Опытный высотный истребитель с турбокомпрессором Fw 190 V18U1. Германия

Опытный высотный истребитель с турбокомпрессором Fw 190 V18U1. Германия

Статья Дитмара Херманна (Dietmar Hermann) «Fw 190: Почему высотный истребитель?» (Fw 190: Warüm als Höhenjäger?) была переведена уважаемым коллегой NF и доработана мной. Перевод был выполнен в сентябре 2020 года.

Содержание:

Предисловие редакции: Летные характеристики истребителя Focke-Wulf Fw 190 с двигателем BMW-801 D2 на высотах, превышавших 6 километров, значительно снижались. Поэтому был испытан турбокомпрессор фирмы Hirth, приводимый выхлопными газами двигателя. Однако данный турбокомпрессор оказался неудачным. О высотном истребителе рассказывает Дитмар Херманн. 

С середины 1942 года компания Focke-Wulf Flugzeugbau GmbH (Focke-Wulf) выпускала усовершенствованную модификацию A-4 знаменитого истребители Fw 190. В то время Fw 190 оснащался 14-цилиндровым двухрядным двигателем воздушного охлаждения BMW-801 D со взлетной мощностью 1700 л.с.. Граница высотности данного двигателя составляла 6000 метров, выше которой мощность двигателя сильно снижалась, и как следствие вместе с ней снижалась скорость полета. На максимально достижимой высоте полета 10550 метров скорость набора высоты истребителем Fw 190 составляла 0,5 м/с, однако данный показатель вводил в заблуждение относительно развиваемой двигателем мощности, и поэтому пилоту не следовало набирать эту высоту. Для истребителей Fw 190 это было самой большой проблемой. «Сто девяностые» были хорошими машинами для малых и средних высот, но на больших высотах их летные характеристики резко снижались, и причина этому была не в планере, а в силовой установке. В середине 1942 года это не играло никакой роли в боях против таких истребителей союзников как Spitfire VB, однако и союзники, и немцы вступили в решающую гонку технологий, и обеим сторонам было ясно, что преимущества в воздушном бою будет иметь тот, у кого истребители будут оснащены двигателями с большей границей высотности, способными развивать бóльшую мощность на больших высотах. По этой причине в середине 1942 года Имперское министерство авиации (Reichsluftfahrtministerium – RLM) поручило авиастроительной компании Focke-Wulf доработать истребитель Fw 190 с целью улучшения его летных характеристик на больших высотах. Помимо увеличения размаха (с 10,5 до 12,3 метров) и площади (с 18,3 до 20,3 м²) крыла сотрудники компании Focke-Wulf предложили три различных концепции моторизации. Первый вариант представлял собой Fw 190, оснащенный двигателем BMW-801 D2 и облегченный за счет снятия бронирования и фюзеляжных пулеметов. Второй вариант представлял собой Fw 190 с подвешенным под фюзеляжем турбокомпрессором, приводимым выхлопными газами двигателя.

схемы Fw 190 с турбокомпрессором с приводом от выхлопных газов и крылом площадью 20,3 м²

В августе 1942 года в компании Focke-Wulf было проведено сравнение технических характеристик двигателя BMW-801 D2 с работающим на выхлопных газах турбокомпрессором и двигателя и DB-603 с турбокомпрессором компании Hirth. К этому времени от облегченного варианта Fw 190 с BMW 801 D2 отказались, а по результатам исследований оказалось, что ожидаемые характеристики варианта Fw 190 с оснащенным турбокомпрессором двигателем BMW 801 D с были выше, чем у варианта с двигателем Daimler Benz DB 603 и турбокомпрессором. Для обоих вариантов граница высотности составляла 12500 метров, а практический потолок – 14000 метров. Несмотря на результаты исследований RLM выдало компании Focke-Wulf заказ на разработку варианта Fw 190, оснащенного турбокомпрессором TK 11, который был разработан компанией Hirth совместно с немецким НИИ авиации (Deutsches Versuchsanstalt fur Luftfahrt – DVL). Турбокомпрессор DVL-Hirth создавался в качестве чистого дополнительного агрегата, который без каких-либо изменений в конструкции двигателя должен был быть дополнительно включен в конструкцию самолета в качестве первой ступени нагнетания воздуха. Размещение турбокомпрессора было сопряжено с рядом проблем. Выхлопные газы поступали от двигателя к расположенному под фюзеляжем турбокомпрессору TK 11 с помощью труб, проходивших вдоль бортов фюзеляжа и над корневыми частями крыла. В турбонагнетатель воздух поступал через воздухозаборник у промежуточного радиатора. При этом уплотненный воздух нагревался и должен был дополнительно охлаждаться.

турбокомпрессор с приводом от выхлопных газов Hirth TK 11 был установлен на Fw 190 с целью проведения испытаний. Второй ступенью, подававшей сжатый воздух в цилиндры двигателя, стал обычный механический нагнетатель двигателя DB 603. Первые испытания этой силовой установки были проведены в декабре 1942 года

на данном снимке хорошо показана труба, по которой выхлопные газы шли от двигателя к турбокомпрессору Hirth TK 11, который устанавливался под фюзеляжем Fw 190 V18U1и крепился к девятому шпангоуту фюзеляжа

История разработки и испытаний

Согласно распоряжению от 7 августа 1942 года разработке и испытаниям этого высотного истребителя в компании Focke-Wulf был присвоен высший приоритет. О том, насколько важной была эта программа свидетельствует тот факт, что для испытаний должно было быть изготовлено шесть прототипов. Первым из них должен был стать Fw 190 V18, переоборудованный из обычного истребителя, в то время как прототипы Fw 190 V29 – Fw 190 V33 должны были быть изготовлены с нуля в новой конфигурации. В соответствии с графиком работ к летным испытаниям прототипы должны были приступить с 2 ноября по 31 декабря 1942 года. Разумеется, данные сроки были слишком оптимистичны. Фактически к первым статическим испытаниям первого прототипа, получившего обозначение Fw 190 V18U1 (заводской номер 0040, военный номер CF+OY), смогла приступить только 19 декабря 1942 года. В ходе наземных испытаний ничего особенного не произошло. Двигатель DB 603 работал тихо и плавно, но охлаждающей жидкости с работающим турбокомпрессором была равна 122 °C, что было значительно выше чем без турбокомпрессора. Первый полет прототипа Fw 190 V18U1 состоялся 20 декабря 1942 года под управлением главного летчика-испытателя компании Ганса Зандера (Hans Sander).

прототип Fw 190 V18U1 первый раз поднялся в воздух 20 декабря 1942 года. До сих пор имелись лишь только снимки этого самолета в виде сзади. Сейчас появились четыре новых снимка, на которых прототип Fw 190 V18U1 представлен в видах спереди и сбоку. Этими неизвестными ранее фотографиями мы обязаны г-н Эллису, который любезно предоставил их

В течение длительного времени прототип Fw 190 V18U1 был единственным истребителем с турбокомпрессором, который компания Focke-Wulf могла тестировать. На сегодняшний день не совсем ясно, не привели ли первые результаты испытаний прототипа Fw 190 V18U1 к задержке изготовления по сравнению с первоначально установленными сроками последующих пяти прототипов V29-V33. Первые испытательные полеты прошли в начале января 1943 года в сотрудничестве со специалистами компании Daimler Benz. К этому времени в компании Daimler Benz отмечали, что издержки при использовании турбокомпрессора Hirth-DVL велики. Турбокомпрессор имел сложную конструкцию и большую массу и создавал большое аэродинамическое сопротивление. Взаимодействие между турбокомпрессором, использующимся в качестве промежуточной ступени, и механическим нагнетателем двигателя DB 603 было гораздо более проблематичным, чем первоначально предполагалось. Турбокомпрессор не мог обеспечить входное давление, достаточное для работы нагнетателя двигателя DB 603. Однако самой большой проблемой были колебания давления наддува при быстром изменении нагрузок двигателя. Специалисты компания Daimler Benz внесли несколько предложений по устранению этих недостатков. К этому времени летчик-испытатель Генс Зандер негативно высказывался в отношении такой комбинации системы нагнетания воздуха для двигателя. По его словам, о двухстепенчатой системе нагнетания воздуха для двигателя, в которой первой ступенью служил турбокомпрессор, приводимый в действие выхлопными газами, не могло быть и речи из-за слишком большого для истребителя времени разгона.

Плохие летные характеристики

10 мая 1943 года после 44 полетов общей продолжительностью 31 час представители компании Focke-Wulf сделали первое заявление относительно летных характеристик прототипа Fw 190 V18U1, который был оснащен стандартным крылом площадью 18,3 м² и негерметичной кабиной пилота. На самолет, имевший взлетную массу 3950 кг, был установлен двигатель DB-603 A-1, вращавший четырехлопастный воздушный винт диаметром 3,5 метра.

Во время испытаний в полете у земли прототип Fw 190 V18U1 смог разогнаться до скорости 494 км/ч, в то время как на расчетной высоте 11000 метров максимальная скорость была равна 680 км/ч. В компании Focke-Wulf сравнили летные характеристики прототипа Fw 190 V18U1 с характеристиками прототипа с Fw 190 V15 (военный номер CF+OV), который был оснащен стандартным двигателем DB 603 A без турбокомпрессора и который проходил испытания с 9 мая 1942 года. На малых высотах летные характеристики варианта с турбокомпрессором оказались меньше, чем у варианта с обычным DB 603 A и механическим нагнетателем. У земли максимальная скорость Fw 190 V15 была на 56 км/ч выше чем у Fw 190 V18U1, а на высоте 7000 метров разница в максимальных скоростях составляла даже 100 км/ч. При установке на двигатель DB 603 улучшенного нагнетателя спирального типа (G-Lader) его граница высотности увеличилась до 9000 метров, и на высоте 11000 метров прототип Fw 190 V15 развивал такую же скорость, что и Fw 190 V18U1, у которого двигатель был оснащен турбокомпрессором. В остальном Fw 190 V15 с нагнетателем спирального типа снова был значительно быстрее Fw 190 V18U1.

Что касается скороподъемности, то у земли у прототипа Fw 190 V15 она была 19 м/с, в то время как у Fw 190 V18U1 данный показатель был равен 15 м/с. На высоте 6500 метров скороподъемность обоих вариантов была практически одинакова и составляла 10,4 м/с. Только на высотах свыше 6500 метров у прототипа Fw 190 V18U1 скороподъемность становилась больше, но после того как на двигатель прототипа Fw 190 V15 был установлен нагнетатель спирального типа, его скороподъемность стала равна скороподъемности Fw 190 V18U1. На высоте 12000 метров скороподъемность обоих вариантов была равна 3 м/с; практический потолок также был одинаковым и был равен 12750 метров.

Турбокомпрессор с недостатками

В компании Focke-Wulf более чем уместно заметили по этому поводу:

«При рассмотрении данного сравнения летных характеристик, может возникнуть вопрос, стоит ли устанавливать турбокомпрессор на текущую модификацию Fw 190. Улучшения летных характеристик может быть достигнуто за счет уменьшения размеров охладителя наддувочного воздуха, который имел большие размеры и создавал большое аэродинамическое сопротивление».

Единственное преимущество прототипа с турбокомпрессором над прототипом с обычным двигателем DB 603 A заключается в лучшей скороподъемности на высотах выше 6500 метров. Но опять же Fw 190 V15 с двигателем DB 603 A и нагнетателем спирального типа мог сравняться в данном показателе с Fw 190 V18U1. Усовершенствованный нагнетатель фактически делал турбокомпрессор ненужным. Следует отметить, что при сравнении использовался Fw 190 с двигателем DB-603 A, у которого воздухозаборник нагнетателя отстоял от капота двигателя на расстоянии 60 мм. При увеличении этого расстояния до 100 мм граница высотности двигателя возрастала на 650 метров и составляла 11400 метров.

три снимка прототипа Fw 190 V18U1, сделанные с разных ракурсов в цехе бременского завода компании Focke-Wulf

еще один неизвестный ранее снимок прототипа Fw 190 V18U1 с установленным турбокомпрессором. Летные характеритики прототипа Fw 190 V18U1 оказались слишком низкими

Плохая аэродинамика

К этому следует еще добавить значительное ухудшение аэродинамики прототипа Fw 190 V18U1, которое было вызвано не только установкой турбокомпрессора но и внешним расположением труб для подачи выхлопных газов к турбокомпрессору, расположенных в местах соединения крыла с фюзеляжем. Помимо этого, специалисты компании Focke-Wulf обнаружили недостаточную устойчивость на больших высотах относительно всех трех осей. В случае нарушения равновесия имели место «раскачивания», которые было трудно компенсировать с помощью органов управления. Также следует сказать, что самолет стал перетяжеленным на хвост, что было вызвано изменением обтекания фюзеляжа после установки турбокомпрессора. Приемистость турбокомпрессора, особенно на высоких скоростях, была очень плохой. Возникали дополнительные проблемы в силовой установке, когда на больших высотах воздух в цилиндры двигателя подавался под большим давлением. Особенно заметно эта проблема наблюдалась при полете на больших скоростях и при такой конфигурации силовой установки она не могла быть быстро исправлена. Вследствие инерции процессов при выполнении следующих друг за другом функций требовалось очень много времени прежде чем двигатель начинал развивать требуемую мощность.

Известный летчик-испытатель Генрих Бове (Heinrich Beauvais), раборавший в годы войны в испытательном центре Рехлин, описал в своих воспоминаниях насколько тяжел был взлет самолета с турбонагнетателем:

«27 мая 1943 года Ганс Зандер перегнал из компании Focke-Wulf в Рехлин один 190-й, который был оснащен двигатель DB-603 с турбокомпрессором TK 11. Зандер хотел как можно скорее вернуться в Бремен. Поэтому я поспешил на стартовую позицию и позволил машине оторваться от взлетной полосы с трех точек. Мы переняли эту процедуру взлета у боевых частей, хотя и не без ограничений и с некоторыми оговорками. В этом случае все чуть было не пошло наперекосяк, поскольку на высоте нескольких метров правая плоскость крыла внезапно опустилась. Я безуспешно пытался парировать это элеронами и на мгновение растерялся. В моей голове промелькнула противоречивая мысль: «Перетянул!» Однако времени на долгие размышления не было, и я резко до ограничения переложил руль направления влево и резко отдал ручку от себя. Это позволило не допустить слишком сильного касания полосы колесами основных стоек шасси и затем нормально взлететь. Никто ничего не заметил».

Преимущество механического нагнетателя

В целом, с технической точки зрения, можно сказать, что надежды на Fw 190 с турбокомпрессором не оправдались. Установка турбокомпрессора Hirth на разработку, известную как Höhenjäger 2, привела к значительному ухудшению аэродинамических характеристик Fw 190. Возросшее аэродинамическое сопротивление первого варианта высотного истребителя с турбонагнетателем привело к слишком большой потери скорости порядка 40-50 км/ч. Это означало что для компенсации этой потери следовало увеличить мощность двигателя примерно на 400 лошадиных сил. При установке в планер истребителя Fw 190 какие-либо перспективы успеха обещала только такая турбинная установка, конструкция которой была тщательно переработана с учетом аэродинамики. Хотя компания Focke-Wulf и разработала новый высотный истребитель с двигателем DB-603 и с улучшенным турбокомпрессором Hirth TKL 15, больший успех сулила расположение ступеней непосредственно на двигателе. В 1942 году компания Daimler-Benz начала разработку новых высотных двигателей. Так, например, созданные на базе DB 623 двигатели DB 622 с механическим нагнетателем и работающим на выхлопных газах турбокомпрессором и DB 623 с двойным турбокомпрессором. Однако реализация этих проектов потребовала значительных временных затрат и также привела бы к большим изменениям в организации серийного производства Fw 190. Одновременно было установлено, что механические нагнетатели могут обеспечить двигателям такую же высотность, что и турбокомпрессоры с приводом от выхлопных газов двигателя. По этой причине в компании Daimler Benz дальнейшее совершенствование оснащенных турбокомпрессорами двигателей было остановлено, а дальнейшее развитие этой интересной серии опытных высотных истребителей было прекращено. Серийное производство высотных истребителей так и не было начато. Часто в специальной литературе эти высотные истребители называются Fw 190 серии C, что совершенно неверно. Также остается выяснить почему изготовление прототипов Fw 190 V29, V30 и V31 с оснащенными турбокомпрессорами двигателями было завершено в апреле-мае 1943 года. К этому времени уже были известны отрицательные результаты испытаний прототипа Fw 190 V18U1. В этих условиях прекращение работ над турбокомпрессорами и переход на обычные двигатели DB 603 с нагнетателями представлялся более разумным. Несмотря на это компания Focke-Wulf получила ценный опыт разработки высотных истребителей. Дальнейшая развитие истребителей Fw 190 с рядными двигателями началась 17 сентября 1943 года под новым типовым обозначением Ta 152, присвоенным этим машинами приказом RLM. Причиной такого переименования стали упрощения и изменения конструкции Fw 190. По этой причине проект высотного истребителя Fw 190 H с двигателем DB 603 и увеличенной до 23,5 м² площадью крыла получил новое обозначение Та 152 Н. 25 сентября 1943 года компания Focke-Wulf представила RLM первое краткое описание Ta 152 H. Однако пришлось ждать до 24 ноября 1944 года, когда первый настоящий высотный серийный Та 152 Н под управлением Ганса Зандера впервые поднялся в воздух с взлетной полосы аэродрома Коттбус.

ЛЕТНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Летные характеристики истребителя Fw 190 V18U1 с двигателем DB 603, оснащенным турбокомпрессором:

Автор благодарит за оказанную помощь и поддержку в подготовке статьи Дэвида Эллиса (David Ellis) и EADS Bremen.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Опытный высотный истребитель Focke-Wulf FW 190 Höhenjäger 2. Германия

источник: Dietmar Hermann «Fw 190: Warüm als Höhenjäger?» «Fleugzeug classic», 12-2006, стр.28-34