использовавшиеся в ПВО для борьбы с высоколетяшими вражескими бомбардировщиками и разведчиками. Немцы, как отмечалось, использовали для повышения высотности «Мессершмиттов» впрыск закиси азота в двигатель. Расход окислителя составлял 3,3 кг/мин, емкость бака — 115 л.
Высотные варианты «Спитфайров» (они обозначились буквами HF, от «high- altitude fighter» — «высотный истребитель») отличались двигателем с более высокой степенью наддува, специальным 4-лопастным пропеллером фирмы Ротол и увеличенным на метр размахом крыла. Для обеспечения приемлемых условий для летчика набольших высотах конструкторы применили герметизированную кабину, давление в которой на высоте 12000 м соответствовало давлению на 8-километровой высоте над уровнем моря [14].
Первый высотный «Спитфайр», HF.VI, появился в английских ВВС в 1941 г. Его потолок составлял около 12000 м. Впоследствии на вооружение поступили модификации HF.VII. HF.VIII, HF.IX и др. Их максимальная высота полета уже превышала 13000 м.
В СССР во время войны также работали над специальным высотным самолетом для системы ПВО. Он был необходим для противодействия разведчику Ju-86R, регулярно появлявшемуся над Москвой. Очень большая высота полета (12–13 км) делала этот разведчик неуязвимым для обычных истребителей.
За основу высотного перехватчика был взят истребитель Як-9. Двигатель М-105П оснастили двухскоростным двухступенчатым нагнетателем конструкции Доллежаля, для уменьшения веса самолета облегчили вооружение, оставив только пушку. Данная модификация получила обозначение Як-9ПД.