На подступах к сверхзвуку. Первые полеты отечественных самолетов с форсированными ТРД

Более полувека назад, в 1947 г., в Советском Союзе на реактивных самолетах-истребителях Ла-156 и Як-19 впервые были испытаны в полете форсажные камеры (ФК), созданные, соответственно, в ОКБ С. А. Лавочкина и, совместно с ЦИАМ, в ОКБ А. С. Яковлева. Форсажные камеры позволили существенно увеличить скорость полета, что явилось первым шагом к освоению околозвуковых, а затем и сверхзвуковых скоростей.

Побудительным мотивом к созданию ФК явилась малая тяга — не более 900 кгс — применявшихся тогда трофейных немецких двигателей ЮМО-004 и их советских копий РД-10, а возможно, и влияние сообщений об аналогичных работах за рубежом во время войны.

Так, в английском журнале «Эйркрафт Инджиниринг» за январь 1946 г. рассказывалось о стендовых испытаниях двигателя «Уиттл» W2B/23, снабженного системой дожигания «повторный нагрев». Тяга при этом возрастала от 16% до 100%. Был сделан вывод, что при скорости 800 км/ч на уровне моря тяга должна увеличиться соответственно до 27,5%. Конечно, он представляет ценность для кратковременного увеличения тяги на взлете и в воздушном бою — сказано в статье. Сообщалось и о немецких работах по поджиганию, где наблюдался прирост тяги 20-25%.

В ОКБ Яковлева работы по созданию форсажной камеры начались в 1945 г. по инициативе Л. Шехлера, который на протяжении многих лет ведал начальным этапом проектирования новых самолетов ОКБ. Первоначально работы по ФК проводились в связи с установкой ТРД ЮМО-004 на поршневой Як-3, то есть в процессе создания первого реактивного истребителя Як-15. Тогда требовалось, в первую очередь, увеличение взлетной тяги для улучшения взлетных данных самолета. Фактически эти наработки использовали в 1946-м, при создании истребителя Як-19.

Обширные исследования ЮМО-004 в ЦИАМ в 1945-м под руководством директора института В. Поликовского показали ,что двигатель работает при большом избытке воздуха по соображениям повышения надежности турбины. Следовательно, имелась возможность поднять энергию газов в реактивном сопле при помощи сжигания в нем некоторого количества горючего и тем самым увеличить тягу без существенного изменения конструкции двигателя. Расчеты показали, что взлетную тягу можно поднять на 33% — с 900 до 1200 кгс.

Вообще, строго говоря, дожигание топлива за турбиной форсированием двигателя не являлось, поскольку обороты, расход воздуха, давление топлива в основных форсунках не повышались, и ресурс оставался прежним. Но краткий термин «форсаж» сразу прочно «приклеился» к этому устройству и в обиходе стал означать резкое повышение тяги, неважно, каким способом.

В феврале 1946-го ЦИАМ совместно с ОКБ Яковлева провел впервые в СССР стендовые испытания форсирования тяги по методу сжигания дополнительного топлива за турбиной. Форсажная камера или «вторичная топка» по терминологии 1946 г. состояла из удлиненного сопла, разработанного в ОКБ Яковлева, и топливо-впрыскивающей системы с шестью форсунками, ранее отработанной в ЦИАМ для мотокомпрессорного ВРД с авиадизелем. Горючее в ФК самовоспламенялось при температуре 65°С. Тяга возрастала на 28% с 860 до 1100 кгс при удельном расходе горючего 2,07 кг/кг тяги в час. Удлинение цилиндрической части сопла на 2,6 м привело к уменьшению тяги без форсажа на 80 кгс. Однако такое удлинение создало более благоприятные условия для дополнительного сгорания, а при форсировании эта потеря тяги компенсировалась.

Вместе с тем было установлено, что температура газов на выходе из сопла достигает 1000-1100°С. Сопло и его регулировочный конус, выполненный немцами из простой углеродистой стали, этих температур не выдерживали и прогорали. Цилиндрическая же вставка, изготовленная в ОКБ из жаропрочной стали ЭЯ-1, никаких признаков прогорания не имела. Конус и механизм передачи не используемым в горении, что уменьшало возможность повышения тяги. И, наконец, увеличивались потери на сопротивление потолку газов.

Эти обстоятельства были учтены ОКБ, где разработали новую конструкцию реактивного сопла с регулировкой сечения раздвижными створками вместо конуса. Весь механизм управления размещался на внешней поверхности, то есть был изолирован от действия высоких температур.

ТРД РД-10 с форсажной камерой в удлиненном сопле ОКБ А.С. Яковлева

В мае 1946-го ЦИАМ длительными испытаниями проверил надежность нового сопла ОКБ. Было получено увеличение тяги на 28%, с 820 кгс до 1050 кгс при удельном расходе горючего 2,26 кг/кг тяги в час. Потеря тяги в удлиненном сопле снизилась с 80 до 50 кгс. Сопло, выполненное из стали ЭЯ-1-Т, работало вполне удовлетворительно.

Что же, в сущности, происходит в двигателе на форсажном режиме? Функционально форсажную камеру можно представить как ПВРД, установленный на выходе турбины основного ТРД. За счет сжигания в нем некоторого дополнительного количества горючего, температура и скорость истечения выходящих из двигателя газов увеличиваются , а вместе с ними и тяга.

С отчетов ЦИАМ по двум испытаниям ФК ОКБ Яковлева было снято по 25 копий для ознакомления предприятий авиапромышленности. На основании работ ЦИАМ главный конструктор П. О. Сухой принял решения применять форсаж на своем самолете. В его ОКБ разработали конструкцию удлиненного на 0,5 м сопла для ЮМО-004, регулируемого раздвижными створками. Стендовые испытания прошли в ЦИАМ в декабре 1946-го и в апреле 1947-го. Двигатель предназначался для дублера первого реактивного самолета ОКБ — Су-9, который, однако, так и не был построен.

Параллельно с исследованиями ЦИАМ ОКБ С. А. Лавочкина также проводило работы по форсированию РД-10. Интересно отметить, что и в ОКБ А.И. Микояна на МиГ-9ФФ (И-307) в сентябре 1947-го были применены ФК на двух двигателях РД-20 (BMW-003). Таким образом, в работы по форсажным камерам в 1946-1947 годы оказались вовлечены все основные истребительные ОКБ СССР.

Все работы ЦИАМ по ФК проводились в отделе № 13 (позднее — лаборатория №7). Начальник отдела — А. Толстое, руководитель работ А. Лакштовский, ведущий инженер от ОКБ Яковлева — Б. Моторин.

В октябре 1946-го — мае 1947-го в НИИ-1 прошли летные испытания РД-10 с ФК ОКБ Яковлева на летающей лаборатории, оборудованной на самолете В-25 «Митчелл». Двигатель был установлен на усиленном верхнем гаргроте фюзеляжа на динамической платформе. Всего сделали 17 полетов. Это были первые в СССР летные испытания ТДР с ФК. Форсаж надежно использовался во всем охваченном испытаниями диапазоне высот 7300 м и скоростей — до 450 км/ч. При скорости полета 360 км/ч тяга удлиненного двигателя возрастала у земли с 570 до 770 кгс (35%), на высоте 5000м — с 385 до 540 кгс (40%) и на 7000 м — с 325 до 460 кгс (41,5%).

РД-10 смонтирован на В-25ЛЛ

Весной 1947-го ОКБ внесло новые изменения в конструкцию сопла для его более надежной работы и удлинило сопло еще на 0,5 м. Испытания этого сопла закончились в ЦИАМ 20 апреля 1947-го. Двигатель проработал на нормальном режиме 2ч 23 мин и на форсаже — 2 ч 33 мин этапами по 15-20 мин. Тяга доводилась до 1060 кгс.

Стендовые испытания двигателя в ЦИАМ в феврале и мае 1946-го позволили ОКБ Яковлева приступить к проектированию Як-19. И если Як-15, построенный в 1945 г., был первым советским истребителем с «реданной» схемой установки ТРД (выхлоп под фюзеляж), то Як-19, выпущенный в 1946-м, впервые в нашей стране имел «фюзеляжную» схему (выхлоп по оси фюзеляжа), аэродинамически гораздо более совершенную. Для этого и понадобилось сопло большой длины. Самолет приобрел типичный для последующих реактивных истребителей вид: кабина — в носовой части фюзеляжа, двигатель — сзади.

Як-19 имел среднерасположенное крыло с ламинарными профилями ЦАГИ, цельнометаллическую конструкцию, шасси с передним колесом, катапультное кресло, две пушки калибра 23 мм.

опытные истребители Як-19

Як-19 спроектировали и построили всего за четыре месяца — с 1 августа по 29 ноября 1946-го. Ведущим инженером вначале был Л. Шехлер, вскоре его сменил Н. Скржинский, а в период летных испытаний—Л. Селяков, незадолго до этого перешедший к А.С. Яковлеву из ликвидированного ОКБ В.М. Мясищева. Под руководством Селякова впервые в коллективе Яковлева построили натурный деревянный макет самолета с прокладкой всех коммуникаций.

30 ноября 1946-го законченный Як-19-1 вывезли на Центральный аэродром. Начались его рулежные испытания. Но 12 декабря, во время запуска двигателя, произошел пожар из-за вытекания горящего топлива через некачественную прокладку в двигателе. Отремонтированный самолет 26 декабря перебазировали на аэродром ЛИИ в Раменское. На следующий день возобновились рулежные испытания, а 8 января 1947-го летчик-испытатель М. Иванов выполнил первый полет. Таким образом, Як-19 стал первым поднявшимся в воздух советским самолетом, имевшим ТРД с форсажной камерой.

Со 2 марта по 18 мая полетов не было из-за замены двигателя (долго не могли получить с завода). Поэтому первое включение форсажной камеры в полете произошло только 21 мая 1947-го, на месяц с лишним позже, чем на Ла-156. Форсаж был включен на высоте 3000 м, и при этом приборная скорость резко возросла с 580 до 670 км/ч, а на следующий день — с 600 до 700 км/ч.

6 июня 1947-го в воздух поднялся Як-19-2 («Дублер»). Его испытания, в том числе с подвесными баками, проводил летчик С. Анохин. Таким образом, заводские летные испытания проходили два самолета: Як-19-1 №0011501 (на фюзеляже цифра «24», на киле — «5» ) и Як-19-2 № 0011502 (на фюзеляже — «25», на киле «2»), Всего было выполнено 64 полета общей продолжительностью 23 ч 30 мин. 3 августа 1947-го Анохин на «Дублере» участвовал в воздушном параде по случаю Дня воздушного флота, а 3 октября перегнал самолет в Чкаловскую на аэродром ГК НИИ ВВС для прохождения государственных испытаний, которые проводились с 17 октября 1947-го по 30 января 1948-го. Ведущий летчик испытатель — А. Прошаков, ведущий инженер по самолету — В. Белодеденко.

Один из выводов в отчете по испытаниям был таким:

«Форсирование турбокомпрессорных воздушно-реактивных двигателей путем дополнительного сжигания топлива в реактивном сопле является эффективным средством для повышения тяги двигателя при взлете и наборе высоты, а также в горизонтальном полете продолжительностью 2-4 минуты».

По результатам госиспытаний Як-19 имел следующие летные данные.

с форсажем

без форсажа

Макс, скорость, км/ч

907

782

на высоте, м

5250

5725

Время набора 5000 м, мин

4

7,7

Практический потолок, м

—

12100

Дальность полета, км

—

895

на высоте, м

—

7000

Дальность с подвесными баками, км

—

905

на высоте, м

—

8000

Длина разбега, м

550

685

Применения на взлете форсажа сокращало длину разбега в среднем на 24% и взлетную дистанцию на 20%. Скорость на высоте возрастала на 125 км/ч, а по сравнению с Як-15 — на 102 км/ч.

Дальнейшие работы по Як-19 и ФК в ОКБ Яковлева не проводились, так как уже в ноябре 1946-го коллектив начал переключаться на самолеты Як-23 и Як-25, Оба эти самолета имели ТРД РД-500 («Дервент-V») с тягой 1590 кг. Поначалу даже проводились расчеты самолета Як-19 с «Дервентом». В 1948-м Як-25 показал скорость 972 км/ч, а его стреловидный вариант Як-30— 1025 км/ч.

В ОКБ Лавочкина первое предложение о повышении тяги ТРД РД-10 путем дожигания топлива за турбиной сделал инженер И. Меркулов, который с 1939 г. работал над созданием прямоточных воздушно-реактивных двигателей, успешно испытанных в полете на самолетах И-15, И-153 (1940) и Як-7( 1944).

двигатель «ЮФ» для самолетов Лавочкина

Предложение было принято, но к его практической реализации смогли приступить лишь в конце 1945-го, когда ОКБ получило новую опытно-производственную базу на заводе № 301. Здесь в числе других была организована моторная лаборатория. Ее начальник — В. Нижний и возглавил работы по созданию форсированного ТРД РД-10. Работы шли по пути, аналогичному ОКБ Яковлева и ЦИАМ, но лавочкинский вариант имел сопло обычной длины.

В течение 1946 г. последовательно разработали два варианта форсажных камер. В основе первого варианта лежала существовавшая конструкция сопла РД-10 с центральным конусом-регулятором. В ней дополнительно установили пять отдельных камер сгорания. При испытаниях этот вариант показал результаты, близкие к расчетным: тяга возросла на 32%. Всего произвели более 30 включений форсажа продолжительностью от 1 до 11 минут общей наработкой на форсаже 1 ч 22 мин. Однако обнаружился и недостаток : было трудно обеспечить охлаждение конуса и камер сгорания, из-за перегрева они быстро выходили из строя.

Поэтому решили создать второй вариант — с соплом двойного действия (без конуса-регулятора) с единой кольцевой камерой сгорания, кольцевой горелкой и раздвижными створками для регулирования выходного сечения сопла. То есть, из горячей струи вывели почти все детали, что решило проблему их охлаждения, упростило конструкцию, уменьшило вес и обеспечило ресурс не ниже серийного РД-10 (25 часов).

Длина двигателя составила 4035,5 мм, диаметр 830 мм, сухая масса 761 кг (без генератора и гидропомпы). В отдельных запусках, на стенде зафиксировали статическую тягу до 1240 кгс вместо 900 кгс у серийного РД-10, а потеря тяги на номинале не превышала 30 кгс.

6 ноября 1946-го двигатель с форсажной камерой второго варианта, получивший заводское обозначение «ЮФ» (ЮМО-форсированный), успешно завершил заводские стендовые 25-часовые испытания.

К этому времени в ОКБ Лавочкина построили и начали заводские испытания опытного истребителя«152» в схеме среднеплана с реданной компоновкой фюзеляжа, с установкой серийного РД-10 и вооружением из трех пушек НС-23. Однако для машины такого типа требовался более мощный двигатель.

опытный истребитель «150Ф»

Приказом по заводу от 22 ноября 1946-го под двигатель «ЮФ» началось проектирование и постройка двух экземпляров аналогичного истребителя, получившего первоначально заводской шифр «152Д» («Дублер»), а с 23 декабря — «156». От самолета «152» он отличался новым крылом, вертикальным оперением большей площади и увеличенным запасом горючего.

Первый экземпляр «156-1» был закончен постройкой и перевезен в ЛИИ в феврале 1947-го. Ведущим инженером по летным испытаниям самолета стал М. Барановский, двигателя — И. Черный. После наземных отработок и рулежек 1 марта летчик-испытатель ЛИИ С. Машковский поднял его в воздух. Первые полеты проходили без включения форсажа. В двадцатых числах марта началась наземная отработка агрегатов форсажа.

19 марта в ЛИИ был доставлен второй экземпляр «156-2», и после наземной отработки 28 марта под управлением летчика-испытателя завода Н. Кривошеина он также совершил первый вылет без форсажа.

В начале апреля на 1-м экземпляре провели рулежку с работой двигателя на форсированном режиме, показавшая нормальную работу всех агрегатов. 10 апреля 1947-го летчик-испытатель С. Машковский на самолете «156-1» произвел первый в СССР полет с включением форсажа ТРД на взлете. Форсажную камеру включали после набора высоты 300-400 м. 12 апреля им же были опробованы включение и работа форсажа на высотах от 500 до 5000 м.

Во всех случаях форсажная камера работала нормально.В дальнейшем на заводских испытаниях самолетов«156» была произведена полная летная отработка и доводка форсированных двигателей «ЮФ».

Особое внимание уделялось отработке системы управления форсажем и удобству использования его на всех режимах полета. Испытаниями была подтверждена непрерывная работа двигателя на форсаже— 10 минут, соответствующая допустимому времени работы серийного РД-10 на режиме 8700 об/мин (на стенде форсаж работал непрерывно до 12 минут). Прирост максимальной скорости по отношению к самолету «152» составил от 75 до 40 км/ч в диапазоне высот от 3000 до 7000 м. Заводские летные испытания самолета «156» и двигателя «ЮФ» завершились 20 августа 1947-го. Всего на заводских испытаниях летчики-испытатели С. Машковский, Н. Кривошеин и И. Федоров провели 62 полета.

С 9 сентября 1947-го по 31 января 1948-го самолет «156» прошел государственные испытания (ведущий летчик-испытатель А. Терентьев), совершил 54 полета. Максимальная скорость с форсажем составила 905 км/ч на высоте 2000 м. Форсаж надежно включался и работал на любом этапе до высоты 9500 м.
 

В процессе госиспытаний в систему управления двигателем внесли дополнительные улучшения, обеспечившие надежное включение форсажа даже после длительного пикирования, когда температура газов за турбиной снижалась до 440-500° С. Благодаря столь настойчивой доводке форсажной камеры на самолете Ла-156 удалось не только снять весь комплекс летных и пилотажных характеристик с ее использованием, но впервые испытать форсаж в учебных воздушных боях с истребителем МиГ-9.

В первых двух боях, без использования форсажа, на горизонтали и вертикали оба истребителя оказались равноценны и не могли занять исходного положения для прицельной стрельбы. В третьем, свободном воздушном бою на высоте 6000-8000 м пилот «156-го» включил форсаж и сразу получил большое преимущество над МиГ-9, легко заходя последнему в хвост как на горизонтальном, так и на вертикальном 
маневре.

По результатам госиспытаний Ла-156 имел следующие летные данные:

с форсажем

без форсажа

Макс, скорость, км/ч

905

716

на высоте, м

2000 (9000)

9000

Время набора 5000 м, мин

4

7,6

Практический потолок, м

—

10700

дальность полета, км

—

620-660

на высоте, м

10000

Длина разбега, м

1000

—

В 1947-м двигатели типа «ЮФ» установили также на экспериментальные истребители ОКБ Лавочкина «150Ф» и «160». Первый из них представлял собой модификацию реактивного первенца ОКБ—самолета «150», и прошел заводские испытания с 25 июля по 5 сентября 1947 г. (летчик-испытатель И. Федоров). Применение форсированного двигателя позволило получить прирост скорости по сравнению с прототипом 100-115 км/ч на высоте 4320 м.

Однако наибольший успех на долю форсированного двигателя «ЮФ» выпал при создании и испытаниях экспериментального истребителя «160». На самолете «160» впервые в СССР было применено стреловидное крыло (35°) и оперение с целью исследования его характеристик на больших скоростях полета. Совместные —завода №301 и ЛИИ — испытания прошли с 26 июля по 25 ноября 1947 г. (летчик-испытатель И. Федоров). На самолете «160» в полете со снижением впервые в СССР была получена максимальная скорость 1050 км/ч на высоте 5700 м, что соответствовало числу М=0,92. Результаты испытаний полностью подтвердили расчеты ученых ЦАГИ и открыли дорогу применению стреловидных крыльев в отечественной авиации. Стреловидное крыло стало вторым основным фактором на пути к достижению и преодолению звукового барьера.

опытные истребители «156» и «160»

Всего за время стендовых, наземных и летных испытаний двигателя «ЮФ» заводом №301 было построено 12 форсажных камер, 18 двигателей переделывались под форсаж. Общая наработка составила 230 часов, было сделано более 1200 запусков. На самолетах «156-1», «156-2», «160» и «150Ф»с«ЮФ» было проведено 149 полетов с общей наработкой в воздухе 57 часов.

Начиная с 1950-х годов, форсажные камеры стали применять на всех истребительных двигателях, благодаря чему легко преодолевалась скорость звука. Первым ТРД отечественной конструкции с ФК стал ВК-1Ф В. Я. Климова, установленный в 1951 г. на МиГ-17. При нормальной тяге 2600 кг он имел 3-минутный форсажный режим с тягой 3380 кгс.

Первые опыты ОКБ Яковлева, Лавочкина и исследования ЦИАМ продолжили дорогу повсеместному применению форсажа на наших истребителях.

Источник: На подступах к сверхзвуку. Перые полеты отечественных самолетов с форсированными ТРД. КР 11/1997