Самолёт с крылом изменяемой площади
В 1930-е годы в авиации наблюдается резкое увеличение скорости полёта. Эффективным способом снижения аэродинамического сопротивления самолёта было уменьшение размеров крыла. Но это вело к росту нагрузки на его площадь и вызывало ухудшение взлётно-посадочных характеристик — увеличивалась длина разбега, росла посадочная скорость.
Таким образом, для скорости нужно было уменьшить площадь крыла, для взлёта и посадки — сделать её больше. Для решения этой непростой задачи некоторые изобретатели предложили использовать крыло, которое могло менять размеры в полёте за счёт увеличения его размаха или хорды.
В 1931 г. русский эмигрант Иван Махонин построил во Франции моноплан Мак-10 с раздвижным крылом телескопической конструкции. Выдвигаемые с помощью ручного привода консоли позволяли увеличить размах с 13 до 21 м, при этом площадь крыла возрастала в полтора раза. Самолёт испытывали несколько лет с разными двигателями, но изобретателю так и не удалось заинтересовать авиапромышленников.
Самолёт И. Махонина.
Когда Мак-10 только начинал проходить испытания, в СССР также приступили к проектированию самолёта с крылом изменяемой в полёте площади. Этот проект разработал выпускник Ленинградского института инженеров Гражданского воздушного флота Григорий Иванович Бакшаев. В отличие от Махонина, Бакшаев предлагал увеличивать не размах, а ширину крыла. Для этого из обтекателей по бокам фюзеляжа на основное крыло должны были выдвигаться внешние секции — по несколько на каждую консоль.
Свой проект Бакшаев переслал в Государственный комитет по делам изобретений. Он привлёк внимание, и в конце 1931 г. самолёт с раздвижным крылом включили в план опытных работ по авиастроению на 1932–1934 гг. под обозначением У-3 бис. Это должна была быть двухместная учебно-боевая машина деревянной конструкции с мотором воздушного охлаждения М-48 мощностью 200 л. с., вооружённая пулемётом. По заданию максимальная скорость У-3 бис составляла 180 км/ч, посадочная — 40 км/ч (в полтора раза меньше, чем у биплана У-2), потолок — 5000 м, дальность — 720 км. Проектирование и постройку намечалось вести силами ЛИИ ГВФ, срок готовности — 1 мая 1933 г.
Г.И. Бакшаев, 1935 г.
Но ни в 1932 г., ни в 1933 г. к постройке самолёта с раздвижным крылом не приступали, так как денег на это не выделили. К тому же двигатель М 48 ещё не был готов.
В 1934 г. У-3 бис перепроектировали под серийный мотор M-11 вдвое меньшей мощности. Вооружение убрали, теперь самолёт рассматривался как учебный, связной или санитарный. Его назвали ЛИГ-7 (Ленинградский институт ГВФ-7), но чаще использовалось другое обозначение — РК-М11 (самолёт-раздвижное крыло с двигателем М-11).
С этого момента дело сдвинулось с мертвой точки. «Производятся расчёты на прочность самолёта и продувается модель. Собрано опытное крыло для статических испытаний. Проведены статиспытания нервюр. Заканчивается предварительный проект самолёта», — записано в докладе о состоянии работ по опытному самолёто- и моторостроению на 1 октября 1934 года[279].
Постройку РК завершили только в марте 1937 г. — слишком сложным оказался необычный самолёт для небольших учебно-производственных мастерских авиационного вуза, а ни от военных, ни от НИИ ГВФ помощи не было. Во время постройки в конструкцию внесли изменения: взамен подвижных элеронов-шайб на концах крыла, как на самолёте Бакшаева «Ленинградский комсомолец» (1936 г.), применили обычные элероны, размах крыла нарастили с 8 до 11,3 м, вместо колёс полубалонного типа установили шасси от У-2.
Собранный самолёт ещё полгода дорабатывали, усиливая его конструкцию, и только в октябре 1937 г. приемная комиссия подписала акт о готовности РК к полётам.
РК представлял собой моноплан деревянной конструкции. Две раздельные кабины были закрыты целлулоидными фонарями. Крыло — двухлонжеронное, с полотняной обшивкой, оно подкреплялось расчалками, соединенными с верхней частью фюзеляжа и подфюзеляжным пилоном. Для увеличения площади крыла из обтекателей по бокам фюзеляжа выдвигалось шесть деревянных отсеков по 0,5 м шириной. Их хорда и высота уменьшались по направлению к концам крыла, чтобы отсеки могли входить друг в друга. Они перемещались по роликам, скользящим в пазах лонжеронов основного крыла, и двигались с помощью тросов, соединенных со штурвалом на правой стенке кабины пилота. Каждый отсек выдвигался на 460 мм, 40 мм шло на перекрытие между отсеками. При полном раздвижении внешнее крыло занимало примерно 2/3 размаха внутреннего. На свободных концах последнего находились элероны. При выдвижении отсеков площадь несущей поверхности увеличивалась в полтора раза.
Испытания РК начались в ноябре 1937 г. Изучение машины проходило поэтапно. Сначала самолёт летал только с основным крылом (первый полёт — 21 ноября). 1 декабря лётчик-испытатель Бородин опробовал механизм раз-движения крыла: в первом полёте он выдвинул три секции, во втором — пять. В любой конфигурации самолёт оставался устойчивым и слушался рулей.
РК-М11 во время испытаний в 1937 г.
В дальнейшем испытания проходили со всеми выдвинутыми отсеками. С 21 ноября по 9 декабря было сделано 16 полётов. Все они были успешны. В выводах по испытаниям говорилось:
«1. Механизм управления отсеками на данном самолёте (как экспериментальном) следует считать оправдавшим себя. Раздвижные отсеки в полёте сдвигаются и раздвигаются, причём в воздухе легче, чем на земле.
2. На всех режимах горизонтального полёта с раздвижным крылом, а также на взлёте и посадке вибрации отсеков не наблюдалось. Поведение самолёта нормальное.
3. При полёте самолёта с раздвижным крылом рули эффективны на всех режимах; разницы в давлении на органы управления, в сравнении с основным крылом, не замечается. Самолёт с основным и раздвижным крылом, будучи сбалансирован стабилизатором, допускает полёт с брошенной ручкой. При толчке ручки пилота от себя или на себя самолёт возвращается в первоначальный режим полёта…
4. Испытания самолёта РК-М11 показали, что взлётно-посадочные свойства самолёта с раздвижным крылом резко отличаются от тех же свойств с основным крылом. Разбег и пробег уменьшаются почти в два раза. Посадочная скорость снижается с 105 клм. до 75–80 клм»[280].
Характеристики самолёта РК-М11.
И всё же достигнутый диапазон скоростей оказался меньше, чем ожидалось. Это произошло из-за замены 200-сильного М-48 на 100-сильный М-11, в результате чего максимальная скорость снизилась примерно на 60 км/ч. Скоростные качества ухудшились также из-за большого аэродинамического сопротивления самолёта, вызванного незакапотированным двигателем, расчалочным крылом, неудобообтекаемой конструкцией шасси.
Понимая, что реальные преимущества раздвижного крыла можно продемонстрировать только на скоростной машине с большой нагрузкой на крыло, Г.И. Бакшаев летом 1937 г., ещё до испытаний РК-М11, предложил новый проект — самолёт «СС» для установления мирового рекорда скорости. По конструкции он не имел ничего общего с первой экспериментальной машиной. Это должен был быть одноместный металлический моноплан обтекаемых форм с двумя двигателями М-34РНФ в фюзеляже. Один из моторов приводил в движение тянущий пропеллер, другой — толкающий, в задней части фюзеляжа. Два узких крыла располагались одно за другим, по схеме тандем. Они служили опорой для выдвигаемых из фюзеляжа с помощью гидропривода секций, при этом тандемное крыло превращалось в обычное монопланное, а его площадь увеличивалась в 2,5 раза. Расчетная скорость полёта — 800 км/ч[281].
Вскоре в НИИ ВВС поступил новый, более интересный для военных проект Бакшаева: одномоторный истребитель с двигателем М-103 с крылом аналогичной «СС» конструкции. Самолёту присвоили обозначение «СРК» — «скоростной с раздвижным крылом».
Рисунок истребителя СРК.
В заключении по проекту (июль 1938 г.) отмечалось:
«1. Самолёт СРК М-103 конструкции инженера Бакшаева представляет для ВВС РККА значительный интерес как обеспечивающий получение отличных лётных данных (без постановки турбокомпрессора), ставящих его на уровень лучших опытных заграничных истребителей…
2. Для обеспечения успешного завершения работ по самолёту СРК необходимо отработать механизм управления и схему такого самолёта на планере в натуральную величину.
3. НИИ ВВС считает необходимым всемерное форсирование работ по созданию СРК с тем, чтобы во 2-м квартале 1940 г. представить его на лётные испытания, для чего войти с ходатайством в Комитет Обороны при СНК СССР о включении этой работы в план завода 47 на 1940 г.»[282].
17 ноября 1939 г. эти предложения были узаконены правительственным постановлением. В документе говорилось о постройке двух экспериментальных истребителей и планера для аэродинамических исследований. Так как работы по двигателю М-103 не вышли из опытной стадии, на самолётах должны были стоять другие моторы конструкции В.Я. Климова — М-105 и М-106. К пулемётам добавили пушку. Первый экземпляр СРК требовалось передать на испытания 1 августа 1940 г., второй — 1 октября 1940 г., планер — к началу 1940 г. На осуществление задания выделялось 5750 тыс. рублей[283].
Расчётные характеристики самолёта СРК с двигателем М-103.
Экспериментальный планер П-47 в ЦАГИ.
К тому времени Бакшаев уже работал на ленинградском авиационном заводе № 47, где возглавлял небольшое конструкторское бюро. К осени 1939 г. там изготовили раздвижное крыло для испытаний на прочность, велось проектирование безмоторного аналога самолёта. Но тут пришло указание ограничиться постройкой и испытанием в ЦАГИ планера с раздвижным крылом, и только после этого вернуться к вопросу о создании самолётов. В качестве потенциальных недостатков СРК считалась опасность отказа механизма изменения площади крыла из-за деформации крыльев в полёте, загрязнения и заедания подвижных частей в условиях эксплуатации на полевых аэродромах и пулевых повреждений в бою. А если крыло не раздвинется, то пришлось бы садиться со скоростью более 200 км/ч, что почти наверняка привело бы к катастрофе[284].
Г.И. Бакшаев пытался протестовать. 4 июля 1940 г. он обратился к партийному руководству Ленинграда с письмом: «На заводе № 47 с мая 1939 г. было организовано опытное КБ. Согласно постановлению правительства бюро было поручено спроектировать и построить экспериментальный самолёт с раздвижным крылом со скоростью 730–750 км/час. В настоящий момент эта тема по инициативе зам. наркома НКАП Яковлева снята и бюро утвержденной тематики не имеет. Весь состав бюро в количестве 42 ИТР (инженерно-технических работников. — Д.С.) в данный момент передан на освоение в серии самолёта УТ-3 конструкции Яковлева, таким образом опытное КБ на заводе № 47 фактически ликвидировано. Считаю, что ликвидация бюро противоречит постановлению партии и правительства о развертывании опытных конструкторских работ и стимулирования работы конструкторов»[285].
Реакции не последовало; наращивая серийный выпуск вооружений, правительство поощряло курс А.С. Яковлева на сокращение расходов на экспериментальные работы в авиации.
Итак, все ограничилось постройкой планера. Аппарат передали в ЦАГИ, там ему присвоили обозначение П-47 (планер завода № 47). Он имел ту же конструкцию, что и самолёт СРК-М-105. По двум крыльям могли скользить телескопически выдвигающиеся металлические отсеки постепенно уменьшающейся высоты. Последний, 15-й отсек заканчивался шайбой, которая закрывала щель, возникавшую при уборке раздвижной части крыла в фюзеляж. Элероны, они же закрылки, находились на внешних частях заднего крыла.
Крыло самолёта-биплана Ж. Жерена «Вариволь» (Франция, 1935 г.). Крыльевые поверхности могли увеличивать ширину в полёте за счёт выдвижения из фюзеляжа вдоль размаха стальных лент с прикрепленными к ним нервюрами, обтянутыми прорезиненной тканью. Из-за деформации крыла в полёте самолёт при испытаниях потерял устойчивость и разбился.
Планер испытали в аэродинамической трубе Т-101 в конце 1940 г. Механизм изменения площади крыла работал надежно, однако было замечено, что щели в местах стыков отсеков раздвижного крыла отрицательно влияют на величину подъемной силы. «Для эффективного использования раздвижного крыла необходимо обеспечить полную его герметизацию в раздвинутом положении», — сказано в заключении по трубным испытаниям[286].
На этом в работах по самолётам с раздвижным крылом в СССР была поставлена точка. Задачу сохранения приемлемых взлётно-посадочных качеств при росте нагрузки на крыло стали решать другими методами: использованием посадочных щитков и закрылков, применением тормозных колёс, улучшением взлётно-посадочных полос. Г.И. Бакшаева перевели на другой завод, где он много сделал для организации серийного производства самолёта У-2, занимался его модификациями.
Интерес к крылу изменяемой в полёте формы возродился в конце 1960-х годов, когда Бакшаева уже не было в живых. Идея была другой — изменение стреловидности крыла, но задача осталась той же — улучшение взлётно-посадочных характеристик скоростных самолётов.