Как самолеты взлетают «с пятачка»: мастерство пилота и идеальный глазомер

В 1957-м совершил свой первый полет американский самолет X-13 Vertijet фирмы Ryan. Эта необычная машина взлетала вертикально во всех смыслах. Поскольку после отрыва от земли направление тяги двигателя нужно было изменить, чтобы начать разгон в горизонтальной плоскости, а в 1950-х о создании поворотного сопла еще не было речи, конструкторы приняли решение стартовать прямо из вертикального положения. Крошечный самолет висел, зацепившись носовым крюком за выступ на специальной мачте, а когда аппарат начинал подниматься, система расцеплялась.

С самого начала стало понятно, что привычный способ управления самолетом с помощью аэродинамических поверхностей (элеронов, рулей высоты и направления) совершенно неэффективен на малых скоростях. Изменить положение «висящей на двигателе» машины можно только струйными рулями (отклоняемой тягой дополнительных реактивных микродвигателей), и конструкторы, перебрав около сорока вариантов конструкций, сумели разработать такую систему. Vertijet успешно летал, а во время демонстрационного полета даже совершил посадку недалеко от Пентагона, однако сложность в управлении сделала самолет недоступным для летчиков средней квалификации, и программа была закрыта. Многочисленные проекты других американских фирм, таких как Lockheed и ConVair, также не дошли до серийного производства.

Занимались этой темой и по другую сторону океана — в СССР и Великобритании. Для испытаний и отладки новых технических решений строились различные экспериментальные стенды, такие как британский TMR и его советский аналог «Турболет». На этих аппаратах турбореактивный двигатель был установлен вертикально, а струйные рули разнесены по сторонам на четырех ферменных кронштейнах. Из-за своего внешнего вида «Турболет» прозвали «летающим столом». На испытаниях аппараты полностью оправдали новую концепцию, показав отличную управляемость. Но если стенду не требовались особенные тактико-технические характеристики, то боевой самолет должен был обладать приемлемыми качествами и при нормальном, горизонтальном полете. Для этого требовалось разработать новый, «подъемно-маршевый», двигатель (ПМД), изменение вектора тяги которого достигалось за счет применения поворотного сопла, отклонявшего реактивную струю в нужном направлении. Первым таким двигателем стал английский турбовентиляторный Rolls-Royce Pegasus.

Проектирование фирмой Rolls-Royce нового двигателя шло одновременно с разработкой нового самолета, за которую взялась компания Hawker. В создании машины принял участие сам сэр Сидней Кэмм — один из прославленных английских инженеров, конструктор знаменитого самолета Hurricane, составившего основу истребительной авиации Королевских ВВС во время «Битвы за Британию». NATO очень заинтересовалось новым проектом и согласилось профинансировать разработки, так что уже осенью 1960 года из цеха завода Hawker выкатили первую опытную машину. Сначала Р.1127 Kestrel (так был вскоре назван самолет) совершил цикл пробных взлетов «на привязи» (его прикрепили к земле стальными тросами). Это было необходимо для точного определения характеристик силовой установки и исследования особенностей аэродинамики самолета.

Наконец, после тщательной обработки полученной информации и внесения необходимых изменений летчик-испытатель Билл Брэдфорд поднял машину в воздух по-настоящему. Доводка и испытания Kestrel шли в очень быстром темпе, и уже через год Брэдфорд успешно совершил первую посадку на авианосец Arc Royal. Тем временем конструкторы фирмы Rolls-Royce значительно улучшили характеристики своего двигателя, и практически полностью перепроектированный Р.1127 пошел в серию под названием Harrier Gr.1 (harrier переводится как «болотный лунь»). Первая эскадрилья из 12 машин была укомплектована в 1969 году. Ее основной задачей стала выработка тактических приемов для применения необычного самолета.

Главные особенности конструкции Harrier — в его силовой установке и системе управления самолетом. Двигатель Pegasus («Пегас») имеет четыре реактивных сопла, расположенных попарно по бокам самолета и способных синхронно поворачиваться на 89,5° с помощью специальной цепной передачи. Таким образом, при вертикальном взлете подъемная сила прикладывается в четырех точках, что придает самолету дополнительную устойчивость. Передние два сопла соединены с турбокомпрессором низкого давления, а задние — с камерой сгорания двигателя. Благодаря тому что двигатель на самолете всего один, распределение тяги по четырем соплам значительно облегчается, так как отсутствует необходимость точного согласования работы нескольких двигателей. За счет изменения положения сопел вдоль своей оси самолет может производить вертикальные взлет и посадку, горизонтальный полет и даже летать «хвостом вперед».

Тяга ПМД настолько велика, что, когда сопла Pegasus опущены вниз, летчик практически не в силах сам контролировать устойчивое положение самолета. На таких опасных режимах включается автоматическая система реактивного управления. Она состоит из микродвигателей, установленных в носовой и хвостовой частях, а также на консолях крыльев. Камер сгорания в этих двигателях нет, а работают они за счет выбрасывания сжатого воздуха, который поступает к ним по специальным трубопроводам от компрессора основного двигателя. Система реактивного управления позволяет Harrier в режиме висения поворачиваться на месте в любом направлении и управляться по крену. Из-за особенностей компоновки на самолете используется «велосипедная» схема шасси. Она состоит из двух основных стоек, расположенных вдоль оси самолета, и двух поддерживающих, установленных на концах крыльев.

Суммарная емкость внутренних топливных баков самолета составляет 2861 л, возможна также подвеска двух сбрасываемых дополнительных баков по 455 л. Большое количество топлива необходимо из-за огромного расхода при вертикальных взлете и посадке, поэтому для повышения экономичности применяется режим «укороченного» взлета, при котором во время короткого разбега часть подъемной силы создается крылом, а часть — двигателем. Такое решение позволило значительно увеличить радиус действия самолета, а из-за своей очень характерной манеры полета Harrier получил прозвище Jump Jet — «реактивный попрыгунчик». На случай аварии самолет оборудован одним из самых надежных катапультных кресел — Martin-Baker Mk.9. Взлет происходит следующим образом: повернув сопла в горизонтальное положение и поставив самолет на тормоз, летчик выводит двигатель на максимальные обороты, переводом специальной рукоятки опускает сопла вниз, и реактивная струя отрывает Harrier от земли.

В ходе боев за Фолклендские острова самолеты Harrier продемонстрировали высокую эффективность и показали себя опасными противниками даже для таких серьезных оппонентов, как стоящие на вооружении Аргентины французские истребители Mirage III. Но громче всего о качествах Harrier свидетельствует то, что с появлением этой замечательной машины США и другие страны NATO надолго отказались от разработки собственных СВВП.

В Советском Союзе тематикой вертикального взлета занимались многие ОКБ. В основном эксперименты сводились к установке подъемных двигателей на серийные машины. Но спроектировать серийный СВВП смогло только ОКБ Яковлева. По ходу работы по «вертикалкам» было рассмотрено немало проектов. Одно необычное предложение заключалось в использовании турбовентиляторного двигателя (по принципу работы идентичного «Пегасу»), подъемные вентиляторы которого должны были монтироваться в крыле, а их вращение осуществлялось газовой струей, а не механическим приводом. Однако Яковлев понимал, что создание нового двигателя с большой удельной тягой связано с огромными сложностями, и предложил создать опытный самолет с комбинированной силовой установкой — сочетанием подъемно-маршевого и дополнительного подъемного двигателя. Начались эксперименты с установкой подъемных двигателей на серийный перехватчик Як-28, и уже в 1963 году первый советский СВВП Як-36, управляемый Юрием Гарнаевым, поднялся в воздух.

Необычная машина доставила немало хлопот и конструкторам, и летчикам: новый Як научили летать ценой огромных усилий. Конструкторам во главе со Станиславом Мордовиным пришлось преодолеть много доселе неведомых проблем, связанных с обтеканием реактивной струей корпуса самолета и находящейся рядом поверхности земли. Пришлось даже придумывать защиту для покрытия бетонной взлетной полосы, которая не выдерживала воздействия горячих газов. Отдельной проблемой стала особенность аэродинамики вертикального взлета — возникновение разреженного пространства под крыльями, которое буквально не позволяло машине оторваться от земли. Немало хлопот доставила и отработка системы струйных рулей, по принципу работы идентичная той, что стояла на «Харриере». Тем не менее проблемы были решены, и вскоре Як-36, управляемый Валентином Мухиным, продемонстрировал свои возможности на авиационном празднике в Домодедово. Однако самолет обладал слишком скромным радиусом действия и небольшой полезной нагрузкой, поэтому о серийном производстве боевой машины речь не шла.

Впрочем, полученный опыт позволил вскоре создать Як-38, который поступил на вооружение морской авиации. Из-за отсутствия в СССР подходящего ПМД Як-38 оснастили сразу тремя двигателями, два из которых устанавливались вертикально за кабиной летчика и включались только при взлете и посадке, а третий — оборудованный поворотными соплами — был подъемно-маршевым. С одной стороны, такая схема снимала необходимость создания нового ПМД, но с другой — два выключенных при крейсерском режиме подъемных двигателя становились бесполезным балластом и катастрофически «съедали» характеристики самолета.

Использование сразу трех отдельных двигателей потребовало создания специальной системы, предназначенной для координации их работы и регулировки тяги. Проблему удалось решить без использования электроники: устройство было полностью механическим, что дополнительно повысило надежность. Из-за больших проблем с «лишним весом» конструкция Як-38 максимально облегчена, кое-где даже в ущерб запасу прочности. Это сделало невозможным создание модификации, предназначенной для катапультного старта. Возникли проблемы с силовой установкой Як-38 — в условиях тропиков во время южных походов авианесущих крейсеров подъемные двигатели просто отказывались запускаться. Пришлось установить дополнительные кислородные баллоны для питания двигателей, что позволило им развивать приемлемую тягу.

Боевые возможности Як-38 были чрезвычайно ограниченными: во-первых, ради экономии веса пришлось отказаться от РЛС, а во-вторых, ранние Яки не могли поднять в воздух ничего, кроме неуправляемых ракет и бомб небольшого калибра, что делало их практически бесполезными в обороне — как против морских, так и против воздушных целей. Авианесущему крейсеру в случае чего пришлось бы полностью полагаться на собственную ПВО и мощный противокорабельный ракетный комплекс «Гранит».

Несмотря на весьма посредственные летные данные и обидное прозвище «самолет обороны топмачты», полученное из-за весьма скромного радиуса действия, Як-38 позволил инженерам и военным накопить поистине бесценные наработки по эксплуатации и применению СВВП. Модификацию Як-38М уже вооружили управляемыми ракетами и научили взлетать с коротким разбегом (экономя при этом топливо), а для подготовки морских летчиков была разработана специальная программа, позволявшая эффективно обучать их полетам на непростой в управлении машине. Свое боевое крещение «огурец», как называли его летчики, проходил в Афганистане, в составе специально созданной для этого авиагруппы.

Во время конструирования Як-38 была разработана уникальная по надежности система автоматического принудительного катапультирования СК-3М. Дело в том, что во многих случаях при отказе ряда систем во время взлета летчику просто не хватит скорости реакции, чтобы успеть среагировать на возникшую опасность. Скажем, в случае отказа струйных рулей при режиме висения самолет переворачивается «на спину» за 1,5 с. СК-3М анализирует множество параметров, позволяя обнаружить опасность раньше человека, и выдает сигнал на автоматическое катапультирование пилота креслу К-36ВМ. В результате, хотя уровень аварийности Як-38 для СССР был просто рекордным, за все время эксплуатации этих самолетов при включенной СК-3М не погиб ни один летчик. На авианесущем крейсере «Минск» произошел случай, когда экипаж был катапультирован из-под воды: на Як-38У (учебная модификация) отказали двигатели, и упавший рядом с кораблем самолет начал быстро тонуть. Вовремя сработавшая катапульта выбросила обоих летчиков из кабины уже ушедшего под воду самолета — пилоты приземлились на парашютах прямо на палубу крейсера. После распада СССР все Як-38 были списаны, поскольку в этих машинах страна больше не нуждалась. Последний полет этого самолета состоялся во время подготовки к показательной программе на авиасалоне МАКС-95 и закончился аварией. Оба пилота остались живы.

Созданный в конце 1980-х годов Як-41 стал непосредственным развитием концепции Як-38, но с возможностью сверхзвукового полета. Руководил проектом сын Александра Яковлева — Сергей Яковлев. Первоначально на самолет планировалось установить единый подъемно-маршевый двигатель, но в связи со смертью Дмитрия Устинова, покровительствовавшего всей программе, работы по новой силовой установке затянулись, а вскоре и вовсе заглохли, и конструкторам ничего не оставалось, как принять решение об использовании схемы с комбинацией двигателей. Несмотря на уже ставшую явной на опыте Як-38 порочность такого решения, постройка самолета была необходима для отработки всех систем и агрегатов с последующей переделкой машины под новый, мощный и экономичный турбовентиляторный двигатель. Полеты модернизированного варианта Як-41М начались 9 марта 1987 года, и с прохождением каждого этапа испытаний становилось все более очевидно, что самолет получился достаточно удачным. О его уникальности говорит и то, что летчик Андрей Синицын установил на нем 12 мировых рекордов скороподъемности и высоты полета для СВВП. С развалом Советского Союза ход работ по машине, получившей новое название — Як-141, — замедлился, а произошедшая в 1991 году авария послужила лишь поводом для сворачивания проекта.

Определенного успеха в конструировании СВВП добилась и Франция, в начале 1960-х годов начавшая разработку собственных машин. Первым из них стал истребитель Mirage-Balzac, оборудованный помимо маршевого двигателя Orpheus 803F аж восемью подъемными! Испытания самолета в 1964 году закончились катастрофой. Следующий самолет, Mirage V, повторявший конструкцию предшественника, стал первым в мире сверхзвуковым СВВП. Однако и он потерпел аварию, и работы были остановлены в пользу традиционных самолетов с обычными взлетом и посадкой.

В конце 1960-х годов в Германии разрабатывалось несколько проектов СВВП: первым был тактический транспортный самолет Dornier Do.31. Несмотря на успешные испытания, работы по Do.31 были прекращены... из-за конкуренции с транспортными вертолетами, в итоге оказавшимися более удобными в использовании. Еще одна необычная разработка немецких инженеров — сверхзвуковой истребитель-перехватчик EWR-Sud VJ-101, подъемно-маршевые двигатели которого располагались в двух поворотных мотогондолах на законцовках крыла (а дополнительные подъемные — в фюзеляже). По расчетам система поворота всего двигателя должна была давать некоторый выигрыш в весе по сравнению с изменением вектора тяги за счет поворотного сопла. Реактивное управление этого самолета работало за счет регулирования тяги самой силовой установки. Таким образом, в режиме висения самолет балансировал на трех двигателях. Несмотря на красоту конструкции и неплохие характеристики, полученные во время полетов, VJ-101 так и не был запущен в серию. Работы немецкого концерна VFW-Fokker по истребителю VAK-191 с двигателем Pegasus также не увенчались успехом: характеристики поставленного на поток Harrier оказались выше, и «доводить» новую машину было просто нецелесообразно.

Несмотря на широкое использование самолетов Harrier ВМС США, разработки СВВП в этой стране не остановились. По некоторым данным, в середине 1990-х годов между ОКБ им. А.С. Яковлева и фирмой Lockheed Martin было заключено соглашение о совместных работах в рамках программы JAST по созданию перспективного истребителя для ВВС США (позднее переименован в JSF). В соответствии с этим соглашением ОКБ им. А.С. Яковлева представило американской стороне информацию и результаты исследований по СВВП, а также эскизные проекты будущего истребителя Як-201. Эти данные были использованы при создании JSF F-35 Lightning II, самой современной разработки в этом направлении. На сегодняшний день этот самолет находится в стадии летных испытаний. Новый многофункциональный истребитель должен будет заменить собой целый ряд боевых самолетов, в числе которых и морально устаревающий, несмотря на непрерывную и эффективную модернизацию, Harrier. В силовой установке F-35 используется турбовентиляторный двигатель F-119-PW100, который был разработан фирмой Pratt & Whitney специально для F-35. Отличительная черта нового самолета в варианте VTOL — использование внешнего вентилятора, установленного в фюзеляже вертикально. Крутящий момент на вращающиеся в противоположные стороны крыльчатки передается от турбины через вал.

Многие современные военные аналитики достаточно скептически относятся к F-35 в варианте VTOL, отчасти справедливо полагая, что применение внешнего вентилятора (который отключен в полете) — не самое лучшее решение с точки зрения экономии веса и что Lockheed Martin повторили во многом ошибки ОКБ Яковлева. Тем не менее развитие самолетов с коротким (или вертикальным) взлетом и вертикальной посадкой — на сегодняшний день одно из самых перспективных и актуальных направлений. Ведь благодаря использованию разведывательных спутников и высокоточного оружия такое сооружение, как военный аэродром, постепенно уходит в прошлое, уступая место мобильным СВВП, способным вылететь на задание с любого пятачка.