Список статей

Лев БЕРНЕ

Пионеры сверхманевренности

Германо-американский Х-31 и российский «711»

Мы уже привыкли, что на всех авиасалонах мира наши «МиГи» и «Сухие» по части зрелищности воздушных демонстраций всегда лидеры. Поэтому руководители таких выставок, как правило, завершают ежедневный летный показ русскими «номерами». Зная это, зрители обычно не спешат покидать аэродром: наиболее интересное будет в самом конце летного дня.

Так было и на последнем авиасалоне в Ле Бурже. Но на этот раз абсолютного первенства у наших МиГ-29 и Су-35 не получилось: появился маленький конкурент — Х-31…

Маленьким «тридцать первый» казался еще и потому, что все демонстрации выполнял на большей высоте, чем наши машины. Но это не помешало многочисленным зрителям увидеть оригинальность фигур, которые он «крутил». При этом элементы высшего пилотажа в общем оставались прежними, но их сочетания были весьма необычны. Так, фигура, называемая «разворот Хербста», — это знакомая нам «кобра Пугачева» (угол атаки визуально около 70°) с последующим разворотом в горизонтальной плоскости с небольшим радиусом. Надо полагать, что такой маневр может оказаться очень эффективным в современном скоротечном воздушном бою. Другая фигура, называемая «мангустой», похожа на «разворот Хербста», но в обратном порядке: крюк в горизонтальной плоскости, переходящий в «кобру Пугачева». Что еще характерно (это особенно было видно у «мангусты»): в конце выполнения маневра машина могла иметь горизонтальную скорость, близкую к нулевой… Новый разгон до нормальной эволютивной скорости происходил очень быстро!

Исследования по так называемой программе сверхманевренности самолета начались в разных странах с начала 70-х годов. Позже ученые ЦАГИ определили характерные для современных маневренных самолетов аэродинамические формы (наши Су и МиГи, американские «шестнадцатые и восемнадцатые эфы», французский — «Рафаль» и другие). И уже тогда стало ясно, что при классической аэродинамической схеме многого не добиться. Наивысшей вершиной маневренности стали режимы полета самолета на сверхбольшие углы атаки (у Су-27 более 100° на «кобре»). Нулевые скорости МиГ-29 при выполнении «колокола» тоже можно отнести к элементам сверхманевренности современных истребителей.

Наибольшую настойчивость в решении проблемы сверхманевренности проявила немецкая фирма Мессершмитт-Бельков-Блом (МBВ), работавшая над новым истребителем TKF-90. Руководитель перспективного отдела МББ доктор Вольфганг Хербст однозначно определил: истребители нового поколения должны сочетать возможности ведения дальнего и ближнего боя, что определяет необходимость создания самолетов с очень высокой маневренностью (минимальные радиусы разворотов и обилие нестационарных режимов полета). Сверхманевренность такого ЛА наиболее эффективно можно получить при помощи изменяемого вектора тяги силовой установки, частично переложив на него функции аэродинамических рулей. Аналогичную программу по концепции сверхманевренного самолета проводили и американские фирмы Макдоннел-Дуглас и Рокуэлл Интернэшнл.

В 1985 году при соблюдении необходимой секретности начинается сотрудничество между американскими и немецкими организациями. В следующем году было заключено соглашение между министерствами обороны ФРГ и США по разработке, изготовлению и испытаниям двух экспериментальных самолетов для исследований проблемы сверхманевренности (в основном на закритических режимах). Предусматривалось применение силовых установок с изменяемым вектором тяги. Долгосрочные контракты на выполнение этих работ, естественно, были заключены с фирмами МББ (впоследствии вошла в DASA) и Рокуэлл. Подчеркивалось, что эти два самолета, получившие по американской номенклатуре экспериментальных ЛА наименование Х-31, не должны служить прототипами новых серийных истребителей.

DASA представила большой объем данных по программе EF-2000 и добилась, что Х-31 будет построен по той же аэродинамической концепции: схема «утка», крылья в плане «дельта», воздухозаборник подфюзеляжный.

Распределение обязанностей выглядело так. Немецкая сторона, начавшая работу ранее американцев, к началу активной фазы программы DASA уже обрела свою силу, взяла на себя проведение определяющей экспериментальной части, разработку общей компоновки самолета и нижнего воздухозаборника (по типу «Еврофайтера» EF-2000). Было ясно, что успех выполнения программы зависит от того, удастся ли создать компьютерную интегральную цифровую систему управления «тридцать первым», включая управление вектором тяги, смонтированную в едином блоке. DASA взялась за эту работу, а заодно и за разработку кабины. По планеру немецкая сторона отвечала за конструирование и изготовление несущих плоскостей с очень широким применением углепластиков.

На Х-31 поставили двигатель концерна Дженерал-Электрик F404GE (такой же, как и на F/A-18) Как известно, отклонение реактивной струи может осуществляться с помощью отклоняющих устройств (ОУ), которые ставятся либо на двигатель, либо на самолет. Наиболее известно ОУ в виде поворотного сопла двигателя (употребляется на СВВП). Но они требуют специальной доработки двигателя и, как правило, длительной доводки. Более простой метод — это установка плоского сопла с подвижными стенками. Такое ОУ может быть установлено на конструктивные элементы самолета за выходным сечением реактивного сопла и по сложности исполнения гораздо проще первого метода. К таким устройствам относятся, например, реверсивные устройства ЛА.

Так как подходящих для Х-31 поворотных сопел ни у немцев, ни у американцев не было, решили поворот струи двигателя (изменение вектора тяги) производить при помощи трех дефлекторных поворотных створок, установленных за срезом форсажной камеры. Створки изготовлены из карбона (углерод/углерод) и углеволокна фирмой SIGRI. Координация управления проводилась единым интегральным блоком. Газовая струя могла отклоняться в любом направлении в пределах 10° относительно продольной оси самолета.

Рокуэлл спроектировал и построил фюзеляж, ПГО и вертикальное оперение. Кроме того, на этапе окончательной сборки обеих машин американцы отвечали за снабжение серийными узлами. Для ускорения работы и снижения себестоимости Рокуэлл использовал шасси от F-16, остекление кабины от F-18. Вообще наХ-31 можно найти много узлов, компонентов систем и отдельных деталей от F-16, F-18, F-20, В-1 и даже V-22 «Оспри». Надо было добиться тяговооруженности более «1» при взлетной тяге двигателя 7 200 кг. Поэтому масса пустого Х-31 составила только 5 175 кг, нормальная взлетная 6 622 кг и максимальная 7 228 кг. Для сравнения не самый тяжелый МиГ-21МФ, имея массу пустого около 5 350 кг, нормальный взлетный вес — 8 200 кг, при тяге двигателя Р13-300 на форсаже 6 500 кгс.

Площадь крыла — 21,02 м². Для сравнения у всех МиГ-21 — соответственно — 23,0 м². Максимальная скорость полета — М=1,3. Максимальная эксплуатационная перегрузка +9 −3. Чтобы уложиться в эти данные, на Х-31 поставили только самое необходимое оборудование. В некоторых зарубежных органах информации поспешили назвать Х-31 прототипом «истребителя будущего», хотя его создатели в своей программе, как мы отмечали выше, это отрицали.

Расчетная стоимость программы была в пределах 400 000 000 DM (300 000 000 DM — американцы, 100 000 000 DM — немецкая сторона).

Первый полет Х-31 совершил с испытательного аэродрома фирмы Рокуэлл в Палмделе 11 октября 1990 года, вторая машина начала летать 19 января 1991 года. На всех этапах летных испытаний в команду испытателей вошли немецкие летчики DASA, 61-го отдела Бундесвера и американские пилоты Рокуэлла, ВВС и ВМФ США. Первый этап испытаний включал полет с углами атаки до 30° без изменения вектора тяги.

В конце 1991-го начались полеты на режимах глубокого аэродинамического срыва потока, когда критическая фаза достигается при скачкообразном изменении подъемной силы аэродинамических плоскостей от максимальной до минимальной. На этом этапе для получения необходимых режимов постепенно начали включать интегральную систему управления вектором тяги. Угол тангажа увеличивался сначала до 40° (первый полет на закритический угол атаки 40° — 19.11.91 г.), а потом и до 50°. При этом, несмотря на мощные срывные течения, самолет уверенно управлялся, устойчиво «держал» режим полета, заданный летчиком.

В январе 1992-го оба самолета Х-31А перевели из Палмдела в центр Эдвардса, чтобы использовать великолепную испытательную инфраструктуру, которую предоставила NACA. Решающая фаза испытаний наступила в апреле, когда начались полеты при постоянно увеличивающихся углах атаки на закритических режимах. В итоге в сентябре того же года получили уникальный режим: стабильный полет при угле тангажа 70° (углом атаки это уже назвать трудно) — причем пилот разворачивал машину практически на 360°.

Исследовались и другие маневры на разных скоростях, включая и довольно большие, и на разных перегрузках. После того, как отработали разворот машины в противоположную сторону с очень небольшим радиусом, практически не снижая скорости, приступили к объединению отдельных элементов в сложные фигуры. Получили «маневр Хербста» (первое успешное выполнение в апреле 1993-го) и «Мангусту», о которых мы говорили вначале.

Этими результатами подтвердились замыслы доктора Хербста о сверхманевренности. Очень жаль, что сам Вольфганг Хербст об этом уже узнать не мог: он погиб незадолго до этого на своем личном самолете.

Стало ясно, что истребитель, обладающий системой изменения вектора тяги, сможет ориентироваться на цель без изменения траектории полета, сумеет раньше, чем машина обычной схемы, занять выгодное положение для атаки в ближнем бою. При компьютерном анализе определили, что такая машина при пуске ракет на большую дистанцию тоже получала существенные преимущества, так как могла быстрее, чем противник занять боевое положение. Кроме того, она могла успешнее уходить от ракет и радиолокационного воздействия противника.

После этого наступил этап прямого сравнения тактических возможностей Х-31 с современными истребителями.

В сентябре 1993 года группа из четырех немецких и американских пилотов начала интенсивные утомительные тренировки на специальном двухместном тренажере — имитаторе воздушного боя самолетов обычной схемы и машины с изменяемым вектором тяги. В большинстве этих «боев» преимущество было за Х-31. Надо было переходить к реальным оценкам преимуществ, которыми обладал X-31. В качестве противника ему определили серийный истребитель фирмы Макдонелл-Дуглас F/A-18 «Хорнет». Для оценки результатов воздушных боев на самолеты установили специальную видеоаппаратуру, совмещенную с нашлемными визирами летчиков.

В реальных полетах результаты были еще более определенные, чем на наземном имитаторе: в 80% боев победил «тридцать первый», в 9% ситуация воздушного боя закончилась неопределенно и только в 11% победил «восемнадцатый». Превосходство революционной концепции сверхманевренности не могло быть продемонстрировано с большей очевидностью!

Для «чистоты» эксперимента провели серию сравнительных полетов, в которых угол атаки Х-31 ограничили 30°. Тактическое превосходство «тридцать первого» испарилось полностью, так как его летные характеристики оказались хуже, чем у F/A-18. 19 января 1995 года, когда основные результаты уже были получены, из-за отказа основной системы управления упал один из Х-31. Но дело уже было сделано!

Одним из основных факторов успеха DASA и Рокуэлла стали тщательность и большой объем исследований. Достаточно назвать две цифры: по испытательным программам выполнено 560 полетов с налетом более 400 часов (за 4,5 года). Такого грандиозного эксперимента история авиации еще на знала!

После завершения программы исследований с 13 апреля началась интенсивная подготовка к показу Х-31 в Ле Бурже. Времени оставалось мало (самолет перевозили на транспортнике С-5 с демонтированными крыльями) и поэтому не удалось достаточно отработать программу показа на малой высоте. В значительной мере поэтому основную задачу затмить российские звезды авиасалона Су-35 и МиГ-29М Х-31 не решил.

Автору удалось побеседовать с летчиком-испытателем DASA майором люфтваффе Квирином Кимом (кстати, он гражданин Германии — кореец по происхождению), что отметил Ким. Управляемый вектор тяги в принципе забирает часть функций, выполняемых управляемыми поворотными аэродинамическими поверхностями. Поэтому можно допускать более крутые подходы на посадку и соответственно уменьшить длину пробега. Он посетовал, что Х-31 со своим появлением сильно запоздал и вряд ли сумеет оказать влияние на конструктивные особенности истребителей пятого поколения — Еврофайтер EF-2000 и Локхид F-22.

К этому следует добавить, что результаты, полученные на Х-31, будут использованы, как в военной авиации (на легком многофункциональном истребителе по программе JAST), так и в гражданской — для улучшения летных характеристик (например, уменьшения длины взлетно-посадочных полос). Еще более заманчивая идея: изменяемый вектор тяги позволит освободиться от аэродинамических органов путевой стабилизации — вертикального оперения.

Помимо работ по Х-31 летные испытания с УВТ проводились на летающей лаборатории F-16 VISTA (самолет с изменяемой устойчивостью). На нем установлены двигатели с поворотными соплами, разработанные фирмой Дженерал Электрик. Исследования проводятся в рамках совместной программы ВВС США и NACA под названием MATV -управление вектором тяги по нескольким осям. В ходе испытаний самолет выходил на углы атаки более 80° и при этом сохранял управляемость. По другой программе ACTIVE — перспективные интегральные системы управления полетом ЛА — проводятся испытания летающей лаборатории XF-15B. Здесь стоят сопла фирмы Пратт Уитни с изменением вектора тяги по всем осям. Самолет уже много налетал, но подробности держатся в секрете так же, как и конструктивные особенности сопла.

Если говорить о сегодняшнем дне, то вполне реальна комбинация схемы обычного самолета с дополнительным устройством изменяемого вектора тяги. Как показал опыт с Х-31, определяющим здесь будет надежная комплексная цифровая управляющая машина.

Ну а что у нас?

Во второй половине 50-х годов по соображениям борьбы с высоколетящими ЛА вероятного противника (впрочем не только вероятного, но и вполне реального — вспомним полеты американца Пауэрса) появилась проблема повышения высотности наших истребителей. Логично встал вопрос: а нельзя ли несколько изменить вектор тяги двигателя, чтобы получить дополнительную вертикальную составляющую.

В 1956 году такую задачу поставил А. С. Яковлев своему заместителю по СУ, бывшему начальнику ЦИАМ, попавшему в опалу за смелость суждений В. И. Поликовскому. Он и предложил: увеличить вертикальную составляющую тягу СУ.

В то время проходил испытания высотный истребитель Як-27В с двумя двигателями РД-9Ф. Решили провести экспериментальную проверку идеи. Поручили это дело Н. В. Григорьеву. На составление эскизов дали сутки и еще трое суток на изготовление необходимых деталей.

Григорьев проблему решил просто: к обрезу форсажной камеры «присобачил» трубу с косым срезом несколько большего диаметра, чем выходное сопло. Чем больше угол среза, тем больше отклоняется вектор тяги. Самолет поставили на весы (3 колеса — три точки опоры). Значение горизонтальной тяги определяли динамометром (наши «слашники» хорошо знают этот способ), а вертикальную составляющую — по весам. Эксперимент практически точно подтвердил расчеты. Затем на самолет решили поставить дополнительный двигатель (ЖРД). История эта закончилась печально. По расчетам, такой самолет должен был выйти на рекордную высоту полета. В последний день 1956 года опытный летчик-испытатель Георгий Тиняков пошел на побитие очень престижного мирового рекорда высоты (хотелось достойно встретить Новый год). В конце взлетной полосы после включения ЖРД самолет взорвался…

Позже опыты по изменению вектора тяги проводили и на других наших фирмах (в ОКБ МиГ, у Челомея).

Естественно, лучше всего науку изменения направления вектора тяги усвоили создатели подъемно-маршевых двигателей для СВВП — конструкторы, производственники и испытатели, основанного Александром Микулиным завода № 300 (ныне АМНТК «Союз»).

Двигатели Р27В-300, Р29В-300 и Р79-300 крутили свои сопла от горизонтального положения до вертикального. Можно было получить и боковые составляющие вектора тяги. Впервые в мире на Р79-300 поворот сопла проводился при работе двигателя на форсажном режиме. Так что по поворотным соплам у нас опыт был существенно больше, чем у американцев и немцев.

Наиболее активную работу по сверхманевренности в России проводит ОКБ имени Сухого и его генеральный конструктор Михаил Симонов. Работы эти начались еще в начале 80-х годов (примерно тогда же, когда и по Х-31). Шли они как по линии качественного изменения аэродинамики основной воздушной платформы — планера Су-27, так и по применению УВТ. В результате была создана машина с увеличенным наплывом крыла (НК) и ПГО, известная, как «неустойчивый интегральный триплан», и получившая название Су-35. У него, по сравнению с предыдущими модификациями Су-27, значительно увеличена мгновенная угловая скрость разворота и повышены возможности выполнения маневров на больших углах атаки. В 1989 году на базе Су-27УБ были созданы две летающие лаборатории — Су-27ЛЛ-ПС (летающая лаборатория — поворотное или плоское сопло). Специально сконструированная хвостовая часть левого двигателя (модификация АЛ-31Ф) позволяла моделировать любой тип и форму сопла.

На одной ЛЛ испытывали круглое сопло, на другой — плоское. Летали на этих машинах наиболее опытные летчики-испытатели ОКБ имени Сухого: Виктор Пугачев, Игорь Вотинцев и Евгений Фролов.

Управление вектором тяги — поворотным соплом левого двигателя производилось вручную — тумблером.

Естественно, что двухмерное плоское сопло способно изменять направление вектора тяги только в вертикальной плоскости, тогда как круглое сопло может быть выполнено с УВТ во всережимном исполнении. Плоское сопло, естественно, проще, хотя и тяжелее. Аналогичная конструкция прорабатывается для применения на F-22 фирмами «Локхид Мартин» и «Боинг»

Необходимо отметить, что для получения сверхманевренности посредством УВТ на двухдвигательном самолете нет необходимости ставить всережимные сопла. За счет «разнотяга», то есть разных значений тяги двигателей и «разножки» (разных направлений УВТ), можно создавать и боковые составляющие вектора тяги СУ. На однодвигательном ЛА для получения сверхманевренности надо иметь всережимное сопло на все 360° (всевекторное).

Интенсивная работа двух ОКБ — имени Сухого и имени Люльки дали свои результаты — создан многоцелевой сверхманевренный истребитель — «711» (в будущем, очевидно, получит индекс «Су-37»), который будет эффективно применяться вплоть до 2015…2020 годов. На «711» установлены двигатели АЛ-31Ф с круглыми поворотными соплами, отклоняющиеся на ±15° «вверх-вниз». С этими двигателями самолет совершил первый полет 2.4.96 г. (летчик-испытатель Герой России Евгений Фролов). В шестом полете уже попробовали УВТ. На состоявшейся в июне выставке «Двигатель-96» ОКБ имени Люльки показало двигатель АЛ-37ФУ (форсированный с УВТ), который будет устанавливаться на Су-37. Несомненно этот экспонат стал «гвоздем программы» выставки.

В 1984 году Михаил Симонов «упросил» Виктора Чепкина — генерального конструктора ОКБ имени Люльки заняться вопросом УВТ. Сначала были технические предложения на уровне эскизов, а с начала 90-х годов ОКБ имени Архипа Люльки занялось разработкой сопла вплотную. Но трудности были колоссальными: при отклоненном сопле на полном форсаже газ начинает бить в стенку и ее надо защитить. Кроме того, необходимо было получить хорошее уплотнение по сферическим стыкам сопла (негерметичность — пожар на самолете), получить приемлемую термостойкость всех элементов (температура газа около 2100°К, давление около 15 атм). Силовые элементы управления соплом — гидравлические.

Управление соплом у летчика, как таковое, отсутствует — оно входит в общую систему управления самолетом. Все делает центральный компьютер, который оптимизирует управление ЛА, исходя из необходимого режима полета (скорости и высоты) и пространственного положения в данный момент.

У летчика есть одна (короткоходовая боковая) ручка управления. Пилоту не надо думать об УВТ, ПГО и др. — только задавай режим. Летчик может выключить систему УВТ, и тогда будет обычное нормальное управление машиной.

Но в чем в принципе отличается «711» от Х-31 так это в том, что он оснащен новейшей радиолокационной станцией, обеспечивающей одновременно обзор воздушного пространства и земной поверхности. На самолете установлены компьютерные авиационные индикаторы, в том числе и цветные на жидких кристаллах — с большим рабочим полем, высокоточная лазерно-инерционная спутниковая навигационная система, современное ракетное вооружение и многое другое.

Основные характеристики «711-го»:

На данный момент «711» отвечает следующим требованиям:

Отдавая должное германским и американским инженерам, создавшим Х-31 — действительно уникальный самолет, мы не можем его сравнивать с нашими Су-35 или МиГ-29М, а особенно с «711», так как они являются полноценными боевыми машинами, тогда как «тридцать первый» всего лишь максимально облегченный экспериментальный самолет.

По словам генерального конструктора и директора фирмы Михаила Симонова, «711» уже совершил более десятка полетов, во время которых вел себя безупречно. «Таким образом, — резюмировал Симонов, — мы несколько опередили наших американских конкурентов, работающих над серийными истребителями, имеющими сопла с отклоняемым вектором тяги, точными приборами навигации и другой современной аппаратурой».

Список статей