Работы по улучшению технических характеристик самолетов в преддверии второй мировой войны

Работы по улучшению технических характеристик самолетов в преддверии второй мировой войны

В первой половине и середине 30-х годов в конструкции самолетов произошли революционные изменения. Скоростной моноплан середины 30-х отличался от биплана конца 20-х годов не меньше, чем последний — от самолета братьев Райт. Однако во второй половине 30-х годов техническая революция в авиации сменилась эволюционным развитием. Запас фундаментальных технических нововведений был исчерпан, и ученые и конструкторы занялись «шлифовкой» самолетов нового поколения, основываясь при этом как на результатах научных изысканий, так и на собственном техническом опыте.

Поиск новых путей улучшения летных качеств самолетов потребовал повышения точности аэродинамических экспериментов. Поэтому во второй половине 30-х годов были созданы новые аэродинамические трубы с увеличенными размерами рабочей части и большей скоростью потока. Это позволило приблизить условия эксперимента к реальным условиям полета.

В качестве примера новых аэродинамических труб, появившихся незадолго до начала второй мировой войны, можно назвать трубу экспериментального центра Монтечелио (Италия) с диаметром рабочей части 2,4 м и скоростью потока ло 800 км/ч и большую самолетную трубу ЦАГИ Т-101. Размеры поперечного сечения последней из указанных труб составляли 24x12 м, что позволяло испытывать в ней натурные самолеты (рис. 3.50) с числами Re, близкими к реальным.

Как уже отмечалось, к середине 30-х годов величину коэффициента аэродинамического сопротивления самолетов удалось уменьшить до значений 0,030-0.025. Дальнейшее снижение сопротивления давалось с трудом и требовало тщательного изучения всех его составляющих.

После того, как внешние формы планера самолета были заметно улучшены, основные усилия сконцентрировались на уменьшении сопротивления силовой установки.

Источником большого лобового сопротивления у двигателей водяного охлаждения являлся радиатор. Так как потери мощности на преодоление аэродинамического сопротивления лобового радиатора пропорциональны мощности двигателя и квадрату скорости полета, то с развитием авиации они быстро возрастали и во второй половине 30-х годов потерн на охлаждение двигателя достигали 30 % от его мощности [22, с. 290]. Необходимо было искать новые технические решения.

Существенное снижение размеров радиаторов (на 20–40 %) удалось осуществить путем замены воды другим охлаждающим агентом, с более высокой температурой кипения — этиленгликолем. Данная идея обсуждалась еще в годы первой мировой войны (Гибсон. Англия), а первый практический эксперимент был выполнен в 1923 г. (Герои, США). Однако и то время скорости были невелики, и идея не получила распространения. Впервые на серийном двигателе этиленгликолевое охлаждение применили в 1935 г. (Роллс-Ройс «Мерлин») [33, с. 151]. Кроме возможности уменьшения габаритов и веса радиатора, этиленгликолевое охлаждение было ценно тем, что данная охлаждающая жидкость не замерзала при отрицательной температуре, а это упрощало эксплуатацию самолетов в зимних условиях.

Рис. 3.50. Исследования самолета трубе Т-101 в ЦАГИ

Следующим шагом в уменьшении лобового сопротивления двигателей жидкостного охлаждения явилось появление капотов для радиаторов. Они представляли собой особым образом профилированный туннель под фюзеляжем или крылом, внутри которого располагался радиатор. Помимо улучшения внешних обводов самолета, применение туннельных радиаторов с регулируемым выходным сечением позволяло оптимизировать скорость охлаждающего потока в соответствии с полетным режимом и, таким образом, в 2–3 раза уменьшить потери мощности на охлаждение при полете с максимальной скоростью [13, с. 52].

Впервые радиаторы туннельного типа появились на самолетах-истребителях фирмы Кертисс во второй половине 30-х годов. В СССР истребители с туннельными радиаторами стали поступать на вооружение в начале 40-х годов (Як-1, МиГ-3, ЛаГГ-3).

Известны попытки вообще отказаться от нормального радиатора, заменив его охлаждающими устройствами, расположенными под обшивкой крыльев. Вода в двигателе нагревалась до состояния пара и вновь конденсировалась в жидкость, проходя вдоль поверхности крыла. Такой тип охлаждения получил название «испарительное охлаждение», а радиаторы — поверхностного или крыльевого типа. Впервые такие радиаторы применили в 20-е годы на рекордных скоростных самолетах в США, Англии и Италии.

Примером самолета-истребителя с крыльевыми поверхностными радиаторами был немецкий Хейнкель Не-100с мотором DB-601, созданный незадолго до начала второй мировой войны. Отличаясь очень малым аэродинамическим сопротивлением, он имел большую скорость полета. 30 марта 1939 г. летчик Ганс Дитерлен установил на нем абсолютный мировой рекорд скорости — 746 км/ч[8, с. 147]. Однако то. что хорошо для специальных рекордных самолетов, оказалось непригодным в реальных условиях. Радиаторы на крыльях было невозможно регулировать, они часто давали течь, а военные самолеты с испарительным охлаждением оказались чрезвычайно уязвимыми в бою — достаточно было одного попадания в крыло, чтобы вывести систему охлаждения из строя. Поэтому поверхностные радиаторы не нашли практического применения в авиации, а Не-100 не стал серийным самолетом.

Разработка этиленгликолевого охлаждения и туннельных радиаторов способствовала возврату к двигателям водяного охлаждения в предвоенном авиастроении. Наибольшее распространение эти двигатели получили на самолетах-истребителях. Как известно, в конце 30-х годов на военных самолетах стало применяться пушечное вооружение, а V-образная схема расположения цилиндров, характерная для авиационных моторов водяного охлаждения, давала возможность размещения в развале блока пушки, стреляющей через вал пропеллера. В случае же звездообразных двигателей нужно было применять оружие с синхронизаторами для стрельбы через винт или выносить егоза пределы ометаемой винтом площади, что понижало скорострельность (в первом варианте) и точность стрельбы (во втором).

Как уже отмечалось, применение убираемого шасси обусловило широкое распространение схемы «низкоплан». Недостатком данной схемы было увеличение сопротивления из-за интерференции крыла и фюзеляжа. Однако на основе аэродинамических исследований вскоре удалось найти конструктивные меры, позволившие минимизировать сопротивление интерференции. Имелось несколько путей решения проблемы. В США пошли по пути установки в местах соединения крыльев и фюзеляжа специальных зализов, закрывающих острый угол между поверхностями крыла и фюзеляжа и устраняющих тем самым неблагоприятный диффузионный эффект. Такая схема оказалась наиболее удобной в случае расположения в носовой части самолета звездообразного мотора, требующего применения круглого фюзеляжа. Во Франции фирма Кордон использовала схему «низкоплан» без зализов, но фюзеляж делался с плоскими боковыми стенками. Применение такой конструкции было возможно для самолетов с моторами жидкостного охлаждения или с рядными моторами воздушного охлаждения. Наконец, немецкий конструктор Хейнкель на самолете Не-70 реализовал схему «обратной» чайки, при которой также уменьшался эффект интерференции, т. к. крыло соединялось с овальным фюзеляжем под прямым углом. Отмеченные компоновки показаны на рис. 3.51. Наибольшее распространение приобрела схема с зализами, т. к. фюзеляж с прямыми боковыми стенками имел недостатки в отношении обтекаемости, а схема «обратная чайка» не получила широкого признания из-за конструктивной сложности и трудности размещения закрылков.

Третьей составляющей силы сопротивление является сила трения. По мере совершенствован и формы самолетов и увеличения их скорости доля этого вида сопротивления в общем лобовом сопротивлении становилась все более ощутимой Если для самолетов периода 1928–1929 гг. доля сопротивления трения составляла 25–30 %, то для самолетов середины 30-х годов данная величина повысилась до 50–60 % [15, с. 55]. Переход от бипланного к монопланному крылу позволил уменьшить площадь «смачиваемой» поверхности, а следовательно. и силу трения, но проблема по-прежнему оставалась.

Исследования показывали, что сила трения сильно зависит от степени шероховатости поверхности, и при создании скоростных самолетов требуется очень тщательная отделка поверхностей. в особенности передней кромки крыла.

Для повышения гладкости поверхности самолетов в 30-е годы стали применять потайную клепку, соединение листов обшивки встык, а не внахлест, как иногда делали раньше: повысились требования к качеству окраски, производилась полировка поверхности. Конечно, все эти мероприятия увеличивали стоимость производства, но иначе невозможно было добиться хороших скоростных качеств и большой дальности полета.

Наиболее сложным был переход на заклепки с потайными головками, т. к. это требовало дополнительной технологической операции (зенковка) для каждой заклепки, а число их на большом самолете измеряется сотнями тысяч. Поэтому вначале потайную клепку использовали только вблизи передней кромки крыла. Но когда скорости полета превысили 500 км/ч, ее стали применять повсюду. Первые серийные самолеты, построенные с использованием потайной клепки, появились в США в середине 30-х годов. Это — Боинг 247D и Боинг В-17, некоторые летающие лодки И. Сикорского [34, с. 544].

Рис. 3.51. Виды соединения крыла и фюзеляжа

Выше быди рассмотрены меры по снижению профильного сопротивление, сопротивлении интерференции и сопротивления трения. Четвертой составляющей полного аэродинамического сопротивления самолета является волновое сопротивление, обусловленное сжимаемостью воздуха. Оно начинает проявляться тогда, когда скорость полета приближается к скорости звука. Для сравнительно небольших высот и для внешних форм, характерных для самолетов 30-х годов, волновое сопротивление могло возникнуть на скоростях окаю 700 км/ч. Самолеты так быстро не летали, и озадачивать себя этой проблемой казалось бы было рано. Однако наиболее дальновидные ученые-аэродинамики понимали, что со временем эта задача перейдет из теоретической сферы в практическую. Осенью 1935 г. в Италии состоялся научный конгресс, посвященный проблемам сверхзвукового полета. Там немецкий ученый А. Буземан на основе теоретических выкладок впервые указал на достоинства стреловидного крыла при сверхзвуковых скоростях по сравнению с прямым. Правда, вопреки распространенной точке зрения, Буземан предлагал применять стреловидное крыло не для уменьшения волнового сопротивления, а для снижения потерь подъемной силы на крыле на сверхзвуке [67] [24]. Выводы Буземана были восприняты участниками конгресса с интересом, и на заключительном банкете Карман, Крокко, Тейлор и другие видные ученые-аэродинамики даже сделали на обложке меню набросок скоростного самолета со стреловидным крылом [35, с. 4].

Однако практических последствий доклад Буземана не возымел. Для проверки теоретических предположений требовался аэродинамический эксперимент, а сверхзвуковых аэродинамических труб еще не было. Первые такие трубы появились только перед самой войной в Аэродинамическом институте в Цюрихе (Я. Аккерет) и в Геттингенском институте (А. Бетц).

Если говорить о конструкторах самолетов, то проблема волнового сопротивления не только не занимала их, но, видимо, даже не была известна большинству создателей авиационной техники. Так, например, в изданном в 1937 г. в СССР «Справочнике авиаконструктора» [37] термин «волновое сопротивление» вообще отсутствовал.

В целом же, в результате совместных усилий ученых и конструкторов во второй половине 30-х годов коэффициент аэродинамического лобового сопротивления Схо удалось уменьшить с 0,030-0,025 до 0,022-0,021. По сравнению с первой половиной десятилетия темп снижения этого параметра заметно уменьшился, что свидетельствовало о близости внешних обводов самолетов с поршневыми двигателями к оптимальным.

Из формулы аэродинамического сопротивления X=Cx SpV2 /2 следует, что его величина зависит не только от Сх, но и от других параметров — площади крыла и плотности воздуха (т. е. высоты полета). Так как дальнейшее уменьшение коэффициента лобового сопротивления давалось с большим трудом, авиаконструкторы пошли по пути увеличения скорости за счет большей нагрузки на крыло и повышения высоты полета.

По мере увеличения мощности силовых установок росла и оптимальная нагрузка на крыло. По оценке М. А. Левина, для лучших самолетов второй половины 1930-х годов она должна была бы составлять около 300 кг/м? [4]. Переход на такие нагрузки позволил бы увеличить максимальную скорость примерно на 100 км/ч. Однако при этом скорость отрыва от земли и. главное, посадочная скорость оказались бы недопустимо большими. Поэтому специалисты активно работали над созданием новых высокоэффективных средств увеличения Су нос.

Как уже сообщалось, в тридцатые годы на самолетах начали применять посадочную механизацию — закрылки, щитки и предкрылки. Вначале эти приспособления появились на пассажирских скоростных самолетах, потом их стали устанавливать и на военных машинах. Наибольший прирост коэффициента подъемной силы давали выдвижные закрылки Фаулера: они позволяли увеличить не только кривизну, но и площадь несущей поверхности. Во второй половине 30-х годов неоднократно делались попытки создать новый, еще более эффективный тип закрылка. К таким устройствам относятся выдвижной закрылок ЦАГИ, разработанный Ф. Г. Глассом в 1936 г.; закрылок Р. Янгмана (Англия. 1935 г.), для которою был характерен большой сдвиг назад вдоль хорды при отклонении, и целый ряд других посадочных механизмов. Все они не показали сколь-либо заметного превосходства над закрылком типа «Фаулер» и поэтому не получили широкого применения. Основное изменение в системе посадочной механизации заключалось в том, что в начале тридцатых годов щитки или закрылки обычно занимали лишь небольшую часть у корня крыла, а к концу десятилетия их длина увеличилась до 50–80 % размаха крыла На рис. 3.52 показан взлет легкого немецкого самолета Физилер «Шторьх» со «свермеханизированным» крылом. Благодаря применению предкрылков, закрылков и так называемых «зависающих» элеронов, также выполняющих роль закрылков, взлетно-посадочные скорости самолета были настолько малы, что он мог взлетать не только с небольших аэродромов, но и с лесных полян или городских площадей.

В рассматриваемый период предпринимались так- же попытки создания самолетов с крылом, которое могло менять свои размеры посредством выдвижения из фюзеляжа вдоль размаха крыла дополнительных поверхностей. Так как при этом хорда крыла увеличивалась в обоих направлениях, прирост площади оказывался намного больше, чем при использовании обычных выдвижных закрылков. Такие самолеты получили название самолетов с крылом изменяемой площади.

Рис. 3.52. «Шторьх» на взлете

Наибольшую известность приобрели работы И. Махонина и Ж. Жерена во Франции, Г. И. Вакшаева в СССР. Самолет Махонина представлял собой моноплан с раздвижным крылом телескопического типа (рис. 3.53). При выдвижении крыла его площадь увеличивалась более, чем в полтора раза. Самолет испытывался с различными двигателями на всем протяжении 30-х годов, но конструктору так и не удалось достичь убедительных положительных результатов. Жерен в 1935 г. сконструировал экспериментальный биплан «Вариволь», оба крыла которого могли менять ширину, площадь при этом изменялась на 268 %. Увеличение хорды происходило в результате выдвижения из фюзеляжа вдоль размаха крыла стальных ленте прикрепленными к ним нервюрами, обтянутых прорезиненной тканью. Из-за упругих деформации крыла самолет при испытаниях потерял устойчивость и разбился. Колес успешно прошли испытания самолета «Раздвижное крыло» (РК) конструкции Бакшаева (1937 г). Как видно из рисунка 3.54. перед посадкой на крыло самолета из фюзеляжа выдвигалось 6 телескопических секции, увеличивая площадь крыла в полтора раза. В отличие от самолета Жерена. выдвижные части крыла самолета РК имели жесткую конструкцию. При испытаниях механизм изменения площади крыла работал исправно, однако диапазон скоростей увеличился незначительно из-за большого лобового сопротивления раздвижного крыла. Кроме того, такое крыло было намного тяжелее обычного.

Еще одной потенциальной возможностью увеличить Су крыла при посадке было управление пограничным слоем (УПС). Отсос или сдув пограничного слоя позволил бы предотвратить срыв потока до значительно больших углов атаки и. таким образом, увеличить коэффициент подъемной силы.

Изучение способов управления пограничным слоем началось в Германии в 20-е годы. С 30-х годов данной проблемой занялись и советские ученые — П. П. Красильщиков, Н. А. Закс и другие; работы велись в ЦАГИ и ВВА им. Н. Е. Жуковского. Вначале это были чисто лабораторные эксперименты. Первый опытный самолете УПС AF- 1 появился в 1936 г. Он был построен и испытывался в Геттингенской аэродинамической лаборатории при участии О. Шренка. Б. Регеншайна и И. Штюпера. Крыло самолета было снабжено закрылками с отсасыванием пограничного слоя с их поверхности с помощью дополнительного двигателя мощностью 20 л.с. Критический угол атаки AF-1 был весьма большим — 22°, а посадочная скорость составляла 55 км/ч. Но в целом, из-за больших потерь мощности, сложной и тяжелой системы воздуховодов и вентиляторов метод себя не оправдал, и дальше опытов работы по УПС не пошли [33].

Рис. 3.53. Самолет Махонина с раздвижным крылом

Рис. 3.54. Самолет «РК» (а — п полете; б — перед посадкой)

Таким образом, после появления выдвижных закрылков прогресс в деле дальнейшего увеличения Су макс самолета был связан с большими техническими сложностями. Поэтому конструкторы в стремлении улучшить скоростные показатели самолетов решились пойти на увеличение посадочной скорости самолетов. Надо сказать, что в 30-е годы для этого сформировались определенные предпосылки: более совершенными стали аэродромы и навигационное оборудование, получили распространение масляно-воздушные амортизаторы шасси, обладающие высокой энерго- поглощаюшей способностью; благодаря развитию механизации крыла увеличилась кривизна траектории при посадке, что облегчило расчет точки приземления. Если н 1928 г. предельно допустимой посадочной скоростью считалось 85–95 км/ч, то к концу 30-х годов этот параметр составлял 110–130 км/ч.

Чтобы уменьшить длину пробега при посадке колеса самолета стали снабжать тормозами. Однако на винтомоторных самолетах с шасси с хвостовой опорой это было связано с опасностью капотирования при резком торможении. Поэтому в конце 30-х годов появились самолеты с носовой стойкой шасси. При данной компоновке возможность капотирования исключалась.

Вначале шасси с носовым колесом устанавливали на легких спортивных и туристских самолетах (фирмы Хэммонд, Вако и др., США, середина 30-х годов [15, с. 75]). В СССР такую схему шасси первый раз применили на экспериментальном самолете-«бесхвостке» ХАИ-4 в 1934 г. Первой коммерческой машиной, снабженной убирающимся шасси с носовым колесом, стал четырехмоторный пассажирский Дуглас DC-4 — развитие знаменитого DC-3. Он появился в 1938 г. Носовое колесо было сделано управляемым, это обеспечивало отличную маневренность самолета на земле.

Несмотря на очевидные преимущества шасси с носовым колесом, повсеместное распространение эта схема патучила только после второй мировой войны, на реактивных самолетах. Одной из главных причин этого являлась сложность уборки носовой стойки на одномоторных винтомоторных самолетах, у которых двигатель занимает всю носовую часть фюзеляжа. Не следует также забывать, что схема с хвостовой опорой легче и конструктивно проще.

Еще одной возможностью увеличения скорости было повышение высоты полета. С высотой уменьшается плотность воздуха, следовательно, уменьшается и лобовое сопротивление. Как показывает расчет, при той же мощности двигателя самолет на высоте 10000 м будет лететь на 38 % быстрее, чем у земли [3, с. 138]. Повышение высотности имело и другие важные преимущества.

Неудивительно, что идее высотного самолета («стратоплана», как их тогда называли) уделялось большое внимание. В секретном докладе, подготовленном специалистами в конце 1932 г. для советского руководства, отмечалось: «Полеты в стратосферу являются ближайшим этапом развития аэронавтики, т. к. только при помощи таких полетов можно достигнуть:

а) Сверхбольших скоростей,

б) Осуществить полет в постоянных и благоприятных условиях,

в) С точки зрения военного значения получить недосягаемость для зенитной артиллерии и незаметность самого полета,

г) Сверх того, стратосферные полеты имеют и громадное научное значение…»[38].

Трудность достижения больших высот заключалась в том, что по мере уменьшения плотности воздуха уменьшается и мощность двигателя внутреннего сгорания. Чтобы предотвратить это, были разработаны специальные устройства — нагнетатели, служащие для искусственного повышения давления перед цилиндрами. Первые двигатели с нагнетателями применялись в немецкой авиации еще в годы первой мировой войны [39, с. 263]. В последующие годы конструкция нагнетателей была усовершенствована, главным образом, благодаря усилиям фирм Роллс-Ройс в Англии, производившей сверхмощные авиамоторы для гоночных «Супермаринов», Фарман во Франции и Дженерал Электрик в США. Появились двухскоростные центробежные нагнетатели, позволявшие регулировать степень сжатия в зависимости от высоты полета, и турбокомпрессоры — устройства, приводившие в действие нагнетатель от газовой турбины, вращаемой под действием выхлопных газов двигателя. Турбокомпрессор не забирал мощность от вала двигателя, как у обычных нагнетателей с механическим приводом, можно было легко регулировать степень наддува путем изменения газового потока, направляемого в турбокомпрессор. Благодаря турбонагнетателям в 30-е годы стали возможны рекордные полеты самолетов в стратосферу (рис. 3.55).

В 1935 г. советский инженер В. И. Дмитриевский предложил систему комбинированного наддува, состоящую из турбокомпрессора с приводом от газовой турбины и центробежного компрессора с механическим приводом от двигателя. Такая система двухступенчатого сжатия позволяла сохранять давление на входе в двигатель до высоты более 10 тысяч метров. Система комбинированного наддува могла применяться на двигателях как жидкостного, так и воздушного охлаждения и позволяла значительно повысить их плотность без ухудшения экономичности. Она испытывалась на самолетах-разведчиках P-Z с двигателем АМ-34, самолетах-истребителях И-15, И-15бис, И-16 с двигателями М-25, М-63, АШ-82 [40, с. 175].

Для полетов на больших высотах использовали индивидуальные кислородные приборов. Но когда практический потолток самолетов стал приближаться к 10-тысячам метров, возникла опасность гибели экипажа из-за низкого атмосферного давления. Поэтому для сверхвысотных полетов стали применять, специальные скафандры. несколько напоминающие водолазные.

Первый авиационный скафандр создал известный американский летчик В. Пост (рис. 3.56). В пространство между воздухонепроницаемым и слоями ткани подавало подогретый воздух от нагнетателя: стравливающий клапан позволял поддерживать постоянное давление внутри скафандра. Используя этот скафандр. Пост в декабре 1934 г. на самолете Локхид «Вега» достиг рекордной высоты 14450 м. В СССР разработкой высотных скафандров занимался Е. Чертовский, в Англии — фирма Зибе-Горман, во Франции — Розенсьель. в Италии — Кавалотти.

Пилотировать самолет в скафандре было очень неудобно. К тому же, из-за низких температур на высоте возникала опасность обледенения стекла шлема. Вот например, как проходил рекордный полет на высоту английского летчика Свейна на самолете Бристоль-138 28 сентября 1936 г.:

«Свейн поднялся с аэродрома Фарнборо в 7 ч. 30 м. утра и быстро достиг высоты в 12000 м. …На высоте 14000 м свет солнца был ослепительным, но так как самолет внутри был предусмотрительно выкрашен в черный цвет, то действие солнца на глаза несколько ослаблялось. На этой высоте скафандр, в который был одет Свейн, начал стеснять движения. Достигнув высоты 15223 м, летчик обнаружил недостаток горючего и вынужден был начать спуск, не использовав целиком подъемных возможностей самолета. После того, как он спустился приблизительно до 13700 м, лицевая часть сто шлема и стекла кабины покрылись плотным инеем. Летчик не различал показаний приборов и летел вслепую, ориентируясь по сиянию солнца, проникавшему сквозь иней. Во время спуска летчик стал ощущать недостаток кислорода. Состояние изнеможения и чувство удушья все усиливалось. Он попытался открыть рычагом верхнюю часть кабины, но рычаг бездействовал; попробовал откинуть шлем, но парашютные ремни препятствовали этому. Тогда летчик с трудом достал нож и прорезал шлем, после чего состояние удушья уменьшилось, и он почувствовал себя значительно лучше. В это время самолет находился на высоте 4250 м» [41, с. 59].

Рис. 3.55. Рекорды высоты полета (1 — Ньюпор 29D; 2–3 — Райт «Апаш»; 4 — Юнкерс W-341; 5 — Райт «Апаш»; 6 — Виккерс «Веспа»; 7 — Потез 50; 8 — Капрони 114; 9 — Локхид «Вега»; 10 — И-153; 11 — Потез 50; 12 — Бристоль 138. 13 — Капрони 161; 14 — Бристоль 138; 15 — Капрони 161 bis).

Устранить многие неприятности могло применение на самолете гермокабины, в которой поддерживались бы близкие к обычным температура, давление и состав воздуха.

Идея гермокабины не нова. Еще в XIX веке Д. И. Менделеев предложил конструкцию гермоотсека для высотных подъемов на аэростатах [42]. В начале нашего века во Франции Р. Эсно-Пельтри разработал проект самолета с гермокабиной [43]. Но практические работы начались значительно позднее, когда в результате повышения высотности авиамоторов в этом возникла реальная необходимость.

Первым шагом явилось создание специальных экспериментальных самолетов. В 1931 г. Г.Юнкерс построю первый в истории авиации самолет с гермокабиной Ju-49. Двухместная гермокабина из алюминия имела двойные стенки, давление в ней поддерживалось специальным компрессором. Из-за отсутствия подходящего двигателя больших высот достигнуть не удавалось. Тем не менее, советское руководство проявляло большой интерес к этому самолету, и даже обсуждался вопрос о финансовой поддержке для продолжения этих работ [44], но фирма Юнкерс вскоре окончательно обанкротилась, и Ju-49 так и не стал «стратопланом». В январе 1936 г., самолет, снабженный новым двигателем фирмы «Юнкерс», потерпел катастрофу, погиб немецкий летчик Нейнхофен. бывший рекордсмен в полетах на высоту.

Неудача постигла и французов: моноплан с гермокабиной Фарман F-1000 не смог подняться на большую высоту, а последовавший за ним F-1001 разбился в августе 1935 г. в одном из первых испытательных полетов.

Самым удачным среди первых «стратопланов» оказался советский БОК-1, сконструированный в Бюро особых конструкций в 1935 г. под руководством В. А. Чижевского (рис. 3.57). Самолет строился как экспериментальный, но мог быть в будущем и бомбардировщиком. Двигатель — М-34РН, с нагнетателем и редуктором. Двухместная герметическая кабина регенерационного типа была выполнена в виде цилиндра с выпуклыми днищем и фонарем. Она обогревалась от радиатора в пату, при 3tov обеспечивалась температура плюс 15–18 градусов.

Рис 3.56 В. Пост и его авиационный скафандр

Испытания БОК-1 начались осенью 1936 г. В одном из полетов была достигнут.: высота 14100 м. Гермокабина работала надежно, однако летать на самолете было трудно: мешал ограниченный обзор и запотевание иллюминаторов в кабине. Эти недостатки были, в основном, устранены на новом образце — БОК-7 (1938 г. Разрабатывался также военный вариант самолета — бомбардировщик БОК-8. дистанционно управляемыми пулеметными турелями, установленными вне контуров гермокабины [12. с. 80–81].

Для более легких самолетов в СССР испытывались гермокабины «мягкого типа — из воздухонепроницаемых тканей. Иногда их размешали внутри легкого дюралюминиевого корпуса. В 1937–1939 гг. такие кабины были опробованы на разведчик. P-Z, истребителях И-15, И-15бис [22. с. 365].

Обосновывая необходимость создания стратосферных боевых самолетов, Чижевский писал:

„…Если предположить, что авиация противника будет обладать стратопланами могущими совершать полеты на высоте 12000 м с технической дальностью 2000 км хотя бы в количестве 100 штук, то это значит, что эти 100 самолетов в любое время дня и ночи, и при любых атмосферных условиях, господствующих в стратосфере пользуясь благоприятной обстановкой, ориентируясь посолнцу и звездам, незаметно и беспрепятственно проникнут на нашу территорию и с точностью, достаточной для нападения, в наши крупные промышленные центры сбросят тонны фугасных, зажигательных и отравляющих бомб.

Противопоставить что-либо этому нападению в настоящий момент мы не можем, да и, пожалуй, единственным средством к защите в подобном случае будет активный и немедленный переход от зашиты к нападению на территорию противника, на его воздушные базы, а для этого необходима, в свою очередь, сильная и еще более высотная авиация, могушая не только производить бомбометание, но и выдерживать сложный бой в стратосфере, бой на дальних дистанциях, бой сосредоточенного огня, бой, ведущийся из герметических кабин…“ [45. с. 22].

Рис. 3.57. Экспериментальный самолет с гермокабиной БОК-1

Опыт боевого применения авиации в 30-е годы показал ошибочность предположений, что будушая воздушная война будет происходить в стратосфере. Задачи прицельного бомбометания и поддержки наземных войск требовали использования самолетов на сравнительно небольших высотах, порядка 3–5 км. В этом случае летчик при необходимости мог обходиться обычным кислородным прибором. В то же время заманчивость высотных полетов пассажирских самолетов, способных летать выше зоны турбулентной атмосферы и с большей рейсовой скоростью, активизировала усилия по созданию авиалайнеров с герметизированной пассажирской кабиной.

Появлению таких самолетов предшествовал эксперимент уже известного читателю В. Поста. Вскоре после опробования скафандра и установления рекорда высоты Пост решил добиться нового рекордного достижения, на этот раз в трансконтинентальном перелете над США на большой высоте. Для перелета летчик выбрал ту же „Бегу“. Он максимально облегчил машину, в частности применил сбрасываемое после взлета шасси (посадка производилась на специальную лыжу». 15 марта 1935 г. Пост вылетел из Лос-Анжелоса в Нью-Йорк. Полет проходил на высоте 9000 м. Из-за недостаточного запаса топлива и кислорода летчик был вынужден приземлиться в 700 км от Нью-Йорка. Но рекорд дальности полета в стратосфере был установлен. Он убедительно доказал, что на больших высотах самолет может развивать намного большую скорость. Так, скорость «Веги» у земли — чуть более 300 км/ч, а при той же мощности на высоте 9000 м самолет летел со средней скоростью 432 км/ч [41, с. 77].

Первым многоместным пассажирским самолетом с гермокабиной был Локхид ХС- 35, представляющий собой высотный вариант известного авиалайнера Локхид «Электра». При проектировании самолета, испытания которого начались в мае 1937 г., пришлось провести огромную работу по герметизации всех отверстий и заклепочных соединений фюзеляжа, т. к. внезапная разгерметизация пассажирского салона на высоте 8–9 тыс. м, на которой должен был эксплуатироваться самолет, привела бы к гибели людей. Хотя самолет не пошел в производство из-за не вполне удачной конструкции механизма поддержания давления внутри фюзеляжа и некоторых других технических недостатков (в частности, так и не удалось решить проблему запотевания стекол; были случаи когда экипаж был вынужден выламывать стекла при подходе на посадку [3, с. 140]), опыт его создания не пропал даром. Было установлено, что герметизация всего фюзеляжа технически возможна, а увеличение веса конструкции при этом не так уж велико. Это стимулировало развитие пассажирских высотных самолетов с гермокабинами.

В 1938 г. в США появился первый серийный пассажирский самолет с герметическим фюзеляжем — Боинг-307. Он был построен по заказу авиакомпаний Пан Америкен и TWA. В отличие от ХС-35 на Боинге-307 имелась более совершенная и, в то же время, более простая система регуляции давления. Если на самолете фирмы Локхид атмосферное давление в фюзеляже почти не зависело от высоты полета, то фирма Боинг предпочла устройство, которое обеспечиваю заданный перепад меж давлением в салоне и за бортом. На крейсерской высоте окаю 5000 м давление f кабине должно было соответствовать атмосферному давлению на высоте 2400 м, чтг практически не влияло на самочувствие пассажиров. Принцип регулирования деления, предложенный специалистами фирмы Боинг, позволял снизить нагрузки н. фюзеляж и уменьшить перепад давлений в случае разгерметизации. Поэтому ot получил широкое распространение в послевоенной авиации.

Боинг-307 представлял собой четырехдвигательный самолет для перевозки 3.: пассажиров на высоте 5–7 км со скоростью около 350 км/ч (рис. 3.58). Было построено только 10 таких машин, т. к. нормальному развитию пассажирской авиации помешана вторая мировая война. Но историческое значение этого самолета фирмы Боинг состоит в том, что он послужил родоначальником целого семейства высотных тяжелых самолетов. В частности, опыт создания Боинга-307 был использован при постройке четырехмоторного бомбардировщика с герметизированными отсеками экипажа В-29 — одного из самых известных самолетов периода второй мировой войны.

Конечно, нельзя представить себе развитие самолетов без прогресса в области двигательных установок. В 30-е годы увеличение мощности двигателей внутреннего сгорания происходило в основном за счет повышения числа оборотов и степени сжатия. Развитию этого процесса препятствовала недостаточная детонационная стойкость авиационного топлива. Проблема детонации особенно обострилась после того, как двигатели стали снабжать нагнетателями для повышения их высотности, т. к. предварительное уплотнение воздуха на входе в двигатель приводило к возрастанию степени сжатия при воспламенении смеси в цилиндрах.

В 20-е годы авиационный бензин по качеству не отличатся от автомобильного, его октановое чисто равнялось 50. Но к началу следующего десятилетия ученым удалое разработать специальные присадки на основе тетраэтилового свинца, позволяющие заметно повысить детонационную стойкость бензина. В первой половине 30-х годов в авиации стало применяться горючее с октановыми числами 73 и 87, а в 1936 г. для военной авиации в США был введен новый стандарт: бензин с октановым числом 100. Конечно, высокооктановое топливо было дороже обычного, но зато его использование давало возможность на треть повысить мощность двигателей, поднять их высотность [46].

Рис З.58 Пассажирский самолет Боинг-307

Таблица 3.10. Сведения о некоторых авиадвигателях воздушного охлаждения 30-х годов [3, с. 96]

Увеличение числа оборотов двигателя и мощности на валу обусловили применение редукторов и использование трехлопастных пропеллеров вместо двухлопастных. Это дало возможность сохранить условия работы винта без увеличения его размеров и скорости вращения. В противном случае окружная скорость концов лопастей могла достичь скорости звука, возникли бы скачки уплотнения и произошло падение КПД пропеллера.

Дальнейшее развитие претерпела конструкция механизма изменения шага винта. Благодаря увеличению диапазона углов установки лопастей появилась возможность реверса тяги (винты создают отрицательную тягу) и флюгерного режима работы пропеллера (угол установки лопасти таков, что сила тяги равна нулю). Реверс тяги винтов применялся для сокращения длины пробега при посадке, а установка лопастей во флюгерное положение позволяла избежать раскрутки винта потоком и связанной с этим опасности повреждения силовой установки при остановке двигателя в полете.

Перед войной в разных странах велись опыты по применению дизелей на самолете. Потенциальные преимущества дизеля заключались в более высокой экономичности этого типа двигателя внутреннего сгорания (на 25–25 %) и возможности использования альтернативных бензину видов топлива: например, мог применяться обычный керосин. Последнее обстоятельство было особенно существенно для Германии, которая не обладала собственными запасами нефти и, как показал опыт первой мировой войны, в случае блокады имела бы серьезные проблемы с обеспечением авиации высококачественным бензином.

Большая экономичность дизеля делала этот тип двигателя особенно привлекательным для тяжелых самолетов с большой дальностью полета. Так, испытания советского авиадизеля AH-1A на бомбардировщике ТБ-3, проходившие в начале 1937 г показали увеличение дальности на 18 % по сравнению со стандартным ТБ-3 с моторами М-34РН [7, с. 100]. Немцы в период «испанской войны» применяли дизель-моторы ЮМО-204 и ЮМО-205 на бомбардировщиках Юнкере Ju-86 и Дорнье Do-18K. В СССР в конце 30-х годов под руководством А. Д. Чаромскогобыл спроектирован авиадизель АЧ-30 взлетной мощностью 1500 л.с.; в годы второй мировом войны его устанавливали на дальних бомбардировщиках Пе-8 и Ер-2.

Но в целом, несмотря на сообщения о многочисленных достоинствах дизелей, они не получили широкою применения в авиации. Основным недостатком этого типа двигателя был его большой вес по сравнению с обычным бензиновым ДВС. Из-за большой степени сжатия и резкого (ударного) нарастания давления газов в цилиндре при вспышке, характерного для дизеля, его детали должны были иметь большую толщину. В результате удельный вес немецкого авиадизеля ЮМО-205 образца 1937 г. составлял 1,04 — в полтора раза больше, чем у бензинового ЮМО-211С, того же года выпуска [7, с. 90, 102].

В самом конце 30-х годов появились первые опытные образцы принципиально нового типа авиационной силовой установки — воздушно-реактивного двигателя (ВРД). Преимущества такого двигателя заключались в простоте конструкции (нет пропеллера, отсутствует поршневая группа и т. д.) и в том, что развиваемая им сила тяги не уменьшается с ростом скорости и значительно меньше зависит от высоты полета.

Теория ВРД была разработана в 20-е гады. Тогда же появились первые проекты реактивного двигателя с газовой турбиной (В. Базаровидр.)[47]. Однако практическому воплощению идеи препятствовала недостаточная термостойкость конструкци- онных материалов: металлические лопатки турбины не могли выдержать температуру около тысячи градусов за камерой сгорания. К тому же, скорости самолетов были невелики, и применение ВРД не представляло особого смысла — его КПД был бы слишком мал[25].

Технические возможности создания авиационного турбореактивного двигателя (ТРД) возникли в 30-е годы. Практика применения паровых и газовых турбин и турбокомпрессоров для высотных двигателей позволила отработать методы проектирования конструкции лопаток и создать для них термостойкие материалы. Тогда же начал формироваться и социальный заказ на такие двигатели. В обстановке стремительной гонки вооружений перед началом второй мировой войны требовалось быстрое развитие летных характеристик самолетов, но потенциальные возможности винтомоторного самолета во многом были уже исчерпаны и прирост скорости и высоты давался с большим трудом. Что касается опытов по применению твердотопливных ракетных установок на летательных аппаратах, то они не оправдали возлагаемых надежд из-за кратковременности реактивного действия. Только воздушно-реактивный двигатель мог обеспечить высокую тягу в течение продолжительного времени.

Сказанное отнюдь не означает, что повсюду была сделана ставка на развитие реактивной авиации. Напротив, многие специалисты скептически относились к новой идее, считая ее технически неосуществимой или не понимая потенциальных возможностей реактивных двигателей. Так, например, когда английский изобретатель Ф. Уиттл в первый раз обратился к министру авиации Великобритании с предложением о создании турбореактивного двигателя, то получил отказ на том основании, что «…газовая турбина представляет стишком большие практические трудности» [47, с. 72].

Перед войной практические работы по реактивным двигателям пелись Германии, Англии и СССР, причем сравнительно широкий размах они получили только в Германии. Над созданием ТРД там с 1936 г. работали 4 моторостроительные фирмы: Хейнкель, Юнкере, БМВ и Даймлер-Бенц; проводились также работы по авиационным реактивным двигателям на жидком топливе (ЖРД). В Англии программу создания авиационного турбореактивного двигателя возглавил Ф. Уиттл, действовавший сначала как изобретатель-одиночка, поддерживаемый небольшой частной фирмой и только в 1939 г. получивший помощь со стороны государства. В Советском Союзе над проектами ТРД начали работать в 1937 г., а через три года в специальном конструкторском бюро, имевшем большой опыт в строительстве авиационных паровых турбин, приступили к созданию экспериментального двигателя РД-1 по схеме конструктора А. М. Люлька. Однако война прервала эти работы.

Заслуга в создании первых реактивных самолетов принадлежит Германии. Этим страна во многом обязана поддержке приверженцев нового типа двигателя известным авиаконструктором Э. Хейнкелем. По словам Хейнкеля [8, с. 169–170], все началось с его встречи в 1935 г. с Вернером фон Брауном, работавшим тогда под руководством профессора Г. Оберта над созданием ракет с ЖРД. Хейнкель решил предоставить в распоряжение фон Брауна одноместный самолет Не-112 для проверки потенциальных возможностей применения Ж РД в авиации. Двигатель установили в хвостовой части фюзеляжа, дополнив этим обычный поршневой бензиновый двигатель. Испытывал машину военный летчик Э. Варзиц. В 1937 г. самолет был опробован в полетах. Взлет происходил как обычно, с помощью поршневого двигателя, а ЖРД включали уже на высоте, на короткое время; прирост скорости при этом составлял около 100 км/ч. Но однажды Варзиц решился взлететь только на ракетном двигателе. Самолет круто набрал высоту, совершил полкруга над аэродромом и приземлился. Принципиальная возможность полета с ЖРД была доказана.

Тем временем инженер Вальтер из Кельна создал новый, более совершенный тип ЖРД — HWK R-1. Он мог развивать тягу 500 кг в течение 60 секунд (ЖРД конструкции Брауна мог работать только 30 секунд и был значительно более сложен в эксплуатации). Для испытания этого двигателя был построен экспериментальный самолет Не-176. Размеры машины, спроектированной конструктором фирмы Хейнкель Г. Регнером, были предельно малыми: размах крыла и длина аппарата составляли всего по 5 м. На этот раз на самолете не предусматривалось ни пропеллера, ни поршневого двигателя. Пилот (Э. Варзиц) располагался в передней застекленной части фюзеляжа в полулежачем положении (рис. 3.59).

Первый полет Не-176 состоялся 20 июня 1939 г. и продолжался 50 секунд. В июле было выполнено еще несколько полетов. Необычную машину приезжал посмотреть сам Гитлер. Но интерес к самолету быстро прошел. Из-за неэкономичности ЖРД горючего хватало только на очень короткое время, и как боевая машина Не-176 не представлял большого значения.

Более важным событием в истории авиации явилось появление самолета Не-17› — первого в мире самолета с турбореактивным двигателем. Расходные характеристики ТРД значительно лучше по сравнению с ЖРД, и неудивительно, что именно этот тип двигателя стал основой для развития реактивной авиации.

Конструктором ТРД был молодой ученый из Геттингенского института Пабст фон Огайн. Он увлек Хейнкеля своими идеями, и тот финансировал создание ТРД. Окончательный вариант двигателя — Хейнкель-Хирт S-3B — был закончен в 1939 г. По аналогии с авиационными нагнетателями в двигателе был применен компрессор центробежного типа.

Самолет, на который установили ТРД, получил обозначение Не-178. Он не предназначался для использования в практических целях и был спроектирован как «летающая лаборатория» для испытания нового типа силовой установки. Воздухозаборник располагался в носовой части фюзеляжа, воздух огибал кабину и попадал в двигатель. Горячие газы истекали через сопло в хвостовой части фюзеляжа (рис. 3. 60). Тяга двигателя равнялась 500 кг, взлетный вес самолета — 2000 кг. размах крыла — 8,1 м.

Не-178, пилотируемый все тем же Варзицем, совершил первый полет 27 августа 1939 г., за несколько дней до начала второй мировой войны. Э. Хейнкель вспоминал: «Утро этого дня выдалось прекрасным. Стояла безветренная погода. Я и еще несколько моих конструкторов, участвовавших в создании машины и турбореактивного двигателя, прибыли на аэродром. Варзиц и техники поджидали нас. Все были в напряжении. Испытывался не только самолет, но и турбореактивный двигатель, которого еще не знало человечество. Мы стояли на пороге новой эпохи развития авиации.

Рис. 3.59. He-176 — первый самолет с ЖРД

Рис. 3.60. Первый турбореактивный самолет Не-178

…Машина оторвалась от взлетной полосы и быстро набрала высоту 300–400 метров. Что-то произошло с шасси, оно не убиралось. Мы видели, как на высоте 500 метров Варзиц сделал глубокий вираж, пытаясь его убрать. Так и хотелось ему закричать:

— Да черт с ним, с этим шасси. Можешь его не убирать. Главное — машина летит!

Непривычный вой турбореактивного двигателя был теперь для нас музыкой. Варзиц сделал круг над аэродромом с какой-то элегантностью. Вот уже целых три минуты он находился в воздухе! Техники кричали от радости и плясали, как дикие папуасы. На шестой минуте полета Варзиц, выключив двигатель, пошел на посадку. С неработающим мотором он оказался достаточно далеко от летного поля. До аэродрома Варзиц должен был дотянуть на бреющем полете. Планировать на первый раз поднятой в воздух машине было очень рискованно. Мы затаили дыхание. Но „Хе- 178“ плавно приземлился и красиво закончил пробег на взлетно-посадочной полосе» [8, с. 182].