Авиация и космонавтика 2013 05

Су-27 история создания

Рассказывая о ходе работ по проектированию будущего истребителя Су-27 нельзя не упомянуть о некоторых «промежуточных» вариантах, оказавших огромное влияние на компоновочную схему и окончательный вид самолета.

Напомним читателям, что в 1971 году в КБ П.О. Сухого одновременно рассматривались два варианта перспективного истребителя: самолет Т10/1, выполненный по интегральной схеме с несущим фюзеляжем и разнесенными двигателями, и самолет Т10/2 традиционной схемы с двигателями в фюзеляже и боковыми воздухозаборниками по типу МиГ-25.

Вскоре, весной 1972 года, появилась схема Т10/4, которая была призвана объединить в себе все основные достоинства обоих вариантов компоновки — интегрального и традиционного. Для этого решили взять от Т10/1 схему крыла с корневым наплывом, но выполнить ее в варианте с фюзеляжем, «опущенным» вниз, в пространство между гондолами двигателей, и составляющим с ними единое целое. По месту расположения воздухозаборников такой вариант компоновки получил обозначение «подмышечного».

Воздухозаборники прямоугольного сечения, с горизонтальной поверхностью торможения располагались под наплывами крыла и переходили в обводы интегрированного фюзеляжа. Центроплан проходил над воздушными каналами двигателей (схема высокоплан). Для организации слива пограничного слоя с боковой поверхности фюзеляжа была организована продольная вертикальная щель в наплыве и клин слива между боковой поверхностью фюзеляжа и воздухозаборником, а для слива погранслоя с верхней поверхности заборника — специальная профилированная щель в наплыве, с выводом на верхнюю поверхность наплыва. Двигатели в ХЧФ размещались с разносом 1,79 м. Таким образом, в целом, компоновочная схема фюзеляжа носила характер компромисса между интегральным и традиционным вариантами компоновки.

Крыло самолета — оживальное, переменной стреловидности, с корневым наплывом. Механизация крыла, как и на этапе аванпроекта, предусматривала установку двухсекционного закрылка и применение кренеров для управления в поперечном канале. В варианте для самолета корабельного базирования предполагалось складывание консолей.

Вертикальное оперение устанавливалось на мотогондолах с развалом во внешнюю сторону на угол 20°, а внизу устанавливались подфюзеляжные гребни.

Стойка передней опоры шасси убиралась в нишу в закабинном отсеке. Основные стойки шасси убирались, как на на Т-8 (Су-25), в ниши фюзеляжа.

С компоновочной точки зрения, вследствие того, что двигатели на Т10/ 4 по сравнению с интегральным вариантом располагались гораздо ближе друг к другу, а сам фюзеляж был «провален» вниз, был уменьшен «расход» омываемых площадей на боковые поверхности мотогондол. Зато в районе воздухозаборников он существенно вырос в связи с необходимостью организации слива погранслоя сразу в двух плоскостях. Кроме этого, применение «подмышечной» схемы позволило несколько улучшить протекание графика площадей поперечных сечений в «провальной» области между фонарем и миделевым сечением самолета.

В мае 1972-го изготовили аэродинамическую модель 13Т10-4 для продувки в «малых» сверхзвуковых трубах. Результаты испытаний модели в трубах Т-112 и Т-113 ЦАГИ получили летом 1972 года. Выяснилось, в частности, что на дозвуке величина лобового сопротивления была несколько меньше, чем у Т10/3, а на сверхзвуке добавка от волнового сопротивления — несколько больше. Таким образом, по уровню характеристик модель занимала промежуточное положение между Т10/2 и Т10/3.

В целом, компоновку Т10/4 следует признать довольно удачным вариантом альтернативной аэродинамической схемы, хотя большинство компоновочных вопросов на ней решалось старыми традиционными способами. В дальнейшем, работы по этому варианту компоновки имели свое продолжение в схемах Т10/10 и Т10/12.

Общий вид Т-10/1

Общий вид Т-10/2

По существу, эта схема явилась продолжением работ по Т10/3 (см. «АиК» 3.2013) в направлении дальнейших исследований возможности уборки шасси в фюзеляж между гондолами двигателей. Проектировщики по-прежнему не были до конца уверены в том, что для выбранного варианта компоновки такая схема уборки основных опор шасси обречена на неудачу. В обоснование этой своей уверенности приводились примеры о наличии тактических самолетов (например, F-l11), на которых основные опоры шасси убирались в ниши по оси симметрии самолета, но при этом обеспечивалась достаточная колея шасси.

Схема Т10/5, как и ее предшественницы, имела все признаки интегральной компоновки с разнесенными изолированными гондолами двигателей, установленными под несущим корпусом. Наиболее существенным отличием от ранее рассматривавшихся вариантов, являлся увеличенный разнос гондол двигателей в стороны по размаху крыла от оси самолета, что обеспечивалось как за счет увеличенного смещения наружу воздухозаборников, так и за счет дополнительного развала осей гондол к хвосту на угол около 2°. Это требовалось для обеспечения уборки шасси в нишу в фюзеляже. Для основных опор разработали довольно сложную кинематическую схему, обеспечивающую уборку назад по полету, с одновременным разворотом колес на 90°. Кроме этого, для обеспечения вопросов, связанных с уборкой и выпуском шасси, сами гондолы двигателей были в поперечной плоскости развернуты во внешние стороны на угол 15°, а ниже оси воздушного канала, в зоне рабочей траектории уборки и выпуска стоек и колес шасси, им придали полукруглые сечения.

За счет сдвига мотогондол в стороны удалось решить только одну часть проблемы, связанную с перекомпоновкой самолета. Вторая часть задачи заключалась в том, что из-за размещения ниши опор в центроплане, т. е. вблизи миделевого сечения самолета, очень остро встал вопрос с обеспечением минимальных строительных высот фюзеляжа в этой зоне, т. к. в противном случае это неизбежно вело к увеличению миделя. После рассмотрения возможных вариантов решения проблемы, разработчики пришли к выводу, что наилучшим является установка на самолете двигателей с верхней коробкой приводов агрегатов. На компоновке Т10/5 это обеспечивало: существенное уменьшение площадей продольных сечений мотогондол за счет того, что коробки агрегатов двигателей находились «в аэродинамической тени» последней балки центроплана, снижая, тем самым, суммарную величину миделевого сечения самолета в целом, возможность дополнительного увеличение колеи основных опор шасси за счет применения полукруглых сечений гондол и уменьшения их суммарной высоты, что также было связано с применением двигателей с верхней коробкой агрегатов.

В результате, гондолы двигателей на компоновке Т10/5 приобрели в плановой проекции так называемую «бутылочную» форму, что объяснялось необходимостью снижения доли сечения гондол в общем балансе составляющих миделевого сечения самолета.

На окончательном варианте компоновки Т10/5 переработке подвергся в первую очередь центроплан. В конструктивном плане он впервые был выделен в отдельный силовой агрегат, к которому крепились консоли крыла, ГЧФ и ХЧФ, средние части гондол двигателей, а также основные опоры и тормозной щиток. Нижняя поверхность центроплана была выполнена плоской, а верхняя имела двойную кривизну. Таким образом, впервые было частично удовлетворено требование технологов об упрощении формообразования основного силового элемента конструкции.

Весь объем работ по новому варианту завершили весной 1973 года. Для продувок компоновки Т10/5 впервые было решено изготовить не только модель для «малых» сверхзвуковых труб, но и первую «большую» модель, предназначенную для АДТ Т-106М, в которой можно было получить не только обобщенные аэродинамические характеристики модели самолета, но и исследовать вопросы устойчивости и управляемости. Обе модели, 13Т10-5 и 6Т10-1 были закончены изготовлением в ОКБ практически одновременно, в конце апреля 1973-го, после чего их отправили в ЦАГИ. Первые результаты продувок были получены летом, а официальные отчеты пришли в ОКБ осенью 1973 года. Как и следовало ожидать, результаты были не очень впечатляющие. По сравнению с компоновкой Т10/3 выросло сопротивление, а максимальное значение качества Ктах для крейсерских режимов полета снизилось примерно на 1 ед. Ухудшились и сверхзвуковые характеристики. Испытания модели в 106-й трубе позволили довольно точно снять моментные характеристики, и здесь аэродинамиков ждал самый главный сюрприз — выяснилась довольно неприятная особенность компоновки, связанная с неблагоприятным характером протекания продольного момента по углам атаки. В результате, на ближайшие три года эта проблема стала самой главной головной болью для аэродинамиков- «устойчивистов» ОКБ, а модель 6Т10-1 — главным инструментом для тематических продувок: отныне именно на ней проводили отработку различных методов борьбы с кабрирующим моментом.

Т10/4 в варианте корабельного базирования. Общий вид, совмещенный с компоновкой, июнь 1972 года

Общий вид Т10/5, март 1973 года

Компоновочная схема Т10/5, апрель 1973 года

Подводя итоги работ по компоновке Т10/5, можно отметить, что разработчикам удалось решить поставленную задачу — разместить шасси в центроплане при обеспечении приемлемой величины колеи в 3,0 м. Полученную схему можно было реализовать на практике при сохранении основных достоинств интегральной компоновки. Но общий результат «не вызывал энтузиазма», т. к. многое в этой схеме «не получилось». Недостатки компоновки были очевидны: нерациональное использование внутренних объемов фюзеляжа при размещении в нем основных опор, в связи с чем пришлось сокращать объем фюзеляжных топливных баков и «убирать» оборудование из центрального отсека ХЧФ;

сложная кинематическая схема основных опор шасси, что обусловило большую массу их конструкции;

установка основных опор между двигателями не позволяла реализовать размещение точек подвески вооружения на фюзеляже.

Но самой большой проблемой являлась аэродинамика самолета. Несмотря на то, что конструкторы предприняли самые неординарные меры для уменьшения миделя, полученная на Т10/5 величина миделевого сечения была гораздо больше, чем на компоновке Т10/3. А описанные выше особенности конструктивно компоновочной схемы самолета не позволили получить оптимальный график площадей в зоне между фонарем и миделем самолета. Итогом явилось существенное ухудшение аэродинамики самолета. Таким образом, серьезно проработав компоновочную схему Т10/5, основной особенностью которой являлась попытка разместить основные опоры в фюзеляже, разработчики поняли, что необходимо искать другие технические решения.

С другой стороны, в процессе работы по Т10/5 впервые были проработаны некоторые важные технические решения, которые в дальнейшем с успехом использовали в последующих компоновках Су-27. К их числу относятся:

— кессонная конструкция крыла и организация фланцевого стыка консолей крыла с центропланом;

— организация плоской нижней панели центроплана, обеспечивающую лучшую его работу при нагружении;

— компоновка патронного ящика в закабинном отсеке ГЧФ;

— организация дополнительного топливного бака в ХЧФ;

— применение двигателей с верхней коробкой приводов для минимизации вклада мотогондол в миделевое сечение фюзеляжа.

Летом 1973 года конструкторы приняли решение опробовать на интегральной схеме с разнесенными мотогондолами несколько новшеств. Основным являлось использование новой схемы размещения основных опор шасси с их уборкой в боковые ниши в корневой части крыла и применение хвостовых балок. Одним из важных следствий переноса основных опор шасси из-под центроплана вбок стала возможность реализации тандемного размещения подвесок вооружения под фюзеляжем, что обещало снижение их аэродинамического сопротивления. Кроме этого, исследовалась возможность применения на самолете осесимметричных воздухозаборников.

Общие принципы компоновки по сравнению с Т10/5 остались без изменений, равно как и все основные геометрические параметры крыла и горизонтального оперения. Новая схема основных опор шасси повлекла за собой необходимость организации специального обтекателя в стыке крыла с гондолами двигателей. В данном варианте компоновки применили довольно удачное решение — эти обтекатели плавно «перерастали» в хвостовые балки, которые стали новым силовым элементом конструкции хвостовой части фюзеляжа. ГО и ВО перенесли с мотогондол на балки, но установили их без разноса вдоль продольной оси, т. е. без учета особенностей графика площадей. Кили размещались на внешних боковых бортах балок, без развала во внешнюю сторону. Такое удачное компоновочное решение было использовано впервые в ходе проектных работ, в дальнейшем оно нашло применение в более поздних вариантах компоновки.

Предложение опробовать на самолете взамен прямоугольных осесимметричные воздухозаборники выдвигалось довольно давно, но время для его реализации нашлось только теперь. В обоснование этой идеи приводилось несколько доводов. Во-первых, такое решение казалось более «лаконичным» с технической точки зрения: на «цилиндрическом» входном устройстве отпадала необходимость в переходной зоне от прямоугольного сечения к круглому, т. е. резко сокращалась общая длина гондол с воздушными каналами, в результате, такие воздухозаборники обещали снижение массы по сравнению с прямоугольными. Во-вторых, осесимметричный воздухозаборник имел более простую и, следовательно, более надежную и легкую систему управления с центральным подвижным коническим телом. В-третьих, проектировщикам казалось, что путем укорочения входных устройств, можно добиться существенного увеличения вклада несущего корпуса в подъемную силу. С точки зрения аэродинамики применение таких воздухозаборников имело как положительные, так и отрицательные стороны. К достоинствам относилось снижение омываемой поверхности самолета, обеспечивающее уменьшение сопротивления, а к отрицательным — более существенный «провал» в графике площадей поперечных сечений по сравнению со схемой с прямоугольными заборниками, имевшими большую длину. Правда, специалисты в области компоновки входных устройств во главе с И.Б. Мовчановским с самого начала указывали на еще одну важную особенность осесимметричных воздухозаборников — их худшие по сравнению с прямоугольными заборниками характеристики при работе на больших углах атаки и при рыскании. Дополнительным осложняющим фактором являлось то, что ракета, размещавшаяся на фюзеляже, в боковой проекции сильно выступала вперед за обрез укороченного входного устройства, что могло привести к неравномерности потока на входе в заборник. Серьезную сложность пред

ставляло собой и решение вопроса о взаимном расположении на осесимметричном воздухозаборнике клина слива погранслоя и передней части обтекателя шасси.

Одной из важных особенностей данного варианта компоновки стало применение на нем притупленного наплыва крыла. Здесь предполагалось разместить внутренние отсеки спаренных пусковых установок ракет малой дальности типа К-73. Зарядка ракет при наземной подготовке должна была осуществляться вручную, путем поворота отсеков пусковых установок носовой частью вниз, а пуск в воздухе — после предварительного подъема отсека вверх, в выпущенное положение. Встроенное вооружение самолета включало также поворотную пушечную установку, размещенную в правом буле, а количество внешних точек подвески включало 2 под фюзеляжем и 4 — под консолями крыла. Основное вооружение самолета должны были составлять новые ракеты типа К-27 и К-73. Интересно отметить, что на этом чертеже впервые в качестве вооружения были прорисованы недавно полученные от ПКПК «Молния» схематические изображения «малооперенных» ракет типа К-73, а вот вместо К-27 из-за отсутствия чертежей ракеты от разработчика, по-прежнему рисовали «габаритки» К-25 и К-23.

Общий вид Т10/7, август 1973 года (1-я редакция)

Компоновочная схема Т10/7. Август 1973 года (1-я редакция)

Общий вид Т10/7, февраль 1974 года (2-я редакция)

В утвержденном для проработки варианте компоновки предлагалось интересное конструктивное решение по центроплану. Наряду с обычным вариантом конструкции, имевшим стык с консолями крыла в районе внешнего края мотогондол, для минимизации массы при перестыке, был предложен вариант центроплана, представлявший собой единый силовой элемент длиной 8,7 м. Стык с консолями осуществлялся по силовой нервюре (по размаху закрылка). При этом для «крыла» оставались только концевые поверхности размахом всего около 3 м каждая. Сам центроплан вставлялся в нишу в средней части фюзеляжа и представлял собой силовую конструкцию балочного типа, с 4 стенками и двумя несущими панелями. Нижнюю панель центроплана сделали плоской, а верхнюю — с одинарной кривизной.

Основным недостатком, предопределившим неудачу этого варианта, являлось существенное усложнение технологии изготовления столь протяженной конструкции, а также трудности, возникавшие при расстыковке центроплана с фюзеляжем в процессе эксплуатации. Дело в том, что основные опоры крепились на центроплане, и при его съеме с фюзеляжа, на самолете необходимо было устанавливать специальное «перекатное» шасси. С точки зрения удобства в эксплуатации такой вариант не выдерживал критики. Кроме того, при реализации такой конструкции весьма сомнительна была сама возможность суммарного выигрыша по массе, т. к. для организации на самолете отдельного топливного бака под центропланом необходимо было иметь второй комплект панелей.

Для изучения особенностей новой компоновки довольно быстро (в течение осени 1973 года) были проработаны две ее модификации. В первой, вместо цилиндрического использовался полукруглый вариант воздухозаборника, а во второй — входные устройства прямоугольного сечения, но с вертикальными поверхностями торможения.

Вариант с полукруглыми воздухозаборниками был призван исправить один из недостатков исходной компоновки с осесимметричным входным устройством. Он заключался в том, что при выбранном боковом размещении основных опор шасси, для обеспечения достаточных строительных высот обтекателей в зоне размещения ниши колес, требовались довольно длинные и широкие обтекатели, а это плохо сочеталось с применением относительно короткого цилиндрического воздухозаборника, имеющего осесимметричный клин слива. Применение полукруглого воздухозаборника обеспечивало гораздо лучшее сочетание с поверхностью несущего корпуса фюзеляжа, позволяя применить несимметричный клин слива, а сам воздухозаборник вновь становился длиннее для обеспечения переходной зоны воздушного канала. Оборотной стороной медали являлась существенно большая ширина такого входного устройства, что вело к ограничению возможностей размещения оружия на фюзеляже и более жесткие требования к формообразованию нижней поверхности несущего корпуса в зоне входа в заборник.

Второй вариант компоновки предусматривал использование воздухозаборника прямоугольного сечения, но не с верхней горизонтальной поверхностью торможения, а с центральной вертикальной панелью. Целью проработки являлось желание уменьшить дестабилизирующее влияние ракет, подвешиваемых под фюзеляжем, на короткий осесимметричный воздухозаборник и изыскать пути «исправления» графика площадей в «провальной» зоне от фонаря кабины до миделя самолета. Кроме того, за счет большей длины на нем можно было проще реализовать сочетание клина слива с обтекателем основной опоры шасси. Но очень быстро выяснилось, что этот вариант имеет недостатков гораздо больше, чем достоинств. В частности, в зоне регулируемых поверхностей такие заборники имели гораздо большую ширину, а в переходной зоне мотогондолы на нем было сложнее реализовать скругление нижних поверхностей. В связи с этим, работы по альтернативным вариантам компоновки входного устройства вскоре свернули.

В январе 1974-го вновь вернулись к этому варианту компоновки. Теперь было решено рассмотреть возможности схемы с традиционным воздухозаборником прямоугольного сечения с верхним горизонтальным клином торможения.

Продувочную модель под обозначением 13Т10-7 в первоначальном варианте компоновки изготовили в феврале, и 12 марта 1974 года отправили для испытаний в ЦАГИ. Для исследований особенностей различных вариантов воздухозаборников, к ней прикладывались сменные комплекты мотогондол. Кроме этого, для варианта Т10/7 впервые в рамках работ по Су-27 была сделана продувочная модель для 102-й трубы — 2Т10-1. Позднее, к весне 1975-го для исследования компоновки круглых воздухозаборников была изготовлена и отправлена в ЦАГИ канальная модель КТ10-7. Результаты продувок моделей были получены летом-осенью 1974-го. По сравнению с ранее исследовавшимся вариантом Т10/5 удалось улучшить характеристики на дозвуке: за счет уменьшения площади омываемых поверхностей уменьшился коэффициент лобового сопротивления и почти на 1 ед. повысилось максимальное качество, но вот на сверхзвуке из-за увеличения миделя и наличия большого провала в графике площадей резко увеличилось волновое сопротивление. По результатам испытаний модели 2Т10-1 вновь подтвердилось наличие проблем с балансировкой самолета на больших углах атаки.

Таким образом, для улучшения аэродинамических характеристик требовалась дальнейшая углубленная проработка схемы и поиск новых технических решений для уменьшения миделя и улучшения графика площадей.

Статья подготовлена по материалам книги П. Плунского, В. Антонова, В. Зенкина, Н. Гордюкова и И. Бедретдинова «Истребитель Су-27. Начало истории».

Продолжение следует