«Авиация и Время» 2015 №5 (149)

Истребители на сэкономленные деньги

Фото предоставили авторы

Весна 1939 г. для Соединенных Штатов была довольно знаковой. Страна начинала восстанавливаться после Великой депрессии и с оптимизмом смотрела в будущее. Открывшаяся в Нью- Йорке Всемирная выставка предлагала всем желающим заглянуть в мир завтрашнего дня. На ее открытии Президент Франклин Д. Рузвельт и всемирно известный ученый Альберт Эйнштейн описывали захватывающие технологические перспективы, которые ожидают общество будущего. Их выступления открыли первые в Нью-Йорке телевизионные трансляции. В павильоне «Футурама», построенном фирмой General Motors по проекту дизайнера Бела Гедцеса (Norman Bel Geddes), посетители, сидя в удобных креслах, могли совершить «полет» над огромным макетом Америки будущего. Тогда в «будущем» Геддеса побывало более 5 миллионов человек.

В других разделах Выставки посетителей поражали футуристические здания, монументальные скульптуры и технологические новинки, среди которых были люминесцентные лампы, электронный калькулятор и говорящие роботы. Обращала на себя внимание и гигантская 80-метровая парашютная вышка, с которой одновременно могла прыгать целая дюжина парашютистов. С нею связана одна курьезная история. Когда выставка открылась, выяснилось, что над всеми павильонами сверкает рубиновая красная звезда, копия кремлевской, которую держит в руке «Большой Джо». Так американцы прозвали статую «Советский человек», стоящую перед павильоном СССР. Звезда явно не выказывала уважения к окружающим, возвышаясь над государственными флагами стран-участниц, в том числе и надзвездно-полосатым флагом хозяев выставки. Для восстановления справедливости американцы были вынуждены перенести свой флаг на эту самую парашютную вышку.

На выставке ярко выделялось особое направление дизайна, известное как «Авиационный и обтекаемый дизайн» (The Airplane and Streamlined Design). Военная авиация всегда была на острие науки и собирала вокруг себя толпы людей. Поэтому центром американской авиационной экспозиции стал огромный бомбардировщик ХВ-15 фирмы Boeing, не меньшее удивление вызывала и двухмоторная «Воздушная барракуда» — тяжелый истребитель Bell XFM-1, с толкающими винтами и дистанционно управляемыми пушками.

Первый опытный экземпляр ХР-54 (per. № 11210)

Советский Союз также хотел удивить мир своей авиацией. Один самолет АНТ- 25, прославившийся дальними перелетами, выставили сразу рядом с павильоном, а второй — ЦКБ-30 (ДБ-3) должен был прибыть на выставку чуть позже, «своим ходом», установив очередной рекорд. Перед полетом его выкрасили в красный цвет, а снизу написали огромными белыми буквами «Москва». Но, увы, триумфа не вышло. Летчики Коккинаки и Гордиенко заблудились и совершили вынужденную посадку на канадском острове в заливе Святого Лаврентия.

Всемирная выставка оставила глубокий след не только в памяти американцев. Безусловно, она оказала сильное влияние на развитие мировой техники и дизайна, в том числе и военной авиации. В самый разгар Выставки американская армия получила финансирование для разработки современных вооружений. В июне 1939 г. часть средств была направлена на создание новых истребителей и авиационных двигателей.

Свежее финансовое вливание в область двигателестроения было как нельзя кстати. В США справедливо считалось, что их моторы для истребителей отстают по характеристикам от двигателей Германии, Франции и Великобритании.

Новый американский мотор разрабатывался с 1932 г. по программе Hyper Engine, объявленной Авиационным корпусом армии США (USAAC). Основной целью программы было создание поршневого двигателя, способного развивать удельную мощность в одну лошадиную силу на один кубический дюйм рабочего объема, что в более привычных единицах измерения примерно соответствует 62,6 л.с./л.

Как видно из таблицы, большинство существовавших в то время моторов не дотягивало и до половины требуемой удельной мощности. Создание новых двигателей с высокими характеристиками было очень сложной задачей, однако определенные предпосылки к успеху у конструкторов все же имелись. В первую очередь это появление новых конструкционных материалов, в частности, легких и прочных алюминиевых сплавов, позволявших существенно снизить массу мотора.

Опробование двигателя ХР-54 перед испытательным полетом

Техническое обслуживание ХР-54

Специалисты фирмы «Валти» у самолета ХР-54 после окончания испытательного полета. Авиабаза Мюрок, январь 1943 г.

Однако обойтись только этим было нельзя, требовалось поднимать и мощность. Для поршневого двигателя мощность пропорциональна произведению крутящего момента на угловую скорость вращения коленвала. Отсюда следует самый очевидный путь ее повышения — увеличение оборотов. Однако на испытаниях мощность двигателей до определенного числа оборотов довольно круто росла, но затем неизбежно начинала падать. Это было обусловлено резким возрастанием сил трения и инерции в механизмах на больших оборотах. Кроме этого, на больших оборотах начинало проявляться аэродинамическое сопротивление во впускных трубопроводах, которое ухудшало поступление топливовоздушной смеси в цилиндры.

Еще один путь — увеличение рабочего объема. Но тут предел возможностей имел существенные ограничения. Ведь даже не специалист скажет, что с ростом объема начнут расти габариты и вес двигателя, что для авиации крайне не желательно.

Также конструкторы занимались увеличением степени сжатия, с которой связана эффективность использования топлива. Ведь чем больше сжатие, тем меньше топлива нужно для получения одной и той же мощности. Но и на этом пути их ожидали трудности, в частности, такое опасное явление, как детонация. Хотя в определенных пределах с ней достаточно успешно боролись увеличением октанового числа и улучшением качества топлива. Но тогда на первый план выходили температурные проблемы, которые сразу же отражались на клапанах. Любой автомобилист скажет, что при прогорании клапана сразу же упадет мощность.

Наконец существовал еще один вариант поднятия мощности — наддув воздуха в цилиндры при помощи турбокомпрессора. Этот способ был известен достаточно давно, но в основном рассматривался, как средство увеличения высотности. Пионер применения турбокомпрессоров в США доктор Сенфорд Мосс (Sanford A. Moss), работавший в научно-исследовательском центре фирмы General Electric, любил говорить своим коллегам: «Мы обманем двигатель при помощи нагнетателя, заставим его думать, что он работает на уровне моря». И действительно, с ростом высоты полета концентрация кислорода падает, и двигатель теряет мощность. Например, на высоте 6096 м (20000 футов) потеря мощности приближается к 50%[* Именно эта особенность определила одну из строчек летно-технических характеристик поршневых самолетов того времени. Скорость полета или мощность силовой установки указывались именно на высоте 20000 футов.]. Использование нагнетателя позволяло сохранять мощность мотора с ростом высоты.

Для экспериментальной проверки эффективности разных вариантов увеличения мощности моторов было создано два одноцилиндровых двигателя Hyper №1 и Hyper № 2. В ходе работ двигатель № 1 переделали в оппозитный, добавив еще один цилиндр, в котором поршень двигался в противоположную сторону. Такой мотор считался прототипом плоского оппозитного авиационного двигателя (угол развала цилиндров 180°), который хотели разместить в полости крыла для снижения лобового сопротивления самолета.

Базируясь на результатах экспериментов с одноцилиндровыми двигателями, ведущие производители спроектировали 26 «больших» двигателей. Из них три оказались лучшими: Continental IV-1430-3, Pratt & Whitney X-1800-A3G, Pratt & Whitney X-1800-A4G. Их удельная мощность приближалась к заветной 1 (62,6 л.с./л), но другие характеристики не полностью устраивали военных. Например, мощность мотора Continental была небольшой — всего 1600 л.с., а вот удельная мощность, напротив, была высока — 60 л.с./л. Двигатели Pratt & Whitney по удельной мощности немного были хуже — 53,2 л.с./л, но их полная мощность — 2200 л.с. вполне позволяла создать истребитель с хорошими летнотехническими характеристиками. Забегая вперед, можно сказать, что полностью решить все проблемы и достичь нужных характеристик конструкторам этих трех двигателей так и не удалось, а сам проект гипердвигателя закрыли.

ХР-54 (per. № 11210) в одном из первых испытательных полетов

Самолет №11210 с доработанными килями и закрепленной на нем нивелировочной рамой

Второй опытный экземпляр ХР-54 (per. № 11211)

Выделяя средства на разработку новых истребителей, военные хотели, чтобы они превосходили все существовавшие самолеты такого класса в скорости, скороподъемности и вооружении. Особое внимание разработчиков обращалось на обеспечение хорошего обзора из кабины, низкую стоимость и простоту обслуживания машины. Серийное производство истребителей планировалось начать в 1941-42 финансовом году.

Конкурс эскизных проектов[* В результате этого конкурса был принят на вооружение знаменитый истребитель P-47 Thunderbolt.] стартовал 7 августа 1939 г. 13 сентября было объявлено, что конкурсная комиссия отобрала проекты трех фирм: Curtiss-Wright, Republic и Douglas. Однако Douglas отказалась от дальнейшей работы, и третья часть выделенных на конкурс денег осталась невостребованной.

Не желая отдавать эти деньги в пользу других видов Вооруженных Сил, командующий USAAC генерал Генри Арнольд (Henry Н. Arnold) обратился в Министерство обороны за разрешением использовать «сэкономленные» средства на разработку перспективного истребителя с высокими летно-техническими характеристиками. В результате родился документ R40C, в котором излагались основные требования к самолету будущего. Предложение Арнольда одобрили 9 февраля 1940 г., и уже 20 февраля требования R40C разослали на семь авиационных фирм.

Конкурсная комиссия, находясь под впечатлением от фантастических экспонатов Всемирной выставки, решила ничем не ограничивать фантазию конструкторов, и те могли применять любые аэродинамические компоновки и схемы. В результате, на свет появились удивительные конструкции, которые даже сегодня изумляют своим необычным видом.

15 мая 1940 г. в адрес технической комиссии USAAC пришло 25 аванпроектов. Через пять дней напряженной работы комиссия определила победителей. Ими оказались фирмы: Vultee — с самолетом Model 84 (в будущем — ХР-54), Curtiss- Wright — CW24 (ХР-55) и Northrop — N2B (ХР-56). 31 мая комиссия приняла решение о постройке прототипов самолетов- победителей. Конструкторам рекомендовали использовать на своих истребителях двигатели, разработанные по программе «Гипер»: на Curtiss-Wright CW24 установить Continental IV-1430-3, на Northrop N2B — Pratt & Whitney X-1800- A3G, а на Vultee Model 84 — Pratt & Whitney X-1800-A4G. Независимо от типа мотора на всех истребителях должны были стоять два толкающих соосных винта.

Проект Model 84 разработала группа инженеров Vultee под руководством Ричарда Палмера (Richard Palmer). Этот истребитель считался фаворитом конкурса R40C. И неудивительно, ведь двухбалочный самолет на фоне двух других машин выглядел весьма консервативно, что импонировало конкурсной комиссии. Хотя подробное изучение самолета показывало, что первое впечатление было ошибочным.

Самолет имел двухлонжеронное W-образное крыло («перевернутая чайка»). Это позволяло уменьшить высоту шасси почти в два раза и сохранить зазор между винтом и ВПП, необходимый для обеспечения взлетного угла атаки. Тонкие балки хвостовой части крепились к лонжеронам крыла в месте «излома», разделяя его на центроплан и две консоли. Центроплан представлял собой так называемое «эжекторное крыло», которое было изобретено аэродинамиками NACA. Его передняя кромка по всему размаху имела узкий воздухозаборник для радиаторов системы охлаждения силовой установки. Пройдя через него, воздух попадал в систему эжекторов — труб, которые направляли его к радиаторам и двигателю. Отработанный поток выходил снизу, из щели между обшивкой крыла и верхней поверхностью посадочного щитка. Незначительные отклонения щитка позволяли регулировать эффективность системы охлаждения. Форма диффузоров на входе в эжекторы и патрубков на выходе выбиралась таким образом, чтобы в полете «эжекторное крыло» существенно снижало аэродинамическое сопротивление. К тому же машина полностью лишилась выступающих в поток деталей системы охлаждения.

Трапециевидный центроплан со стреловидностью по передней кромке 29,4° и гондола фюзеляжа конструктивно выполнялись как единое целое, с широким применением сварки и магниевых сплавов. Гондола имела большое удлинение, что способствовало ее безотрывному обтеканию и улучшало характер распределения давления по верхней поверхности корневой части крыла. В хвостовой части гондолы к лонжеронам крыла крепился двигатель. Перед силовой установкой, за противопожарной перегородкой, стояли топливные баки и оборудование. Затем шел отсек с кабиной летчика. В носовой части располагалось вооружение и передняя стойка шасси.

Расчеты и продувка моделей в аэродинамической трубе показывали, что творение Палмера на высоте 6100 м покажет скорость не менее 820 км/ч, а для выхода на такую высоту самолету потребуется всего 6 мин. 7 сентября 1940 г. военные ознакомились с проектом. Основным назначением «Модели 84» как армейского истребителя считался воздушный бой на малых и средних высотах, но, когда военные увидели его характеристики, они решили переквалифицировать самолет в высотный перехватчик для борьбы с бомбардировщиками. Под новое назначение переделали и требования. Теперь от конструкторов «Валти» потребовали улучшить высотные характеристики, усилить вооружение, герметизировать и бронировать кабину.

8 января 1940 г. фирма получила заказ на первый прототип истребителя под обозначением ХР-54 (per. № 11210). Постройка самолета должна была завершиться летом 1942 г.

ХР-54 (per. № 11211) в испытательном полете

Второй опытный экземпляр ХР-54 на авиабазе Нортон

На этом фото и внизу на стр. 41 — опытный истребитель ХР-54 (per. № 11211) в одном из немногих своих испытательных полетов

Доработка проекта только начиналась, когда от двигателистов пришла неприятная новость: летом 1941 г. фирма «Пратт- Уитни» из-за технических трудностей прекратила разработку двигателя Х-1800 и переключилась на производство 18-цилиндрового мотора R2800 мощностью 2000 л.с. Лишившись силовой установки, конструкторы попали в сложное положение. Взамен Х-1800 Палмер выбрал рядный V-образный двигатель Lycoming Н-2470 с жидкостным охлаждением и мощностью 2200 л.с. Мотор только начинал проходить испытания и не мог считаться надежным, но риск оправдывался его довольно высокими характеристиками. Для улучшения высотности на него установили два турбокомпрессора фирмы Wright, по одному на ряд цилиндров.

Кабину ХР-54 герметизировали. При этом фонарь сделали «глухим», а для доступа в кабину в нижней части гондолы вырезали люк. Кресло пилота шарнирно крепилось к крышке люка и опускалось вместе с ней почти до земли. Заняв свое место, пилот поднимал кресло в кабину при помощи электромеханизма, а люк герметично закрывался. В случае необходимости аварийного покидания летчик движением рычага сбрасывал люк, кресло «проваливалось» вниз и, выведя пилота из ометаемой винтом зоны, переворачивалось, а летчик просто выпадал из него лицом вниз.

Такая сложная конструкция потребовала изменений в системе управления самолетом, ведь проложенная под полом кабины проводка управления мешала бы перемещению кресла. Инженеры решили установить штурвал на подвижной П-образной трубчатой раме, которая как бы охватывала кресло сверху и с боков.

Еще одной инновацией была система вооружения. В исходном варианте на самолете стояли верхняя и нижняя пары крупнокалиберных пулеметов. Усилив вооружение, Палмер заменил нижнюю пару на две 37-мм пушки Т-12/Т-13 с боезапасом по 30 снарядов на ствол. Верхние пулеметы закреплялись на подвижном лафете, который мог отклонять их на 3° вверх или 6° вниз. Пушки оставались неподвижными. Угол отклонения пулеметов при стрельбе задавался прицелом автоматически, в зависимости от дальности до цели, с таким расчетом, чтобы все оружие стреляло в одну точку.

Все эти изменения имели и негативный аспект. Вкупе с дополнительным бронированием кабины и двигателя они увеличили взлетную массу самолета с 5220 кг до 8172 кг.

Мощнейшая система вооружения, которая могла просто разорвать на куски любой самолет того времени, и характерный внешний вид, который благодаря W-образному крылу немного напоминал гуся с его изогнутой шеей, стали причиной неофициального названия самолета — Swoos Goose (с англ. — атакующий гусь).

17 марта 1942 г. армия заказала второй образец ХР-54 (per. № 11211). Сроки окончания постройки ХР-54 № 1 все время отодвигались. Машина была готова только в конце 1942 г., с опозданием на 6 месяцев. В начале января следующего года ХР-54 доставили на авиабазу Мюрок и начали подготовку к первому полету. Вместо вооружения на самолет установили балласт, а вырезы под пушки и пулеметы закрыли заглушками.

Когда все было готово к началу летных испытаний, 15 января 1943 г. летчик-испытатель Фрэнк Дэвис (Frank Davis) поднял ХР-54 в воздух. Первый полет продлился чуть более 30 мин и прошел бы без замечаний, но картину испортил отказ автоматики четырехлопастного воздушного винта от фирмы Curtiss диаметром 4,1 м. Впоследствии его заменили на более надежный винт от Hamilton- Standard.

Кресло пилота, установленное на крышке люка, опускалось вместе с ней

Главной целью первого этапа летных испытаний было подтверждение заявленных летных характеристик, а тут «Гусь» Палмера явно не блистал. Дала о себе знать перетяжеленность машины и слабость силовой установки. Максимальная скорость составляла 646 км/ч, что оказалось почти на 160 км/ч меньше расчетной величины. На небольших скоростях наблюдалась путевая неустойчивость. Кроме этого, в отчетах отмечалась большая взлетная дистанция (около 1000 м), летчик мог увеличить угол атаки, взять ручку на себя больше, но тогда самолет мог зацепить поверхность ВПП винтом. После 10 полетов механики обнаружили стружку в масле двигателя, полеты немедленно прекратили и отправили самолет на завод для замены мотора.

После ремонта ХР-54 № 1 продолжил программу испытаний на авиабазе Онтарио в Калифорнии. Внешне самолет отличался увеличенной площадью килей. За 86 полетов удалось окончательно снять летные характеристики, провести тесты на устойчивость и управляемость, отработать технологию обслуживания основных самолетных систем. 28 октября 1943 г. «Гуся» отправили в исследовательский центр на базе Райт Филд в Дэйтоне для армейских испытаний. Однако закончить необходимый цикл полетов военные не смогли — на ХР-54 отказал двигатель, а нужные запасные части просто отсутствовали, т.к. фирма «Лайкоминг» закрыла проект мотора Н-2470. В распоряжении «Валти» оставался еще один Н-2470, но он предназначался для второго опытного экземпляра. ХР-54 № 1 в воздух уже не поднимался, сначала его подвергли статическим испытаниям, а потом сдали на лом.

Проблема с силовой установкой грозила закрытием программы истребителя. Сначала конструкторы хотели поставить вместо Н-2470 огромный звездообразный 42-цилиндровый мотор Wright R-2160 Tornado (2350 л.с.), специалисты даже перепроектировали гондолу и центроплан, а новой модификации дали обозначение Р-68. Но денег на воплощение проекта в жизнь у «Валти» не было, а заказывать самолет, характеристики которого оказались ниже требуемых, никто не хотел. Как альтернатива, был предложен реактивный вариант истребителя, но и на него серьезного внимания не обратили, военные вообще уже не планировали серийное производство ХР-54.

Второй экземпляр ХР-54 решили все же достроить и испытать. На нем два турбокомпрессора заменили на один General Electric ХСМ и установили вооружение. Первый полет ХР-54 № 2 состоялся 24 мая 1944 г. После 20-минутного перелета с заводского аэродрома на авиабазу Нортон в Калифорнии летчик и техническая служба оценили работу нового турбокомпрессора как неудовлетворительную. Самолет вернули на завод и через некоторое время списали на лом, а носовой отсек с вооружением отправили на базу Элгин на стендовые испытания. Летом 1944 г. проект ХР-54 закрыли окончательно.

Александр Семенов/ Никополь, Александр Борисенко/Кривой Рог