Проекты истребителей-перехватчиков С-1ВРДК-1 и С-2ВРДК-1.
Разработчик: ЦАГИ
Страна: СССР
Проекты 1943 г.
В конце 30-х годов для авиационных специалистов не являлось секретом, что пределы совершенствования поршневой авиации уже недалеко, так как дальнейший рост скорости ограничивался возможностями традиционной винтомоторной группы (ВМГ). При скоростях 700-800 км/ч из-за сжимаемости воздуха резко падает аэродинамическое качество самолета и КПД воздушного винта. Подбором специальных профилей можно уменьшить волновое сопротивление крыла, но пропеллер на этих режимах «лечению» не поддается. Вместе с тем, малый эффект дает и наращивание мощности мотора вследствие того, что прирост скорости связан с требуемым приростом мощности зависимостью третьей степени. Доля веса силовой установки в общем весовом балансе истребителя становилась недопустимо большой и со всей очевидностью возникал вопрос о том, чем можно заменить ВМГ на пути достижения высоких скоростей полета.
Принципиальное решение было простым — необходим реактивный принцип создания тяги, но его практическая реализация требовала решения огромного количества научных и технических проблем. Использование на самолете жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) могло рассматриваться лишь как временный вариант, так как «возимый» запас горючего и окислителя для прожорливого ЖРД делал ракетный истребитель малоэффективным в бою и небезопасным для самого летчика. Прямоточные воздушно-реактивные двигатели (ПВРД), разрабатывавшиеся перед войной И.А.Меркуловым, прошли летные испытания на самолетах И-153 и И-15 и продемонстрировали устойчивую и надежную работу. Но эффект от их применения «съедался» большим аэродинамическим сопротивлением подвешенных под крылом мотогондол.
В 1940 году В.М.Мясищев разработал проект скоростного бомбардировщика с прямоточными реактивными ускорителями, призванными обеспечить самолету отрыв от перехватчиков противника. «Изюминкой» проекта было то, что конструктор спрятал ПВРД в фюзеляж, ликвидировав тем самым дополнительное аэродинамическое сопротивление. Свой проект Мясищев направил в Наркомат авиационной промышленности (НКАП), где он подлежал научно-технической экспертизе. Анализ проекта был поручен доктору технических наук Генриху Наумовичу Абрамовичу. Как аэродинамик Абрамович прекрасно понимал, насколько велика разница между условиями работы ускорителей, подвешенных под крылом в свободном потоке и находящихся в глубине фюзеляжа большого самолета. Потери скоростного напора, столь важного для ПВРД, просто не дадут ему возможности работать.
Генрих Наумович Абрамович.
Отсутствие разработанных методик определения тяги ПВРД не смутило ученого. Раз методик нет — надо их создать, причем не на кустарном уровне, а на научном. Не смотря на загруженность ЦАГИ текущими заданиями промышленности, настойчивость начальника лаборатории № 4 его обращение к наркому А.И.Шахурину сделали свое дело, и в ЦАГИ появился новый отдел реактивных систем. Его начальником по совместительству назначили Г.Н.Абрамовича.
Проект Мясищева, один из многих, прошедших через руки Абрамовича, сыграл роль катализатора научных исследований, что в предвоенные годы в авиации случалось довольно часто. Подчас интуиция талантливого конструктора подсказывает совершенно новое, нетрадиционное решение, которое не опирается на освоенную научную базу. Спустя два десятилетия ситуация изменится с точностью «до наоборот», и уже из теоретического «портфеля» будут формулироваться новые тактико-технические задания для ОКБ. Но в 40-е годы именно конструкторская инициатива зачастую рождала новые научные направления.
Вплотную занявшись реактивной тематикой, Абрамович уже в 1941 году выпустил отчет, содержавший результаты теоретических исследований внутренней аэродинамики ПВРД и его термодинамического цикла. Был сделан важный вывод, что на малых скоростях — порядка 400-500 км/ч — «прямоточка» неэффективна из-за малого полного давления на входе, что влечет за собой малую величину развиваемой тяги. Повысить давление на данных режимах можно только компрессором, но ему требуется привод. Разумеется, наилучшим вариантом была бы газовая турбина, над которой работали хорошо знакомые Абрамовичу — А.М.Люлька и В.В.Уваров, но до успеха здесь было слишком далеко, а война была уже на пороге. Кроме того, на дозвуковых скоростях турбореактивный двигатель имеет больший удельный тяговый расход, чем ВМГ, из-за низкого тягового КПД реактивной струи.
Несмотря на все сложности, задачу радикального увеличения скорости полета истребителей необходимо было решать как можно скорей. Свой вариант решения предложил Г.Н.Абрамович, причем не только предложил, но и всесторонне исследовал. Это был мотокомпрессорный двигатель по современной терминологии или воздушно-реактивный двигатель компрессорного типа (ВРДК), как его называли в начале сороковых. Роль привода компрессора в такой силовой установке играет обычный поршневой мотор, хорошо освоенный промышленностью и не таящий в себе никаких подвохов с эксплуатационной точки зрения.
В то время в СССР еще ничего не было известно о построенном и испытанном в Италии самолете Caproni-Campini N.1 (CC.2), оснащенном мотокомпрессорным двигателем (первый полет 17 августа 1940 года), хотя сама по себе идея не принадлежала ни Абрамовичу, ни итальянцам. Впервые ее выдвинул русский инженер Горохов и независимо от него чуть позже румынский авиатор Анри Коанда. Первая информация о Caproni-Campini N.1 попала в ЦАГИ из английского журнала «Флайт» в 1943 году.
Caproni-Campini N.1 (CC.2).
Результаты своих теоретических исследований Г.Н.Абрамович доложил на научно-техническом совете Центрального института авиационного моторостроения (ЦИАМ). Его доклад вызвал большой интерес и начальник ЦИАМ В.И.Поликовский создал у себя в институте специальное КБ под руководством К.В.Холщевникова. Задачей этого коллектива являлась конструкторская проработка различных схем ВРДК.
Осенью 1941 года, по разным причинам, в ЦАГИ было расформировано конструкторское бюро под руководством М.Л.Миля и Н.И.Камова, занимавшееся созданием автожиров. Ведущим конструктором практически всей серии винтокрылых аппаратов ЦАГИ был Вячеслав Александрович Кузнецов, конструкторский коллектив которого фактически остался без работы. Большая часть работников была переведена в другие КБ, а для оставшихся Абрамович добился в НКАП разрешения заняться проектными исследованиями самолетов с ВРДК. Его поддержал научный руководитель ЦАГИ академик С.А.Чаплыгин, который направил 16 марта 1942 года письмо в Наркомат авиационной промышленности, в котором предложил определить основной научной задачей ЦАГИ создание самолетов с реактивными двигателями. Коллегия НКАП согласилась с предложением С.А.Чаплыгина, и в ЦАГИ был образован отдел реактивных систем под руководством Абрамовича. В этот отдел вошло и КБ ЦАГИ, в результате чего работы по ВРДК развернулись более широким фронтом.
Через год, в марте 1943 года, Г.Н.Абрамович закончил обобщенную работу под названием «О перспективах использования реактивных двигателей в авиации». В этой работе, помимо рассмотрения вопросов о принципах регулирования параметров ВРДК, содержалось и описание проектов самолетов С-1ВРДК-1 и С-2ВРДК-1.
Проект С-1ВРДК-1.
Проект барражирующего истребителя-перехватчика С-1ВРДК-1 был разработан в ЦАГИ в 1943 году. В носовой части фюзеляжа располагалось входное устройство воздухозаборника с центральным телом, в котором находилась пушка ШВАК с боезапасом 60 патронов. За входным конусом размещался четырехступенчатый компрессор, приводимый во вращение поршневым двигателем М-82 мощностью 1700 л.с. с соосным редуктором.
Модель С-1ВРДК-1.
Модель С-1ВРДК-1.
Сжатый в компрессоре воздух, охлаждая поршневой двигатель, нагревался от него и, смешиваясь с его выхлопом, подавался в камеру сгорания, где и производилось сжигание топлива (бензина). Тяга ВРДК, создаваемая реактивным соплом, должна была регулироваться подачей бензина, оборотами приводного мотора компрессора и продольным перемещением хвостового конуса сопла. После компрессора воздух обтекал цилиндры мотора, нагреваясь о них. Дополнительный нагрев давали выхлопные газы, смешиваясь с которыми воздух по двум бортовым каналам поступал в камеру сгорания в хвостовой части фюзеляжа.
Компоновочная схема С-1ВРДК-1.
В качестве горючего для реактивного двигателя использовали тот же бензин, что и для поршневого мотора. Он впрыскивался в «топку» (по терминологии тех лет) через форсунки-испарители и воспламенялся запальными свечами. Расчетный расход бензина в ВРДК составлял 1,1 кг/с, поэтому доля горючего во взлетной массе была больше, чем у традиционных истребителей того времени.
Камера сгорания представляла собой тонкостенную конструкцию, образуемую двумя соосными оберчайками, между которыми имелся проток для охлаждающего воздуха. Расчетная температура горения бензо-воздушной смеси определялась равной 1500°С, что согласно расчетам руководителя группы процессов горения Д.А.Франк-Каменецкого являлось оптимальным значением. Реактивная тяга регулировалась подачей бензина, оборотами приводного мотора и продольным перемещением хвостового конуса.
Сложную задачу для конструкторов представляла собой хвостовая часть самолета, полностью занятая камерой сгорания больших размеров (ее диаметр составлял 1,5 м, длина — 4,2 м). Конструктивную схему этой части фюзеляжа в виде ажурной кольцевой фермы с несущей обшивкой разработал профессор А.Н.Путилов.
С-1ВРДК-1. Схема.
Необычным для отечественного самолетостроения тех лет было трехопорное шасси с носовой стойкой. Горизонтальное оперение располагалось над фюзеляжем на специальном пилоне, что делало хвост более жестким и исключало попадание на стабилизатор горячих выхлопных газов. Сложности с обеспечением прочности вызвала необходимость выполнения вертикального оперения в виде двух шайб. На одноместном одномоторном самолете это смотрелось довольно странно, но В.Кузнецов опасался, что в условиях отсутствия обдувки оперения струей от пропеллера недостаточна будет эффективность органов управления. По этой же причине переразмеренным выглядит и стабилизатор.
Расчетная максимальная скорость самолета С-1 ВРДК-1 составляла примерно 800 км/ч, поэтому В.А.Федулов, определявший аэродинамический облик машины в целом, выбрал для крыла профиль ЦАГИ 1 В-10, имеющий меньшее волновое сопротивление, чем традиционные профили NACA. Крыло проектировалось двух-лонжеронным с дополнительной стенкой. Между лонжеронами размещались топливные баки по 200 л и купола основных стоек шасси.
Проект С-2ВРДК-1.
В ЦАГИ рассчитывались и характеристики двухдвигательного самолета С-2ВРДК-1. Проектные данные показали, что он может иметь дополнительный выигрыш в скорости порядка 50 км/ч, по сравнению с С-1ВРДК-1 при взлетной массе 11900 кг. В первом варианте самолет имел для привода компрессора поршневой двигатель М-82, во втором — ПД АМ-39Ф мощностью 1620 л.с., который обладал большей по сравнению с М-82 высотностью. Двигатели располагались под крылом самолета.
Модель С-2ВРДК-1.
Модель С-2ВРДК-1.
Предполагалось, что такой самолет сможет достичь максимальной скорости 850 км/ч на высоте 8000 м. Но при этом время барражирования снижалось до 1,5 часа. Это объяснялось тем, что у самолета С-1ВРДК-1 выхлоп газов мотора осуществлялся непосредственно в тракт ВРДК, а выхлоп мотора АМ-39Ф осуществлялся в атмосферу. Проект не реализовывался.
С-2ВРДК-1. Схема.
.
.
Список источников:
Журнал «Самолеты мира» № 02 за 1995 г. Николай Валуев. «Полуреактивные» истребители ЦАГИ.
М.Е.Козырев. Реактивная авиация Второй Мировой войны.
Сайт «SECRET PROJECTS». Under the Red Star.