Перспективный авианосец РФ. Каким ему быть. Часть I. Катапульта или трамплин?
Уважаемые коллеги! Не имею права претендовать на авторство этой статьи, ибо все нижеизложенное является, по-сути, выборкой из этой ветки форума вопросов, обозначенных в заголовке. Мои здесь только выводы, ну и чуть чуть редакторской правки «для связки слов».
Содержание:
Часть 1, Историческая.
Задача корабельного базирования самолетов вертикального взлета и посадки (СВВП) столкнулась с проблемой увеличения полезной нагрузки и/или радиуса действия. Решение было найдено путем короткого разбега при взлете и посадки с пробегом на дистанции 100–150 метров, известное, как режим СКВП (самолет короткого взлета и посадки). Этот режим требовал значительной свободной площади палубы, а при работе вертолетов – затруднял организацию полетов. Существенно сократить разбег в режиме СКВП удалось с помощью специального трамплина (Ski-Jamp) в носовой части корабля. Заметим, необходимость в трамплинном взлете возникла не как альтернатива катапульте, а для решения довольно узкой проблемы режима КВП самолетов с изменяемым вертикальным вектором тяги.
Впервые путь решения задач снижения эволютивной взлетной скорости и длины разбега при взлете для СВВП был указан капитан-лейтенантом британских ВВС Д.Тейлором (Douglas Tailor), который был сформулирован им ещё в 1972 г. Стало ясно, что дальнейшее повышение возможностей СВВП на пути вертикального старта невозможно. Идея Д.Тейлора, названная «Ski Jamp», состояла в использовании специального трамплина при старте с коротким разбегом. Расчеты показали, что частичное отклонение сопел (величина вертикального вектора тяги значительно ниже, чем при режиме вертикального взлета) при взлете с трамплина позволит поднять взлетную массу СВВП на 20-30%. Эффект вызван появлением значительной подъемной силы крыла в конце разбега.
К концу 1976 года на базе ВВС в Бэдфорде (Англия) впервые был смонтирован испытательный трамплин для реализации идеи Д. Тейлора применительно к палубному варианту. Ввиду отсутствия морского варианта Харриера, первый прыжок с трамплина («Ski Jamp») в августе 1977 г. совершил Harrier GR.1. В процессе оптимизации – был выбран трамплин прямого профиля с углом старта 7º – удалось увеличить полезную нагрузку на 800 кг.
Взлет Sea Harrier FA.Mk 2s c тренировочного трамплина базы Йовилтон (Yeovilton).
База Йовилтон (Yeovilton), трамплин – в нижнем правом углу.
Под эту идею в серию были запущены три корабля класса Invincible (первый заложен в 1973 г.). Через год после первого прыжка в Бэдфорде к испытаниям трамплина подключился реальный палубный Sea Harrier FRS.1. Испытания на наземном трамплине продолжались до 1979 г. В связи с задержкой строительства первого корабля, под морскую фазу испытаний был переоборудован вертолетоносец «Hermes» с носовым трамплином с углом схода 12°. На базе морской авиации в Yeovilton был развернут тренировочный трамплин для обучения и реабилитации экипажей палубного базирования.
Следует отметить (исходя из зарубежного опыта), что трамплинный взлет живет и здравствует по сей день на многих универсальных десантных кораблях и авианосцах, и предназначен для повышения боевой нагрузки и/или боевого радиуса самолетов СКВП (типа «Sea Harrier», а в перспективе — F-35B), нисколько не потеснив позиций катапультного старта.
Отечественная палубная авиация пришла к трамплинному взлету, как всегда, своим, извилистым, путем. Однако начиналось все опять же, как всегда — имела место попытка использовать зарубежный опыт трамплинного взлета для реализации режима КВП самолетов СВВП палубного базирования. На этом этапе трамплинный взлет даже не рассматривался как альтернатива катапульте – сама постановка проблемы в такой редакции была бы некорректной: не возникал даже вопрос «катапульта или трамплин» – слишком разные проблемы решали эти виды взлета.
История отечественного трамплинного взлета берет своё начало с 1977 г. – постановления СМ СССР о создании сверхзвукового СВВП с предъявлением его на госиспытания к 1982 году. Там же предусматривалось создание корабельного сверхзвукового СВВП – штурмовика, предназначенного для базирования на авианесущем корабле нового типа. С этого момента судьбы проекта нового СВВП палубного базирования – Як-41 и нового авианесущего корабля 1143.5, начиная с формирования концепции, были тесно связаны.
Создание палубного штурмовика Як-41, проектирование которого началось еще в 1975 году, проходило с большими сложностями, вызвавшими существенное отставание в выполнении директив Правительства и Генштаба. Невзирая на это, Главный Конструктор ОКБ им. Яковлева в 1980 г. заверил министра обороны Устинова, что «создание нового СКВП, превосходившего все существующие и перспективные зарубежные истребители, близко к завершению». За этим последовали судьбоносные решения, базирующиеся на этих недостоверных заверениях Яковлева. Одно из этих решений ударило и по концепции ТАВКР проекта 1143.5. Принципиальный противник создания авианосных кораблей, зам. начальника Генерального штаба адмирал Амелько (2) прервал инициативы Главкома ВМФ адмирала Горшкова по увеличению водоизмещения будущего корабля и доведения состава авиагруппы до 52 машин. В результате в 1980 г. вышла новая директива Генштаба, подписанная Устиновым, о переориентации авиагруппы проектируемого авианосца 1143.5 под СКВП (Як-41) и отказе от катапультного старта (этот проект корабля известен как «проект Устинова-Амелько»).
Ноябрь 1980 г. ознаменовался новой корректировкой тактико-технических требований к палубному Як-41, изложенной в директиве Главкомов ВВС и ВМФ. Директива предписывала обеспечение укороченного взлета с трамплина с дистанцией разбега в 120 м. Между тем, в разработке Як-41 полоса неудач продолжалась. К 1982 г. стало ясно, что Постановление СМ от 1977 г. не выполнено. Эти проблемы нашли отражение в Постановлении СМ от 1981 г., предписывающее глубокую модернизацию Як-38 в Як-38М, и даже возможное базирование его на 1143.4 вместо Як-41.
«Допущенная Устиновым переоценка роли и эффективности СВВП в системе ПВО корабельного соединения, а также возможности советской авиапромышленности создать корабельный сверхзвуковой истребитель вертикального взлета и посадки с высокими летно-техническими характеристиками, обошлась стране дорого и привела к задержке в создании полноценных авианосных кораблей».(3)
Результатом лоббирования Яковлева и адмирала Амелько стал доклад, подготовленный последним за подписью начальника Генштаба Огаркова на имя министра обороны, рекомендовавший отказаться от катапультного взлета. Это напрямую отразилось на формировании концепции серии проекта 1143.5 Лишь в 1982 г. был утвержден окончательный технический проект корабля 1143.5, закладка которого состоялась уже в феврале 1983 г.
В основу авиагруппы корабля был положен Як-41, совершивший первый полет по полному профилю ВВП только 13 июня 1990 г. Осень 1991 г. – испытания в режиме КВП. 21 сентября 1991 г. – первая посадка на палубу ТАВКР «Адмирал флота Советского Союза Горшков» (бывший «Баку», будущий «Викрамадитья»). Известно, что Яковлев также допускал возможность посадки Як-41 на финишер со скоростью 100–150 км/час. 3 октября (5 октября по др. данным) 1991 г. – при испытаниях самолета ВВП Як-141 летчик-испытатель В.А. Якимов при посадке допустил превышение вертикальной скорости, в результате чего произошла авария. Как показали результаты расследования, аварийная ситуация возникла на завершающем этапе полета. При подходе к кораблю на самолете возникли боковые силы от воздухозаборников из-за бокового ветра, которые летчик компенсировал отклонением педалей с большим расходом. Самолет упал плашмя с высоты более 10 метров, стойки шасси пробили баки, произошел пожар. Пожар был потушен, самолет был восстановлен позже до музейного состояния.
В составе авиагруппы проектом также предусматривалось базирование МиГ-29К, Су-27К и самолета радиолокационного дозора Як-44. Возможно, в этом сказались сомнения Устинова относительно перспектив Як-41, который согласился на увеличение водоизмещения 1143.5 на 10 000 тонн, что допускало базирование самолетов горизонтальной схемы взлета и посадки — за что ему большое человеческое спасибо.
Дело в том, что за отказом от катапультного старта последовало и решение о прекращении работ над перспективными палубными самолетами — Су-27К и Су-25К (которые велись еще с 1972 г.). Но ОКБ Сухого и ОКБ Микояна просто так отказываться от своих детищ не собирались. Проведя необходимое теоретическое исследования (см. ниже), Симонов Михаил Петрович, будучи зам. министра МСП, по согласованию с ОКБ им. Микояна обратился с предложением к министру обороны Устинову о возможности короткого взлета с трамплина с углом схода 10–15º перспективных самолетов Су-27К и МиГ-29К.
Состоявшиеся в августе 1982 г. первые полеты самолетов Су-27К и МиГ-29К с экспериментального трамплина Т-1 (угол схода 8,5°) подтвердили расчеты ведущих специалистов ОКБ Сухого и ОКБ Микояна. Трудно переоценить роль и значение объекта Т-1. Задуманный как испытательный блок для демонстрации нераскрытых возможностей СВВП Як-41, которые так убедительно рекламировал Яковлев, трамплин Т-1 неожиданно помог конкурентам – Су-27, Су-25, МиГ-29, – открыв им дорогу на палубу ТАВКР проекта 1143.5. Возможности трамплинного взлета были показаны уже на этой, первой стадии испытаний, и способствовали оптимизации профиля трамплина для практического использования с максимальным эффектом. Это с успехом было показано при полетах с трамплина Т-2 с углом схода 14,3°.
«Моему самолету катапульта не нужна» – именно так заявил Симонов – Генеральный конструктор ОКБ им. Сухого – Главкому ВМФ Горшкову во время его визита на Нитку в 1983 г., после эффектной демонстрации летчиком-испытателем Пугачевым возможностей Су-27К.
Конец исторической части.
Промежуточные выводы по исторической части.
Исторически постановка вопроса «катапульта или трамплин» неверна — трамплин рассматривался как средство повышения боевой загрузки и/или боевого радиуса самолетов СВВП, как на Западе, так и у нас.
Решение строить ТАВКР с трамплином было вызвано кабинетными интригами в Москве, и никоим образом не говорит о его преимуществах последнего над катапультой. Ведь первоначальными планами предполагалось построить всего два ТАВКР пр.1143, а затем перейти к созданию авианосных крейсеров с катапультами и самолетами горизонтального старта. Эту идею настойчиво продвигал главком ВМФ Горшков, имевший на своей стороне двух влиятельных союзников – министра обороны маршала Гречко и министра судостроительной промышленности Бутому. Однако секретарь ЦК КПСС по оборонным отраслям Устинов (впоследствии министр обороны), начальник Генштаба Огарков и его заместитель по ВМФ Амелько придерживались другой точки зрения. Они считали создание полноценных авианосцев чрезмерно дорогой затеей, осложнявшейся к тому же отсутствием опыта в постройке паровых катапульт. Кроме того, авианосцы, приближавшиеся по своим характеристикам к американским, плохо вписывались в советскую военно-морскую доктрину. Советский ВМФ был ориентирован исключительно на глобальную ядерную войну и, в отличие от американского, не предполагал участия в локальных вооруженных конфликтах на заморских территориях. А в этих условиях, по мнению оппонентов классических авианосцев, главную задачу палубной авиации – уничтожение самолетов ПЛО в районах развертывания атомных подводных лодок – можно было решить более экономным способом.
Основной аргумент некоторых «экспертов» о том, что катапульта жизненно необходима для пуска самолетов ДРЛО — не выдерживает элементарной критики. Самолеты Як-44 с винто-вентиляторными двигателями Д-27 по расчетам должны были взлетать с трамплина, и их базирование планировалось на авианесущих кораблях пр. 1143.5.
Перспективы самолетов СВВП типа Як-141 туманны — проходившие испытания в 1991-м г. поставили больше вопросов, нежели дали ответов — поскольку были весьма скоротечными. Эксплуатация F-35B пока тоже не дает ответов на все вопросы. Возможно, имеет право на жизнь концепция о групповом взлете летчика-испытателя Синицина – что будет переворотом в палубной авиации, а возможно, самолеты этого типа как палубники вообще не жизнеспособны — об этом говорит авария при посадке из-за порыва ветра.
Часть 2. Техническая.
Трамплин, на первый взгляд, имеет перед катапультой неоспоримые преимущества — он дешев, не требует энергетической установки, обслуживания и ремонта, экономятся полезные объемы. Однако у трамплина есть принципиальные, неустранимые недостатки, которые перечеркивают все его достоинства. Неоспоримым фактом является высокий темп запуска самолетов с помощью катапульты.
Для сравнения. На ТАВКР «Кузнецов», стартуя с третьей стартовой позиции с дистанции 200 м (за миделем, ближе к корме), Су-33, беря полный боезапас, вынужден недобирать топливо до максимума. Такой взлет с третьей позиции серьёзно осложняет организацию полетов, препятствуя одновременной посадке самолетов и снижая темп запуска более, чем в два раза. Это приводит к повышенному расходу топлива самолетами в точке сбора в ожидании всей группы – налицо ограничение боевого радиуса действия. Усиленная выработка ресурса двигателей при таком взлете очевидна – взлет выполняется в режиме «полный форсаж» – «чрезвычайный форсаж». При набеге на трамплин происходит сильное обжатие передней стойки, что ограничивает перечень габаритных подвесок. Площадь, занятая трамплином с его поверхностью третьего порядка, не подходит для размещения самолетов под стоянку. Схема воздушных потоков существенно ухудшается геометрией трамплина. Известен случай с вертолетом Ка-27 — во время посадки на взлетно-посадочную площадку №2 (в районе трамплина) машина зависла над палубой и совершила аварийную посадку из-за схлестывания лопастей соосных винтов. Причиной стала «теневая» зона за трамплином – как показал анализ, схлестывание вызвали вертикальные потоки воздуха, обтекающие трамплин в этом районе.
Сторонники старта с трамплина видят его преимущества на фоне особенностей катапультного способа взлета: угол атаки при сходе с палубы равен стояночному – обычно от 1 до 14 град., что приводит к просадке самолета с последующим набором высоты при увеличении угла атаки. Как показывают просмотры многочисленных видео катапультного старта, такая просадка практически незаметна при скорости схода до 300 км/час.
На снимке показан старт с борта авианосца «Форрестол» (CVA-59) палубного F4H «Фантом» из эскадрильи Red Rippers, 1973 год. След форсажного факела обозначил траекторию взлета самолета с незначительной просадкой.
На приведенной ниже схеме показана расчетная траектория схода самолета с трамплина.
Расчетная траектория схода самолета с трамплина
В верхней точке трамплина обжатие передней стойки становится максимальным, а угол тангажа – близким к углу схода – 12–14 град. Далее начинается баллистический участок траектории самолета с набором скорости до эволютивной, порядка 300 км/час (сравните с катапультным запуском). Как показывают расчеты (за основу взяты геометрические параметры носового трамплина ТАВКР «Кузнецов»), в верхней точке баллистического участка самолет достигает высоты 32–35 м. Далее начинается участок планирования с просадкой и набором скорости выше эволютивной – самолет становится управляемым. Расчеты показали, что нижняя точка просадки самолета находится в 16–19 м от поверхности моря. Представленная схема относится к критическим условиям взлета – более жесткие условия препятствуют полетам с трамплина. Малейшие отклонения в работе двигателей на этом участке или недостаточная энерговооруженность увеличивают такую просадку до опасных значений. Подобная опасность возникает и при волнении моря.
Рассматривая траекторию взлета с трамплина, интересно отметить: при таком взлете палуба виртуально «удлиняется» почти на 70–75 м. Именно эта дистанция является наиболее проблемной с точки зрения безопасного ухода самолета на вираж с курса корабля при нештатных ситуациях. При катапультном старте самолет покидает палубу с эволютивной скоростью, что позволяет ему выполнять разворот с углом крена до 45 град. влево от курса корабля, позволяя пилотам безопасно катапультироваться при аварийных ситуациях. Взлетев с трамплина, самолет находится в баллистическом, неуправляемом полете до верхней точки траектории, не имея возможности совершать элементарные эволюции на траектории. Т.о., на дистанции в 70–75 м самолет находится по курсу движения корабля до достижения эволютивной скорости, исключая возможность катапультирования с риском попасть под корабль при аварийных ситуациях. Такие ситуации вполне реальны. При одном из взлетов летчика-испытателя А. Квочура во время госиспытаний ТАВКР «Кузнецов» из-за нерасчетного режима двигателей самолет «просел» настолько, что вышел из поля зрения руководителя полетов, расположенного на уровне третьей палубы «острова»-надстройки, добавив последнему несколько седин. Кроме перечисленных ранее недостатков взлета с трамплина, эффект потери высоты над поверхностью моря вызывает серьезные сомнения в преимуществах этого вида запуска самолетов с палубы корабля.
Дабы соблюсти баланс мнений, дадим слово «крестному отцу» трамплина на ТАВКР «Кузнецов», Михаилу Петровичу Симонову, бывшему Главному конструктору ОКБ им. Сухого. Несмотря на то, что его мнение повлияло на решение руководства ВМФ прекратить работы по катапультному старту, к его чести следует отметить, что, доказав возможность трамплинного взлета Су-27К с палубы, он спас ситуацию в самый критический момент для палубной авиации. В противном случае включение в состав авиагруппы самолетов палубного базирования Су-27К и МиГ-29К было обречено на провал, а на этих самолетах был бы поставлен крест. Коллектив ученых под руководством М.П. Симонова, исследуя возможности и особенности трамплинного взлета, обнаружил, что разбег по криволинейному трамплину с параболическим профилем сопровождается увеличением нормальной перегрузки с раскачкой в вертикальной плоскости и ростом момента по тангажу. Сход с трамплина сопровождается возникновением угловой скорости на кабрирование при скорости существенно меньшей эволютивной.
Эти причины существенно усложняют управление самолетом на баллистическом участке траектории и требуют специальной методики управления режимами двигателей и угловым положением стабилизатора для обеспечения устойчивого положения самолета по тангажу на этом участке. Достижение требуемой скорости схода с трамплина при минимальной раскачке по тангажу потребовало оптимизации дистанции пробега по трамплину, обеспечивающей плавность возрастания нормальной перегрузки. М.П. Симонов и его сотрудники доказали возможность взлета с трамплина с предельной нагрузкой без потери высоты при сходе с трамплина путем компенсации кабрирующего момента аэродинамическим моментом на пикирование. Такая компенсация обеспечивает устойчивое взаимодействие самолета с трамплином, исключая избыточную нагрузку передней опоры шасси или, что ещё хуже, её отрыв от поверхности трамплина до схода – попытка кабрирования. Искусство пилотирования самолета при старте с трамплина требует знания особенностей и владения такими органами управления, как стабилизатор, переднее горизонтальное оперение (ПГО) и управляемые предкрылки. Этап взлета с трамплина и движения на баллистическом участке, длящийся 4-5 сек., относится к наиболее сложному, комплексному процессу работы перечисленных органов управления.
Рекомендации по взлету с трамплина специалистов школы М.П.Симонова на основе их исследований:
«При входе на трамплин стабилизатор из отрицательного угла атаки (4–6 град.) поворачивают на положительный угол (12–15 град.). Причем такой поворот должен выполняться со скоростью возрастания кабрирующего момента, наибольшая величина которого достигается при сходе с трамплина, – идет нейтрализация его за счет пикирующего момента. В момент схода угол атаки стабилизатора снижают до положительных значений – 6–10 град. с дальнейшей установкой его в нулевое положение при увеличении скорости полета. С этого момента предкрылки приводят в положение угла атаки самолета. На верхнем участке трамплина – зона наибольшей кривизны – ПГО кратковременно переводят из положительного угла (4–6 град.) в отрицательный угол атаки (3–5 град.), а после схода снова возвращают ПГО на положительный угол атаки» (4).
Не приводя прочие технические подробности (желающие могут сделать это самостоятельно) – за кадром остались режимы работы двигателей, – отчетливо видно, насколько сложен процесс управления самолетом на трамплине и какую психофизическую нагрузку испытывает при этом экипаж – воистину ювелирная работа, не прощающая ошибок.
Конец технической части.
Выводы по второй части.
- Техническое, или технологическое изготовление кораблей с трамплином значительно проще, нежели кораблей с катапультным стартом.
- С точки зрения летной работы — катапульта по всем статьям превосходит трамплин — начиная с гораздо более простой подготовки личного состава, и заканчивая безопасностью полетов.
Вывод
Современные двигатели повышенной тяговооруженности, казалось бы, способны решить проблему палубного взлета и без катапульты, и без трамплина. Конечно, взлететь и с «Мистраля» можно – возникает лишь вопрос, с каким боезапасом и с каким количеством топлива. К примеру, Як-38 при ВВ съедал около 30% топлива, при этом весь свой взлетно-посадочный комплекс «возил» с собой как бесполезный в бою балласт. Посему мой вывод относительно СВВП, КВВП неутешителен — они бесполезны (относится и к Як-141, и к F-35B, и к любым другим подобным машинам), и кроме того – это «кот в мешке» – опыта эксплуатации нет ни у кого в мире, и как подобные самолеты поведут себя в дальнейшем, неизвестно. Энергию для взлета можно (и нужно) брать с борта корабля — причем брать по максимуму. Как, я надеюсь, убедительно показано в статье, взлет с трамплина тоже просто так не дается (двигатели на форсаже). А посему — катапульта, и только катапульта. И еще. Как следует из вышеизложенного, трамплин появился на авианесущих кораблях СССР не по причине его преимуществ, а в результате победы той группировки в военной верхушке СССР, которая считала, что создание полноценных авианосцев – это слишком дорогая и не нужная затея. И полноценные авианосцы, по их мнению, плохо вписывались в советскую военно-морскую доктрину, по которой Советский ВМФ был ориентирован исключительно на глобальную ядерную войну и не предполагал участия в локальных вооруженных конфликтах на заморских территориях. Сегодня мы с фактами (визит «Кузнецова» к Сирийским берегам) на руках можем опровергнуть эту точку зрения. Так что и с летной, и с точки зрения концепции боевого применения, катапульта безальтернативна.
Источники:
- «Арсенал XXI века» №3, 2011 г. , Е. Шолков «А была ли катапульта?»
- Амелько Н.Н. «В интересах флота и государства. Воспоминания адмирала».
- http://russarms.com/avia-carriers-ships.html
- Патент РФ № 2134217 от 10.08.1999 г. «Способ взлета самолета».
