Там, на «Махе», 70 лет тому назад
Интересная статья из жж Андрея Фирсова.
70 лет назад человеком впервые был преодолен звуковой барьер – ракетоплан Белл Х-1 14 ноября 1947 г. в полете «потерял» свой звук. Этот полет тогда сравнивали с первым полетом братьев Райт…
Впервые термин «барьер» использовал британский аэродинамик Хилтрон в 1935 г. – исследуя аэродинамические профили, он обнаружил резкий рост воздушного сопротивления на скоростях, близких к скорости звука. «Они, похоже, упирались в барьер». Журналисты тут же размножили новое модное выражение, добавив от себя, что за «барьером» время идет в обратную сторону, а пилоты будут возвращаться «оттуда» помолодевшими, – как вариант, потерявшими голос (звук-то отлетел!) и вообще дематериализовавшиеся.
Пожалуй, впервые с реальным звуковым барьером столкнулись пилоты американского тяжелого двухмоторного истребителя Локхид Р-38 «Лайтнинг» – самолет быстро разгонялся на пикировании, и дальше пилоты отмечали сильный бафтинг (тряску), так что нельзя было читать показания приборов в кабине, нос самолета «загружался», так что тот попадал в крутое пикирование или штопор. 5 ноября 1941 г. один «Лайтнинг» просто разрушился в воздухе. Стало ясно, что с «барьером» шутки плохи.
Чтобы понять, что происходит, стали проводить опыты по пикированию на истребителе «Мустанг», который обладал тогда, пожалуй, лучшей аэродинамикой среди американских самолетов. Майор Питер Барсони сумел сфотографировать на поверхности крыла своего «Мустанга» образование скачков уплотнения (локальные зоны, где скорость воздушного потока выше скорости звука – выше числа Маха). Похожие эксперименты проводили на «спитфайрах» британские пилоты: на «пятерке», пикируя, они в 1941 г. достигли скорости М=0,8, а на «девятке» три года спустя аж М=0,89. Это быстрее, чем тогда уже летавшие реактивные истребители «Метеор» и «Вампир»… Но от самолета «отлетел» мотор… Из шести пилотов «Отделения скоростных полетов», задействованных в испытаниях, погибли четыре.
Да, почему же проводили такие опасные эксперименты, когда, казалось бы, можно было продуть модели самолетов в аэродинамической трубе? Дело в том, что в районе «звукового барьера» в «трубе» возникали многочисленные «скачки уплотнения». Возмущенный поток не позволял проводить какие-либо исследования на скоростях от М=0,85 до М=1,25 (так называемый «трансзвук») – это была «черная дыра» тогдашней аэродинамики. Что там происходит, не знал никто. Проще оказалось построить сверхзвуковую трубу, а вот «барьер» никак не давался в руки. Первую трансзвуковую трубу удалось построить только в 1949 г. в Советском Союзе. А в 1951 г., получив ее описание из открытых (!) советских научных работ, это удалось сделать американцам. Но это было потом.
А «сейчас» в 1942–1943 годах союзники были обеспокоены слухами о появлении в Германии первых реактивных самолетов и о том, что один из них – ракетный Ме 163 «Комета» якобы достиг скорости 1000 км/ч. Вопрос требовал настоятельного решения – без этого нельзя было «двигать» дальше уже проходящие испытания свои реактивные самолеты.
Из различных вариантов решения проблемы (исследования на пикирующих беспилотных моделях или со специальными ракетными ускорителями, и всякая экзотика – типа запуска маленькой модели «на ниточке» в скачок уплотнения на крыле «Мустанга», где скорость локально была на сверхзвуке) решили остановиться на исследовательском самолете, оснащенном турбореактивным или, подобно немецкой «Комете», ракетным двигателем.
Первый шаг сделали англичане. В 1943 г. они выпустили требования к самолету, способному развивать скорость до М=1,5 (1600 км/ч) и 30 минут лететь на скорости звука – 1200 км/ч. Задание «спустили» не занятой «серьезной» работой фирме «Майлз», которая к тому же была «под боком» у исследовательского центра в Фарнборо. В качестве двигателя планировали использовать турбореактивный с «перепуском в горячей части» – фактически комбинированный с «прямоточником».
Самолет М.52
Форму самолета выбрали исходя из того, что было известно о сверхзвуковых «полетах»: фюзеляж сделали похожим на пулю (понятно, там проблем с достижением сверхзвука не было), крыло сделали прямым с «полуэллиптическими» кромками – взяли от результатов продувки Антонием Ферри в Италии перед войной модели с таким крылом при М>2. Проект успешно продвигался, несмотря на опасения за жизнь пилотов, из-за чего было решено построить уменьшенную радиоуправляемую модель, но 15 января 1945 г. последовал «стоп-приказ» от Черчилля. Тот считал, что война кончится не позже 1946 г. и нужно заниматься уже «мирными проектами». Проект еще теплился, пока в 1946 г. его окончательно не закрыли, когда до готовности М.52 оставалось всего три недели. Позже, на радиоуправляемой модели-аналоге, удалось получить скорость больше звука… Но это было позже. «Флаг» подобрали американцы.
В марте 1944 г. американцы приняли решение начать работу над двумя экспериментальными сверхзвуковыми самолетами – ракетным Белл XS-1, разрабатываемым под патронатом Армии США, и турбореактивным Дугласом D-558-1 «Скайстрик», спонсируемым Флотом.
Фирма «Белл» была выбрана по тому же принципу, что и «Майлз», как наименее загруженная военными заказами (в основном работала на СССР). К тому же ее главный конструктор Роберт Вудз оказался заинтересованным в трансзвуковых полетах и имел опыт разработки первого американского реактивного истребителя Р-59. Двигатель для будущего Х-1 выбрали ракетный – он обещал больше тяги, чем имеющиеся турбореактивные, не зависел от проблем с разреженной атмосферой при полете на большой высоте и к тому же использовался на немецком Ме 163, уже успевшем попугать американских пилотов.
К декабрю 1944 г. проект «Белла» – МХ-653 в целом сложился: фюзеляж как у «Майлз» – «пуля», прочной конструкции под перегрузку до 18 ед. – в два раза больше, чем обычно для истребителей, чтобы выдержать возможный бафтинг на трансзвуке. Много было споров по поводу крыла – вернее, толщины его профиля. «Белл» хотела крыло толщиной 8%, NACA требовало 12%, хотя некоторые сотрудники стояли за 5%, а ВВС Армии настаивали на 10%! Кто ж начальству откажет? 10 так 10! Сделали два комплекта – 8% и 10%. Относительную толщину стабилизатора сделали отличной от крыла – чтобы «разнести» по времени наступление на них «волнового кризиса» (хоть где-то управляемость останется!).
ВВС также настаивали на прямом крыле – в серию готовился истребитель Локхид Р-80 «Шутингстар» с прямым крылом, поэтому были особо актуальны данные по поведению прямого крыла на трансзвуке. На прямом крыле также настаивало и NACA, так как полученные данные из Германии (через Адольфа Буземана) о возможных преимуществах стреловидного крыла не были подтверждены экспериментально. А сделать тонкое крыло на перегрузку в 18 ед была задача еще та (хотя и проще, чем для стреловидного крыла). Для обеспечения прочности крыла и отсутствия деформаций профиля на трансзвуке обшивка была сделана чрезвычайно толстой – у корня она была в полдюйма, а потом утончалась к законцовкам до обычных 1-2 мм. Ракетный двигатель работал на спирто-водяной смеси топлива и окислителя – жидкого кислорода. Чисто американская разработка, без всяких германских «штучек» с токсичными компонентами. Из-за задержки с разработкой насосной системы подачи топлива остановились на наддуве баков азотом – вытеснительной системе – по самолету пришлось распихать 13 баллонов высокого давления. Катапультируемого кресла не было – экономили на весе. Покинуть самолет в случае «пиковой» ситуации, не попав под острые как бритва крыло или стабилизатор, было бы большой удачей. К счастью, до этого не дошло…
Схема XS-1
10 марта 1945 г. «Белл» получила заказ на три экспериментальных самолета ХS-1, способных нести до 200 кг научной аппаратуры. Только на крыле установили свыше 200 датчиков. В сентябре решили, что самолет будет стартовать не с земли, а запускаться с бомбардировщика В-29, летящего на высоте 7000 м. Первый XS-1 собрали 12 декабря 1945 г., а 25 января 1946 года состоялся первый полет с отцепкой от самолета-носителя. В безмоторном планирующем полете под управлением своего первого пилота Джека Вулемса скорость доходила до 450 км/ч. XS-1 вел себя хорошо. Позже на пикировании скорость удалось довести до М=0,8. В октябре настало время для полетов с включенным реактивным двигателем. К полетам присоединился пилот NACA Чалмерс Гудлин.
Далее цитата из «Мира техники для детей» [Текст В. Бакурского], а то, чего-то замучался 🙂 :
«Чалмерс Гудлин начал выполнять на нем пробные полеты: сначала обычные планирующие с неработающим двигателем, а затем и с включенным ракетным ускорителем. С каждым полетом скорость самолета росла и уже вплотную приблизилась к скорости звука. Наступил решительный момент штурма звукового барьера…
Чалмерс Гудлин
Но Гудлин был гражданским пилотом. Он прекрасно понимал, на какой риск идет и, неожиданно для всех, выдвинул следующее условие: за преодоление звукового барьера он требует гонорар в размере 150 тысяч долларов. Это просто шокировало военных заказчиков (те смогли наскрести только 25 тыс.), и они начали срочно искать другого испытателя, но безуспешно. Многие летчики, что-то слышавшие о звуковом барьере, были убеждены, что при встрече с ним любой самолет развалится на куски. И тогда кто-то предложил поискать добровольца среди военных пилотов, тем более что люди они подневольные и обязаны по приказу выполнить любое задание командования. Вскоре такого летчика нашли. Это был двадцатичетырехлетний капитан военно-воздушных сил США Чарльз Игер. Друзья звали его просто Чак.
Специалисты рассказали ему, что он должен будет сделать: Х-1 сбросят с бомбардировщика В-29 на высоте 8000 метров как обычную бомбу, после чего летчик должен будет включить ракетный двигатель и штурмовать звуковой барьер. Мероприятие это, конечно, весьма опасное… Но молодой летчик был очень честолюбив. Он готов был пойти на смертельный риск, ради возможности заявить о себе. И вот, за простую капитанскую зарплату в 280 долларов Чак решается промчаться в стратосфере со скоростью, с которой до него не летал еще ни один пилот в мире…»
«Удачи, Чак Игер»
Увеличивая скорость в каждом полете, Чак сталкивался с полным «букетом» проблем полета на сверхзвуке: «заклиниванием» управления на скоростях близких к звуковой (которое тогда стоило жизни многим первым пилотам-«реактивщикам»), проблем с управляемостью из-за изменения центра тяжести самолета после выработки топлива и прочих, более «мелких» проблем. Но, наконец, настал день, когда скорости полета максимально приблизились к магическому М=1.
«Вторник 14 октября 1947 года должен был быть обычным рабочим днем. На этот день намечался еще один полет, в котором Игер должен был выйти на режим М=0,97 и практически достичь скорости звука. Однако судьба нанесла Чаку Игеру жестокий удар и заставила его пройти испытание, какое может выдержать не каждый. Что же произошло?
В воскресенье Игер отправился на, казалось бы, самую безобидную верховую прогулку, во время которой упал с лошади и сломал сразу два ребра. Нужно срочно обратиться в госпиталь. Но это значит, что врачи запретят ему летать и кто-то другой завершит начатое им дело.
Чак терпит боль из последних сил, но уже на следующий день боль становится невыносимой, и он вынужден ехать к местному гражданскому доктору. Его даже беспокоит не столько боль в ребрах, а то, что плохо двигается правая рука. Врач оказал ему посильную помощь, но порекомендовал несколько дней провести в полном покое – переломы так быстро не срастаются. Но куда там, ведь на следующий день назначен решающий полет. И Чак принимает отчаянное решение лететь.
К тому времени Игер досконально изучил свою крылатую машину и считал, что справится с управлением и одной левой рукой. Однако перед ним встала совершенно иная проблема, о которой он даже не задумывался раньше. После посадки в Х-1 требовалось закрыть за собой люк, расположенный справа. Но пострадавшей рукой это сделать было невозможно. И тогда Чак находит довольно необычный выход. Он прихватывает из дома самую обычную щетку, надеясь с ее помощью дотянуться до рукоятки закрывания люка. Игер прекрасно понимал, что это его последний полет на ракетоплане. Послеполетный медицинский осмотр выявит его травму, дальше последует отстранение от полетов, и тогда прощай рекорд скорости. Поэтому Чак решает сломать график программы испытаний. Он верит в машину и принимает решение идти на штурм звукового барьера именно в этом полете 14 октября.
И вот, оранжевый Х-1 вновь поднимается в безоблачное небо. Пока он еще спящим чудовищем висит под брюхом огромного бомбардировщика, но для Чака Игера уже начались испытания. Кто бы только знал, насколько болезненным оказалось облачение в тесный высотный скафандр, а потом спуск по лесенке к ракетоплану. А каково было с поломанными ребрами протиснуться в узкий люк! Хорошо, что он придумал этот «фокус» со щеткой – она оказалась как нельзя кстати и выполнила свою функцию.
И вот Х-1, отцепившись от своего носителя, уходит в самостоятельный полет. Игер включает двигатель и начинает разгон. Самолет быстро достигает скорости М=0,88 – машину начинает привычно трясти и тянуть к земле. Чак уже готов к этому и начинает постепенно отклонять стабилизатор. Отработанный в предыдущем полете прием сработал. Ракетоплан мчится все быстрее и быстрее. Он уже превысил заданную скорость, но Чак не выключает двигатель. Стрелка на «махометре» вплотную приближается к единице, вот она уже показывает М=1, а затем срывается и выскакивает за пределы шкалы. До авиабазы доносится громоподобный шум. Многие удивляются, озираясь вокруг. Странно, грозовых облаков нигде не видно. И только специалисты понимают, что где-то там, в бескрайнем небе, на высоте многих тысяч метров Чак Игер достиг заветной цели, а его самолет сжал перед собой воздух до такой степени, что образовалась самая настоящая ударная волна, как от взрыва бомбы. Этот звук невозможно спутать ни с чем, ведь в бескрайнем небе только молния да реактивный самолет, несущийся со сверхзвуковой скоростью, способны произвести подобный грохот».
