Проект сверхзвукового экспериментального самолета Miles M.52. Великобритания

Как уже упоминалось ранее, к октябрю 1943 года министру авиации не удалось найти технические обоснования для отказа от проекта X.11 — фактически один из сотрудников этого ведомства признал, что на бумаге X.11 был, безусловно, самым перспективным из трех рассмотренных проектов. Тем не менее, уже было принято решение заключить контракт с Bristol Aeroplane Company и в поиске оснований для отклонения предложения компании Miles не ожидалось никаких трудностей. Однако министр, несмотря на это относительно легкое бумажное упражнение, оказался в положении, когда невозможно по техническим причинам отказаться от проекта, относительно которого им же были взяты на себя обязательство справедливо оценить его технические показатели. Проекта, который, фактически, был отвергнут тем человеком, заботам которого он был поручен. Поэтому инспектор НИОКР (Controller of Research and Development) был вынужден принять это позицию, сказав Ф. Дж. Майлзу, что нравится ему или нет, но X.11 не будет заказан. Фредерик Майлз понял, что бороться против этого решения ему придется лишь апеллируя к обещанию поддержки, которое министром так и не было выполнено.

Чтобы решить проблему, министр, в то время уже окончательно отказавшийся от X.11, пригласил Майлза, гарантируя его компании замену X.11 на проект, который, по описаниям, имел первостепенное значение – и это не было преувеличением. Фактически это был наиболее амбициозный и перспективный проект в истории воздухоплавания, требовавший разработки и создания летательного аппарата, который должен был стать первым в мире сверхзвуковым самолетом. В те годы предельная скорость, достигаемая самолетами в пикировании, впервые начинала приближаться к звуковому диапазону. Spitfire, принадлежавший Королевскому авиационному НИИ (Royal Aircraft Establishment – RAE), разогнался в пикировании до скорости М=0,9, а с появлением реактивных и ракетных двигателей стало ясно, что в течение нескольких лет вполне возможно достижение и превышение скорости звука. Однако на пути к этим достижениям было совершенно понятно, что конструкторы столкнутся с множеством связанных с сжимаемостью воздуха проблем, которые должны были быть разрешены.

Первой из них было значительное увеличение сопротивления при приближении к скорости звука в сочетании с тем фактом, что реактивные двигатели тех лет развивали слишком малую тягу. Затем следует отметить уменьшение подъемной силы и смещение центра давления, требовавшее нагрузок на управляющие поверхности в сотни раз больших, чем те, которые были необходимы при обычных скоростях. Опять же, увеличивалась неэффективность шарнирных поверхностей управления, таких как рули высоты, и оставалась проблема получения реактивного двигателя с тягой, достаточной для достижения скорости звука. Наконец, существовала проблема обеспечения пилота средствами спасения при покидании им самолета в случае чрезвычайной ситуации на скоростях близких к звуковым. Эти и многие другие проблемы были описаны Майлзом, когда вслед за письмом инспектора НИОКР он был приглашен посетить начальника научно-исследовательского управления (Director of Scientific Research) мистера (позднее сэра Бена) Локспайсера (Mr [later Sir Ben] Lockspeiser). В мгновение ока споры вокруг X.11 были забыты, и колоссальный новый вызов был с готовностью принят. Локспайсер сказал, что проектирование и производство силовой установки будет проходить под руководством групп-капитана (полковника авиации) (позднее айр-коммодора сэра Фрэнка) Уиттла (Group Captain [later Air Commodore Sir Frank] Whittle) и его команды из Power Jets Ltd. Таким образом, между двумя командами, ответственными за планер и силовую установку, необходимо было наладить самое тесное сотрудничество. Наконец, масштабы задачи были определены — спецификация E.24/43 требовала экспериментальный самолет, способный на высоте 36 000 футов (10 973 м) развить скорость 1000 миль/ч (1609 км/ч), в то время как еще ни один самолет в горизонтальном полете не развивал скорость 500 миль/ч (805 км/ч).

С началом работ проект столкнулся с множеством проблем; более того, он вступил в область, о которой практически не было доступных данных. Излишне говорить, что весь проект был отнесен к категории «совершенно секретно» («Top Secret»), и самое тщательное внимание было уделено тому, что только минимум лиц знал о его существовании, не говоря уже о его деталях. Первоначально, в курсе было всего шесть человек: Ф.Дж. и Дж.Х. Майлзы (F.G. and G.H. Miles), главный специалист по аэродинамике Д.С. Бэнкрофт (D.S. Bancroft), главный специалист по прочности Х.С. Уилкинсон (H.S. Wilkinson), ведущий инженер проекта Л.К. Хил (L.C. Heal) и автор (Дон Л. Браун).

С первых дней стало ясно, что с низкой тягой доступных тогда двигателей скорость звука будет достижима только очень небольшим самолетом с ромбовидным крылом или с двояковыпуклым крылом, профиль которого был тоньше любого из крыльев, которые до этого были построены или летали. Для таких крыльев отсутствовали данные об их поведении в реальных условиях полёта. Поэтому, прежде чем определить необходимую площадь крыла M.52, нужно было достаточно точно знать коэффициенты подъемной силы выбранных для его крыла профилей. Для решения этой проблемы было решено воспользоваться самолетом Falcon, который в связи с экспериментами с профилями Пирси (Piercy) имел семь комплектов крыльев. Из дерева была сделана полноразмерная модель предложенного для M.52 крыла; она была установлена на фюзеляж Falcon-а и испытана в полете. Крыло было двояковыпуклым с острой передней кромкой, в результате чего самолет был известен как «Gillette Falcon». Относительная толщина крыла была меньше, чем у всех созданных ранее, и составляла 7,5% у корня и 4,9% у законцовок. Это, в свою очередь, вызвало необходимость в установке прикрепленного к фюзеляжу нового узкоколейного шасси. Разместить закрылки на крыле такой толщины было, конечно, невозможно, и проблема была в том, чтобы достаточно уменьшить площадь для достижения скорости звука и при этом сохранения посадочной скорости в разумных пределах. В конце концов, для посадочной скорости была принята величина 160 миль/ч (257 км/ч), что было значительно выше, чем можно было бы пожелать самолету, оснащенному шасси с очень узкой колеей (в те годы посадочная скорость в момент касания ВПП у самолетов с широкой колеей шасси редко превышала величину в 100 миль/ч [161 км/ч]).

Miles «Gillette Falcon» с полномасштабными деревянными консолями крыла, предложенными для сверхзвукового проекта M.52 (Miles Aircraft)

Крупный план предназначенного для M.52 крыла «Gillette Falcon» (Miles Aircraft)

Следующей проблемой было удержание площади поперечного сечения фюзеляжа на максимально низком уровне. Очевидно, что он должен был быть не менее 3 футов 6 дюймов (1,07 м) в диаметре, поскольку именно таким был диаметр двигателя Power Jets W.2/700. Тем не менее, во внимание должен был быть принят ряд аспектов. Во-первых, размеры пилота; во-вторых, установка воздухозаборника, и в-третьих, запас топлива. В очень тонком крыле, которое для обеспечения прочности конструкции должно было быть почти сплошным, было невозможно разместить топливные баки, и поэтому топливо должно находиться в фюзеляже. Пилот должен был размещаться в носу самолета, а двигатель в его средней части для того, чтобы он находился вблизи центра тяжести машины. Однако это место было необходимо для размещения топлива, поскольку при его потреблении следует избегать изменений центровки. Казалось, что другой альтернативы нет, как поместить топливо в размещенном вокруг двигателя кольцевом топливном баке, хотя это вынудило увеличить диаметр фюзеляжа до 5 футов (1,52 м). Поэтому было принято решение разместить пилота в небольшой конической капсуле в носу самолета, имевшей меньший диаметр, чем фюзеляж, и позволившей разместить кольцевой воздухозаборник непосредственно у кормовой ее части. Эта капсула была далека от идеальной, но опять же это решение должно было быть принято. Диаметр капсулы был настолько мал, что пилот должен был сидеть в положении полулежа и смотреть сквозь изогнутое и сужающееся ветровое стекло (угол обзора приближался к 180°) — фактически его линия видимости была почти параллельна линии ветрового стекла. Для управления самолетом пилот должен был использовать миниатюрную ручку управления, а его ноги были установлены на педали на одном уровне с плечами. Между ног пилота должно было размещаться носовое колесо убирающегося трехколесного шасси. Трое из нас были пилотами, и компоновка кабины и скорость касания ВПП представлялись нам не очень удачными решениями, однако другого выхода не было.

Модель M.52 для испытаний в аэродинамической трубе (Miles Aircraft)

Снятая с другого ракурса модель M.52 для испытаний в аэродинамической трубе (Miles Aircraft)

Автор хотел, чтобы самолет запускался в воздухе с бомбардировщика, а не использовал свой двигатель для взлета и набора высоты 36 000 футов (10 973 м). Данное решение существенно сократило бы количество носимого топлива и устранило бы необходимость шасси, ограничившись только полозом. К сожалению, мое предложение поддержано не было. Элементы управления должны были быть механическими и необратимыми; вместо обычных стабилизатора и шарнирных рулей высоты был необходим цельноповоротный стабилизатор. Сегодня цельноповоротный стабилизатор является обычной практикой, но в 1943 году о них было мало что известно, поскольку необходимости в подобных технических решениях не наблюдалось. Следующим встал вопрос о предоставлении пилоту аварийных средств спасения, так как было очевидно, что прыгать с парашютом на скорости 1000 миль/ч (1609 км/ч) невозможно. Было очевидно, что необходимы некоторые формы механического выброса с адекватной защитой вплоть до скоростей, при которых пилот мог безопасно воспользоваться парашютом. Было решено отсоединять целиком капсулу. Это должно было быть осуществлено путем включения зарядов пороха в элементы соединения капсулы с фюзеляжем. В чрезвычайной ситуации эти заряды должны были сработать и отделить капсулу от фюзеляжа. В задней части капсулы должен был быть размещен парашют. В случае отделения капсулы от самолета парашют должен был раскрыться. По истечении некоторого времени капсула должна была замедлиться и перейти в свободное падение, после чего пилот смог бы покинуть ее в обычном порядке.

Макет капсулы пилота сверхзвукового проекта Miles M.52 (Miles Aircraft)

Хотя эти проблемы планера были решены, команда двигателистов Фрэнка Уиттла исследовала средства обеспечения тяги, необходимой для достижения сверхзвуковых скоростей. Их последний двигатель W.2/700 на уровне моря создавал статическую тягу 2000 фунтов (907 кг) и, конечно, значительно меньше на высоте 36 000 футов (10 973 м). Данной тяги было категорически недостаточно, и поэтому должно было быть найдено средство значительно увеличить этот показатель. Было решено установить форсажную камеру, состоящую из вентилятора и изготовленную интегрально с турбиной. Дожигание в реактивном сопле связано со значительным увеличением массового расхода двигателя. Было рассчитано, что на высоте 36 000 футов (10 973 м) и скорости 500 миль/ч (805 км/ч) повышение суммарной тяги с 1620 фунтов (735 кг) до 4100 фунтов (1860 кг) приведет к увеличению скорости до 1000 миль/ч (1609 км/ч), т.е. сверхзвуковая скорость может быть достигнута.

Рисунок экспериментального самолета M.52, оснащенного капсулой пилота (S. E. Porter)

Работа шла неуклонно вперед, и две команды с энтузиазмом работали в тесном сотрудничестве и единстве над уникальной задачей. Было совершено несколько посещений компании Gloster Aircraft Company и аэродромов, где в строжайшей тайне летали первые реактивные самолеты — Барфорд-Сент-Джон (Barford St John); Энджхилл (Edgehill), Банбери (Banbury); Мортон-Валенс (Moreton Vallence) недалеко от Глостера (Gloucester) и, конечно, базу Королевских ВВС в Фарнборо. По мере продвижения работ, Джордж Майлз назначил Уолтера Дж. Капли (уже упоминавшегося в связи с работами по M.18 и M.20) ответственным за работу ведущим инженером проекта. На тот момент в компании Уолтер был менеджером отдела ремонта и технического обслуживания (Repair and Service Department). Помимо того, что Капли был компетентным прочнистом и опытным пилотом, он еще был человеком огромных энергии, напористости и решительности.

Одна за одной проблемы брались и решались, и к началу 1946 года проектные работы были практически завершены. Материалы для трех прототипов были заказаны и доставлены; первый прототип был наполовину закончен и планировалось, что он полетит к началу лета. Также были предложены улучшенные версии, оснащенные развивавшим 6500 фунтов (2948 кг) тяги двигателем Rolls-Royce A.J.65 (позднее стал известен как Avon) и ракетным двигателем, являвшимся развитием немецкого мотора. Однако к этому времени война была закончена, и был получен доступ к расположенным в Фолькенроде (Volkenrode), неподалеку от Брюнсвика, немецким научно-исследовательским учреждениям. Среди многих интересных открытий было то, что немцы дали высокую оценку стреловидности крыла как средству задержки начала сжимаемости на больших дозвуковых скоростях. В Британии важность этого открытия не в полной мере была оценена ни авиационной промышленностью, ни государственными научно-исследовательскими учреждениями. Когда немецкие данные стали доступными, в Министерстве была высказана озабоченность, не в последнюю очередь со стороны отдела научных исследований (Department of Scientific Research) и управления технических разработок (Directorate of Technical Development). Был отдан приказ немедленно отменить все проекты высокоскоростных самолетов, которые не были оснащены стреловидными крыльями. В палате общин категорически запрещалось поднимать вопросы о том, почему наши ученые не смогли оценить значение стреловидности или почему крупные суммы государственных денег были потрачены на самолеты, которые не воплотили в себе эту новейшую помощь в повышении характеристик, особенно в то время, когда Казначейство занесло над военными программами топор экономии. Таким образом, на фоне панических аннулирований программа M.52 была включена в список сокращений. Напрасно Майлз и его команда отмечали, что поскольку самолет был рассчитан на сверхзвуковые скорости, то средства задержки начала сжимаемости при больших дозвуковых скоростях не имеют значения. Однако в феврале 1946 года после двух лет концентрированной и самоотверженной работы двух команд проект был аннулирован вместе с более чем £100 000 налогоплательщеков. Самое печальное то, что с этой отменой Великобритания отказалась от чести стать первой страной, достигшей сверхзвуковой скорости. Вместо этого в следующем году – 14 октября 1947 года – сверхзвуковая скорость была достигнута майором Чальзом Э. Егером (Major Charles E. Yeager) на построенном американской компанией Bell ракетном самолете X.1. По настоянию министра ее инженеры и конструкторы имели доступ ко всем чертежам, расчетам и проектным данным M.52. Кроме того, Bell X.1 также не имел стреловидного крыла.

Полномасштабный макет сверхзвукового самолета Miles M.52

Тем временем Министерство должно было решить, что рассказать общественности относительно этой внезапной отмены. Оправдание состояло в том, что проект M.52 был рискованным и углубившимся в неизвестное и что было бы несправедливым по отношению к пилотам заставлять их рисковать. Как следствие, было решено продолжить исследования с помощью беспилотных моделей с реактивной силовой установкой. Это объяснение игнорировало тот факт, что связанные с M.52 риски лишь ненамного (или чуть больше) превышали уровень рисков, принятый в обычных исследовательских и испытательных полетах. Летная программа M.52 была запланирована в три этапа. Во-первых, тщательное и систематическое изучение характеристик управляемости M.52 при нормальных скоростях, например эквивалентная воздушная скорость до 300 миль/ч (483 км/ч) на высоте 36 000 футов (10 973 м). Для этого не требовалось использовать форсаж и изменения балансировки, связанные с трансзвуковыми скоростями. Во-вторых, планировалось использование дожигания и постепенное с малыми приращениями увеличение скорости, пока не будет достигнута скорость звука. В-третьих, пикирование на полной мощности со сверхзвуковой скоростью с высоты 50 000 футов (15 240 м) до 36 000 футов (10 973 м), на которой должна была быть достигнута скорость, соответствующая истинной воздушной скорости 1000 миль/ч (1609 км/ч). Однако в связи с расторжением договора программа испытаний имела уже чисто академический интерес.

С компанией Vickers был заключен контракт на постройку модели M.52 в масштабе 3:10, известной как A.1 и оснащенной ракетным двигателем разработки RAE. Модель должна была быть оснащена двухосевым автопилотом и радиотелеметрическим оборудованием, чтобы можно было проследить траекторию ее полета и измерить характеристики. Идея заключалась в том, что эта модель с размахом 8 футов (2,44 м) должна быть установлена в бомбоотсек Mosquito и выпускаться на высоте 30 000 футов (9144 м) в направлении на запад в сторону Атлантического океана. Траектория полета должна была отслеживаться с помощью радара, и, таким образом, были бы определены ее характеристики. После передачи этих данных, средства управления автопилота модели погрузили бы ее в Атлантический океан. Первый полет модели состоялся 30 мая 1947 года. На высоте 20 000 футов (6096 м) самолет-носитель Mosquito вошел в грозовое облако и столкнулся с такой сильной турбулентностью, что пилот потерял управление. Самолет спустился на 14 000 футов (4267 м), и на высоте 6000 футов (1829 м) управление было восстановлено, но модель, несшая весь комплект приборов и оборудования прототипа, больше не была на месте, скрывшись под водами Бристольского канала. Четыре месяца спустя, 8 октября 1947 года была сделана вторая попытка. Накануне вечером модель А.2 заправляли топливом, и в камере сгорания была обнаружена утечка пероксида, потребовавшая опасных, но необходимых и оказавшихся успешными, мер по исправлению положения. Однако когда A.2 была выпущена на высоте 35 000 футов (10 668 м) к западу от мыса Лендс Энд (Land's End — мыс на юго-западной оконечности полуострова Корнуолл [Cornwall]; крайняя юго-западная точка острова Великобритании), модель медленно перевернулась на спину. Через 15 секунд после запуска должен был включиться ракетный двигатель, однако этого не произошло. Четыре с половиной секунды спустя с самолета сопровождения Meteor было сообщено о взрыве и исчезновении А.2 в облаке. Зафиксированный радаром путь A.2 примерно соответствовал траектории свободнопадающей бомбы.

Оснащенная ракетным двигателем М.52 была подвешена под de Havilland Mosquito (Air Ministry)

Перед выполнением следующего полета было решено благоразумным провести стартовые испытания ракетного двигателя. Правильного функционирования удалось добиться на высоте 25 000 футов (7620 м), но когда 9 июня 1948 года на высоте 35 000 футов (10 668 м) было выполнено повторное испытание, то произошел взрыв, мощности которого было достаточно, чтобы оторвать значительный кусок задней части фюзеляжа самолета-носителя. Проблема была устранена установкой факельного зажигания (torch igniter), и четыре месяца спустя – 9 октября 1948 года A.3 была выпущена с Mosquito на высоте 35 000 футов (10 668 м) и на скорости М=0,5. Через шесть секунд после запуска двигатель включился, и A.3 начал плавный набор скорости без каких-либо признаков неустойчивости (одна из официальных причин отказа от M.52). Ракета работала около минуты, и спустя 62 секунды после выпуска была достигнута максимальная скорость М=1,4. После того как двигатель остановился, A.3 продолжила движение по курсу и когда прошло 2 минуты после выпуска, управлявшие углом атаки стабилизатора приводы автопилота отклонили его на ¼. Этого было совершенно недостаточно для перевода в пикирование, и A.3 счастливо улетела в западном направлении. Спустя восемь минут и на дальности около 70 миль (113 км) с A.3 была потеряна радиосвязь, и осталось неизвестным, насколько далеко модель M.52 продвинулась в своем полете по направлению к США. Однако реально важным остается тот факт, что правильность концепции M.52 была, наконец, неопровержимо доказана.

Первым британским самолетом, который 11 августа 1954 года в горизонтальном полете превысил скорость звука, был прототип экспериментального самолета English Electric P.1A, WG760. Первым реактивным самолетом, который достиг скорости, на которую рассчитывался M.52, был Fairey Delta F.D.2, который 10 марта 1956 года установил мировой рекорд, развив на высоте 38 000 футов (11 582 м) скорость 1132 миль/ч (1821 км/ч).

Десять лет должны было пройти, прежде чем отмена M.52 была официально признана ошибкой. 20 октября 1956 года, обращаясь в Сент-Леонардсе (St Leonards), графство Сассекс, к молодым консерваторам, тогдашний министр снабжения Реджиналд Модлинг (Reginald Maudling) заявил:

«Мы потеряли годы в развитии, когда после войны действующее правительство отказалось продолжить программу пилотируемых сверхзвуковых полетов. Это отставание очень трудно нагнать».

ЛЕТНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Тип: Miles M.52

Назначение: экспериментальный самолет

Статус: проект

Силовая установка: Power Jets W.2/700 с форсажной камерой и дожиганием топлива

Размеры:

размах крыла 27 фт 0 дйм (8,23 м)
длина 28 фт 7 дйм (8,71 м)
площадь крыла (с двояковыпуклым профилем) 143 фт² (13,3 м²)
относительное удлинение 5,1
относительная толщина крыла
    у корня 7,5%
    у законцовок 4,9%
диаметр фюзеляжа 5 фт 0 дйм (1,52 м)

Анализ веса:

крыло 1162 фнт (527 кг)
фюзеляж 1134 фнт (514 кг)
хвостовое оперение 455 фнт (206 кг)
средства управления 150 фнт (68 кг)
топливный бак 175 фнт (79 кг)
силовая установка 1940 фнт (880 кг)
пилот 200 фнт (91 кг)
оборудование 468 фнт (212 кг)
общий полетный 7710 фнт (3497 кг)
удельная нагрузка на крыло 52 фнт/фт² (254 кг/м²)

Летные характеристики:

максимальная скорость
     без форсажной камеры на высоте 30 000 футов (9144 м) 585 миль/ч (941 км/ч)
     с форсажной камерой на уровне моря 705 миль/ч (1134 км/ч)
     на высоте 36 000 футов (10 973 м) после пикирования с высоты 50 000 футов (15 240 м) 1000 миль/ч (1609 км/ч)
лучшая скорость для скороподъемности 600 миль/ч (965 км/ч)
дистанция для наборы высоты 50 футов (15,24 м) 4560 фт (1390 м)

Следует отметить, что в первом сверхзвуковом полете была достигнута скорость лишь на 20 миль/ч больше тогдашнего рекорда, и что Bell X.1 был сброшен на высоте с самолета-носителя

источник: DON L. BROWN "Miles Aircraft since 1925", с. 268–278