Из жизни авианосцев

Из жизни катапульт

«Волшебный пендель»

С первыми ускоряющими устройствами для запуска пока что планеров люди начали экспериментировать ещё в конце XIX века, но тогда им хватало просто муску­ль­ной силы. Затем началась эпоха авиации, и более тяжёлые аппараты с тогдашни­ми слабыми двигателями тоже требовали внешнего ускорения для достижения взлётной скорости.

Поэтому для своего «Аэродрома» пионер американской ави­ации Сэмюэл Лэнгли (тот самый, в честь которого американцы назвали свой первый авианосец) осенью 1903 года построил монументальных размеров ка­тапульту, приводимую в действие уже мощной пружиной. Но все его эксперименты с полноразмерной машиной, на которые была потрачена куча казённых баксов, зако­нчились обломами. А потом и деньги закончились.

«Аэродром» С. Лэнгли на катапульте, в целях безопасности смонтированной на барже, 1903 год

Намного более успешные первые модели небезызвестных братьев Райт с более слабым дви­га­те­лем поря­д­ка 15 лошадиных сил тем паче нуждались в «волшебном пенделе». Но поскольку у бра­тьев-частников халявных денег не было – они разра­бо­тали гораздо более скромное и дешёвое стартовое устройство с «мо­но­рельсом» из деревянного бруса и «гравита­ци­онным» приводом в виде вышки, груза и привязанного к нему каната.

Эта предельно простая, если не сказать примитивная, конструкция, впервые приме­нё­н­ная уже при их дебютных полётах в конце того же 1903 года, оказалась на удив­ление эффективной и надёж­ной, так что её можно смело назвать первой ра­ботоспособной ави­а­ционной ка­тапуль­той, обеспечившей сотни успешных взлётов.

«Флайер» братьев Райт на монорельсе катапульты, это уже 1909 год, но конструкция стартового устройства оставалась практически неизменной с первого пилотируемого полёта

Но авиадвигатели быстро совершенствовались, и всего через считанные годы аэропланы братьев Райт уже могли взлетать своим ходом. А для первого в исто­рии взлёта аэроплана с корабля в 1910 году этажерке конструкции Глена Кёртисса с движком аж 40 лс вполне хватило наклонной платформы длиной 25 метров.

Спустя ещё немного лет гораздо более совершенным британским истребителям «Сопвич Пап» (с мотором уже в целых 80 лс) было достаточно всего семиметровых «взлётных полос», смонтированных на ба­шнях главного калибра линкоров или крейсеров. Конечно, с учётом того, что взлёт проводился с движущегося против ветра корабля. Словом, заморачиваться каки­ми-то взлётными устройствами для аэропланов с колёсным шасси на достато­ч­но долгое время стало не нужно.

Аэроплан Г. Кёртисса «Модель D» готовится к взлёту с крейсера «Бирмингем», 1910 год

Другое дело, что для морской авиации, в силу её специфики, тогда гораздо более актуальными были не самолёты с шасси, а поплавковые гидросамолёты и летающие лодки – только они тогда могли действовать вдали от берега. А с ними была серьёзная проблема: и для спуска на воду для взлёта, и для подъё­ма на борт севшего аэро­плана его корабль-носитель должен был останавли­ва­ться. Но если с послед­ним ничего не поделаешь, то о возможности запускать гидросамолёты прямо с корабля – причём движущегося – задумались с самого начала, тем более, что оп­ыт использования кат­а­пульт был перед глазами.

Гидросамолёт Г. Кертисса на экспериментальной пневматической катапульте, 1912 год

Первые гидросамолёты у ВМС США появились в 1911 году, а уже годом позже был разработан прототип катапульты для их запуска с кораблей. «Гравитационный» привод тут, конечно, не годился, и после ряда очень оригинальных, мягко говоря, эксперимен­тов с «подвесным» разгоном пришли к схеме с парой рельсов, тележкой и прив­о­дом сжатым воздухом. Благо, ввиду широкого использования пневматики в тог­да­шних торпедах, всё необходимое было уже не только разработано, но и имелось у флота в наличии.

Сначала испыта­ния про­во­ди­лись с берега, затем с уго­ль­ной баржи – первой экспериментальной ка­тапульте длиной всего 9 метров удава­л­ось разгонять лёгкий гидросамолёт до ско­ро­сти 65 км/ч. Наконец, осенью 1915 года был произведён первый взлёт уже летающей лодки ко­нструкции всё того же Глена Кёртисса с боевого корабля. На этот раз испо­ль­зо­валась увеличенная система длиной 20 метров, разгонявшая более тяжё­лую маши­ну уже до 72,5 км/ч. Могли бы испытать и заметно раньше, но первона­ча­льно выде­ле­н­ный для этого броненосец некстати убыл к мексиканским берегам напоми­нать туземцам, кто в доме хозяин.

Первый в истории влёт гидросамолёта, летающей лодки «Кертисс AB-3», с боевого корабля, катапульта была смонтирована на корме крейсера «Норт Кэролайна», 1915 год

Такие же кормовые катапульты американцы поставили ещё на два броненосных крейсера. Но после вступления Штатов в Первую мировую американские адмиралы решили, что уменьшение сектора обстрела кормовых башен главного калибра – это сли­ш­ком большая плата за новинку непонятной боевой ценности, и катапульты со всех трёх кораблей демонтировали. Так что в войне, породившей морскую ав­и­­ацию и авианосцы, катапульты практически не участвовали.

От экспериментов к практике

Между тем эти устройства продолжали совершенствоваться, и в 1920 году в США испытали первую достаточно компактную пневматическую катапульту, которую можно было засунуть на боевой корабль так, чтобы она хотя бы не сильно мешала его основному функционалу. И что важно – она была ещё и поворотной, то есть кораблю не нужно было менять курс для запуска гидросамолёта. Первым делом такие катапульты воткнули на линкоры, а затем на новенькие лёгкие крейсеры типа «Омаха» по мере их постройки.

Одна из первых серийных поворотных катапульт типа A Mk I на корме линкора «Оклахома», начало 1920-х

Спустя пару лет подобные устройства появились и у британцев, а потом и у всех остальных. Так что к концу 1920-х годов поворотная пневматическая катапульта (а часто и не одна) стала обязательным атрибутом любого уважающего себя военного корыта хоть немного крупней эсминца. Более того, они появились даже на гражданских лайнерах. Правда американцы с середины тех же 1920-х начали постепенно переходить на более лёгкие и автономные катапульты уже не на пневматическом, а на пороховым приводе.

С авианосцами было сложней. По большому счёту, им поначалу катапульты не были нужны от слова «совсем» – самолёты с колёсным шасси, особенно тогдашние лёгкие, прекрасно могли взлетать с них и своим ходом. Причём даже с неподвижного корабля. Поэтому ни на ранних британских, ни на ранних японских авианосцах катапультами никто и не заморачивался. А вот американцам почему-то очень хотелось, чтобы их авианосцы могли запускать ещё и гидросамолёты!

Так что ещё на первом американском экспериментальном «типа авианосце» «Лэнгли» уже на стадии его конверсии из угольщика была предусмотрена установка интегрированных в полётную палубу пневматических катапульт. Причём с очень длинными треками разгона, для запуска не только лёгких разведчиков-корректировщиков – это и обычные корабли умеют – но и более тяжёлых машин, например, летающих лодок или поплавковых версий торпедоносцев.

«Лэнгли» в ходе перестройки в авианосец, в корме и в носу полётной палубы хорошо видны щели для челноков катапульт, после укладки палубного настила они стали не так заметны,1921 год

Оба следующих американских авианосца, «Лексингтон» и «Саратога», также были изначально оборудованы палубными катапультами с крайне экзотическим «маховиковым» приводом – и тоже прежде всего для запуска гидросамолётов. Свою пару уже пороховых катапульт по проекту должен был получить и первый американский авианосец специальной постройки «Рейнджер» – но там не срослось из-за чисто финансовых проблем.

Но потом и американцы охладели к идее катапульт исключительно для гидросамолётов – а ни на что другое они тогда не годились – так что при реконструкции тех же «Лексингтонов» с них не только убрали катапульты откровенно неудачной модели, но и не стали заменять их на что-то другое, более приличное. А у всех остальных катапульт на авианосцах и так не было.

Ситуация начала меняться в середине 1930-х. Во-первых, машины палубной авиации изрядно потяжелели, и народ уже всерьёз задумался о том, что неплохо бы иметь альтернативный вариант их запуска – как минимум, на случай потери хода. А во-вторых, к тому времени в Британии, а вскоре и в США придумали и отработали новый тип катапульт – гидропневматические. Не только более эффективные с точки зрения КПД и скорости «перезарядки», но и позволявшие работать даже с самыми тяжёлыми тогдашними палубными самолётами.

Торпедоносец «Суордфиш» на гидропневматической катапульте авианосца «Глориес»

На этот раз первыми подсуетились британцы, установив в 1934-35 годах на свои перестроенные из «больших лёгких крейсеров» авианосцы «Корейджес» и «Глориес» палубные катапульты этого нового типа. Которые они упорно именовали «ускорителями», считая «катапультами» только поворотные системы на обычных кораблях. А авианосцы нового поколения – строившиеся одновременно британский «Арк Ройал» и американские «Йорктауны» – получили их изначально.

Причём если британцы ставили катапульты по две – в носовой части полётной палубы – то американцы добавили ещё и третью, в ангаре. Она позволяла запускать самолёты прямо оттуда, перпендикулярно курсу корабля, причём в обе стороны. А на свой следующий авианосец, маленький «Уосп», воткнули вообще четыре – не совсем понятно нафига, но пусть будет, и вообще – знай наших!

Запуск истребителя F6F «Хеллкэт» с ангарной катапульты более позднего авианосца типа «Эссекс»

Японцы тоже предпринимали движения в этом направлении – во время очередной модернизации авианосца «Кага» в конце 1940 года на нём велись работы по установке трёх пневматических катапульт в носу полётной палубы. Не совсем ясно, то ли их так и не установили, то ли вскоре демонтировали, но подкрепление палубы под эти катапульты точно сделали, даже дополнительную пару пиллерсов поставили. А вот французы на своём единственном авианосце «Беарн» даже не пытались.

Катапульты на войне

Таким образом лишь британцы и американцы вступили во Вторую мировую, имея значительную часть авианосцев первой линии уже оборудованными катапультами, причём новейшего типа. Однако в начальный период войны и те, и другие использовали их без особого, мягко говоря, энтузиазма. Британцы просто потому, что их авианосцы воевали тогда с постоянным некомплектом авиагрупп – свободного места на полётных палубах навалом. А американцам с их отработанной системой палубных операций было и так хорошо.

Наглядным примером тут может служить эпизод с американским авианосцем «Йорктаун» в ходе сражения при Мидуэе – а это у нас середина уже 1942 года. В результате бомбовых попаданий корабль потерял ход, но командование даже не рассматривало вариант запуска оставшихся на нём истребителей при помощи катапульт, а дожидалось, пока авианосец сможет набрать минимально необходимую для взлёта скорость. И дождались. Прилёта следующей ударной группы японцев, так что взлетать пришлось уже и под вражеским огнём, и сквозь свой, зенитный.

Взлёт торпедоносца TBF «Авенджер» с катапульты эскортного авианосца типа «Касабланка», 1944 год

Ситуация начала меняться прежде всего на маленьких эскортных авианосцах, наштампованных хорошо если на основе корпусов и машин лёгких крейсеров, а в основном – вообще на базе гражданских судов. То есть к короткой полётной палубе присовокуплялась ещё и низкая скорость. Поднять с них своим ходом тяжёлые самолёты было почти невозможно, да и лёгкие истребители – тоже лишь в ограниченном количестве за раз. Так что там с самого начала значительное число взлётов проводилось уже с катапульт. А британцы вообще придумали экзотику в виде гражданских корыт с примитивной реактивной катапультой и единственным одноразовым истребителем на борту.

Но постепенно ситуация менялась и на больших, «настоящих» авианосцах. Прежде всего – на американских. Для начала, они на собственной шкуре убедились в эффективности японской фишки с массированием палубной авиации. И пришли к выводу, что ценность авианосца не в том, сколько на него запихнули самолётов, а прежде всего в том, сколько их можно поднять «с одной палубы» и немедленно отправить в бой. Потому как следующую партию можно будет запустить лишь через 30-45 минут в лучшем случае.

А теперь поднимем всю эту толпу в воздух – палуба авианосца «Эссекс», 1943 год

А длина полётной палубы не бесконечна, и первый ряд самолётов должен иметь перед собой достаточное пространство для разбега. Но в случае использования катапульт количество этих самолётов можно увеличить минимум на два-три ряда. Первые запускаем с них, остальные своим ходом – уже неплохой профит. А потом ещё и случилась очередная смена поколений палубной авиации и потяжелевшим самолётам потребовалось ещё больше места для разбега…

Так что ближе к концу войны даже огромные авианосцы типа «Эссекс» могли производить с катапульт до 40% взлётов. А потом самолёты потяжелели ещё сильней, и, несмотря на реактивные двигатели, катапультные взлёты постепенно стали практически безальтернативными. Если вы хотите поднимать тяжёлые машины с полным запасом топлива и полной боевой загрузкой, конечно. И под них пришлось создавать новые типы катапульт. Но это уже, как говорится, «совсем другая история».

Как это работало

Для того, чтобы за считанные метры пробега разогнать некое массивное тело до достаточно большой скорости – требуется передать ему много кинетической энергии, причём сделать это очень быстро. Но для этого оную энергию надо сначала как-то накопить. Благо, люди давно придумали для этого кучу способов. В случае авиационных катапульт использовались следующие варианты, что приводятся в хронологической последовательности:

1. Пружины или эластичные материалы

Самый простой, очевидный и известный с незапамятных времён (как минимум, со времён изобретения лука) способ накопления энергии – использование потенциальной энергии упругой деформации . А если по-простому – мы растягиваем, сжимаем или скручиваем некий подходящий материал, а при возвращении его в исходное состояние часть энергии, что мы затратили на его деформацию, высвобождается опять в виде кинетической, которая и передаётся объекту, что нам надо ускорить. И что важно – высвобождается быстро .

Катапульта лёгкого БПЛА на обычном резиновом жгуте

Простейший вариант подобных катапульт переживает сейчас второе рождение – это те устройства с обычными резиновыми лентами и «прямым приводом», что используются для запуска лёгких беспилотников самолётного типа, включая так называемые «барражирующие боеприпасы». Однако для тяжёлых летательных аппаратов этот метод по понятным причинам не годится. Даже «Аэродром» Самюэла Лэнгли 1903 года уже весил больше 300 кг, так что для его запуска пришлось придумать нечто посерьёзней.

Для накопления энергии он использовал мощную пружину – утверждается, что от трамвайной подвески. Но тут встал следующий вопрос – а как эту энергию передать? Напрямик от пружины нельзя – хлипкая этажерка просто рассыпалась бы от перегрузки, так что импульс нужно было как-то «растянуть» во времени и пространстве. Поэтому усилие на стартовую тележку передавалось через систему блоков и тросов, «размазывавших» короткий ход пружины на почти 25 метров хода тележки.

2. Гравитационный привод

Братья Райт использовали не менее древний метод накопления энергии. Сначала мы её затрачиваем, поднимая 500 кг груза к верху вышки, потом его отпускаем, а дальше работает гравитация – груз падает и тянет прикреплённый к нему трос. Но и здесь пришлось передавать усилие не напрямик, а тоже задействовать принцип полиспаста, чтобы «размазать» импульс падения груза с пятиметровой высоты на пятнадцать метров того стартового «монорельса».

Подъём груза катапульты братьев Райт, 1904 год

Обе эти системы были предельно просты и достаточно эффективны, но слишком громоздки, чтобы их можно было воткнуть на корабль без серьёзной переделки оного. Не говоря уж о времени, что требовалось для подготовки каждого старта. Поэтому изобретатели вскоре обратились к другим способам накопления энергии.

3. Пневматический привод

Здесь использовалась потенциальная энергия сжатого газа , то есть энергия отталкивания между его молекулами. Сначала мы неторопливо сжимаем атмосферный воздух в неком объёме, а затем через специальный клапан быстро выпускаем его «на свободу», где он расширяется, высвобождая часть энергии, что мы затратили на его сжатие. В сущности, та же пружина. Ну а дальше дело техники: этот газ толкает поршень, и его движение – опять через систему блоков и тросов – передаётся на стартовую тележку.

В результате, наконец, получилась достаточно компактная и надёжная система, так что немудрено, что именно она стала самой используемой – если считать общее количество всех построенных авиационных катапульт, а не только тех, что использовались на авианосцах. Но у этого типа данных устройств был один важный недостаток – сравнительно невысокая мощность. Например, самая мощная из американских пневматических катапульт, типа A Mk IV, могла разогнать до 98 км/ч самолёт с массой не более 2860 кг.

Поплавковая версия торпедоносца «Дуглас» DT-2 на пневматической палубной катапульте авианосца «Лэнгли», 1925 год

Так что использовались они всеми флотами планеты прежде всего для запуска сравнительно лёгких гидросамолётов – разведчиков, корректировщиков или истребителей – с «обычных» кораблей, а на авианосцах практически не применялись. Экспериментальные палубные пневматические катапульты с достаточно большим ходом испытывались лишь на первом американском авианосце «Лэнгли», а немцы и итальянцы только планировали использовать их на своих авианосцах «Граф Цеппелин» и «Аквила», что так и не были достроены.

4. Кинетический привод

Фамилия Норден известна прежде всего благодаря знаменитому бомбовому прицелу, что стоил как пол-истребителя. Но вообще данный конструктор много чем ещё занимался, включая участие в создании первых гирокомпасов и гиростабилизаторов прицелов для кораблей ВМС США. Поэтому неудивительно, что именно ему пришло в голову запасать кинетическую энергию для авиационной катапульты в виде кинетической же энергии, но вращения.

Иными словами – использовать тот же маховик, что является основой любого гироскопа, только очень большой. Сначала раскручиваем шеститонный диск, или, если по-научному, сообщаем ему момент импульса (он же момент количества вращения ), а потом быстро отбираем эту энергию с помощью фрикционного механизма (это как сцепление на автомобиле) и используем её в своих корыстных целях. То бишь, через всё те же блоки и тросы передаём на челнок катапульты.

Трек экспериментальной «маховиковой» катапульты на носу авианосца «Лексингтон», как видно по отлчичающимся планкам палубного настила слева, проектом предусматривалось две, но вторую так и не установили

Эти системы, получившие название F Mk II, изначально установленные на авианосцы типа «Лексингтон» – а также на «Лэнгли» вместо пневматической – могли работать уже с тяжёлыми машинами, гидросамолётами взлётной массой до 4536 кг, но разгоняли их до скорости всего 56 км/ч. Плюс у них имелась куча технических проблем – прежде всего с быстро выгорающими фрикционами (привет танчиколюбам). Так что при первой же модернизации их убрали со всех трёх авианосцев. Не взлетело от слова совсем.

5. Термохимический привод

Фактически, та же пневматика, но используем энергию, уже запасённую матушкой-природой в виде химических связей, что высвобождается в ходе экзотермических реакций окисления. Если по-человечески – очень быстрого горения специфических химических веществ (обычно просто той или иной вариации бездымного пороха) с выделением большого объёма газов, что и создают необходимое давление во всё том же цилиндре. А дальше, как обычно – поршень, тросы, блоки, тележка.

Каких-то принципиальных преимуществ в мощности по сравнению с пневматикой не получилось – самая удачная американская модель P Mk VI обеспечивала разгон до 105 км/ч самолётов массой до 2950 кг. Зато эта система была гораздо более автономна и компактна – нам не нужен ни компрессор для сжатия воздуха (а следовательно и электричество), ни баллон высокого давления для его хранения – достаточно просто засунуть в цилиндр новый пороховой заряд.

Запуск гидросамолёта SOC «Сигалл» с пороховой катапульты P Mk VI тяжёлого крейсера

Поэтому, начиная с середины 1920-х, американцы начали ставить пороховые катапульты на все новые крейсеры и линкоры, а также частично заменять ими пневматические на старых. По проекту первый американский авианосец специальной постройки «Рейнджер» тоже должен был иметь пару более мощных пороховых катапульт, но от них отказались из соображений «денег нет».

6. Гидравлический привод

Чаще всего встречается это название, хотя на самом деле он, конечно, гидропневматический. То есть энергию мы запасаем опять с помощью сжатого воздуха, но не напрямик. Сжатие происходит через «прокладку» из практически несжимаемой жидкости, и она же затем воздействует на поршень. Это позволило не только уменьшить потери в каждом цикле, но и серьёзно поднять мощность.

Например, американская гидропневматическая катапульта типа H Mk IV, что с 1943 года ставилась на авианосцы типа «Эссекс» могла разогнать до 145 км/ч самолёт массой до 8165 кг. А из самых мощных послевоенных выжали уже 194 км/ч для машин той же массы, хотя для гидропневматики, а также систем с передачей импульса через блоки и тросы это было уже близко к пределу. Но для начала 1940-х их мощности пока хватало, так что именно гидропневматические катапульты использовались на всех серьёзных как американских, так и британских авианосцах Второй мировой.

Взлёт торпедоносцев TBF «Авенджер» (максимальная взлётная масса 7980 кг) c палубных гидропневматических катапульт авианосца типа «Эссекс»

7. Реактивный привод

По большому счёту, тот же термохимический, просто используем выделившиеся при сгорании газы несколько по-другому. Гораздо более расточительно с точки зрения КПД, зато намного проще технологически. Попросту прикручиваем напрямик к тележке максимально примитивной катапульты пороховые ракетные двигатели.

Британцы придумали это от безысходности – в начальный период Второй мировой в качестве временной меры для хоть какой-то защиты конвоев от дальней авиации немцев. Такие катапульты монтировали на мобилизованные гражданские суда, «вспомогательные носители катапультных истребителей», нёсшие один-единственный «Си Харрикейн» одноразового действия. И окончательно отказались от них уже в 1943 году -- как только наклепали (плюс получили по ленд-лизу) достаточно эскортных авианосцев. По понятным причинам, дальнейшего распространения эта система не получила.

Взлёт истребителя «Си Харрикейн» с реактивной катапульты

Примечание: Не путаем с отделяемыми реактивными ускорителями или «бустерами», что крепятся непосредственно к самолётам или БПЛА для сокращения дистанции разбега или для взлёта вообще без шасси. К катапультам это отношения уже не имеет.

* * *

Вскоре после окончания Второй мировой начался переход на новый и более мощный тип катапульт – на так называемые «паровые», хотя точней было бы их назвать «катапультами с приводом на щелевом цилиндре». А в последние годы в США – а теперь ещё и в Китае – идут эксперименты с электромагнитными, или «на линейном индукционном двигателе», но это уже выходит за пределы рассматриваемого нами периода.