В 1950-е годы мировая экономика стремительно развивалась, требуя более широких и организованных связей между удаленными регионами. В результате, начиная с 1958 года, стали регулярно открываться пассажирские трансатлантические рейсы реактивных дальнемагистральных самолетов «Боинг-707» между США и Европой.
Первые гражданские реактивные самолеты имели крейсерскую скорость полета около 800 км/ч. Постоянный рост скорости воздушного транспорта неизбежно привел к необходимости перехода на сверхзвуковые скорости. Исходя из этого и опираясь на свой опыт создания сверхзвуковых стратегических бомбардировщиков М-50 и М-52, ОКБ-23 впервые в СССР, в 1958 году, начало проектные исследования по сверхзвуковому пассажирскому самолету (СПС).
Одной из основных причин для запуска этой инициативы, вероятно, было осознание В.М. Мясищевым факта того, что сверхзвуковые М-50, М-52 и М-56 останутся только экспериментальными моделями, несмотря на успешные летные испытания первого из них. Военно-политическое руководство полностью игнорировало и даже предвзято относилось к разработкам ОКБ-23, что стало очевидно во время визита партийно-правительственной делегации под руководством Н.С. Хрущева на предприятие в августе 1958 года, а также при работе макетной комиссии по проекту М-52 в мае-июне 1959 года.
Бомбардировщик М-50.
Разработка СПС являлась попыткой применить уникальный опыт создания дальних сверхзвуковых самолетов в новой области гражданской авиации для ОКБ. Проект СПС был обозначен шифром «55». В 1958 году было рассмотрено четыре варианта самолета, отличающихся размерами и аэродинамическими схемами. Среди них было три варианта, выполненные по схеме «утка».
Первый из них, «55А», был оснащен треугольным крылом и двумя ТРД М16-17П. Этот вариант предусматривал перевозку до 60 пассажиров на расстояние до 2500 км. Проект самолета «55Б» имел крыло тройной стреловидности и четыре ТРД М16-17П, и мог вместить до 110 пассажиров с дальностью полета до 6000 км. Вариант «55В» с треугольным крылом и шестью ТРД ВК-15М предлагал перевозить до 120 пассажиров на расстояние 6500 км. Проект «55Д» имел классическую схему, напоминающую М-50А, с треугольным крылом и четырьмя ТРД М16-17П. Он вмещал до 110 пассажиров, а дальность полета достигала 5500 км.
Рассчитанная крейсерская скорость полета вариантов «А», «Б» и «Д» составляла 2000 км/ч, варианта «В» — 2600 км/ч. В 1959 году работы по СПС продолжались. На первом этапе предполагалась разработка пассажирской модификации бомбардировщика М-50А, а на втором — нового лайнера со скоростью, соответствующей числу М=3. Проект первого получил шифр «53», второго — «59». В дальнейшем использовался только шифр «53», так как шифр «59» был присвоен сверхзвуковой стратегической системе с турборакетными двигателями.
Ведущим конструктором по теме был назначен В.Г. Григорьев, а по проекту «53» — В.М. Максимов. Руководство ГВФ поддержало эту инициативу и выдало предварительные требования к СПС. В конце 1959 года было принято соответствующее постановление Совмина СССР. Тогда же по предложению ГВФ к рассмотрению принят проект пассажирского самолета М-29 на базе бомбардировщика ЗМ, работы по которому прекратились в 1955 году.
Бомбардировщик 3М ОКБ Мясищева
Основное внимание уделялось выбору и обоснованию характеристик и схемы СПС. При выборе внешнего вида СПС руководствовались следующими соображениями.
Выбранная компоновка должна была в первую очередь обеспечить максимально высокое аэродинамическое качество на крейсерском режиме полета и наибольшую весовую отдачу по топливу. Кроме того, требовалось «смягчить» резкое изменение аэродинамического фокуса при превышении звукового барьера. При выборе схемы СПС также требовалось обеспечить максимальный комфорт для пассажиров, низкий уровень шума в салоне, противопожарную безопасность самолета при аварийных посадках и приемлемые взлетно-посадочные характеристики.
Были рассмотрены четыре возможные компоновки СПС одной размерности: М-53А — нормальная схема с треугольным крылом и хвостовым оперением с двигателями, установленными на пилонах под крылом (по типу М-50А); М-53Б — по схеме «утка» с двигателями на пилонах под крылом; М-53В — также по схеме «утка», но с несущими крыльевыми мотогондолами; и М-53Г — также «утка», но с пакетным расположением двигателей в хвостовой части фюзеляжа.
Классическая схема самолета имела определенные преимущества, главным из которых была ее обкатанность, что позволяло создать СПС в кратчайшие сроки, но аэродинамическое качество при сверхзвуковых режимах полета было низким. Кроме того, при переходе на сверхзвуковые режимы полета происходило смещение аэродинамического фокуса. Для обеспечения центровки самолета требовалось размещать часть топлива в передних отсеках фюзеляжа и применять систему его перекачки в полете в хвостовую часть фюзеляжа.
Это требовало применения автоматов центровки и продольной устойчивости, что усложняло самолет и понижало степень его безопасности. Кроме того, из-за низкого аэродинамического качества и малой весовой отдачи по топливу классическая схема не обеспечивала достаточной дальности полета.
Указанные недостатки значительно устранялись выбором аэродинамической схемы «утка» с крылом переменной стреловидности и подвижным передним оперением. Самолеты этой схемы имели минимальное смещение аэродинамического фокуса при переходе на сверхзвуковые режимы полета, что позволяло обойтись без перекачки топлива.
Кроме того, большие площади крыла позволяли увеличить строительную высоту и снизить его массу, что, в сочетании с другими техническими решениями, снижало нагрузки и повышало весовую отдачу самолета по топливу. Эти основные преимущества «утки» являлись решающими, несмотря на худшую аэродинамику на звуковой скорости и ухудшение взлетно-посадочных характеристик. В сравнении трех рассмотренных вариантов схемы «утка» между собой, мы можем отметить следующее: установка двигателей на пилонах снижает аэродинамическое качество на крейсерском режиме полета, установка двигателей в мотогондолах с несущими крыльями дает более высокие значения качества в сравнении с предыдущей компоновкой.
Проведенные исследования показали, что наиболее приемлемым является пакетное расположение двигателей. Это снижало уровень шума в салоне, облегчало балансировку моментов крена и скольжения при отказе в полете части двигателей. Однако, в связи с новизной этой схемы, требовалось ее более глубокое исследование. Необходимо отметить, что в целом
Авиаконструктор В.М. Мясищев
Особое внимание уделялось выбору и обоснованию крейсерской скорости в процессе разработки Сверхзвукового Пассажирского Самолета (СПС). Во время полета на сверхзвуковой скорости, создаваемые ударные волны, образующиеся на небольшой высоте, могут вызывать опасные импульсы давления на земле, что может повлечь разрушение и повреждение зданий и сооружений. Поэтому решили, что полеты со сверхзвуковой скоростью должны осуществляться на высотах свыше 10000 метров.
Таким образом, часть самолетного пути должна быть выделена на набор высоты, разгон до сверхзвуковой скорости и торможение перед снижением. Чем короче дальность полета, тем большую долю пути приходится на дозвуковые этапы, и тем менее важным становится преимущество высокой скорости крейсерского полета.
Исходя из этого, был сделан вывод, что для СПС с дальностью 4500 км крейсерская скорость не должна превышать числа м = 2, а для дальности 6500 км — более чем втрое превышать скорость звука. При заданных параметрах дальности полета и коммерческой нагрузке, выбиралась крейсерская скорость, обеспечивающая наименьшие затраты на перевозки. Наиболее экономичной скоростью для дальности 4500 км была скорость, соответствующая числу m = 1,9-2,1. Кроме того, выбор скорости зависел от работоспособности конструкционных материалов при интенсивном аэродинамическом нагреве и изменении характеристик двигателей в зависимости от числа m.
На первом этапе разработки СПС было решено использовать опыт постройки дозвуковых самолетов, применяя безфорсажные турбореактивные двигатели и типовые конструкции из алюминиевых сплавов Д-16 и В-95. Эти сплавы обладали достаточной прочностью при температуре, возникающей при полете со скоростью, соответствующей числам m = 2-2,2. В противном случае, пришлось бы использовать жаропрочные стали и титановые сплавы, конструктивные особенности которых еще не были изучены.
В результате проведенных исследований был сделан вывод, что оптимальная крейсерская скорость для СПС с дальностью 4500 км должна соответствовать значениям m = 1,8-2. Это позволило достичь значительного экономического эффекта, снизив затраты на парк самолетов при сохранении объема воздушных перевозок, уменьшив время пути для пассажиров и персонала.
Стоимость перевозки одной тонны груза на километр пути на самолетах нормальной схемы не превышала 2,2 рубля в ценах 1960 года. Для самолетов с двигателями на пилонах и несущими мотогондолами или пакетным расположением двигателей, эта стоимость составляла 2,16 и 2,14 рубля соответственно.
В процессе разработки перспективного СПС было выяснено, что выполнение требований Государственной Воздушной Флотилии (ГВФ), особенно по дальности полета, возможно только при аэродинамическом качестве не менее 6, при весовой отдаче по топливу от 48% до 55% и создании двигателя с высокими удельными характеристиками.
Достижение высокого аэродинамического качества было возможно только при использовании новых аэродинамических схем и компоновок двигателей. В частности, были применены схемы с плавающим оперением, крылом переменной стреловидности и пакетным расположением двигателей под крылом или в виде несущих мотогондол.
Ни один из разрабатываемых двигателей не соответствовал требованиям к СПС. Был проведен ряд исследований по компоновочным, конструктивным и макетным работам совместно с ГВФ с целью уточнения требований к самолету.
Также были построены два частичных макета самолета с пассажирским салоном диаметром 3,2 м и длиной 9 м, а также буфетом-кухней диаметром 3,2 м и длиной 2,5 м. Макеты использовались для определения минимального диаметра фюзеляжа при размещении шести пассажирских кресел, определения оптимальных размеров кресел и бытовых помещений, размещения оборудования буфета и кухни для 120 пассажиров, а также выбора внешнего оформления салона, освещения и вентиляции.
В соответствии с майским постановлением правительства 1960 года, в августе того же года в Государственной Комиссии по Авиационной Технике (ГКАТ) был представлен новый проект дальней авиации СССР под названием «М-53». Этот самолет предназначен был для перевозки 100-130 пассажиров и имел крейсерскую скорость 1800-2000 км/ч со способностью преодолевать расстояние до 6500 км. В то время, через два месяца после представления проекта, конструкторское бюро ОКБ-23 прекратило свою деятельность, однако спустя три года А.Н. Туполев всё же взялся за разработку сверхзвукового пассажирского самолета Ту-144.
Отдельно нужно отметить, что большинство созданных в то время дальних сверхзвуковых самолетов, как военных, так и гражданских, использовали схему с крылом переменной стреловидности, управляемым фибаном и системой выборочного расположения двигателей. Единственным исключением был Ту-144, который имел «бесхвостую» схему, но серийные модификации получили выдвижное переднее горизонтальное оперение для взлета и посадки.
Специалисты ОКБ-23 впервые в СССР столкнулись с проблемами, связанными с продолжительными сверхзвуковыми полетами, и сумели предложить рекомендации по их преодолению. Кроме того, размеры и основные технические характеристики проекта «М-53», прогнозированные в OKB-23, успешно воплотились в упомянутых самолетах, что отдает должное конструкторам ОКБ-23 как пионерам сверхзвуковой дальней авиации.
Лётно-технические характеристики:
- Экипаж, чел – 4,
- Число пассажиров, чел – 100-120
Геометрические и массовые характеристики;
- Длина самолета, м – 51,3
- Высота самолета, м – 10,80
- Размах крыла, м – 27
- Масса полезной нагрузки, кг – 12000
Силовая установка;
- Число двигателей – 4
- Двигатель – ДТРД М16-17Б (РД16-23)
- Тяга двигателя (форсаж), кгс – 18500,
Летные данные(расчетные);
- Скорость полета, км/ч, максимальная – 2000
- крейсерская , км/ч – 1800
- Дальность полета, км, рейсовая – 4500
- в перегр. варианте с нагрузкой 5 т и резервом дальности 1000 км – 5500
- техническая – 6500
- Высота полета, м – 13000-16000,
- Длина ВПП, м – 2500.
По материалам сайта ТопВар.
