По баллистической траектории: самолеты, которые никогда не летали
К 1970-м годам СССР одним из последних в мире пришел к выводу, что невозможно считать себя морской державой, не имея авианосцев. Советские большие противолодочные корабли с небольшим количеством самолетов вертикального взлета и посадки не в счет. Поэтому в 1977 году в СССР развернулись работы по проектированию тяжелых авианесущих крейсеров (по сути являющихся настоящими авианосцами) проектов 1143.5, 1143.6 и 1143.7. Масштаб и стоимость работ по созданию полноценного авианосца и палубной авиации для него специалисты сравнивают разве что с проектами первой атомной бомбы или запуском человека в космос. Поэтому неудивительно, что первые корабли были «сырыми».
У палубного Су-27К складываются не только крылья, но и горизонтальное оперение.
В частности, было понятно, что на момент схода со стапелей первого советского авианосца проекта 1143 «Адмирал Кузнецов» отечественные палубные катапульты для самолетов не будут готовы. В лучшем случае они успевали к спуску первого советского атомного авианосца «Ульяновск» — на нем планировалось установить четыре паровых катапульты. Да и вообще, работа катапульт в наших северных широтах с постоянным намерзанием пара вызывала большие сомнения. Поэтому на первых советских авианосцах — «Адмирал Кузнецов» и «Варяг» — решили применить оригинальную идею — взлет самолета со специального трамплина-рампы. Говорят, как-то на международной оружейной выставке заместителя генерального конструктора КБ Сухого Олега Самойловича спросили, а какова, собственно, кривизна поверхности рампы. «Это самый главный секрет советского авианосца», — последовал ответ. Удалось лишь выпытать, что это кривая третьего порядка. Когда самолет сходит с рампы, он находится в идеальном угле атаки при скорости 180−200 км/ч (для Су-27). Рампа оказалась настолько удачной, что с нее взлетели и другие ранее сугубо «сухопутные» самолеты: МиГ-29К и штурмовик Су-25. Теоретически, с рампы-трамплина может взлететь самолет любой взлетной массы.
А была ли советская паровая катапульта?
Необходимость создать тренировочную базу для палубной авиации назревала с кристаллизацией авианосцев. Значительным импульсом для этого стал визит делегации ВМФ СССР в Соединенные Штаты Америки в 1975 году. Во время этой поездки советские военные посмотрели учебный центр Лэйкхерст (Lakehurst) и авианосец «Лексингтон». Вскоре, в 1977 году, началось строительство отечественного наземного испытательного и учебно-тренировочного комплекса корабельной авиации «НИТКА». Считается, что проектировщики взлетно-посадочного оборудования техническими сведениями по аналогичному американскому полигону не располагали. Этот комплекс, расположенный недалеко от города Саки в Крыму, по сути был подземным трехпалубным авианосцем, встроенным в аэродром. На «наземной палубе», длиной 290 м, установили два трамплина с углами схода 8 и 14°, командно-диспетчерский пункт и радиомаяки, а также паровую катапульту длиной 90 м, с диаметром цилиндров 500 мм и аэрофинишер, соединенные с мощными паросиловыми и гидравлическими установками.
Огромный паровой котел генерировал пар под давлением 64 атм и температуре 470 °C, который подавался по трубопроводам чтобы обеспечить плавный разгон самолета. После разгона пара конденсировался и возвращался обратно в систему. Масса только основных конструкций комплекса превышала вес большого современного нефтетанкера водоизмещением 50 000 т. Кстати, палуба «земляного авианосца» могла раскачиваться, имитируя волнение моря. В 1982 году успешно прошли испытания разгонного устройства (катапульты), аэрофинишеров и аварийного барьера. Ура! Наконец-то в СССР появилась своя современная катапульта! Этот комплекс можно смело назвать выдающимся техническим достижением своего времени. Однако недостаточное финансирование привело к тому, что все работы по катапультам и катапультным версиям самолетов СУ-27 и СУ-25 пришлось свернуть. Вторую катапульту ввести в строй не удалось.
Сотрудники комплекса спасали единственную действующую катапульту на свой страх и риск, мотивируя свои действия тем, что она нужна для испытаний аэрофинишеров. Казалось, еще немного и все изменится к лучшему. Но произошел развал СССР, «НИТКА» оказалась на территории независимой Украины, потом начался экономический кризис и развитие военного флота прекратилось.
Останется только один
Выбор советского основного палубного самолета — почти детективная история. Чтобы разобраться в ней, нужно определиться, что такое основной палубный самолет. Для этого надо ответить, а что такое советский авианосец и какие задачи он решает. В США авианосец — прежде всего ударный корабль, где истребители играют второстепенную роль противовоздушного прикрытия. Основа же группировки — два крыла ударных штурмовиков и ударных самолетов.
Применение на Су-27КМ крыла обратной стреловидности имело следующие преимущества: увеличение аэродинамического качества при маневрировании на малых скоростях; большая подъемная сила по сравнению с крылом прямой стреловидности; увеличение дальности полета на дозвуковых режимах; лучшая управляемость на дозвуковых скоростях; уменьшение взлетно-посадочной дистанции; меньшая скорость сваливания; улучшенные противоштопорные характеристики; увеличение внутренних объемов планера.
В СССР авианосцу отвели роль гигантского корабля ПВО с основной задачей защиты корабельных соединений от атак с воздуха. Прежде всего — района развертывания подводных ракетоносцев в Северном Ледовитом океане. Почему — не спрашивайте нас. Хотя, будем справедливы, начались работы и над палубной модификацией нашего основного штурмовика Су-25. Велись также разработки недостающих элементов палубной авиации: спасательных вертолетов и самолетов дальнего радиолокационного обнаружения (ДРЛО) Як-44Э, идеологически повторяющих американские Е-2С «Хокай». Но главная интрига была в том, какой из двух самолетов — Су-27 или МиГ-29 — займет основное место на авианосце. Американский авианосец имеет водоизмещение около 90 000 т и может нести порядка 100 летательных аппаратов. В первоначальном виде советский проект предусматривал стандартное водоизмещение 55 000 т (оно определялось размером самого большого стапеля Черноморского судостроительного завода в Николаеве) и 52 летательных аппарата на борту (18 Су-27, 18 МиГ-29 и 16 вертолетов Ка-27, в том числе три вертолета радиолокационного дозора и два поисково-спасательных). МиГ-29К должен был оборонять наши корабли от воздушного нападения в ближней зоне и уничтожать вражеские надводные корабли, а Су-27К — обеспечивать противовоздушную оборону на дальних рубежах. Но позднее было принято решение сократить количество типов самолетов на палубе — в итоге истребитель должен был остаться один.
По логике вещей, победить должен был многоцелевой МиГ-29, поскольку он компактнее, что очень важно для палубного самолета. Для того чтобы победить конкурента, у Су-27 сделали складывающиеся крылья. МиГ ответил тем же, сохранив лидерство по компактности. «Сухие», стараясь уменьшить размеры, постоянно сдвигали ось складывания крыла к фюзеляжу, пока не стали цеплять концами сложенных крыльев потолок ангарной палубы. Рассматривались варианты и с вовсе экзотическими схемами с двумя осями складывания. Предлагалось даже оставить нескладываемое крыло с раскладыванием в горизонтальное положение килей, что позволяло складировать самолеты друг над другом на стеллажах в виде гигантского сэндвича! Но в итоге сложили крыло, причем настолько сильно, что вслед за ним пришлось складывать и выпирающее горизонтальное оперение! Во время испытаний на палубу «Адмирала Кузнецова» сели и Су-27, и МиГ-29, и даже Су-25. Тем не менее победил Су-27, в первую очередь благодаря сильным пробивным качествам генерального конструктора «Сухого» Михаила Симонова. Просто заметим, что индусы выбрали для своего авианосца МиГ-29.
Как уши у овчаркиУ Су-27КМ крылья складывались необычно — вверх и вперед. В итоге самолет занимал меньшее пространство на взлетной палубе.
Самолет
Разработка палубного самолета не сводится к простой установке механизма складывания крыла и тормозного крюка. По сути, всю машину перепроектируют заново. В первую очередь это объясняется упрочнением самолета из-за роста посадочных нагрузок. Обычный самолет заходит на посадку (уровень глиссады) под углом 3° с последующим выравниванием почти до 0°, палубный — под углом 4° без выравнивания, что означает в 2−3 раза бОльшую вертикальную скорость снижения. У специалистов есть более точный термин — ударная посадка. Чтобы после нее самолет не развалился на части, требуется усилить весь его каркас, а также сделать другие шасси — даже на фотографиях видно, что они визуально больше стандартных. Носовая стойка палубного Су-27К двухколесная вместо стандартной одноколесной. Нужно усилить мотогондолы. Список можно продолжать до бесконечности. Закономерный итог — увеличение взлетного веса. Чтобы хоть как-то сохранить взлетные характеристики, пришлось поставить горизонтальное переднее оперение — впервые на серийной советской машине; усилить механизацию крыла — вместо флапперона установить двухсекционный однощелевой (с увеличенным до 45° углом отклонения) закрылок и зависающий элерон. В итоге даже потяжелевшая машина сходила с рампы при скорости 147−149 км/ч без просадки.
Несмотря на то что баки располагались даже в поворотных частях крыла, горючего для длительного патрулирования не хватало — на Су-27К, впервые в семействе Су-27, штанга дозаправки в воздухе стала штатным оборудованием. В итоге, по мнению авиаконструкторов, «самолет получился шикарным».
Корабельный модифицированный
Практически все лавры, а соответственно, и заказы на самолеты четвертого поколения уходили «Сухим». Поэтому неофициально считалось, что разработку истребителя пятого поколения — проект И-90 (истребитель 1990-х) — следует без конкурса отдать МиГу, чтобы хоть как-то сохранить паритет среди авиапроизводителей. Симонов же придумал асимметричный ответ — он договорился с корабелами на заказ палубного истребителя пятого поколения!
Что такое крыло обратной стреловидности
Для того, чтобы ответить на вопрос, зачем нужна обратная стреловидность крыла, нужно пояснить, для чего вообще нужна стреловидность. Дело в том, что при движении на скоростях полета свыше 450 км/ч к обычному сопротивлению воздуха, который пропорционален квадрату скорости, начинает примешиваться и волновое сопротивление. Не вдаваясь в дебри газовой динамики, поясним, что волновое сопротивление — результат затрат энергии на образование ударных волн при сверхзвуковом течении газа. Возникает вопрос, почему волновое сопротивление появляется уже при 450 км/ч, тогда как скорость звука в воздухе около 1190 км/ч? Все просто — и на скоростях полета много меньше скорости звука, некоторые потоки воздуха могут обтекать планер со сверхзвуковыми скоростями.
Волновое сопротивление резко увеличивается при приближении скорости самолета к скорости звука, в несколько раз превышая сопротивление, связанное с трением и образованием вихрей. Своего максимума волновое сопротивление достигает при небольших сверхзвуковых скоростях (так называемый волновой кризис), после чего постепенно уменьшается. Помимо скорости, волновое сопротивление напрямую зависит от формы тела. Так вот, стреловидное крыло сильно помогает бороться именно с волновым сопротивлением.
Но стреловидное крыло имеет один существенный недостаток: при сравнительно небольших углах атаки на концах стреловидного крыла возникает срыв потока (концевой эффект стреловидного крыла), что ведет к уменьшению подъемной силы. На авиашоу при выполнении современными истребителями фигур высшего пилотажа можно увидеть такие белые полосочки, тянущиеся с концов крыльев — это не дым, а инверсионный след остающийся как раз при срыве потока на конце крыла. Дальнейшее увеличение угла атаки при маневрировании ведет к распространению срыва потока по всему крылу, потери управляемости и сваливании самолета в штопор. Проблему решали по разному, включая установку на крыльях специальных гребней, препятствующих распространению срыва по крылу.
Крыло с обратной стреловидностью частично лишено этого недостатка. Во первых, в крыле обратной стреловидности нет концевых срывов и, следовательно, подъемная сила его выше. Во‑вторых, срыв потока на больших углах атаки у такого крыла возникает сначала в корневой части крыла, не нарушая работу элеронов, оставляя самолет управляемым.
Но не все так просто. При создании крыла обратной стреловидности возникли сложные проблемы, связанные, в первую очередь, с упругой дивергенцией (а попросту — скручиванием с последующим разрушением крыла). Продуваемые в сверхзвуковых трубах крылья из алюминиевых и даже стальных сплавов разрушались. Попытки увеличения жесткости крыла, имеющего традиционную металлическую конструкцию, приводили к недопустимому возрастанию массы.
Лишь в 1980-х годах появились композитные материалы, позволяющие бороться со скручиванием. Такая технология была применена на двух экспериментальных самолетах X-29, созданных американской компанией Grumman Aircraft Corporation и проходившие испытания с 1984 по 1992 год на базе Эдвардс в Калифорнии. Испытания показали, что крыло обратной стреловидности обеспечивает: значительное увеличение аэродинамического качества при маневрировании, особенно на малых скоростях; большую, по сравнению с крылом прямой стреловидности, подъемную силу, а следовательно и большую относительную грузоподъемность; увеличение дальности полета на дозвуковых режимах за счет меньшего балансировочного сопротивления; лучшую управляемость на малых дозвуковых скоростях (и, как следствие, улучшение взлетно-посадочных характеристик); меньшую скорость сваливания в штопор. По оценкам американских специалистов, замена на самолете типа F-16 обычного крыла на крыло обратной стреловидности должно было привести к увеличению угловой скорости разворота на 14%, а боевого радиуса действия на 34%. При этом взлетно-посадочная дистанция сокращалась на 35%. Однако дальше экспериментов дело не пошло. Мало того, Grumman проиграла все конкурсы на перспективный истребитель для ВВС США.
Большим энтузиастом крыла обратной стреловидности был генеральный конструктор «ОКБ Сухого» Михаил Симонов. Провал Grumman в тендерах не остановил конструктора — уж больно большие преимущества сулило новое крыло в случае удачи. Тем более стал известен основной недостаток X-29 — неприемлемая аэродинамическая тряска. Возникала она при встрече двух набегающих вихревых потоков: одного с носка крыла, другого — с околофюзеляжных наплывов. Победить X-29 тряску Симонов рассчитывал при помощи отклоняемого носка передней кромки крыла.
Первые советские самолеты для авианосцев делались, как и сами авианосцы, в авральном порядке и представляли по своей сути морскую адаптацию обычных «наземных» истребителей и штурмовиков. Между тем авианосец — гораздо более долгоживущий тип вооружения, чем самолеты. Его ресурс (30−50 лет) определяется прежде всего моральным старением, а жизненный цикл самолета — 25−30 лет. Поэтому, как правило, за свою жизнь авианосцы успевают пережить смену 2−3 поколений самолетов, которые во всем мире проектируются специально под авианосцы. Было понятно, что советским авианосцам, которые планировалось строить серийно, лет через 15−20 потребуется замена палубных Су-27К, и у Симонова такой самолет как раз будет! Этот истребитель должен был совершить первый полет в 1995 году, а к настоящему времени вовсю поступать на вооружение многочисленных советских авианосцев.
Чтобы особо не афишировать данный амбициозный проект, самолет получил обозначение Су-27КМ (корабельный модифицированный), хотя общим с Су-27 у него был лишь один элемент — фонарь кабины пилота.
Морская авиация
Поскольку серьезно увеличивать размеры авианосцев не планировалось, к самолету были предъявлены универсальные требования: он должен был выполнять функции как перехватчика, так и ударного самолета, то есть быть многоцелевым. Это означало неизменное увеличение массы — аппарат получался тяжелым, с максимальным взлетным весом под 40 т. Вдобавок не было уверенности, что на момент его появления будут решены проблемы с отечественными катапультами, а значит, взлетать ему придется с рампы. В воздушном бою он должен был превосходить основного морского конкурента — американский F-14D SuperTomcat. Самолет изначально создавался с учетом технологии «Стелс», поэтому вся боевая нагрузка размещалась внутри фюзеляжа, а кили были «завалены» внутрь.
Существующие отечественные палубные самолеты взлетают по восходящей траектории. Перспективный Су-27КМ мог бы взлетать по баллистической траектории, что позволяло ему иметь больший взлетный вес.
Самолет сразу создавался как корабельная машина (заметим, впервые в СССР), поэтому на нем было много чисто морских примочек. Например, отделяемая кабина. Статистика боевых действий корабельной авиации показывала, что летчик погибал в первые сутки нахождения в воде, поэтому проблему спасения простое катапультное кресло не решало. Отделяемая герметичная кабина Су-27КМ спасала пилота даже при отделении на глубине 10 м и могла поддерживать жизнедеятельность летчика около трех суток. Для большей переносимости перегрузок при маневрировании спинка кресла пилота была наклонена назад на 30°, против 17° у обычных самолетов. Управляться же самолет должен был джойстиком, установленным справа. Предусматривалось поворотное в вертикальной плоскости плоское сопло.
В общем, самолет получался завидным. Оставалась, правда, одна почти нерешаемая проблема — как поднять все это в воздух без катапульты?
Коленками назад
Был придуман нигде ранее не применявшийся способ — баллистический взлет. Смысл его в том, что самолет сходит с рампы и летит, подобно брошенному камню, по баллистической траектории. Правда, в отличие от камня, с работающими на форсаже двигателями. Достигнув пика траектории, самолет начинает «просаживаться» вниз, причем просадка может достигать 15 м от верхней точки траектории, но за счет возрастающей скорости и очень большого угла атаки крыло «подхватывает» машину, и в нисходящей ветви траектории, примерно на уровне среза рампы, баллистическая траектория переходит в нормальный полет с набором высоты. Проблема состояла в том, что при таком старте при сходе с рампы крыло выходило на большие углы атаки, происходил срыв потока, и самолет просто падал в воду. Выход был один — крыло обратной стреловидности, которое позволяло выходить на большие углы атаки без угрозы сваливания. У «Сухого» уже имелся опыт проектирования легкого (до 20 т) однодвигательного истребителя с таким крылом — проект С-22. Этот проект довели до стадии рабочего проектирования, был выпущен комплект рабочей документации, который затем весь ушел в корзину. Считалось, что на этом проекте Симонов до совершенства «откатал» технологию крыла обратной стреловидности.
У крыла такой конфигурации появился и дополнительный плюс. В идеале при складывании крыла оно должно «ломаться» по технологическому стыку. Однако у Су-27КМ крыло складывалось не перпендикулярно фюзеляжу, как у всех палубных самолетов традиционной схемы, а вперед, как уши у собаки-овчарки, что возможно только при наличии крыла обратной стреловидности.
Совершенно секретноНикто никогда не видел так называемый проект С-22 — однодвигательный истребитель с обратной стреловидностью крыла. Но в ЦАГИ есть удивительно похожая на него аэродинамическая модель.
Ложка дегтя
В общем, самолет получался идеальным. Существовало лишь одно «но». Дело в том, что выдерживать колоссальные нагрузки на изгиб, испытываемые крылом обратной стреловидности, способно только крыло, выполненное по композитной технологии с использованием углепластиков, где со скручиванием боролись путем направленной намотки углеволокна. Главный недостаток этого материала — его неремонтопригодность. Разрыв карбоновых волокон невозможно ликвидировать, и он ведет к принципиальным изменениям свойств материала. Поэтому поврежденные углепластиковые компоненты всегда приходится менять целиком, как, например, в гоночных болидах «Формулы-1». Пулевые и осколочные пробоины на боевых самолетах, как правило, оперативно заделывают на земле. МиГ-25, изготовленный из стали, позволяет заваривать повреждения даже обычной электросваркой. Теоретически, поврежденное углепластиковое крыло Су-27КМ можно было бы поменять целиком. Только вот до аэродрома такой самолет вряд ли дотянет — при колоссальных нагрузках потерявшее прочность крыло от первого же снаряда мгновенно разрушится в воздухе. Удалось ли инженерам ОКБ Сухого решить эту проблему, «Популярной механике» неизвестно.
В мае 1989 года разработка Су-27КМ была прекращена решением Военно-промышленной комиссии. ОКБ Сухого продолжило работы за свой счет и в начале 1990-х годов совместно с Иркутским авиационным заводом построило всего одну летающую экспериментальную машину, получившую индекс C-37 и прозванную в прессе «Беркутом». Она лишь отдаленно напоминала исходный Су-27КМ и была ошибочно причислена к пресловутым самолетам пятого поколения.