С КРЫЛОМ ИЗМЕНЯЕМОЙ СТРЕЛОВИДНОСТИ (Опытный самолет F10F «Ягуар»)

Задача создания самолета с крылом изменяемой геометрии возникла с появлением реактивной авиации. Рост скоростей заставлял конструкторов использовать крыло небольшого размаха с большим углом стреловидности, в то время как на режиме взлета и посадки требовалось совсем другое крыло — большого размаха с небольшой стреловидностью. Объединить два столь противоречивых требования, по прогнозам ученых-аэродинамиков, могло создание машин с изменяемой в полете геометрией крыла, которые при высоких максимальных (в том числе и сверхзвуковых) скоростях полета с убранным крылом должны обладать хорошими взлетно-посадочными характеристиками, большой дальностью и длительностью барражирования в режиме полета с крылом малой стреловидности.

Проблему создания самолета с крылом изменяемой стреловидности пытались решить еще в годы Второй мировой войны, причем работы велись практически одновременно в Германии, на фирме «Мессершмитт», и в США, в Центре имени Лэнгли.

В Германии созданием экспериментального самолета занимались конструкторы фирмы «Мессершмитт» под руководством Вольдемара Войта и главного специалиста по аэродинамике Йозефа Хубарта, спроектировавшие и построившие опытный истребитель Р.1101 с подвижным крылом. Правда, геометрию крыла у него можно было менять лишь на земле, устанавливая консоли в одно из фиксированных положений (с углом стреловидности 34, 40 и 45°). Предполагалось, что скорость нового самолета достигнет 1000 км/ч и практический потолок — 14 000 м. Летные испытания планировали на лето 1945 года, однако уже в мае фирму захватили части морской пехоты США. Построенный на 80 процентов Р.1101 разобрали, упаковали в контейнеры и вывезли вместе с Войтом и Хубартом в США, на базу ВВС «Райт Филд». К сожалению, в пути ящики были повреждены, так что завершить строительство опытного истребителя не удалось. Ну а создателей этой машины «приютили» ведущие авиационные фирмы США — Войт стал работать на фирме «Белл», а Хубарт — на фирме «Грумман».

В Америке в 1945 году изучением аэродинамики самолета с изменяемой геометрией занимались ученые Центра имени Лэнгли, причем исследовались две перспективные схемы: с несимметричным цельноповоротным крылом и с симметричным крылом, у которого концы консолей поворачиваются одновременно в одну сторону. Позднее, в 1947 году, в Центре имени Лэнгли исследовалась возможность применения крыла переменной стреловидности на самолете Белл X-1, а затем и на Белл Х-2. Результаты исследований показали, что крыло с изменяемой в полете стреловидностью обеспечивает решение проблем, связанных с полетами сверхзвуковых самолетов на малых скоростях, однако для обеспечения необходимой продольной устойчивости может потребоваться перемещение корневой части крыла вдоль фюзеляжа.

Следующим этапом работ по созданию самолета с изменяемой геометрией крыла стала реализация фирмой «Белл» совместного проекта NACA и ВВС США, получившего обозначение МХ1095. Перед конструкторами фирмы была поставлена задача создания экспериментального самолета с крылом, стреловидность которого должна была изменяться в полете от 20° до 60°. Руководителем проекта был назначен Вольдемар Войт.

Использовав немалый опыт фирмы «Мессершмитт» по созданию истребителя с крылом изменяемой стреловидности, конструкторы под руководством Войта создали экспериментальный летательный аппарат Х-5 по образу и подобию недостроенного Р.1101. Правда, в отличие от немецкой машины, не имевшей механизма поворота консолей в полете, у Х-5 крыло могло менять стреловидность непосредственно в полете, причем одновременно перемещались и корневые части консолей вдоль оси фюзеляжа — это обеспечивало постоянство центровки самолета, а следовательно, сохранение маневренности машины во всем диапазоне углов стреловидности крыла. К тому же незыблемость в расположении аэродинамического фокуса крыла избавляла от появления пикирующего момента при увеличении стреловидности.

Всего было построено два Х-5, использовавшихся с 1951 года флотом и ВВС США для проведения широкой программы летных исследований. В 1953 году второй экземпляр (заводской номер 50-1839) попал в штопор и разбился, а летчик ВВС майор Реймонд Попсон погиб. Испытания первого самолета продолжались. К концу программы экспериментальных полетов надежность Х-5 была доведена до столь высокого уровня, что в течение нескольких последующих лет он использовался в качестве самолета сопровождения других экспериментальных летательных аппаратов. В результате испытаний было установлено, что при увеличении стреловидности крыла максимальная скорость возрастала с 970 до 1040 км/час. Небольшие изменения стреловидности мало сказались на продольной устойчивости, но при приближении к максимальному углу стреловидности изменялась балансировка машины и возникала тенденция к продольной неустойчивости. Это обстоятельство, вместе с тем, что механизм изменения стреловидности оказался очень тяжелым, привело к прекращению работ. Экспериментальные полеты Х-5 прекратились в 1955 году.

Тем не менее, на самолете Х-5 были ясно продемонстрированы аэродинамические преимущества применения крыла переменной стреловидности для повышения эффективности полета в диапазоне крейсерских скоростей, достижения большой скороподъемности, обеспечения взлета и посадки с небольших аэродромов.

Практически одновременно с фирмой «Белл» созданием самолета с изменяемой геометрией крыла занималась фирма «Грумман», которой поручили разработку опытного самолета F10F «Ягуар». 3 сентября 1947 года фирма выдала на рассмотрение флота проект одноместного истребителя с переменной стреловидностью крыла на базе фюзеляжа самолета «Пантера» F9F-2, который только готовился к испытательным полетам.

«Ягуар» представлял собой дозвуковой самолет-высокоплан с крылом изменяемой стреловидности. 4 марта 1948 года флот оформил заказ на две таких машины, облет которых планировали на август и ноябрь 1949 года. Продувки моделей в аэродинамической трубе показали, что изменение стреловидности дает лишь небольшое улучшение летных характеристик. К тому же флот несколько изменил свои условия, потребовав установить в носовой части самолета РЛС AN/APS-25 с диаметром зеркала антенны 30 см, а это меняло не только балансировку самолета, но и другие аэродинамические характеристики. Да и мощности планируемого для «Ягуара» английского двигателя «Нин» было явно недостаточно. В общем, проект разваливался на глазах.

В течение года конструкцию серьезно переработали, и 7 июля 1949 г. фирма «Грумман» внесла предложение изменять стреловидность крыла с 42,5° до 13,5° при взлете, крейсерском полете и посадке. По заявлению Йозефа Хубарта, самолет с таким крылом должен был иметь небольшую посадочную скорость, увеличенную крейсерскую и больший радиус действия. Как и на самолете Х-5, по мере увеличения стреловидности крыло перемещалось вперед. При переделке крыла F10F стабилизатор треугольной формы был вынесен на киль. Стабилизатор мог поворачиваться относительно продольной оси и имел два фиксированных положения; взлетное и полетное. Расчетная взлетная масса XF10F-1 — 12 400 кг, из которых 5,5 процента приходилось на устройства, связанные с изменением стреловидности крыла. На самолет планировали установить ТРД J40 фирмы «Вестингауз» с тягой 3270 кг (в то время разработка форсажной камеры еще не была закончена). Крыло площадью 42 м² было снабжено закрылками Фаулера, занимавшими 80 процентов размаха, и предкрылками по всему размаху. Пилоны, на которых могли подвешиваться бомбы и топливные баки, поворачивались так, что их оси были параллельны набегающему потоку.

В инициативном порядке фирма проработала проект F10F с комбинированной силовой установкой. На этом варианте в нижней части фюзеляжа устанавливался ракетный двигатель фирмы «Кертисс-Райт» с тягой 2060 кгс. Ось его сопла была направлена под углом 16,5° вниз относительно продольной оси фюзеляжа. При включении такого ракетного ускорителя самолет мог взлетать практически с места. Имелся и двухместный проект истребителя «Ягуар» с оператором РЛС в задней кабине.

Внимание, которое уделял флот новому истребителю, говорит о приоритетности этой программы. Первые боевые эскадрильи «ягуаров» планировалось разместить на строящихся авианосцах типа «Юнайтед Стейтс». Макет самолета прошел утверждение в конце 1949 года. Почти сразу после этого флот заказал 12 предсерийных экземпляров, а после начала войны в Корее — еще 70 боевых машин. Сборку первого опытного образца фирма закончила только в начале 1952 года. Столь долгий, по тем временам, срок сборки объяснялся отсутствием двигателя. Фирма «Вестингауз» задержала его передачу на фирму почти на год. После пробы двигателя и нескольких рулений по заводской полосе в Безпейдже XF10F-1 перевезли в испытательный комплекс на авиабазу Эдвардс.

19 мая 1952 года свое место в кабине истребителя занял летчик-испытатель фирмы «Грумман» Корвин Меер. Подняв самолет в воздух, Меер не смог убрать шасси и из-за этого разогнать самолет до скорости, большей 370 км/ч. В этом полете доставил много хлопот и механизм уборки закрылков. Меер совершил вынужденную посадку. Во втором полете летчик услышал громкий хлопок в двигателе, и самолет сильно тряхнуло, но двигатель не отказал, и Меер посадил самолет. В последующих полетах хлопки повторялись, причину их появления — неисправности системы управления подачи топлива — устранили быстро. Немалые хлопоты доставлял механизм изменения стреловидности. Так, в одном из полетов переход от максимального угла к минимальному занял более минуты, хотя на стендовых испытаниях эта операция занимала от 5 до 10 секунд. Причиной этого стал перегрев гидравлической жидкости на 30°С больше максимально допустимой температуры. Еще одним постоянным источником неприятностей стал двигатель самолета, который подчас даже на максимальных режимах выдавал только 30 процентов расчетной мощности. К тому же переход от максимальных к минимальным оборотам и наоборот занимал 21 секунду, что для боевого самолета просто недопустимо.

Всего было сделано 26 испытательных полетов. Летные испытания следует признать успешными в том отношении, что при изменении стреловидности крыла балансировка самолета изменялась мало, особенно после увеличения размаха стабилизатора. В ходе испытаний выяснилось, что с увеличением стреловидности крыла возникла потеря путевой устойчивости, что, вероятно, являлось следствием перекрестных связей, влияние которых тогда только начали обнаруживать на самолотах с малым моментом инерции относительно продольной оси.

Большой диапазон изменения угла стреловидности исключал возможность применения обычных элеронов. Фирма «Грумман» рассчитывала обеспечить поперечное управление интерцепторами и небольшими элеронами, только создающими усилия на ручке управления. Но применение обычных интерцепторов связано с большими, беспорядочно изменяющимися усилиями, действующими на органы управления, и флаттером, а щелевые интерцепторы (располагаемые над и под крылом) не годились из-за их неблагоприятного влияния на устойчивость. В результате интерцепторы были сняты, а места их установки заделаны. Остались лишь небольшие элероны. Для увеличения путевой устойчивости при скоростях, близких к срывным, пришлось увеличить площадь вертикального оперения с помощью треугольных поверхностей на хвостовой части фюзеляжа с отрицательным поперечным «V». Критическая скорость уменьшилась до 144 км/час.

ЛЕТНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА САМОЛЕТА F10F «Ягуар»

Длина, м — 16,7

Высота, м — 3,78

Размах крыла, м:

при минимальной стреловидности — 15,4

при максимальной стреловидности — 11,2

Угол стреловидности крыла, град:

минимальный — 13,5

максимальный — 42,5

Площадь крыла, м² — 42

Нагрузка на крыло, кг/м² — 360

Масса пустого, кг — 12 650

Нормальная взлетная масса, кг — 14 970

Скорость полета, км/ч:

максимальная — 1170

минимальная — 144

Скороподъемность, м/с — 43

Практический потолок, м — 12 000

Испытания самолета XF10F показали также, что потребная площадь оперения сильно изменяется в зависимости от угла стреловидности и скорости полета. При больших скоростях полета площадь руля направления была слишком велика, а при малых скоростях она составляла только 25 процентов потребной площади. Последние два полета самолет сделал со стабилизатором, имеющим больший размах. Он был установлен, чтобы уменьшить чрезвычайно сильное изменение балансировки от закрылков. Однако расчеты показали, что площадь стабилизатора следовало еще удвоить.

23 июня 1953 года флот приостановил полеты всех самолетов, оснащенных двигателями J40, из-за высокого уровня аварийности. Прекратились и полеты «Ягуара». Первый опытный образец и его, построенный на 90 процентов «близнец» оказались в Морском авиационном материальном центре в Филадельфии. Программу закрыли.

Причиной прекращения работы над самолетом «Ягуар» (ожидался заказ на 112 самолетов) послужили, во-первых, недостатки необычной системы управления стабилизатором и интерцепторами, во-вторых, прекращение разработки двигателя J40 и, в-третьих, начало модернизации авианосцев, которая сделала проблему уменьшения посадочных скоростей менее острой. Хотя самолет F10F не строился серийно, на нем были продемонстрированы преимущества применения крыла переменной стреловидности на боевых военных самолетах.

В течение нескольких последующих лет крыло изменяемой геометрии не применялось в проектах новых самолетов, но продолжались интенсивные аэродинамические исследования, направленные на улучшение характеристик устойчивости и управляемости самолетов с очень большой стреловидностью крыла. Временный отказ от применения такого крыла на новых самолетах объяснялся несколькими причинами. Еще не было ясно, можно ли обеспечить эффективный продолжительный сверхзвуковой полет. Военные требования к самолетам ограничивались выполнением сверхзвукового броска, при котором неподвижное крыло, хоть и не являлось оптимальным, но признавалось все же вполне приемлемым компромиссом. Кроме того, своего разрешения требовала задача создания более простой механической системы обеспечения изменения стреловидности.

ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ

«Ягуар» представлял собой одноместный цельнометаллический моноплан с высокорасположенным крылом переменной стреловидности и трехстоечным шасси с носовым колесом. Фюзеляж типа полумонокок состоял из трех частей: носовой, средней и хвостовой. В носовой части находились герметичная кабина летчика, воздухозаборники двигателя и место для установки радиолокатора. Для улучшения обзора из кабины при посадке поперечное сечение носовой части имело треугольную форму. Воздухозаборники нерегулируемые. На левой стороне фюзеляжа имелись две ступеньки для ног летчика, закрытые подпружиненными створками. Кабина пилота герметичная, оборудованная катапультируемым креслом, обеспечивающим безопасное покидание самолета на высоте не менее 100 метров. Передняя часть фонаря бронирована многослойным оргстеклом толщиной 60 мм. Сдвижная часть могла фиксироваться в любом положении. Открытие и закрытие производились гидравлическим цилиндром. Система аварийного сброса — воздушная. Средняя часть фюзеляжа вмещала в себя топливные баки, двигатель и гидравлический механизм поворота крыла, состоящий из двух винтовых домкратов, прикрепленный болтами к силовым шпангоутам. В нижней части фюзеляжа находились ниши для основных стоек шасси. Хвостовая часть отстыковывалась от центральной, облегчая обслуживание двигателя. В хвостовой части располагались выхлопная труба двигателя, задняя хвостовая опора и посадочный крюк.

Стреловидность крыла самолета менялась от 42,5° до 13,5°. Механизация крыла была представлена закрылками Фаулера, автоматическими предкрылками и небольшими элеронами на складывающихся консолях. Механизм складывания гидравлический. На верхней обшивке крыла имелись дюралюминивые «латки», закрывающие места установки интерцепторов.

Шасси самолета трехстоечное с носовым колесом. Уборка и выпуск производились гидравлической системой. Для предохранения хвостовой части фюзеляжа от повреждения при посадке использовалась убираемая хвостовая опора. Тормозной крюк — полностью убираемый. Носовая стойка шасси, рассчитанная на большие нагрузки, имела два колеса. Основные стойки укладывались в фюзеляж, так как о размещении их в подвижное крыло не могло быть и речи.

На «Ягуар» устанавливался двигатель J40-WE-6 фирмы «Вестингауз» с форсажной камерой от ТРД J48. Длина двигателя 7,6 м, диаметр 1 м. Максимальная тяга на форсаже 5280 кг. Тяга без форсажа — 3265 кг.

Вооружение на опытный образец не устанавливалось. Серийные самолеты планировалось вооружить двумя 20-мм пушками, а также НУР, бомбами или зажигательными баками, подвешиваемыми к двум поворотным пилонам на крыле.

А.ЧЕЧИН

г.Харьков