Ju49 и EF61 – самолеты, которые сделали Хуго Юнкерса пионером стратосферных полетов в Германии. Часть 1

Дессау, 26 мая 1929 года. Вилли Нойенхофен (Willy Neuenhofen) только что принес своей стране мировой рекорд высоты – 12 793 метра, улучшив на 800 метров установ­ленное 8 мая того же года достижение самолета Americain Champion (на 809 метров, если быть точными; 4 июня 1930 года американец Соучек (Soucek) установил новый рекорд, поднявшись на высоту 13 157 метров). Германия в первый и, к сожалению, в последний раз стала обладателем весьма почетной номинации в перечне достижений в авиации, достигнув этого успеха на Junkers Ju W34, оснащенном модифици­ро­ван­ным 420-сильным двигателем Bristol Jupiter. Еще одна попытка, прерванная на высоте 7000 метров, закончилась почти трагически в результате выхода из строя кислородного прибора, Лишь благодаря установленной на самолете системе безопасности Нойенхофен остался жив и, придя в сознание, смог посадить Ju W34.

Установленный Нойенхофеном рекорд высоты привел в недоумение иностранных авиастроителей. Что это было: рекорд ради престижа или очередной шаг в систематическом исследовании, направленном на изучение полетов на больших высотах? На практике превалировал, разумеется, второй вариант. В те годы, помимо Франции (в частности компания Farman) и Италии (концерн Caproni), которые представили свои работы на проходивших с 23 по 27 ноября 1936 года «днях международной авиационной техники» (Journées Techniques Internationales de l’Aéronautique), несколько стран были заинтересованы в высотных полетах и в связанных с ними проблемах (В Великобритании и СССР данными работами начали заниматься около трех лет спустя, а вскоре и в США). В первую очередь трудности были связаны с состоянием совершавших эти полеты людей, и имеет смысл рассказать о данных проблемах немного подробнее.

Физиологические проблемы

Атмосферное давление и, следовательно, давление кислорода уменьшается с увеличением высоты над уровнем моря, и на высоте 4500 метров (может варьироваться в зависимости от профиля и продолжительности полета) уже выделяется некоторая усталость и даже эйфория. На высоте 5000 метров симптомы становятся более выраженными. На этой высоте недостаток кислорода в крови вызывает в мозге ослабление сенсорного восприятия. Начиная с высоты 6000 метров снижение давления окружающей среды вызывает высвобождение и расширение растворенных в крови пузырьков азота, что приводит в суставах к дискомфорту и боли, интенсивность которой изменяется в зависимости от количества выделившегося азота. Боль особенно сильная в тех местах, в которых происходит накопление выделенного азота.

В полостях (сердце, мозг) это накопление может привести к смерти, и результат воздействия в значительной степени зависит от скорости, с которой достигнута заданная высота. Явление высвобождения азота в кровеносной системе называется воздушной эмболией.

Проблема аноксемии – недостатка кислорода в крови – решалась путем установки на самолеты кислородного оборудования. Кислородное оборудование полезно ставить для полетов на высотах около 4500 метров, а на высоте 5500 метров оно становится незаменимым. Воздух для дыхания обогащается кислородом, который распределяется с помощью регулятора. На высоте 9000 метров поступает чистый кислород, возвращая эквивалент дыхания на уровне моря. На высоте 12 000 метров, которая является верхним пределом кислородного оборудования, атмосферное давление настолько низко, что кислород может попасть в кровь только в случае избыточного давления кислорода и достаточного давления окружающей среды (некоторые незаурядные организации в сочетании с определенной смелостью позволяли нескольким пилотам выйти за рамки этого лимита кислородного оборудования – безумная смелость, которую невозможно позволять). Начиная с высоты 15 000 метров выдыхание становится трудным, поскольку с одной стороны требуется большая работа мышц живота и груди, а с другой стороны – необходимое для дыхания избыточное давление достигает предела расширения легочной ткани. Плохой баланс внешних воздействий на большой круг кровообращения приводит к опасному явлению отсутствия возврата венозной крови от конечностей, что приводит к кровотечениям со смертельным исходом.

В нынешние дни существуют герметичные кабины, в которых давление на больших высотах доводится до уровня 3000 метров; этим создавались необходимые условия окружающей среды, которые в сочетании с кислородным оборудованием повышали эффективность до 15 000 метров. Однако на этой новой высоте становится трудно поддерживать достаточное давление, необходимое для сохранения эффективности работы кислородного оборудования, не говоря уже о риске взрывной декомпрессии. Таким образом, для «восстановления высоты» далеко за пределы 5000 метров становится необходимым наличие индивидуального высотного оборудования (специального комбинезона, скафандра), наличие которого позволяет на современных самолетах летать на высотах около 30 000 метров без риска возникновения воздушной эмболии. Разгерметизация больше не становилась смертельной, и такая совокупность оборудования и оснащения может обеспечить нормальное функционирование во время войны, когда попадание в кабину может вызвать взрывную декомпрессию. Однако, если на высотах более 19 000 метров с их низким атмосферным давлением (63 мБар), эквивалентным давлению, при котором при температуре 36,6ºC кровь начинает закипать, был поврежден костюм, то из-за кипения клеточной жидкости кожа набухнет, как воздушный шар…

В качестве примера приведена небольшая таблица, показывающая изменение давления в зависимости от высоты. Эта «стандартная атмосфера», созданная искусственно в лабораторных условиях, помимо прочего использовалась для калибровки пилотажно-навигационных приборов самолета и немного отличается от фактических условий, которые изменяются во времени и пространстве.

* – 1013,2 мБар соответствуют 760 мм ртутного столба

Еще одна проблема заключалась в необходимости защиты экипажа от воздействия имеющихся на высоте низких температур и установке хорошей теплоизоляции. Следует отметить, что эта температура с ростом высоты на 1000 метров снижается в среднем на 6,5°С и на высоте 11 000 метров стабилизируется в районе –56,5°C. К этому следует добавить охлаждающее «воздействие» от скорости летящего самолета. И, наконец, исчезновение на высоте предоставляемой атмосферой защиты от ионизирующей радиации. Ультрафиолетовое излучение может вызвать расстройства глаз, инфракрасное – привести к ожогу сетчатки, а рентгеновские лучи серьезно повлияют на определенные ткани. Помимо вышеперечисленного на больших высотах наблюдался еще один интересный момент: по мере восхождения яркость неба уменьшается, яркость его нижних слоев увеличивается. Поскольку глаза защищены от видимого света, идущего выше надбровных дуг, то резкие блики снизу могли привести к ослеплению пилота. Это можно было сравнить с актером на сцене, на которого снизу направлены огни рампы. Также в этой главе следует отметить такое явление, как пространственная близорукость: опыт англичанина Уайтсайда (Whiteside) показал, что если поле зрения остается пустым, то глаз в состоянии покоя сфокусируется не на точке в бесконечности, как это было раньше, а на точке, находящейся от пилота в 1 метре.

Пилот, летящий на большой высоте, не будет в состоянии видеть другие самолеты на расстоянии более 2–3 км от него. В пятидесятых годах решение проблемы было найдено, но интересно узнать о первых опытах, особенно когда еще не знали, что происходит на высоте 12 000 метров и тем более на высотах свыше 15 000 метров.

Механические трудности

Сильная разреженность воздуха ставила под вопрос создание необходимой подъемной силы и привела к установке на самолет крыльев с чрезвычайно большим относительным удлинением. Это не могло не сказаться на конструкции самолета в целом. В первую очередь речь шла о выборе материала конструкции – он должен был быть легким, чтобы «оттянуть» увеличение веса, а во вторую – необходимость для стратосферного самолета низкой удельной нагрузки на крыло, что неизбежно ограничивало продолжительность полета. Для того, чтобы воспользоваться мощностью двигателя, которая уменьшается по мере падения давления, необходимо было устанавливать на самолет усовершенствованные компрессоры и винты с увеличенным количеством лопастей (обычно до четырех), которые, получив большую длину хорды для работы в разреженном воздухе, часто требовали точной балансировки. Это неизбежно вело к увеличению высоты основных стоек шасси, что, соответственно, могло вызвать проблемы в его конструкции. В те годы большое количество лопастей для передачи такой большой мощности не применялось, равно как и винты изменяемого шага, находившиеся еще в зачаточном состоянии.

Как мы увидим дальше, уплотнения в герметичной кабине и ее кондиционирование, а также работа двигателя на больших высотах были не всеми проблемами, с которыми пришлось столкнуться.

Преимущества

В 1936 году преимущества стратосферных полетов были продемонстрированы компанией Farman Профсоюзной палате авиационной промышленности (Chambre Syndicale des Industries Aéronautiques). Данные преимущества были ясными и привлекательными и открывали огромные возможности, которые привели к сегодняшним достижениям.

Несмотря на все недостатки, присущие полетам на больших высотах, у находящегося в стратосфере самолета скорость повышается на 57% (крайне важный аргумент для военных), а расход топлива снижается на 53%, что является еще одним аргументом, приводящим к увеличению дальности полета и полезной нагрузки. Очевидный интерес был и со стороны гражданской авиации. С описанными выше преимуществами полет на больших высотах мог привести к увеличению дальности полета самолета на 1500 км и возможности увеличения на 20–25% общего веса при полетах на дальность до 3000 км.

Первые опыты

Заслуга Хуго Юнкерса и других, работавших независимо от него, пионеров авиации в том, что они смогли наметить и начать трудный путь к характеристикам самолетов наших дней.

Расположенная в Дессау компания Junkers Flugzeuge und Motoren Werke AG проявляла заинтересованность в стратосферных полетах не с конца двадцатых годов и задолго до установления Нойенхофеном рекорда, который оказался хорошей возможностью поднять престиж фирмы и придал форму некоторым прогрессивным теориям, старейший немецкий авиаконструктор профессор Хуго Юнкерс (1859-1935) вел работы по созданию самолета специально предназначенного для полетов в стратосфере.

Двигатель L-88a, которым должен был быть оснащен это самолет, являлся результатом долгих и упорных исследований, начатых работами над дизельным [так в тексте – byakin] двигателем L-5, сопряжение которого с другим двигателем этого типа [так в тексте] привело к созданию первого варианта мотора L-55. Последовавшие испытания позволили получить некоторый интересный опыт, приходившийся при создании обычных двигателей большой мощности. Юнкерс начал постройку экспериментального шестицилиндрового рядного двигателя L-8, который по сути являлся развитием L-5. По сравнению с предшественником за счет увеличенной до 2100 об/мин частоты вращения и при тех же рабочем объеме и степени сжатия удалось увеличить мощность с 375 до 400–420 л.с. Соединив V-образно ряды цилиндров двух двигателей L-8, Юнкерс получил двигатель L-88. Впоследствии этот двигатель, получив оборудование и став L-88a, при частоте вращения вала 1870 об/мин и степени сжатия 5,8 мог развивать мощность 800 л.с. Этот двигатель также был оснащен гасителями колебаний и редуктором, позволявшим увеличить эффективность работы воздушного винта.

Этот двигатель был установлен на самолет, получивший обозначение Ju 49. Одноступенчатый нагнетатель, подключаемый посредством продемонстрировавшей бесперебойную работу регулируемой муфты, должен был восстанавливать мощность двигателя на высотах до 6100 метров. Во время испытаний отсутствие герметичности карбюратора и других узлов двигателя привели к тому, что на высоте 5800 метров при работе нагнетателя с максимальной частотой 2230 об/мин мотор смог развить мощность 700 л.с. Позднее на самолет был установлен двухступенчатый нагнетатель конструкции компании Junkers с независимой регулировкой скорости каждой ступени. Утверждалось, что данный нагнетатель имел высоту восстановления мощности (altitude de rétablissement) свыше 10 000 метров, что, впрочем, не подтверждено.

Серьезной проблемой была температура поступавшего из компрессора на цилиндры двигателя воздуха, что несколько снижало эффективность системы. Фактически, высокая температура воздуха, причиной которой была его высокая степень сжатия, до поступления в цилиндры должна была обязательно быть снижена с помощью водорадиатора и тонких пластин, работавших при давлении 0,7 атмосферы, что значительно повышало характеристики. Двигатель также должен был быть изменен в соответствии с новым назначением. Его магнето были загерметизированы, а свечи были специально разработаны для использования в разреженном воздухе и изоляции, столь характерных для больших высот. С другой стороны, для сохранения требуемой температуры в бензин надо было добавить большой процент толуола. Для запуска на земле использовался сжатый воздух. Выхлопная труба была размещена на верхней части фюзеляжа перед кабиной пилота в целях уменьшения затрат на ее обогрев.

Кабина экипажа была двухместной с тандемным расположением. Стенки кабины были двойными, обеспечивавшими термоизоляцию членов экипажа. Кабина была герметизирована. Еще одной особенностью кабины экипажа было изготовление ее как единого целого вместе с верхней частью фюзеляжа. Эта очень оригинальная конструкция была изготовлена из листов магниевого сплава электрон, который был особенно сложен для технического обслуживания.

Управление этим одномоторным самолетом с размахом крыла 28,26 метров, длиной 17,20 метров и высотой 4,75 метра было непростым для одного пилота. Взлет и посадка были особенно трудными, поскольку в целях герметизации и прочности на большой высоте остекление кабины было сведено к нескольким небольшим иллюминаторам. Обзорность в полете также была плохой, поскольку была ограничена большой шириной корневых частей крыла. В целях борьбы с этим недостатком на самолет был установлен проходивший через центральную часть крыла перископ, значительно улучшавший возможность вести в воздухе наблюдения. И, наконец, герметичности кабины мешало прохождение системы тяг и рычагов управления и тросов, через которые передавались различные управляющие воздействия и для экранировки которых требовалось большое количество «уплотнителей» (presse-étoupe).

Поскольку в те годы винтов с переменным шагом еще не было (хотя компания Junkers благодаря проведенным в двадцатые годы новаторским исследованиям имела некоторый опыт в данной области), то на самолет был установлен винт фиксированного шага диаметром 5,6 метра. Это решение привело к необходимости упрочнения конструкции самолета, чтобы он смог выдержать мощность двигателя. Применение гофрированного металла, ставшего визитной карточкой самолетов компании Junkers, пришлось как нельзя кстати.

Летные испытания

Разработанный в сотрудничестве с инженером Асмусом Хансеном (Asmus Hansen) и изготовленный компанией Junkers, Дессау, самолет Ju 49, получивший временный номер гражданской регистрации D-2688, совершил свой первый полет 2 октября 1931 года – на 9 месяцев раньше французского высотного самолета Farman F.1000 [1]. Проблемы с двигателем вынудили прервать этот полет, равно как и следующие. В середине 1932 года начались первые высотные полеты, во время которых постепенно решались все перечисленные ранее трудности. В ходе последующих испытаний (лето 1933 года) Ju 49, получивший постоянный номер гражданской регистрации D-UBAS, достиг высоты 9300 метров, а в сентябре 1935 года – поднялся выше 12 500 метров, но взрыв двигателя на такой высоте поставил финальную точку в этих испытаниях. Самолет, по-видимому, был восстановлен только для того, чтобы быть установленным в берлинском музее авиации. До наших дней машина не сохранилась – в 1943 году она была уничтожена во время бомбардировки союзников.

Установивший рекорд высоты летчик Вилли Нойенхофен на фоне Junkers W34 (номер гражданской регистрации D 1119). Обратите внимание на открытую кабину пилота, защищенную лишь небольшим козырьком, и незакапотированный двигатель Bristol Jupiter

Схема высотного самолета Junkers Ju 49

Рабочее место пилота в герметичной кабине Ju 49

Ju 49 в своем первоначальном виде с внешним размещением радиаторов. Рядом с высотным самолетом можно увидеть консоль крыла четырехмоторного гиганта Junkers G 38 

Снимок Ju 49 во время первых испытаний

Долговязый силуэт Ju 49 во время испытаний в Дессау; осень 1931 года

Ju 49 в своей окончательной конфигурации. Направленная вверх выхлопная труба осталась без изменений. Также можно увидеть расположенные внизу трубы, забирающие горячий воздух от двигателя для обогрева герметизированного салона

Ju 49 (номер гражданской регистрации D-UBAZ) был первым «стратосферным» самолетом, получившим гермокабину

ЛЕТНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Тип: Junkers Ju 49

Назначение: высотный самолет

Экипаж: 2 человека

Силовая установка: один двенадцатицилиндровый V-образный двигатель водяного охлаждения Junkers L-88a, развивавший мощность 800 л.с. и вращавший четырехлопастный винт диаметром 5,6 м

Размеры:

размах крыла 28,26 м
длина 17,20 м
высота (без винта) 4,75 м
площадь крыла 98 м²

Вес:

пустого 3590 кг
общий 4250 кг

Летные характеристики:

максимальная скорость на уровне моря 146 км/ч
максимальный потолок 14 000 м
время набора максимальной высоты 72 мин

1. во время первых полетов на Ju 49 нагнетатель не был установлен – это произошло несколько позже

источники:

• Edouard Mihaly «Ju 49 et EF 61. LES AVIONS QUI FIRENT DE HUGO JUNKERS LE PIONNIER DES VOLS STRATOSPHERIQUES EN ALLEMAGNE»  // Le Fana de l’Aviation 1975-04 (065) 
• Edouard Mihaly «Ju 49 et EF 61. LES AVIONS QUI FIRENT DE HUGO JUNKERS LE PIONNIER DES VOLS STRATOSPHERIQUES EN ALLEMAGNE» // Le Fana de l’Aviation 1975-05 (066) 

​Часть 2