Самолёт МАИ «Фотон». Продолжение истории с аэродинамикой
Продолжаем историю "Фотона", начатую в посте – Лёгкий штурмовик "Фотон". Проект ОСКБЭС МАИ.
Жидовецкому было предложено разработать упрощенный вариант самолета. ТЗ (техническое задание) на самолет было разработано ЦАГИ и ЛИИ и утверждено заместителем министра 10 июля 1984 г.
В течение 1984 года был разработан эскизный проект самолета с тем же названием, но совершенно другой схемы. В качестве маршевого двигателя был выбран реактивный РУ19А-300 тягой 900 кг. Поскольку с двигательным КБ не удалось согласовать доработки, необходимые для отбора воздуха, то для нужд струйной механизации на самолет пришлось установить четыре газотурбинных агрегата АИ-9. С одной стороны, это серьезно усложняло конструкцию, но с другой, автономный источник сжатого воздуха позволял изменять параметры ЭСУПС независимо от режима работы маршевого двигателя. Четыре АИ-9 размещались попарно под обтекателями по бокам фюзеляжа.
Николай Петрович Горюнов вспоминает, что разработчиков очень беспокоила одна цифра в технических характеристиках АИ-9 – максимальное время его непрерывной работы. По паспорту агрегата эта цифра равнялась 45 секундам, в то время как на «Фотоне» он должен был непрерывно работать гораздо дольше. Для разрешения этого вопроса, а также для получения подробной документации группа работников ОСКБЭС отправилась в командировку в Запорожье в КБ Лотарева.
Никто из инженеров двигательного КБ не мог ответить, чем вызвано такое ограничение, и можно ли его превышать. Когда москвичи были уже в отчаянии от тупиковой ситуации, нашелся один из старейших работников КБ, который вспомнил, что цифра 45 секунд появилась в техусловиях только потому, что именно она требовалась в ТЗ яковлевцев, для которых АИ-9 создавался. На самом же деле агрегат мог работать непрерывно вплоть до полного израсходования своего ресурса.
Для чистоты эксперимента на самолете применили прямое крыло без сужения. Чтобы уменьшить влияние на его характеристики интерференции с фюзеляжем, крыло сделали среднерасположенным. Из тех же соображений его «развязали» с шасси, которое установили на фюзеляж. Крыло имело 16%-ный профиль П-20, разработанный в ЦАГИ. В силовом отношении крыло представляло собой кессон, который по размаху делился на центроплан и отъемные консоли. На консоли устанавливались сменные передние и задние модули энергетической механизации.
Чтобы мощный скос потока за крылом, вызванный эффектом суперциркуляции, не снижал эффективность горизонтального оперения, оно было вынесено на вершину киля достаточно большой площади. Для обеспечения продольной балансировки самолета на взлетно-посадочных режимах с работающей ЭСУПС горизонтальное оперение имело сравнительно большую площадь, равную почти 30% площади крыла, и 12%-ный несимметричный перевернутый профиль.
Для упрощения конструкции и учитывая то, что на самолете будут отрабатываться преимущественно взлетно-посадочные режимы, шасси было решено делать неубирающимся.
Конструкция самолета была в высшей степени технологичной. Обводы фюзеляжа подразумевали минимальное количество обшивок двойной кривизны. Их выполняли из стеклопластика. Все нагрузки воспринимала верхняя часть фюзеляжа, своеобразный «хребет», компоновочно делившийся на кабину пилота, среднюю часть, в которой располагался топливный бак, и хвостовую часть. Снизу к средней части фюзеляжа крепился центроплан крыла, под хвостовой частью располагался маршевый двигатель РУ19А-300 (двигатель был разработан для учебно-тренировочного самолета Як-30, в настоящее время используется в качестве вспомогательной силовой установки на самолетах Ан-24РВ, Ан-26). На центроплан крыла крепились основные стойки шасси, а также навешивались с каждой стороны по два агрегата АИ-9 (используются в качестве ВСУ на самолетах Як-40). Вся нижняя часть фюзеляжа состояла из съемных обшивок и открывающихся капотов, обеспечивающих великолепный подход для обслуживания сложной и громоздкой силовой установки самолета. Воздухозаборник маршевого двигателя был вынесен вперед за носовую стойку шасси, чтобы предотвратить попадание в него посторонних предметов со взлетной полосы, подбрасываемых колесом. В носовом стеклопластиковом обтекателе на горизонтальной платформе размещалось испытательное оборудование, подход к которому обеспечивался тем, что весь обтекатель сдвигался вперед по штанге ДУАСа (датчик углов атаки, скольжения и скорости). Место под испытательное оборудование отводилось также в передних отсеках боковых обтекателей. Нижняя плоская поверхность носового обтекателя должна была на больших углах атаки поджимать и выравнивать набегающий воздушный поток, поступавший в воздухозаборник двигателя.
Центральный пост управления был взят с истребителя МиГ-29. Самолет оснащался катапультным креслом К-36ВМ класса «0-0», устанавливавшимся на самолеты вертикального взлета и посадки. В хвостовой части фюзеляжа размещался контейнер противоштопорного парашюта.
Расчетная взлетная масса «Фотона» составляла 2150 кг. Он должен был иметь максимальную скорость 740 км/ч и скороподъемность 23,5 м/с. Минимальная скорость без включения ЭСУПС составляла 215 км/ч. При использовании ЭСУПС она должна была уменьшиться почти вдвое – 125 км/ч.
Проект «Фотона» занял второе место на Всесоюзном конкурсе 1984/85 учебного года на лучшую научную работу среди студентов вузов. А. Бобров, А Дунаевский, С. Свинин, С. Меренков, А. Серебряков, И. Александров, Н. Чернова, братья С. и А. Сабатовские (всего 24 студента МАИ) получили медали конкурса и денежные премии как авторы научно-исследовательской работы «Проект экспериментального самолета «Фотон». Были отмечены и руководители работы К.М. Жидовецкий, Ю.В. Козин, Н.П. Горюнов и В.Т. Хван.
Как уже говорилось, отработать ЭСУПС на уменьшенных моделях в малой аэродинамической трубе невозможно из-за трудности соблюдения аэродинамического подобия, а сразу поднимать в воздух экспериментальную машину столь неизученной схемы было слишком рискованно. Поэтому первый экземпляр «Фотона», который начали строить в 1985 году, предназначался для продувок в натурной аэродинамической трубе ЦАГИ Т-101.
Для изучения картины обтекания при работающей ЭСУПС самолет имел более 1200 точек замера статического давления на поверхности крыла, оперения и фюзеляжа в зоне крыла. Давления с этих точек выводились через пневмокоммутаторы из самолета в стойки аэродинамических весов и далее – на специальные измерительные устройства вне рабочей части трубы. Для трубного варианта «Фотона» ведущий инженер ОСКБЭС Юрий Степанович Коненков разработал и выполнил дистанционную систему управления рулевыми поверхностями, закрылками и перепускными заслонками пневмосистемы. На каждой управляемой поверхности стоял датчик положения.
Первый экземпляр служил также в качестве макета для отработки компоновки кабины, размещения агрегатов системы управления и оборудования. Все основные детали изготавливались сразу в трех комплектах: на трубный, статический и летный экземпляры самолета. Правда, летный экземпляр и экземпляр для прочностных статических испытаний должны были собирать после окончания сложной программы продувок. Сложность ее заключалась в том, что конструкция машины предусматривала применение более десяти вариантов комбинаций струйной механизации крыла. Цехом опытных летательных аппаратов ЭОЗ МАИ в период сборки «Фотона» руководил Михаил Тетюшев. Ведущим конструктором по сборке самолета являлся Вадим Дёмин.
Ввиду весьма ограниченных производственных возможностей Экспериментально-опытного завода МАИ была организована широкая кооперация с авиационными заводами Москвы. Занимался этим Геннадий Викторович Кузнецов. На опытном заводе Сухого делалось стекло откидной части фонаря кабины и большинство гнутых деталей, таких, как обшивки фюзеляжа, лобовики крыла, оперения, рулей. Часть гнутых деталей и гальваника всех крупных обшивок выполнялась на опытном заводе Ильюшина. Стеклопластиковый носовой обтекатель выклеивался на Московском вертолетном заводе им. Миля в Панках. За винтовыми замками для многочисленных открывающихся капотов пришлось даже ехать на горьковский авиационный завод, где они шли на МиГ-25 и МиГ-31.
Шасси для «трубного» экземпляра «Фотона» не требовалось. В натурной трубе Т-101 самолет должен был устанавливаться на стойки аэродинамических весов, через которые одновременно подавался под давлением воздух, обеспечивавший работу энергетической механизации крыла.
Штатное шасси должно было быть разработано на втором этапе работ – при создании летного экземпляра «Фотона».
Для перемещения по земле «трубный» экземпляр был оснащен технологическим шасси. Для этого использовались основные и передняя стойки самолета Як-18Т. Поскольку, в отличие от Яка, основные стойки «Фотона» устанавливались не на консолях крыла, а на фюзеляже, они имели небольшой «развал». Поэтому и колеса яковских стоек оказались установленными под углом к вертикали, что вызывало недоуменные вопросы у всех, видевших самолет впервые. Тем не менее, это «неродное» шасси позволило «Фотону» своим ходом на прицепе за грузовиком доехать от МАИ до Жуковского, а это около 80 км.
Вместе с самолетом было изготовлено несколько сменных крыльевых модулей ЭСУПС.
Постройка «трубного» экземпляра «Фотона» была закончена на Экспериментально-опытном заводе МАИ в июне 1986 года, вслед за чем самолет был отправлен в ЦАГИ. Везли, как всегда, ночью вокруг Москвы по кольцевой дороге в сопровождении ГАИ на малой скорости. Запомнилось, что, когда около пяти утра приблизились к мосту через речку Пехорку, то оказались в облаке плотного как молоко тумана, скопившегося в долине реки. Видимость была не более пары метров, поэтому и так невысокую скорость пришлось снизить до пешеходной.
Итак, в ЦАГИ началась подготовка самолета к испытаниям в натурной трубе Т-101. Вместе с «Фотоном» в длительную командировку в ЦАГИ отправилась бригада инженеров ОСКБЭС. Вадим Демин был ведущим по конструкции самолета, Юрий Владимирович Козин и Александр Серебряков отвечали за работу его сложной пневмосистемы, Володя Филиппов – за систему измерений. Научным руководителем программы от МАИ являлся Вячеслав Хван. Ведущим специалистом от ЦАГИ был назначен Алексей Николаевич Пакин, а общее научное руководство программой осуществлял Альберт Васильевич Петров – ведущий в Союзе специалист по аэродинамической энергетике. «Нянькой» для маевской бригады на все время испытаний стал ведущий инженер от препараторской Т-101 Александр Сергеевич Филин, который учил всем тонкостям подготовки и самой работы в трубе.
Первая же попытка испытать пневмосистему самолета под давлением обескуражила конструкторов. Готовились к ней тщательно, соблюдая все меры предосторожности. Высокое давление могло «раздуть» конструкцию, а предохранительного клапана, оттарированного на нужное давление, не было. Его тоже предстояло разработать. Решено было возле шланга, подававшего воздух в самолет, поставить Володю Филиппова с топором, чтобы в случае опасности перерубить шланг к чертовой матери. Каково же было удивление всей бригады, когда после подачи воздуха стрелка манометра даже не дрогнула. Несмотря на то, что пневмосистема самолета собиралась на герметике, она не держала давления. Не один месяц ушел на полное устранение негерметичности.
Прежде, чем ставить самолет в трубу, нужно было отработать действие ЭСУПС в «статике». После устранения потерь давления в подводке самолет «запел». Это вибрировали с высокой частотой обшивки, образующие щель. Кроме того, толщина щели в промежутках между креплениями увеличивалась под давлением вдвое. Двухмиллиметровые дюралевые обшивки пришлось заменить на трехмиллиметровые из нержавейки.
Особой тщательности потребовал подбор профилировки щели и взаиморасположения щели и закрылка. Для визуализации пространственного спектра обтекания и подтверждения прилипания струи к закрылку во всем диапазоне углов его отклонения были изготовлены специальные струбцины с шелковинками. Много времени было потрачено на обеспечение одинакового спектра обтекания механизации вдоль всего размаха крыла.
С помощью миниатюрных датчиков измерялось полное давление в подводящих трубопроводах и щели. Опыт газодинамических испытаний в ЦАГИ с конца 40-х годов был практически полностью забыт. Пришлось разыскивать старых специалистов, которые еще помнили методики проведения таких экспериментов и обработки результатов. Одним из таких специалистов был Азат Садгеевич Чутаев, оказавший существенную помощь.
Выяснилось, что сам самолет – едва ли полдела. Оказалось, что измерительная аппаратура ЦАГИ не позволяет обеспечить эксперимент. Например, производить одновременный замер давления в более чем тысяче точек поверхности самолета. Начать работу пришлось с создания этой аппаратуры.
Для визуализации поля скоростей за крылом была изготовлена решетка с шелковинками, которая могла устанавливаться на различных расстояниях за крылом, демонстрируя картину обтекания и влияние скоса потока на оперение.
В целом за время работы в ЦАГИ инженерами бригады МАИ было получено более двадцати авторских свидетельств на изобретения в области техники аэродинамических измерений.
При продувках любого самолета полный набор его аэродинамических характеристик в одной из конфигураций (крейсерской или посадочной) получается за один запуск трубы. Самолет прогоняется по всем углам скольжения на каждом из углов атаки с шагом в несколько градусов. Характеристики «Фотона» при каждом сочетании углов атаки и скольжения зависели также и от расхода воздуха в ЭСУПС. Таким образом, количество фиксируемых точек испытаний только за счет этого увеличивалось на порядок. А кроме этого, программа предусматривала исследование нескольких вариантов сменных модулей механизации передней и задней кромок крыла.
Выдув осуществлялся на переднюю кромку крыла, на обычный поворотный закрылок (вплоть до угла отклонения 180 градусов), на элерон, на круглую заднюю кромку крыла. Испытывались круглые задние кромки различных диаметров. Этот вариант представлял особенно большой интерес, поскольку конструкция крыла максимально упрощалась и облегчалась (из-за отсутствия подвижных элементов – закрылков и элеронов), повышалась ее надежность и боевая живучесть, а также появлялась возможность использовать для увеличения несущей способности весь размах крыла. Управление по крену в этом случае осуществлялось несимметричным выдувом на крыло, чему была посвящена большая программа продувок. Правда, были опасения, что круглая задняя кромка крыла увеличит сопротивление в крейсерском полете. Но в процессе испытаний был найден способ, позволяющий решить эту проблему без каких-либо конструктивных усложнений, практически «бесплатно».
Кроме того, было исследовано влияние на обтекание крыла интерцепторов (турбулизаторов потока) и оптимальное их расположение вдоль хорды крыла. Помимо этого исследовалось влияние различных законцовок крыла и перегородок между секциями закрылка и элерона.
Помимо исходной конфигурации делались продувки самолета с горизонтальным оперением, перенесенным с киля на фюзеляж. Также исследовались характеристики воздухозаборника самолета и его канала в расчете на постройку летного экземпляра. Поскольку ЦАГИ интересовала и работа ЭСУПС в струе винта, – планировались продувки «Фотона» с винтовой установкой, размещенной перед ним в трубе.
По объему продувок в натурной трубе ЦАГИ Т-101 с «Фотоном» не мог сравниться ни один из ранее построенных в Советском Союзе самолетов. Испытания велись в две смены. Число «трубных» часов никто не подсчитывал, но характерен такой пример: когда в трубе требовалось провести испытания другого самолета, «Фотон» ненадолго снимали, быстренько продували «гостя» и вновь устанавливали «хозяина» на весы. Основным конкурентом у «Фотона» на «трубное» время являлся в тот период МиГ-29.
Каждой установке в трубе предшествовали долгие часы наземных испытаний и тщательной отладки очередной конфигурации ЗСУПС в «статике».
В результате испытаний был получен огромный по своему объему и уникальный по своей ценности материал по энергетическим системам увеличения подъемной силы. Ведь получить подобные результаты расчетными методами не представляется возможным и сегодня. Это единственное столь глубокое исследование данного направления в Советском Союзе и России. Участниками этой работы накоплен не только теоретический, но и конструкторско-технологический (что очень важно!) опыт в области ЭСУПС.
Вкратце можно назвать две цифры, дающие качественную картину достигнутых результатов. Эффективность ЭСУПС характеризуется коэффициентом восстановления полного давления на профиле. Его величина показывает относительные затраты энергии, которую требуется подвести в обтекающий крыло поток для сохранения безотрывного обтекания. Для такой типовой конфигурации, как обычный поворотный щелевой закрылок, отклоненный на угол 60 градусов, этот коэффициент у «Фотона» составляет 0,05. Для сравнения, антоновцами на Ан-74 достигнуто вдвое большее, а значит, менее эффективное значение. Судя по появлению на МАКС-2001 модификации Ан-74ТК-300 с двигателями, расположенными традиционно, на пилонах под крылом, выигрыш от обдува небольшой части крыла был существенно меньше проигрыша в удобстве обслуживания моторов.
Максимальный коэффициент подъемной силы, полученный в экспериментах на «Фотоне», равен 3,6. Нужно уточнить, что это не Су mах профиля, получаемый в аэродинамических трубах на отсеках крыла бесконечного удлинения. Это коэффициент реальной самолетной компоновки с фюзеляжем, «съедающим» существенную часть размаха крыла. Для сравнения, теоретический Су max трехщелевого закрылка Фаулера может достигать 3,5, но сложность реальной конструкции такого закрылка неизмеримо больше, чем ЭСУПС.
По результатам испытаний «Фотона» были разработаны два специальных аэродинамических профиля крыла, позволяющих получить наилучшие характеристики с ЭСУПС. Их испытания также были проведены в ЦАГИ.
Уже в 1988 году финансирование темы от МАПа начало оскудевать и в 1989-м прекратилось вовсе. Стало ясно, что постройка летного экземпляра «Фотона» не состоится. Тем не менее, заинтересованные в результатах этой темы военные продолжали находить средства на испытания трубного экземпляра «Фотона» вплоть до 1993-го года. Изменение политического курса страны и сокращение расходов на научно-исследовательские работы (в среднем в 20 и более раз в различных секторах науки) не позволили полностью осуществить программу «Фотон».
Несомненно, работа по теме «Фотон» была серьезной проверкой научно-конструкторского уровня коллектива ОСКБЭС МАИ и важной вехой его истории. Если бы не развал страны и ее авиапромышленности, этот интересный проект, вне всякого сомнения, мог быть доведен до стадии летного эксперимента. За ним должны были последовать другие не менее серьезные и интересные разработки.
Внедрение ЭСУПС в авиации можно было бы сравнить с революцией, вызванной появлением на самолетах в тридцатых годах закрылков и посадочных щитков, а в шестидесятых – изменяемой стреловидности крыла. Преимуществами ЭСУПС по сравнению со взлетно-посадочной механизацией и изменяемой стреловидностью являются ее относительная конструктивная простота, быстродействие и более высокие достигаемые значения коэффициента подъемной силы. ЭСУПС может применяться и в различных сочетаниях с ними.
Результаты исследований по теме «Фотон» закладывались в другой проект Жидовецкого – реактивный административный самолет «Авиатика-950», разрабатывавшийся в рамках концерна «Авиатика» в 1994-95 годах.
ЛТХ:
Модификация: «Фотон»
Размах крыла, м: 7.32
Длина, м: 8.27
Площадь крыла, м²: 7.32
Масса, кг:
- пустого самолета 700
- максимальная взлетная 2150
Тип двигателя: 1 ТРД РУ-19-300
Тяга, кгс: 1×900
Максимальная скорость, км/ч: 740
Продолжительность полета, ч: 1
Практический потолок, м: 10 700
Макс. эксплуатационная перегрузка: 6.85
Экипаж, чел.: 1
ПРОЕКТ ОСКБС ПО ТЕМЕ И-90
В начале 80-х в министерстве авиационной промышленности разворачивались работы по двум перспективным программам: И-90 (истребитель 90-х годов) и Ш-90 (штурмовик 90-х годов). ОСКБЭС решено было привлечь к исследованию перспективных технических решений, использование которых могло значительно повысить летно-технические характеристики истребителей и штурмовиков нового поколения.
Жидовецкому было предложено оценить силы ОСКБЭС и определить направление работы: либо в интересах темы И-90, либо по теме Ш-90. В течение короткого времени им были разработаны и предложены варианты компоновок экспериментальных самолетов для исследования ЭСУПС в интересах обоих направлений.
При создании советского истребителя нового поколения решено было обойтись без конкурса между суховцами и микояновцами, как десятью годами раньше при создании Су-27 и МиГ-29. Здесь, видимо, сыграла свою роль позиция замминистра Симонова, покинувшего незадолго до этого ОКБ Сухого из-за сложных отношений с Генеральным конструктором Е.А. Ивановым и его замом О.С. Самойловичем. Так или иначе, более престижное для обеих истребительных фирм задание на И-90 было выдано ОКБ Микояна, а разработка Ш-90 была поручена суховцам. Вернувшемуся в 1983 году на фирму Сухого уже в качестве Генерального конструктора М.П. Симонову пришлось заниматься темой перспективного истребителя С-32 в инициативном порядке.
Экспериментальный самолет по теме И-90 был выполнен по аэродинамической схеме «утка» и имел два реактивных двигателя РУ19А-300, которые оснащались плоскими соплами с управляемым вектором тяги. Такие экспериментальные сопла для РУ19А-300 разрабатывались в тот период в конструкторском отделении ЛИИ. В такой конфигурации на самолете должны были отрабатываться элементы сверхманевренности по программе, аналогичной той, под которую в США собирались делать экспериментальный самолет Х-31. К его разработке американцы в тот момент только приступали. Наш самолет отличался тем, что его крыло оборудовалось системой ЭСУПС, работавшей от компрессоров двигателей. Для снижения сроков и затрат при постройке самолета предлагалось использовать носовую часть, кабину, киль, кессон крыла и шасси чехословацкого учебно-тренировочного реактивного самолета Л-39.
Конструкция самолета предполагала возможность замены крыла: оно могло быть либо прямой, либо обратной стреловидности. В США, кстати, для исследований маневренных возможностей крыла с обратной стреловидностью был создан самолет Х-29.
В разработке схемы принимал участие инженер Вячеслав Хван, незадолго до этого закончивший МАИ и пришедший в коллектив ОСКБЭС.
После утверждения схемы Симоновым и Шкадовым была изготовлена демонстрационная модель. Поскольку самолет должен был строиться в интересах программы И-90, требовалось согласовать его схему и с ведущей по этой теме фирмой – ОКБ Микояна. Проректор МАИ по науке Юрий Алексеевич Рыжов созвонился с Генеральным конструктором Ростиславом Аполлосовичем Беляковым и неожиданно получил приглашение приехать к нему вместе с Жидовецким немедленно, благо микояновское КБ находится напротив института, через Ленинградку.
Поскольку с собой нужно было везти большую коробку с моделью самолета, Юрий Алексеевич предложил ехать на его собственной «Волге». «Корочки» Рыжова обеспечивали ему проезд на режимную территорию КБ, а вот Казимир Михайлович к тому времени еще не успел получить удостоверение Главного конструктора МАП, поэтому с его проездом на фирму могли возникнуть затруднения. Обычный пропуск нужно было заказывать накануне, но кто же знал, что Беляков согласится встретиться сразу.
Выход нашел Рыжов, сидевший за рулем. Он отдал свое удостоверение Казимиру и сказал: «А про меня скажешь, что я – твой шофер». Проходную проехали беспрепятственно.
Первой реакцией Белякова, когда он увидел привезенную модель, было выяснить, каким путем просочилась в МАИ информация о разрабатываемом его фирмой перспективном истребителе «1.42». Успокоился он только тогда, когда обратил внимание, что самолет ОСКБЭС имеет лишь один киль, тогда как у «1.42» их два.
Когда почти все технические вопросы, касавшиеся «утряски» схемы и ее реализации, были решены, на пути вдруг встала проблема нетехническая. Это был 1982 год, «режимность» соблюдалась неукоснительно, а уровень секретности схемы этого самолета, учитывая «гриф» программы, в интересах которой он создавался, был признан достаточно высоким. По режимным соображениям студенческое конструкторское бюро к работам по данной теме допущено быть не могло. Вариантов выхода из этой ситуации было два.
Либо КБ меняло свой статус и становилось экспериментальным без студенческой составляющей со всеми вытекающими последствиями, либо оно продолжало заниматься экспериментальным самолетом по программе Ш-90, разработку которого параллельно с первой темой вел Жидовецкий и схема которого не несла такого «грифа» секретности.
Взвесив все «за» и «против», Жидовецкий и Рыжов выбрали второй вариант. Тема получила наименование «Фотон».
