Битва за скорость. Великая война авиамоторов - Валерий Августинович

В этой серии американских «соток» отдельно выделяется сверхзвуковой тактический ударный самолет F-111 — носитель ядерного оружия, который интересен многим, в том числе и двигателем. Вернее, тем опытом, как не надо его проектировать. Самолет F-111 безусловно инновационный — на нем впервые применены крыло изменяемой стреловидности и двухконтурный двигатель с форсажной камерой. Эти особенности позволяли перейти от однорежимного (дозвуковой или сверхзвуковой) полета самолета, какими были предыдущие модели, к многорежимному. То есть этот самолет мог длительно лететь на дозвуковом режиме полета, выигрывая в дальности, а затем при прохождении зоны ПВО переходить на сверхзвук. Кроме того, для снижения волнового сопротивления на сверхзвуке двигатель был максимально «интегрирован» в самолет.

Что это значит? При компоновке двигателя на самолете всегда возникает проблема примирения противоречий между планером и силовой установкой. Для самолетчиков идеальным с точки зрения аэродинамики является чистый планер без мотора, который создает одни неприятности: имеет большой вес, габариты, требует или обтекателя или места в фюзеляже, демаскирует самолет на радаре противника, увеличивая так называемую ЭПР (эффективную площадь рассеивания) самолета в основном за счет отражающей поверхности воздухозаборника. Да и в инфракрасном излучении двигателю принадлежит главная роль, что делает самолет уязвимым для ракете ИК-головками наведения.

Двигателю самолет тоже «не нравится»: вместо приятного плавного лемнискатного (как на стенде) входа, обеспечивающего подвод невозмущенного потока воздуха к компрессору, на сверхзвуковом самолете воздухозаборник имеет острые кромки. Это обусловлено необходимостью иметь минимальное волновое сопротивление на сверхзвуке, но при изменении угла атаки самолета или работе на нулевой скорости полета (на старте) с этих кромок идет срыв, т. е. мощная вихревая пелена на вход в двигатель, что для «нежного» компрессора плохо. Для своей нормальной работы двигатель требует незагроможденного входа воздуха в компрессор, лучше по всей окружности кольцевого сечения на входе в компрессор. На первых моделях самолетов (вплоть до МиГ-21 включительно) так и делали: воздухозаборник двигателя располагался прямо по оси центроплана самолета. Но вскоре это пространство потребовалось для размещения радара, и двигатели получили «боковое» место на самолете с соответствующими проблемами организации забора воздуха при минимальном внешнем сопротивлении.

Универсального способа примирения этих противоречий нет для любого типа самолета. Приходится выбирать: либо «незаметность» — и тогда о маневренности нужно забыть: «стелсы» летают «блинчиком», т. е. в узком диапазоне углов атаки, либо маневренность — и тогда «незаметность» отходит на второй план. На «стелсах» двигатель упрятан заподлицо с фюзеляжем (чтобы «не выступал» и не увеличивал ЭПР) либо снизу, либо сверху в специальных «желобах», но в этом случае увеличение угла атаки при маневре приводит к сплошному срыву потока на входе в двигатель — последний теряет работоспособность, входит в помпаж. На маневренных самолетах двигатель обычно вынесен в отдельные мотогондолы со свободным доступом воздуха в компрессор, что позволяет изменять угол атаки самолета в широком диапазоне, не оглядываясь на ограничения по двигателю. Но с незаметностью в этом случае будет хуже.

Когда проектировали F-111, о «заметности» специально еще не задумывались. Но аэродинамику самолета старались «вылизать» и «вылизали» в ущерб двигателю.

Вход в двигатель оказался сильно стеснен: воздухозаборники находились сбоку между крылом и фюзеляжем с загромождением кольцевого сечения входа на 75 %. Это, конечно, обусловило сильную неоднородность потока на входе в компрессор, которая увеличивалась при изменении скольжения самолета или его угла атаки. Все бы ничего, если бы эти особенности были учтены при выборе двигателя. Но на самолет поставили то, что было — TF-30, по сути, модификацию гражданского двухконтурного двигателя JT8D, дополнив его форсажной камерой. Особенностью этого двухвального двигателя было наличие «бустерных», или подпорных, ступеней на валу низкого давления. А эти ступени очень чувствительны к возмущениям потока на входе. В результате самолет F-111 оказался капризен, очень строг к незначительному отклонению от инструкции по эксплуатации. Чуть что — сразу помпаж. Эволюцию входного устройства — сверхзвукового воздухозаборника — можно проследить, сравнив их на самолетах F-111 и F-22. Оба вписаны в пространство между крылом и фюзеляжем, но во втором случае прямоугольный вход без загромождения сечения: опыт F-111 даром не прошел.

Кроме того, при проектировании двигателя TF-30 ухитрились выбрать числа оборотов роторов высокого и низкого давления кратным (10000 об/мин и 5000 об/мин), в результате чего сделали невозможным диагностику состояния роторов по частоте вибраций: то ли это первая форма колебаний ротора высокого давления, то ли вторая форма — ротора низкого давления. Были и другие проблемы. В общем, первый военный двухконтурный двигатель оказался крайне неудачным.

Малоудачным оказался и шведский подобный опыт. В попытках сохраниться как авиационная держава хотя бы в нише истребителей шведы купили у американцев тот же гражданский двигатель с подпорными ступенями JT8D и, приставив к нему форсажную камеру, получили «ублюдка» RM.8 После этого «бустерные» ступени никогда не использовались на военных двигателях. Англичане, закупив у американцев «Фантомы», о которых речь идет ниже, просто поставили на него свою модификацию гражданского двухконтурного двигателя «Спей» с форсажной камерой. Бустерных ступеней «Спей» не имел, но переделка гражданских двигателей в военные показала, что для боевых самолетов двухконтурные двигатели надо проектировать специально. Позже это подтвердил и отечественный опыт.

Но вот, наконец, в 1961 г. появляется на вооружении США и чистый образец нового поколения самолетов — двухдвигательный «Фантом» F-4. Новизна видна и в смене индексации самолетов: «сотые» индексы исчезли, начали опять с «нуля». «Фантом» F-4 — самолет «тяжелый» (взлетный вес 20 тонн), а вот в пару к нему тоже двухдвигательный «Нортроп F-5» — самолет легкий. Двигатель на «Фантоме» — J-79-GE, одновальный турбореактивный с многоступенчатым компрессором, особенностью которого является большое количество рядов поворотных лопаток статора. Это позволяет обеспечивать устойчивую работу компрессора (без помпажа) в широком диапазоне режимов, т. е. сделать компрессор адаптивным. Вообще-то это-шедевр механики для своего времени.

Позже ОКБ Люльки сделало такой же компрессор на двигатель АЛ-21Ф для самолета МиГ-23, но, в общем, вряд ли это стоило делать, повторять зады и терять время. Уже тогда и можно, и надо было переходить на двухконтурные двигатели с высокими параметрами. Тем более что Люлька был одним из пионеров этого направления. Да и сам МиГ-23 был эпигонским самолетом — зачем-то сделали его с крылом изменяемой стреловидности, усложнив эксплуатацию и снизив весовую отдачу (шарнир крыла весил порядочно). Американцы делали такое крыло вынужденно для авиации ВМФ: при эксплуатации с авианосцев с их ограниченной длиной взлетной полосы необходимо было уменьшить скорость отрыва и посадки, т. е. увеличить подъемную силу крыла за счет увеличения его удлинения. У нас же авианосцев не было, а после эту проблему решили вообще другим способом — увеличением энерговооруженности самолета, применением катапульты и трамплина на палубе.