Экспериментальные машины
на базе "Mirage" III
СВВП "Balzac"
Во второй половине 50-х годов XX века французский Генеральный штаб начал прорабатывать вопросы использования своих вооруженных сил в условиях ядерной войны. Наиболее сложным вопросом было сохранение потенциала истребительной авиации, которая считалась основой противовоздушной обороны страны. У специалистов не вызывало сомнения, что все стационарные аэродромы будут уничтожены в первые минуты нападения, и даже исправные перехватчики, если таковые останутся, уже не смогут подняться в воздух. Исходя из этого, французский Генштаб разработал стратегию рассредоточения боевых сил авиации по небольшим скрытым полевым аэродромам в период угрозы нападения.
У самолетов с поршневыми двигателями такое рассредоточение не вызывало больших затруднений. Их взлетно-посадочные характеристики позволяли базироваться даже на неподготовленных площадках. Например, у французского истребителя времен Второй мировой войны "Девуатин 520" взлетная дистанция равнялась всего 320 метрам. Однако новое поколение самолетов с реактивными двигателями требовало уже капитальных аэродромов. Даже у не самого современного истребителя того периода "Мистраль" (французский вариант английского "Vampire") разбег составлял 650 м, а у истребителя "Mystere" IV— целых 1 300 м.
Такое существенное различие было вызвано увеличением нагрузки на крыло почти в два раза (у "Девуатина" — 175 кг/м2, а у "Mystere" — 246 кг/м2) и, как следствие, ростом скорости отрыва от ВПП. Таким образом, проблема размещения реактивных истребителей на неподготовленных площадках требовала серьезных исследований и финансовых затрат.
Наиболее простым решением этой проблемы стало принятие на вооружение ВВС Франции полевой пневматической катапульты для самолетов. Она представляла собой ферменную конструкцию длиной 67,5 м и шириной в рабочей части 3,12 м. Катапульта собиралась из пяти секций в течение трех часов. Ее разгонные характеристики рассчитывались под истребители "SE Мистраль". Теоретически за пять минут она могла выпустить пять самолетов, разгоняя их до скорости 270 км/ч.
Одновременно с принятием на вооружение катапульты проводились любопытные эксперименты по взлету истребителей "Мистраль" с рельсового пути. Рельсы имели продольные желобки, в которых прокладывался пеньковый канат. Самолет скользил по рельсам на двух профилированных лыжах, оборудованных небольшими емкостями с керосином. Во время движения керосин смачивал канат, снижая тем самым трение. Замеры во время летных испытаний показали, что у пары "лыжа — рельс" коэффициент трения оказался в три раза ниже, чем у пары "колесо — бетонка".
Если вопросы, связанные со взлетом, были более или менее проработаны, то проблемы посадки реактивного самолета на неподготовленную площадку оставались пока нерешенными. Такие экзотические способы, как посадка с резким торможением за счет тросового аэрофинишера и с дальнейшим падением самолета на резиновые цилиндрические подушки, угрожали не только целостности конструкции, но и здоровью летчика. Хотя испытания такой системы прошли успешно, она никогда не рассматривалась всерьез.
Шло время, и основной истребитель французских ВВС "Мистраль" устаревал. С ним ушли в прошлое и все разработки, касающиеся взлета и посадки.
С появлением более современных самолетов все пришлось начинать сначала. Видя, что приспособлением наземных средств под конкретные самолеты проблему решить не удается, в генеральном штабе решили, что для этого нужен специальный "безаэродромный" самолет. За разработку такой машины взялась фирма "SNCASE".
В 1953 году она построила экспериментальный истребитель SE5000 "Браудер", который взлетал при помощи отделяемой колесной тележки и садился на выпускаемые лыжи. Интересной особенностью машины была возможность взлета с лыж. Короткий пробег после посадки обеспечивался сильным трением лыж о грунт, при этом концы лыж специально разводились в стороны. Однако авиация уже вступила в эру сверхзвуковых скоростей, и доведение дозвукового «Браудера» прекратили в 1955 году. После неудачи с тележкой и лыжами министерством авиации Франции были разработаны и разосланы по авиационным фирмам требования к реактивному сверхзвуковому истребителю-бомбардировщику со взлетной дистанцией 150 м и максимальной скоростью, соответствующей числу М=2. Эти абсолютно несовместимые, мало того, фантастические цифры заставили специалистов задуматься о вертикально взлетающем самолете.
Конструкторы фирмы "Dassault" остановились на двух схемах самолета вертикального взлета и посадки. По первой схеме предполагалось использовать в качестве силовой установки один мощный двигатель с изменяемым направлением вектора тяги (вперед или вверх). По второй схеме для создания подъемной силы во время взлета и посадки намеревались использовать несколько вертикально расположенных небольших и очень простых дополнительных ТРД.
Прообразом двигателя первого типа являлся ТРД "Бристоль" BS.53 "Пегас" с очень большим коэффициентом двухконтурности. Половина тяги двигателя создавалась потоком горячих газов после турбины, выходящих через два задних выхлопных сопла, а вторая половина тяги создавалась потоком холодного воздуха, вытекающего из компрессора низкого давления через два передних выхлопных сопла. Четыре сопла коленчатой формы с решетками направляющих лопаток могли поворачиваться, что и позволяло отклонять вектор тяги.
Примером двигателя для самолета второй схемы, используемого только для создания подъемной силы, служил "Rolls-Royce" RB.108. Это был компактный, небольшой, очень простой конструкции ТРД с тягой около 1 000 кгс, рассчитанный только на малые скорости и высоты полета. При создании СВВП по второй схеме могла быть достигнута значительная экономия его массы (а следовательно, и стоимости), масса двигателя составляет всего 1/16 развиваемой тяги, в то время как это отношение у ТРД, используемых при всех скоростях и высотах, достигало приблизительно 1/6.
Расчеты показали, что масса двигателя с отклоняемым вектором тяги и суммарная масса маршевого и подъемных двигателей сопоставимы, причем вторая система даже имеет некоторое преимущество. Схема самолета с силовой установкой, состоящей из одного двигателя, очень стесняла конструкторов. Дело в том, что прежде чем располагать двигатель вблизи центра тяжести самолета, необходимо было решить трудную задачу размещения топлива, вооружения и бортовых систем, масса которых изменялась в полете. К тому же турбореактивный двигатель с тягой, превышающей взлетный вес самолета, не мог быть оптимальным как на взлетном, так и на крейсерском режимах.
Расчеты показывали, что у однорежимного двигателя расход топлива будет на 30 процентов меньше. В единственном в то время двухрежимном двигателе BS.53 "Пегас" с большим коэффициентом двухконтурности "холодная" струя из двух передних сопел создавала примерно половину тяги двигателя. Скорость истечения "холодной" струи была слишком мала (вследствие низкой температуры) для того, чтобы создавать достаточную тягу для преодоления звукового барьера. Кроме этого, очень трудно было спроектировать единый воздухозаборник, оптимальный для полетов как на дозвуке, так и с числом М, близким к двум единицам.
У СВВП со специализированным маршевым и небольшими подъемными ТРД можно было установить воздухозаборники двух типов — для маршевого двигателя и подъемных двигателей. Площадь выходного сечения сопла маршевого двигателя можно было сделать равной площади сечения заднего среза фюзеляжа, что существенно снижало донное сопротивление самолета, являющееся самой большой частью сопротивления самолета в сверхзвуковом полете.
Вертикально взлетающий самолет с универсальной силовой установкой, состоящей из единственного мощного двигателя, проигрывал в этом смысле, так как большое сужение хвостовой части фюзеляжа являлось причиной значительного донного сопротивления и, кроме того, обтекатели поворотных сопел сами по себе являлись дополнительным источником сопротивления. При эксплуатации также предпочтительнее было использовать раздельные двигатели: летчику удобнее, когда разделены параметры подъемной силы и тяги, а обслуживающему составу легче снимать и обслуживать небольшие двигатели массой до 200 кг, в то время как для обслуживания большого двигателя с отклоняемым вектором тяги, расположенного в центре тяжести самолета, подчас требовался демонтаж важных элементов конструкции и проводки управления.
Еще один важный вопрос, изучавшийся инженерами фирмы "Dassault" — надежность двигателей и возможность их отказа. Дело в том, что для вертикально взлетающего летательного аппарата при взлете должна была обеспечиваться, по меньшей мере, такая же безопасность, как для классического самолета с одним двигателем. У обычного самолета при отказе двигателя не исчезает подъемная сила, а его система управления сохраняет работоспособность. Машина с неработающим двигателем будет иметь определенную скорость снижения, от величины которой зависит, сможет она совершить нормальную или аварийную посадку. Во всех случаях сохраняется управляемость, что позволяет летчику в благоприятных условиях катапультироваться и спастись.
Для СВВП с единственным универсальным двигателем его отказ при взлете приведет к полной потере подъемной силы и управляемости, так как для управления требуется подача сжатого воздуха от компрессора двигателя. При этом гибель самолета становится неизбежной. Более того, поскольку во время падения такого самолета управлять его положением в пространстве невозможно, не гарантируется спасение летчика. Свободное падение характеризуется быстро возрастающей скоростью, и даже при строго горизонтальном положении фюзеляжа отсутствует гарантия срабатывания катапультируемого кресла.
Если же на самолете подъемная сила создается восемью двигателями, то отказ одного из них приведет к потере только 1/8 подъемной силы. При этом полностью сохраняется работоспособность реактивной системы управления, а семь работающих двигателей компенсируют потерю тяги отказавшего двигателя. Момент, вызванный асимметрией подъемной силы, может компенсироваться реактивной системой управления или выключением двигателя, симметрично расположенного относительно центра тяжести самолета с одновременным увеличением тяги работающих подъемных двигателей. При этом всегда остается возможность при отказе подъемного двигателя в первые секунды взлета (до высоты менее 5 м) благополучно посадить самолет.
Фирма "Dassault" сначала разрабатывала два различных СВВП: первый — MD.610 "Кавальер" с двигателем "Пегас" и "Mirage" V (читается как "вэ", а не "пять") — с отдельными подъемными двигателями. Взвесив все "за" и "против", инженеры Марселя Дассо остановились на проекте "Mirage" V.
Убедив заказчика в правильности своего решения, фирма "Dassault" получила заказ на два опытных экземпляра СВВП "Mirage" V. Для такого самолета требовалось восемь двигателей для создания подъемной силы с тягой по 2 500 кгс каждый и маршевый двигатель для создания горизонтальной тяги величиной около 9 000 кгс. В тот период такие двигатели еще только разрабатывались — первые фирмой "Rolls-Royce", и вторые — фирмой "SNECMA", выпуск и тех и других планировался только к началу 1964 года. Чтобы использовать появившийся резерв времени для изучения боевого вертикально взлетающего самолета, французское министерство авиации в феврале 1961 года заказало фирме "Dassault" экспериментальный самолет "Balzac" V, который предполагалось оснастить имевшимися в то время подъемными двигателями "Rolls-Royce" RB.108, уже применявшимися на экспериментальном самолете "Шорт SC.1". Чтобы можно было практически использовать большую часть результатов летных испытаний, самолет "Balzac" V специально проектировался как летающая модель самолета "Mirage" V. Тяга двигателей RB.108, составлявшая около 1 000 кгс, определила масштаб подобия.
По массе и тяге двигателей самолет "Balzac" представлял собой модель, выполненную в масштабе 1:2. Самолет создавался в сотрудничестве с фирмой "Зюйд Авиасьон» по плану, который в конце концов должен привести к разработке самолета "Mirage" V. На фирму "Dassault", являвшуюся основным подрядчиком, была возложена детальная разработка проекта. Фирма "Зюйд Авиасьон" взяла на себя проектирование и изготовление фюзеляжа, в то время как фирма "Dassault" была ответственной за создание крыла и вертикального оперения.
Некоторые части конструкции самолета "Balzac" были использованы от первого "Mirage" III-001. Что касается системы реактивного управления, то ее спроектировали и изготовили на фирме "SNECMA". Первые конструктивные разработки начались в апреле 1961 года.
На испытания в аэродинамических трубах пришлось затратить около двух лет, но таким образом были получены все необходимые данные о потребной тяге вертикального взлета, а также о технике пилотирования на режиме висения и переходном режиме полета. Впоследствии эти данные были использованы при создании специальной установки, моделирующей самолет. С ее помощью переходный режим полета изучили еще за несколько месяцев до летных испытаний, что позволило осуществить регулировку органов управления.
Во время летных испытаний их эффективность и надежность подтвердились, а объем работ по доводке и сроки их проведения на самом самолете были значительно сокращены. Данные по особенностям установки подъемных двигателей были получены в результате исследований в аэродинамической трубе. Продувочный стенд представлял собой полумодель самолета "Balzac" в натуральную величину с четырьмя настоящими двигателями. Крепилась она к стенке рабочей части аэродинамической трубы фирмы "Rolls-Royce". С помощью этого стенда была определена оптимальная конфигурация воздухозаборников и практически доказана возможность повторного запуска двигателей в полете.
В январе 1962 года началась сборка планера. Опытный образец самолета полностью закончили в мае 1962 года, а в июле завершили отладку и опробовали подъемные двигатели. В результате первый свободный полет был совершен на два месяца, а летные испытания в переходном режиме провели на четыре месяца раньше сроков, оговоренных в контракте. Это оказалось возможным только благодаря значительному объему наземных испытаний различных систем самолета.
- компоновочная схема СВВП "Balzac".
Первый вертикальный взлет самолета "Balzac" под управлением летчика-испытателя Рене Бигана состоялся в Милан-Вилярош 12 октября 1962 года. Тросы, удерживавшие самолет у земли, допускали его перемещения только в ограниченных пределах, и парение происходило на высоте нескольких метров. Вторая попытка была совершена в тот же самый день.
18 октября Биган опробовал машину на режиме висения. 25 октября машина находилась в воздухе более двух минут. 6 ноября "Balzac" продемонстрировали прессе. После этого самолет был направлен на завод для установки убирающегося шасси, тормозного парашюта и подфюзеляжного киля. Первого марта 1963 года Биган совершил несколько подлетов, а на следующий день — обычные взлет и посадку.
18 марта был успешно опробован переходный режим. "Balzac" взлетел вертикально, после чего горизонтальная скорость самолета постепенно росла до величины, при которой подъемная сила полностью создавалась крылом. После этого двигатели для создания подъемной силы были выключены. Полет завершился посадкой с пробегом.
29 марта состоялся первый полет самолета по полному профилю: вертикальный взлет — переходный режим — движение с выключенными подъемными двигателями — обратный переходный режим — вертикальная посадка.
Вскоре к полетам подключился второй летчик-испытатель фирмы "Dassault" — Жан-Мари Сагет. Он успешно продемонстрировал самолет на салоне в Ле-Бурже 1963 года. Тренировка летчика к работе на самолете "Balzac" была незначительной. После нескольких тренировок на вертолете, необходимых для ознакомления с режимом висения, Бигана несколько раз вывезли в Англии на экспериментальном самолете "Шорт SC.1", близком по принципу вертикального взлета к самолету "Balzac". В США Биган стажировался на самолете "Bell" X-14. По мнению Бигана, переучивание летчика на вертикально взлетающие самолеты не требовало сложных тренажеров. С его точки зрения, вертикально взлетающие самолеты можно сравнить с обычными, оборудованными системой сверхмощных закрылков.
В ходе испытаний к программе подключались все новые и новые летчики. К началу 1964 года машину освоили пять французских и один американский летчик.
- экспериментальный СВВП "Balzac" во время испытательных полетов.
10 января 1964 года в 125-м полете на режиме висения на высоте около 100 метров при проверке работы газовых рулей произошла катастрофа. Самолет из-за поперечной неустойчивости треугольного крыла и снижения тяги подъемных двигателей временно потерял управление. Машина начала падать, у земли она сначала накренилась на 90 градусов, а затем перевернулась. Летчик-испытатель Жак Пинье погиб.
Несмотря на сильные повреждения, "Balzac" удалось восстановить, и в феврале 1965 года летные испытания возобновились. Первый полет отремонтированный "Balzac" совершил 2 февраля. До осени 1965 года "Balzac" произвел еще 65 полетов. 8 октября 1965 года опять произошло несчастье. Самолет пилотировал американский летчик-испытатель майор Филип Нил. Во время висения на высоте 50 м машина потеряла управление и упала. Нил успел катапультироваться, но высоты для раскрытия парашюта не хватило, и он погиб. Самолет полностью разрушился.