Титановое чудо фирмы Рипаблик. Опытный истребитель XF-103. США
Данный материал является продолжением темы, поднятой в цикле статей от «РС» до «SR».
Авторское предисловие: Как МиГ-25 долгое время являлся загадкой для зарубежных специалистов, так и создававшийся в одно время с ним американский истребитель XF-103 на протяжении 30 лет был практически неизвестен большинству читателей в нашей стране.
История авиации знает немало примеров, когда какой-либо летательный аппарат по своим параметрам опережал время и из-за этого оставался невостребованным. Взять к примеру сверхзвуковой бомбардировщик Норт Америкен ХВ-70 «Валькирия» (60-е годы), боевой винтокрыл Локхид АН-56 «Шайен» (70-е годы) и т.д. В конструкции этих машин были внедрены самые прогрессивные для того времени технические решения, которые, как это не парадоксально, во многом и послужили причиной того, что летательные аппараты так и не появились в эксплуатации. Конечно, определенную роль играли финансовые и политические причины, но тем не менее…
Ниже пойдет речь еще об одном оригинальном самолете, подробные сведения о котором были долгое время засекречены.
В августе 1957 г. на последней странице газеты «Дейли Ньюс», выходившей в городе Дейтон, где располагается известный научно-исследовательский центр им. братьев Райт, появилась небольшая заметка под названием «ВВС прекращают работы по таинственному реактивному самолету стоимостью 100 миллионов долларов». Немногие обратили внимание на этот материал, хотя именно из него стало ясно, что в США была похоронена наиболее амбициозная в тот период авиационная программа — создание сверхзвукового перехватчика XF-103, над которым в течение ряда лет работала, не жалея сил, фирма Рипаблик.
Свои корни программа самолета XF-103 берет с октября 1945 г. Проанализировав огромную массу материалов, захваченных в фашистской Германии в конце второй мировой войны и посвященных исследованиям в области реактивной авиации, авиационная промышленность США и ее военно-воздушные силы попытались реализовать немецкие идеи на практике. Каждая фирма пошла своим путем, но наиболее оригинальный проект предложила фирма Рипаблик Авиэйшн, которая задумала создать реактивный перехватчик, способный в горизонтальном полете выйти на большую сверхзвуковую скорость. Предложение было принято и фирма получила контракт на разработку и постройку двух опытных истребителей ХР-91 (позднее XF-91).
Скорость и дальность полета диктовали особые требования к силовой установке. Существовавший в то время ТРД Дженерал Электрик J47-GE-3 мог развивать тягу только 2360 кгс, что было явно недостаточно для нового перехватчика. Специалисты фирмы Рипаблик предложили фирме Дженерал Электрик установить на двигателе форсажную камеру, которая в то время была еще в диковинку. Но расчеты показали, что и с форсажем расчетная скорость не будет получена. Поэтому приняли оригинальное решение установить дополнительный жидкостный ракетный двигатель, который поможет разогнать самолет до сверхзвуковой скорости.
За разработкой ЖРД обратились к фирме Кэртисс-Райт. Для многих использование ЖРД на самолете казалось малореальным, прежде всего из-за его низкой надежности. Кроме этого, фирма Кэртисс-Райт не имела достаточного опыта в разработке ЖРД и поэтому так и не смогла довести свой проект до требуемых параметров.
На Рипаблике поняли, что нужный ЖРД не получить, и поэтому было решено использовать меньший по размерам четырехкамерный ЖРД Риэкшн Моторс XLR-11 тягой 2720 кгс. Этот двигатель уже зарекомендовал себя в полетах на экспериментальном ракетном самолете Белл Х-1.
Пока шел выбор ЖРД, разработка самолета ХР-91 продолжалась. В конце февраля 1949 г. на заводе фирмы Рипаблик в Фармингдейле состоялась выкатка из цеха первого экземпляра опытного перехватчика XF-91 «Тандерсептор». Он стал первым для фирмы самолетом со стреловидным крылом. Впервые самолет поднялся в воздух 9 мая 1949 г. с авиабазы Эдвардс в Калифорнии. До января 1950 г. «Тандерсептор» летал без ЖРД. Вместо него в хвостовой части перехватчика размещался балласт. Первые полеты с ЖРД выявили серьезные проблемы, связанные не только с управлением самолета, но и с управлением совместной работы форсажной системы реактивного двигателя и ЖРД. Пришлось приложить максимум усилий для преодоления трудностей. И только в декабре 1952 г. удалось в горизонтальном полете превысить скорость звука. Испытания показали, что число М=1,2 с существующим ЖРД превысить нельзя. А ведь Рипаблик задумала сделать перехватчик, способный летать со скоростью, в два раза превышающей скорость звука. Такую скорость можно было бы получить за счет установки ЖРД Кэртисс-Райт тягой 13 600 кгс.
ЖРД XLR-11 показал не только приемлемую надежность, но и сыграл роль спасителя опытной машины. В одном из полетов произошел отказ ТРД и летчик никак не мог запустить его повторно. После нескольких попыток летчик принял решение включить ЖРД и с его помощью благополучно вернулся на базу.
Самолет XF-91 отличался рядом особенностей, выделявшим его среди других машин. Наибольшей оригинальностью отличалось крыло, имевшее обратное сужение (т.е. корневая хорда была заметно меньше концевой), а также обратное распределение относительной толщины профилей — меньшая толщина была у корневого профиля. Необычная конструкция крыла должна была способствовать устранению срыва на концах, что было характерно для стреловидных крыльев. Но одновременно это сказывалось на конструктивных параметрах крыла: так как максимальные коэффициенты подъемной силы приходились на более толстые концевые секции крыла, то корневые секции с более тонким профилем воспринимали значительные изгибные усилия. Кроме того, основные опоры шасси пришлось разместить примерно на полуразмахе консолей крыла, причем убирались опоры в направлении от фюзеляжа в более «толстую» часть крыла. Для удобства уборки основных опор два колеса на них располагались по тандемной схеме. С внутренней стороны относительно оси подвески каждой основной опоры имелся узел для размещения внешней подвески, в частности, дополнительного топливного бака емкостью 1890 л.
Крыло отличалось еще одной особенностью, ранее не встречавшейся: имелась система управления углом установки в полете. Такую систему фирма Рипаблик предлагала для перехватчика XF-103. Изменяя угол установки, можно было существенно повысить маневренность самолета в воздушном бою; резкое увеличение подъемной силы могло обеспечить внезапный «подскок» самолета. Правда, применявшиеся в то время простые прицелы типа А1 или А4 и средства управления стрельбой не позволяли в то время объединить эту оригинальную систему с пушечным вооружением.
Следует отметить, что первоначальный проект истребителя XF-91 предусматривал установку V-образного вертикального оперения. Некоторые разработчики на фирме Рипаблик выражали опасения относительно использования на самолете еще одного технического новшества, и предложение по использованию V-образного оперения было сначала отвергнуто. Сделали это несмотря на то, что испытания в аэродинамических трубах показали жизнеспособность такого оперения. Когда летные испытания XF-91 уже проводились, представители ВВС настаивали на установке V-образного киля, чтобы сравнить его с обычным оперением. Только на заключительном этапе летных испытаний на втором опытном самолете XF-91 провели своеобразную хирургическую операцию: удалили киль и заменили его двумя V-образными поверхностями. Было выполнено всего несколько полетов, но они выявили некоторое снижение вредного сопротивления и прирост скорости, а также улучшение характеристик при разворотах и несколько повышенную сопротивляемость к сваливанию.
Вернемся на несколько лет назад, когда проект истребителя XF-91 еще только находился на начальной стадии. Фирма Рипаблик в это момент вышла на руководство ВМС США с предложениями использовать в палубной авиации свои новые идеи, в частности, комбинированную силовую установку, состоящую из форсажного ТРД (ТРДФ) и ЖРД. Командование ВМС рассмотрело предложения фирмы и дало им положительную оценку, но при этом заявило, что о финансовой поддержке речи идти не может. Своим ответом ВМС дали понять, что оказывать какую-либо поддержку фирме, находящейся на обеспечении ВВС, они не собираются.
Руководство фирмы Рипаблик приняло решение несколько сократить свои связи с ВВС и заняться фундаментальными работами. Фирма попыталась определить приоритетные потребности ВВС, особенно в области противовоздушной обороны не только заморских военных баз, но и военных объектов на североамериканском континенте. Определив эти задачи, фирма обещала приложить все усилия, чтобы их успешно решить. Успешному решению этих задач могло способствовать то, что в 16 км от ворот завода фирмы располагался штаб континентального командования ВВС.
Постоянное общение специалистов фирмы с представителями штаба принесло свои плоды. В частности, были отработаны сценарии воздушных боев ближайшего будущего и определены диапазоны скоростей для ведения боя, а также максимальные установившиеся скорости полета. Некоторые решавшиеся в то время задачи являются актуальными и в настоящее время. Например, определялись минимальные радиусы разворота без потери высоты, средства управления кинетической (скорость) и потенциальной (высота) энергией самолета.
К октябрю 1947 г. Рипаблик была готова приступить к разработке сверхзвукового перехватчика, который бы полностью отвечал потребностям ВВС США. Руководству ВВС фирма направила отчет, в котором содержалась информация о четырех возможных вариантах перехватчика, отличавшихся силовой установкой.
В первом варианте предлагалось использовать ТРДФ с большой форсажной камерой для достижения сверхзвуковой скорости, соответствующей числу М=2. На втором варианте к ТРДФ добавлялся ракетный двигатель с управляемой тягой. Особенностью третьего варианта перехватчика был большой бесфорсажный ТРД, способный обеспечить перехват на больших дальностях.
Наконец, четвертый вариант представлялся фирме Рипаблик наиболее предпочтительным. На нем предлагалось использовать комбинированный реактивно-прямоточный двигатель, состоящий из обычного ТРД и ПВРД, причем воздухозаборник и сопло были общими. Форсажный контур ТРД при больших числах Маха играл роль ПВРД. Воздух в него подавался через воздухозаборник, минуя турбину.
Свои предложения фирма Рипаблик направила руководству ВВС, которое никакого ответа не дало. Поэтому на фирме занялись работами по проекту XF-91, продолжая по собственной инициативе исследования комбинированного реактивно-прямоточного двигателя.
Казалось, что предложения фирмы Рипаблик так и зачахнут. Но в 1949 г. ВВС объявило о программе МХ-1187, по которой предусматривалось создание скоростного перехватчика, способного с максимальной эффективностью взаимодействовать с системой ПВО.
В середине 1950 г. фирма Хьюз была выбрана головным разработчиком системы управления оружием в рамках программы МХ-1187. В сентябре того же года ВВС обратились к самолетостроительным фирмам с предложением по разработке системы оружия MX-1554 — «всепогодный перехватчик 1954 г.» (имелось ввиду, что самолет поступит в эксплуатацию в 1954 г.). Основой этой системы должен был стать комплекс, разрабатываемый на фирме Хьюз. Специалисты рассматривали перехватчик по программе MX-1554 как дополнение к самолету Локхид F-104 «Старфайтер», но с большей дальностью полета.
Первая половина 50-х годов характерна началом своеобразной «войны» между пилотируемыми самолетами и управляемыми ракетами. Она охватила практически все развитые страны, но проявлялась она в каждой стране по-разному. Как эта «война» отразилась на отечественной авиации, многие хорошо знают.
Но вернемся к американцам. В 1950 г. «мозг» фирмы Рипаблик Александр Картвели, русский эмигрант, выдвинул идею формирования объектовой системы ПВО, состоящей из зенитных управляемых ракет (ЗУР) и скоростных пилотируемых перехватчиков. К началу 60-х годов система ПВО США была построена именно по такой философии.
В январе 1951 г. шесть самолетостроительных фирм выступили со своими предложениями относительно перехватчика MX-1554. Рипаблик ответила сразу тремя проектами, полагая, что какой-нибудь из них будет отвечать требованиям ВВС. Первый вариант представлял собой дальнейшее развитие истребителя XF-91. Проект перехватчика XF-91B отличался несколько увеличенными размерами, и на нем предполагалось использовать комбинированную силовую установку из ТРДФ и мощного ЖРД фирмы Аэроджет, в котором в качестве окислителя применялась азотная кислота. Для хранения окислителя предусматривался специальный отсек, причем для безопасности он был покрыт облицовкой из материала «тефлекс». Перехватчик XF-91B должен был иметь систему управления оружием, разработанную фирмой Вестингауз с учетом опыта создания комплекса фирмы Хьюз. В состав вооружения входила убирающаяся батарея неуправляемых ракет калибром 70 мм; аналогичная система использовалась на истребителе Норт Америкен F-86D.
Второй вариант, которому на Рипаблике отдавали предпочтение, представлял собой перехватчик с реактивно-прямоточным двигателем. Наконец, в третьем проекте использовался обычный ТРДФ, обеспечивающий достижение скорости, соответствующей числу М=2. Этот проект был своего рода резервным на случай, если ВВС откажутся от варианта с реактивно-прямоточным двигателем как слишком смелого. Не случайно перехватчик с ТРДФ не пользовался популярностью на фирме Рипаблик.
В сентябре 1951 г. победителем по программе МХ-1554 была признана фирма Конвэр, предложившая проект сверхзвукового перехватчика F-102, выполненного по схеме «бесхвостка» с треугольным крылом. Но этот проект был первым шагом к более сложному и совершенному перехватчику F-102B, позднее получившему обозначение F-106.
Однако предложение фирмы Рипаблик по перехватчику с реактивно-прямоточным двигателем не было отвергнуто. Руководство ВВС, считая такую силовую установку чрезвычайно перспективной и учитывая опыт фирмы по самолету «Тандерсептор», решило профинансировать дальнейшие исследования и официально присвоило будущему перехватчику обозначение XF-103.
В момент получения контракта работы по самолету были слишком продвинуты, чтобы вносить радикальные изменения. Тем не менее многие конструктивные элементы следовало подвергнуть тщательной ревизии. Каким же был облик перехватчика XF-103 на тот период?
Он имел чрезвычайно вытянутый фюзеляж, на нижней поверхности которого, несколько впереди его середины, располагался воздухозаборник двигателя. По аналогии с F-102 самолет имел треугольное крыло малого удлинения с тонким профилем и без поперечного угла V. Но в отличие от истребителя фирмы Конвэр стабилизатор был прикреплен к нижней поверхности хвостовой секции фюзеляжа. И стабилизатор, и вертикальное оперение имели треугольную форму в плане. Общие габариты перехватчика были следующие: длина 22,5 м, высота 5,8 м, размах крыла 11 м.
Расчетные летные характеристики самолета впечатляли, по ряду параметров они вполне могли бы соответствовать самым современным боевым самолетам. Перехватчик XF-103 должен был на высоте 18 300 м развивать скорость числа Маха, равного 3. При взлете в облегченном варианте (17 240 кг) практический потолок превышал 21 300 м. Максимальная взлетная масса составляла 19 500 кг, включая 1940 л топлива в двух подвесных баках. Величина взлетной массы определялась с учетом боевого радиуса 600 км. Такой небольшой радиус был своего рода платой за чрезвычайно высокие летные характеристики. Правда, следует сказать, что в тот период управление перехватом целей осуществлялось исключительно с наземных пунктов ПВО, и поэтому не требовалась слишком большая дальность полета.
Высокая сверхзвуковая скорость поставила перед разработчиками проблему сильного нагрева обшивки самолета, которая получила название «теплового барьера». Естественно, что от использования в основных элементах планера обычных алюминиевых сплавов пришлось отказаться. Впервые заговорили о титановых материалах, как основном конструкционном материале для такого перехватчика. Было известно, что титан не терял свои прочностные характеристики при высоких температурах, но он трудно подвергался обработке. Для преодоления «теплового барьера» необходимы были новые прорывы в технологии.
Чтобы использовать в максимальной степени все преимущества титановых материалов, необходимо было создать достаточно эффективную силовую установку — реактивно-прямоточный двигатель. В отделении Райт Эронотикал фирмы Кэртисс-Райт был разработан ТРД YJ67-W-1, у которого форсажная камера и контур ПВРД были объединены в единый блок. Этот же двигатель рассматривался и для одного из вариантов перехватчика Конвэр F-102.
Двигатель YJ67-W-1 был разработан на основе английского ТРД Бристоль «Олимп» 1/2А тягой 4450 кгс (без форсажа), лицензию на выпуск которого получила фирма Кэртисс-Райт. Предварительные расчеты показали, что максимальная тяга на форсаже в течение 5 мин должна превышать 9980 кгс, на боевом режиме — 5900 кгс в течение 30 мин без форсажа и 13 610 кгс — при работе в режиме ПВРД при числе М-3.
Сопло двигателя имело прямоугольную форму, что позволяло избежать ряда проблем, связанных с потоком газов, а также избавиться от необходимости изготавливать поверхности со сложной кривизной. Подвижные створки сопла, воздушные тормоза и другие детали имели достаточно простую конструкцию. (Кстати сказать, подобные прямоугольные сопла исследуются и в настоящее время для высокоманевренных самолетов, а также для сверхзвукового пассажирского самолета нового поколения).
Силовая установка самолета XF-103, благодаря своей новизне, была предметом шуток среди ученых мужей фирмы Рипаблик. Они говорили, что если самолет совершит вынужденную посадку с убранным шасси на одно из картофельных полей, окружавших завод фирмы, то через его воздухозаборник может пройти огромное количество клубней, которые будут выбрасываться из сопла уже в жареном виде. Таким образом самолет станет самым большим в мире титановым производителем чипсов.
На самолете XF-103 предлагалось использовать крыло с системой управления углом установки, как на опытном истребителе XF-91. Но эта система рассматривалась не как средство повышения маневренности, а как альтернатива использованию двухщелевых закрылков при взлете и посадке. Дело в том, что кабина экипажа перехватчика имела очень ограниченный обзор вперед, и поэтому взлет и посадка должны были осуществляться почти при полном отсутствии угла атаки. Однако испытания в аэродинамических трубах показали, что подъемная сила у сверхзвукового симметричного профиля (с относительной толщиной 3%) с закрылками и без них вполне приемлема. Было показано, что при этом обеспечивается требуемый незначительный угол атаки на взлетно-посадочных режимах. Поэтому от системы управления углом установки крыла отказались (которая оказалась к тому же слишком сложной с точки зрения механики) в пользу двухщелевых закрылков.
Несколько слов о горизонтальном оперении. Выше уже говорилось, что поверхности оперения крепились к нижней поверхности хвостовой части фюзеляжа. Такая схема была выбрана после интенсивных продувок моделей самолета. Низкорасположеный стабилизатор обеспечивал хорошую маневренность и устойчивость на всех углах атаки и не экранировался при выпущенных закрылках. На начальном этапе разработки рассматривался цельноповоротный стабилизатор.
Элероны и руль направления первоначально имели аэродинамическую компенсацию, т.е. их оси поворота располагались на некотором расстоянии от носка. В дальнейшем элероны были заменены цельноповоротными законцовками крыла. Эффективность такой системы оказалась достаточно высокой, что позволило отказаться от цельноповоротного стабилизатора с дифференцированными углами отклонения. Интересный факт: когда фирма Боинг вела разработку зенитной крылатой сверхзвуковой ракеты «Бомарк» и имела проблемы с управлением по крену, то фирма Рипаблик посоветовала применить цельноповоротные законцовки крыла.
В соответствии с требованиями к перехватчику МХ-1554 вооружение самолета XF-103 состояло из шести управляемых ракет класса воздух-воздух Хьюз ХААМ-2А (позднее получивших обозначение GAR-1 «Фалкон») и 36 неуправляемых PC калибром 70 мм со складывающимся оперением. Ракеты «Фалкон» размещались в индивидуальных отсеках по бокам передней части фюзеляжа перед крылом (по три с каждой стороны) и перед пуском выдвигались наружу. Неуправляемые ракеты также располагались внутри фюзеляжа, причем их отсек находился в нижней части фюзеляжа за воздухозаборником.
Позднее пришли к необходимости исключить PC из состава вооружения. Если на истребителе типа F-102 неуправляемые ракеты еще как-то можно было использовать, то на таком самолете, как XF-103, они были нецелесообразны. Да и ракеты GAR-1 «Фалкон» также рассматривались как промежуточные к более совершенному ракетному оружию и использовались только на макете перехватчика.
В марте 1953 г. инспекция ВВС США осмотрела макет самолета XF-103 на заводе фирмы Рипаблик. И с этого момента в конструкцию самолета стали вноситься различные изменения. В частности, сопло двигателя стало квадратным, причем боковые створки его могли выполнять роль воздушных тормозов. Передняя секция фюзеляжа была удлинена, и теперь длина самолета составляла 23,4 м. Размах крыла был уменьшен до 10,48 м, а его законцовки получили небольшое закругление. В результате уменьшения удлинения вертикального оперения высота самолета стала равной 5,06 м. Усложнилась конструкция воздухозаборника: теперь его нижняя кромка стала управляемой и больше по размерам.
В качестве ракетного вооружения рассматривались усовершенствованные ракеты XGAR-1A «Эдвансд Фалкон», размещавшиеся, как и прежде, в шести индивидуальных отсеках по бокам фюзеляжа. Неуправляемые ракеты пока еще сохранялись, но их отсек располагался в верхней части фюзеляжа в районе крыла.
В марте 1953 г. стало ясно, что разработка двигателя YJ67-W-I затягивается, более того, данный вариант не мог обеспечить требуемую тягу. Поэтому все внимание было переключено на более совершенный двигатель YJ67-W-3, тяга которого отвечала требованиям. С форсажной камерой и контуром ПВРД двигатель получил обозначение XRJ55-W-1.
Хотя силовая установка разрабатывалась фирмой Кертисс-Райт, патент на нее имела фирма Рипаблик. Следует отметить, что нечто подобное было разработано французской фирмой Норд для экспериментального перехватчика 1500 «Гриффон». Поднявшийся впервые в воздух в сентябре 1955 г. самолет «Гриффон» имел ТРДФ SNECMA «Атар» 101Е (позднее устанавливалась модификация 101ЕЗ) и небольшой ПВРД, разработанный фирмой Норд. Эта комбинированная установка имела единые воздухозаборник и сопло, но ТРДФ был установлен внутри соплового канала контура ПВРД. В результате двигатель «Атар» использовал только часть воздуха, протекавшего в контуре ПВРД, поэтому воздухозаборник в большей степени относился к ПВРД, чем к ТРДФ. Если сравнивать силовые установки самолетов XF-103 и «Гриффон», то у последнего она была проще и легче, так как не требовала каналов перепуска воздуха, клапанов и других агрегатов. Но при этом концепция фирмы Рипаблик обладала меньшим сопротивлением, так как большая часть воздуха, проходящего через воздухозаборник, использовалась ТРДФ.
Особенностью силовой установки самолета XF-103 был канал перепуска воздуха, который начинался сразу за отверстием воздухозаборника, проходил над ТРДФ и заканчивался в отсеке, где размещались форсажная камера и ПВРД. Начало и конец перепускного канала имели подвижные створки, которые, в зависимости от режима, подавали воздух в ТРДФ или ПВРД.
Особое внимание инспекторы ВВС при осмотре макета обратили внимание на кабину экипажа. Дело в том, что в проекте перехватчика лобовое остекление кабины проходило вдоль поверхности передней части фюзеляжа и не выступало за ее границы. Обзор при этом оставлял желать лучшего. Члены комиссии потребовали улучшить обзор.
Фирма Рипаблик согласилась с претензиями и переработала конструкцию кабины экипажа. Для улучшения переднего обзора был установлен перископ, а летчик размещался внутри катапультируемой капсулы, выстреливаемой вниз.
Проблеме переднего обзора из кабины на фирме Рипаблик уделялось достаточное внимание. Над ней стали работать еще в 1951 г., когда ВВС выдали контракт на разработку перехватчика. Один из вариантов предусматривал установку механизма, который при взлете и посадке выдвигал бы кабину экипажа вверх за контуры носовой части фюзеляжа. Второй вариант представлял собой отклоняемую вниз носовую часть фюзеляжа (аналогичная система была использована через полтора десятка лет на сверхзвуковом пассажирском самолете «Конкорд»). Но решиться на отклонение носовой части фюзеляжа, где располагалась РЛС, блоки электроники и другие системы, фирма Рипаблик не смогла. Слишком сложной получалась схема кинематики.
Предлагались телекамеры, размещенные под небольшими обтекателями в передней части фюзеляжа. Исследуя этот вариант, пришлось давать ответ на вопрос: следует ли выводить на телеэкран с диагональю 355 мм кроме изображения внешней обстановки информацию с РЛС? Опасность перед механическими и другими повреждениями и отказами заставила отказаться и от этого предложения.
Рассматривался вариант с обычным выступающим фонарем с V-образным лобовым остеклением, которое применялось на экспериментальном ракетном самолете Дуглас D-558-11 «Скайрокет». На Рипаблике даже построили макет такой кабины. Но в результате испытаний модели в аэродинамической трубе от такой кабины отказались по двум причинам: во-первых, оказалось слишком большим вредное сопротивление, а, во-вторых, тепловые нагрузки были такими, что представляли опасность для головы летчика, располагавшейся достаточно близко к фонарю. Попытались использовать систему зеркал, но их выступающие обтекатели создавали не меньшее сопротивление, чем обычный фонарь.
В начале 1955 г. четыре фирмы — Истмэн, Коллсмэн, Сканоптикс и Бауш энд Ломб — предложили использовать схему перископа для переднего обзора. Из этих фирм были отобраны Сканоптикс и Бауш энд Ломб. получившие контракты на разработку и испытания перископов на самолете Рипаблик F-84G «Тандерджет» (бортовой номер 51-843).
Всего было выполнено почти 200 полетов, в результате чего проект фирмы Бауш энд Ломб получил наивысшую оценку. В конструкцию перископа входил объектив с линзой диаметром 152 мм, который должен был располагаться под прозрачным обтекателем в носовой части фюзеляжа самолета XF-103. С помощью перископа обеспечивался угол обзора в горизонтальной плоскости 108°, вверх — 12° и вниз — 18°. В дальнейшем предполагалось рядом с перископом расположить телекамеру, тепловые датчики и РЛС.
В октябре 1955 г. самолет F-84G совершил перелет с авиабазы Эдвардс (штат Калифорния) на завод фирмы Рипаблик в Фармингдейле (штат Нью-Йорк), т.е. пересек всю территорию США с запада на восток. Перелет продолжался 7 ч с четырьмя промежуточными посадками. В этом полете удалось в достаточно полном объеме проверить работу перископа на всех режимах, включая взлетно-посадочные. Перелет, однако, вызвал волну критики, которая сводилась к тому, что самолет F-84G слишком прост в управлении и любой мало-мальски подготовленный летчик сможет его пилотировать с помощью перископа.
Поэтому фирма Рипаблик предложила использовать систему перископа на более совершенном самолете RF-84F «Тандерфлэш», который имел стреловидное крыло, был более скоростным, а боковые наплывы на воздухозаборниках обеспечивали боковой обзор, близкий к обзору из кабины перехватчика XF-103. Но это предложение так и не было реализовано.
Если процесс разработки системы перископа шел в значительной степени по плану, то система аварийного покидания самолета испытывала определенные проблемы. С самого начала разработки перехватчика было решено размещать летчика в катапультируемой капсуле, так как катапультирование летчика из кабины по обычной схеме было невозможно из-за высоких чисел Маха и динамических нагрузок. Рассматривалось несколько схем катапультируемых капсул. В одном варианте предлагалось отстреливать полностью всю носовую секцию фюзеляжа, но перед разработчиками возник целый ряд технических проблем — в частности, появилась необходимость установки выдвижных стабилизирующих поверхностей, что значительно утяжеляло конструкцию и уменьшало внутренний объем. Предлагалось размещать летчика в отдельной небольшой выстреливаемой капсуле-«ракушке», но и от этого варианта отказались, так как значительно ограничивались движения летчика при управлении перехватчиком, а при катапультировании возникало неприемлемое сопротивление.
Решение лежало где-то посередине: полностью катапультируемая вверх кабина. Но при этом было необходимо сделать кабину в виде отдельной капсулы и разместить её внутри фюзеляжа, что приводило к увеличению массы конструкции. Кроме того, пришлось бы слишком миниатюризировать приборную доску для размещения ее внутри капсулы. Это предложение, хотя и рассматривалось достаточно внимательно, также не прошло.
Окончательно решили использовать капсулу, которая катапультировалась вниз. В этом варианте органы управления силовой установкой и все переключатели на приборной доске находились в пределах досягаемости рук летчика. Перед катапультированием выдвигался защитный обтекатель, который герметично изолировал летчика от органов управления и приборной доски. Капсула отстреливалась вниз, при этом ни приборная доска, ни перископ не создавали препятствий. После катапультирования из задней части капсулы выдвигались две телескопические штанги с небольшими стабилизаторами, обеспечивающие ее устойчивость.
Вообще говоря, сама проблема обеспечения устойчивости капсулы в полете представляла сложную задачу. Испытания в аэродинамических трубах и сбросы макетов капсулы с самолетов должны были помочь в выборе параметров штанг и стабилизаторов. Обеспечить устойчивость капсулы во всем диапазоне чисел Маха оказалось неимоверно трудно. После сбросов капсул с бомбардировщика Боинг В-47 пустынная равнина вокруг авиабазы Эдварде была усеяна обломками разбившихся капсул. Отсутствие прогресса в создании катапультируемой капсулы тормозило проектирование передней части фюзеляжа перехватчика. Разработчики прилагали огромные усилия для решения поставленной задачи, и в конце 1956 г. их ждал первый успех: была получена конфигурация стабилизаторов, которые обеспечивали устойчивость капсулы. На конце каждой из телескопических штанг был установлен стабилизатор с углом наклона вниз и наружу вбок относительно продольной оси штанги. Кроме того, стабилизаторы имели небольшую кривизну и при нахождении капсулы на борту самолета образовывали часть обшивки фюзеляжа. При этом достигалась экономия в массе конструкции.
Естественно, конструкторы пытались добиться минимальных нагрузок на летчика в момент отделения капсулы от самолета. Поэтому особое внимание уделялось траектории движения капсулы в процессе катапультирования. В одном из вариантов предлагалось с помощью четырехзвенника выводить ее вниз и назад за обводы фюзеляжа, а по другому варианту предусматривались наклонные рельсовые направляющие, обеспечивающие тот же результат. Вертикальные направляющие приводили к очень высоким перегрузкам при отделении капсулы. В окончательном варианте была принята схема с вертикальными направляющими, концевые части которых были отогнуты назад. Вертикальный участок направляющих использовался для обеспечения посадки летчика в кабину на земле: капсула выдвигалась вниз, летчик заходил в нее, после чего капсула втягивалась внутрь фюзеляжа.
Когда капсула находится внутри самолета, то органы управления самолетом, размещенные в капсуле, стыкуются с тягами, расположенными в фюзеляже, с помощью конических разъемов-замков.
Вернемся снова в март 1953 г. После технического анализа построенного макета предполагалось, что фирма Рипаблик перейдет ко второму этапу программы — непосредственному проектированию самолета. Но руководство компании решило отложить этот этап на конец 1954 г. и продлить первый этап на 18 месяцев и представило так называемую «Программу расширенных исследований по первому этапу». Было названо несколько причин, побудивших принять такое решение. Во-первых, необходимо было провести дополнительные исследования в области титановых технологий, в частности, процессов изготовления деталей из титана. Во-вторых, требовалось изучить поведение гидравлической системы в условиях сильного нагрева планера в полете. Далее предполагалось внести доработки в систему жизнеобеспечения летчика. Не были окончательно решены вопросы управления режимами работы силовой установки. Наконец, все еще продолжались дискуссии относительно системы обзора через перископ и конструкции катапультируемой капсулы.
Первое серьезное изменение в конструкцию перехватчика XF-103, внесенное в течение дополнительного периода исследований, касалось сопла двигателя. Квадратное сопло превратили в круглое осесимметричное. Сделано это было, в основном, по причине уменьшения массы конструкции, так как известно, что при заданных размерах круглое сопло требует меньше материалов, чем квадратное. В результате воздушные тормоза, находившиеся на боковых стенках квадратного сопла, разместились на фюзеляже сразу же перед регулируемыми створками сопла. Для улучшения путевой устойчивости размеры вертикального оперения (размах и площадь) были несколько увеличены.
Второй этап программы начался в конце 1954 г. Вплоть до января 1957 г., когда была проведена техническая инспекция проекта, продолжалось решение различных проблем, причем над конструктивным их решением преобладали политические аспекты.
Облик перехватчика XF-103 после января 1957 г. отразил все изменения как с технической точки зрения, так и боевого применения, вносившиеся с самого начала разработки. Передняя секция фюзеляжа была удлинена на 1,5 м, что позволило увеличить емкость топливных баков, использовать управляемые ракеты класса воздух-воздух с ядерной или обычной боеголовкой и усовершенствованной системой управления пуском, а также увеличить размеры отсека под носовым обтекателем для установки РЛС с антенной диаметром 1,03 м и дальностью обнаружения цели 160 км. Результатом этого стало увеличение длины фюзеляжа до 24,96 м.
Процесс проектирования всегда сопровождается увеличением взлетной массы самолета и, соответственно, его размеров. Так и в случае с перехватчиком рост массы заставил увеличить размах крыла до 10,91 м (но при сохранении его площади) и высоту вертикального оперения до 5,55 м.
В конце 1958 г. фирма Рипаблик предполагала приступить к наземным испытаниям самолета, а в начале 1960 г. планировалось поднять его в воздух.
Через восемь месяцев после полета первого опытного самолета XF-103 должны были начаться испытания второго. Третий самолет предполагалось оснастить штатным электронным комплексом для отработки системы управления огнем.
В январе 1957 г. во время заседания инспекционной комиссии фирма Рипаблик предложила построить специализированный демонстрационный самолет и провести на нем программу скоростных полетов на большой высоте независимо от программы разработки перехватчика XF-103. Это предложение должно было оказать поддержку разработке боевого самолета, так как с начала его создания прошло уже шесть лет, в нее было вложено 100 млн. долл., а самолет до сих пор так и не взлетел.
Демонстрационный самолет должен был отличаться от перехватчика. Например, в отсеках, предназначенных для размещения управляемых ракет, планировалось разместить топливные баки, в результате чего запас топлива мог возрасти с 8525 до 10 340 л. Можно было обойтись и без такой модификации, так как и с подкрыльными топливными баками увеличенной емкости (2270 вместо 1210 л) можно было добиться поставленных целей. Кстати, идея размещения дополнительного топлива в двух задних отсеках для ракет на перехватчике XF-103 позволяла увеличить его запас до 9840 л.
Интересно, что на демонстрационном самолете предполагалось получить более высокие летные характеристики, чем на боевой машине. Фирма Рипаблик сообщала, что на высоте 24 385 м скорость будет соответствовать числу М=3,7, а на высоте 22 680 м — числу М=3,63. Расчетная скороподъемность на уровне моря составляла 203 м/с при работе двигателя на режиме ТРД, а на высоте 15 240 м на режиме ПВРД скороподъемность возрастала до 380 м/с.
При использовании обычного авиационного керосина JP-4 боевой радиус при крейсерском числе М=3 оценивался в 1020 км, а при М=2 — 1390 км. При использовании высокоэффективного «химического» топлива (одновременно и более коррозионного) значения боевого радиуса могли возрасти, соответственно, до 1300 и 1520 км. Некоторые оптимисты даже полагали, что применение «химического» топлива позволит даже с ТРД выйти на числа Маха около 5.
Однако летом 1957 г. произошло важное событие: оказалось, что двигатель YJ67-W-3 никак не может выйти на свои расчетные параметры. Поэтому фирма Рипаблик решила заменить двигатель на серийных самолетах, а ТРД YJ67 использовать только в качестве промежуточной силовой установки.
В качестве основного двигателя рассматривались усовершенствованный вариант двигателя J67, двигатель Пратт-Уитни J75 и канадский ТРД Авро Канада «Оренда Ирокез». Причем последний считался основным кандидатом, так как имел без форсажа тягу 9980 кгс. т.е. такую, какую хотели получить на двигателе J67 на форсажном режиме. Кроме того, размещение ТРД «Оренда Ирокез» на самолете XF-103 не требовало значительных изменений в конструкции; нужно было только незначительно доработать внутренний воздушный канал и усилить узлы крепления двигателя.
Ранее уже говорилось, что двигатель J67 представлял собой «американизированный» ТРД «Олимп», созданный английской фирмой Бристоль. Процесс «американизации» вызвал определенные трудности, о которых фирма Рипаблик практически никогда не узнавала. Главная проблема заключалась в том, что никак не могли получить требуемую тягу.
Но несмотря на это, стендовая отработка двухрежимного ТРД J67 прошла успешно и подтвердила основную идею.
Переход с режима ТРД на режим ПВРД выполнялся без проблем. Для смены режимов требовалось всего 7 с.
Аэродинамика самолета XF-103 была в первом приближении определена на начальном этапе программы, но затем стала меняться по мере ее выполнения и изменений в подходе к боевому применению и общему облику самолета. Еще на предварительном этапе аэродинамик Ричард Уайткомб (получивший позднее известность предложением устанавливать на концах крыла транспортных самолетов вертикальных аэродинамических поверхностей с целью снижения индуктивного сопротивления) из научно-исследовательского центра им. Лэнгли указал на очевидность использования «правила площадей» на самолете XF-103. Фирма Рипаблик внимательно отнеслась к этому предложению и посчитала его своевременным. Испытания модели в аэродинамической трубе при числах Маха больше 1 сразу показали снижение вредного сопротивления. Большое удлинение фюзеляжа (около 19) в сочетании с тонкими крылом и поверхностями оперения закладывали основу для благоприятного распределения поперечных сечений.
Пока фирма Рипаблик проводила серию испытаний моделей своего перехватчика в трансзвуковой трубе НИЦ им. Лэнгли, здесь же фирма Конвэр испытывала модель истребителя F-102 в исходной конфигурации. Один из инженеров подслушал разговор специалистов Конвэра и рассказал, что они испытывают серьезные проблемы в связи с ростом вредного сопротивления на сверхзвуковых режимах и для устранения этого явления собираются применить поджатие фюзеляжа в хвостовой части (т.е. использовать «правило площадей»). На Рипаблике тотчас провели необходимые расчеты и решили также в хвостовой части фюзеляжа применить такое же конструктивное решение.
Испытания модели XF-103 выявили интересную особенность при увеличении числа Маха до 2,5–3. При числе М=3 угол наклона поляры крыла существенно уменьшался. Но так как фюзеляж благодаря форме нижней поверхности создавал примерно 22% подъемной силы на сверхзвуке, то происходила компенсация в потере подъемной силы крыла, т.е. крыло как бы разгружалось. Этот эффект специально используется на некоторых современных истребителях при полетах на больших углах атаки.
Расчеты и испытания моделей в трубах показали, что перехватчик обладает хорошей продольной устойчивостью. До числа М=2,2 сохраняется достаточно хорошая путевая устойчивость при углах атаки 8–12°, когда вертикальное оперение затеняется крылом. Большинство современных самолетов не выходят на такие углы атаки при больших сверхзвуковых скоростях, но для XF-103 условия боевого применения требовали полета на таком режиме. Дополнительная устойчивость обеспечивалась большим складывающимся подфюзеляжным килем.
Фирма также провела исследования альтернативных вариантов, так как при посадке был риск, что подфюзеляжный киль заденет ВПП, а кроме того этот киль усложнял конструкцию. Один из вариантов предусматривал установку на верхней поверхности хвостовой части фюзеляжа двух длинных и узких гребней, которые на малых углах атаки обеспечивали устойчивость, но при их увеличении практически полностью теряли свои свойства.
Для дальнейшего повышения устойчивости была разработана система автоматического увеличения устойчивости, которая обеспечивала координированные развороты и минимизировала инерциальные и аэродинамические силы.
Ранее уже говорилось, что основным материалом для перехватчика XF-103 фирма Рипаблик выбрала титан, хотя и предусматривалось использование и обычных материалов.
Так как на сверхзвуке внешняя поверхность самолета подвергалась значительному нагреву, а также высоким динамическим нагрузкам, то необходимо было обеспечить такое крепление крыла и фюзеляжа, которое обладало бы определенной гибкостью для сохранения формы узлов крепления. Крыло крепилось к фюзеляжу с помощью четырех пальцев, расположенных попарно на переднем и заднем лонжеронах. Эти пальцы соединены со сферическими узлами на шпангоутах фюзеляжа, что обеспечивало поворот крыла вокруг этих пальцев (вертикальный срез). Усилия среза вдоль хорды передавались с обшивки крыла на обшивку фюзеляжа с помощью шарниров типа «рояльной петли», проложенных вдоль верхней и нижней поверхностей кессона крыла в тех местах, где каждая панель обшивки стыкуется с фюзеляжем. Перемещения, параллельные обшивке фюзеляжа и перпендикулярные «рояльным петлям», обеспечивались благодаря щелям в шарнирах. Оригинальность узлов крепления упрощала конструкцию, а отсутствие подкрепляющих элементов давало экономию в массе конструкции.
Широкое применение титана потребовало разработки соответствующих технологических процессов, учитывающих специфику этого материала. Были разработаны методы горячей и холодной обработки титана. Самой первой деталью, изготовленной из титана, было оперение, которое использовалось в качестве опытного образца.
Так как XF-103 должен был летать на высотах, недоступных для других самолетов, то рассматривался вопрос о степени нагрева обшивки солнечными лучами. Тщательный анализ показал, что солнечный нагрев будет ничтожно малым. Гораздо более серьезной проблемой оказался динамический нагрев, что заставило продумать систему отвода тепла от обшивки самолета. Исследования и эксперименты выявили, что обшивка самолета на самом деле является наименее нагретой частью планера, за исключением носков крыла и поверхностей оперения.
Срок службы летательного аппарата определяется, обычно, усталостным ресурсом. Но если для любого самолета того времени усталостный ресурс подразумевал число циклических нагрузок, которым подвергался самолет (например, число посадок), то для XF-103 появлялись новые типы нагрузок, в частности, нагрузки от теплового нагрева. Поэтому срок службы планера был определен в 4000 летных часов, из которых 10% приходилось на полет при максимальном нагреве. Исходя из этого, продолжительность выполнения боевого задания, во время которого достигалось максимальное число Маха, не должна была превышать 2 ч.
Многие бортовые системы XF-103 были такими же оригинальными, как и сам самолет. Гидравлическая система управления имела регуляторы натяжения тросов с целью исключения их провисания при нагреве и деформациях фюзеляжа. Гидравлические магистрали проходили непосредственно по внутренней поверхности панелей обшивки. Это позволяло легко обнаружить утечку жидкости; для осмотра гидросистемы не требовались многочисленные лючки, необходимо было только снять всю панель обшивки.
Особое внимание фирма Рипаблик уделила теплоизоляции и системе кондиционирования. Были тщательно заизолированы все воздушные магистрали силовой установки, кабина экипажа и отсеки с оборудованием. В их конструкции была применена изоляция толщиной 50 мм. Находившийся над секцией ПВРД тормозной парашют также имел изолированный отсек. Надо отметить, что определенные трудности в изоляции отсеков были связаны с тем, что Рипаблик была вынуждена разработать компактную конструкцию фюзеляжа, где особо нельзя было разгуляться. Тем более, что максимальный диаметр фюзеляжа был равен всего 1,32 м.
Основные опоры шасси убирались назад в фюзеляж в отсеки, расположенные по бокам хвостовой секции. При проектировании передней опоры и выборе ее расположения попытались свести к минимуму попадание посторонних предметов в воздухозаборник. С этой целью опору расположили непосредственно перед воздухозаборником так, чтобы её спаренные колеса находились ниже уровня передней кромки воздухозаборника. Колеса имели грязеотражающие щитки. Чтобы при уборке и выпуске шасси в двигатель не попадали камни и другие твердые предметы, имелся подвижной защитный экран перед входом в ТРД. Была даже разработана система отсоса вихрей, которые могли бы привести к засасыванию в двигатель разных предметов с поверхности ВПП во время наземной гонки двигателя.
…Вернемся снова на завод фирмы Рипаблик, где шла подготовка к постройке опытного перехватчика. В 1957 г. после серии инспекционных проверок со стороны заказчика приступила непосредственно к воплощению идеи в металл. В середине августа 1957 г. было почти закончено изготовление силовой конструкции передней и хвостовой секций фюзеляжа и шла подготовка к их стыковке и установке панелей обшивки. Закончили сборку крыла, оставалось только покрыть его обшивкой. Хвостовое оперение, как уже говорилось, было изготовлено раньше других деталей планера. На Рипаблике готовились выкатить первый XF-103 из сборочного цеха в феврале 1958 г. И в этот момент, после таких физических и финансовых затрат, программу перехватчика XF-103 была прекращена.
В начале статьи упоминалась небольшая заметка в газете «Дейли Ньюс», где говорилось о прекращении разработки «суперистребителя». Чуть позднее ВВС сообщили, что свертывание программы XF-103 было вызвано бюджетными ограничениями, а также появлением других летательных аппаратов, которые могли обеспечить такие же данные. Только силовая установка оставалась наиболее засекреченной частью самолета.
Со времени разработки комбинированного турбо-прямоточного двигателя прошло не так много времени, и появились обычные ТРД, обеспечившие достижение скоростей, на которых должен был летать XF-103. Уже в середине 60-х годов был создан двигатель Пратт-Уитни J58, рассчитанный на числа Маха от 2,2 до 2,5. Этот двигатель предназначался для сверхзвукового истребителя Локхид А-11 (YF-12A). Фирма Дженерал Электрик создала двигатель YJ93, применявшийся на сверхзвуковом бомбардировщике ХВ-70 «Валькирия», способном достигать числа М=3. В СССР в ОКБ Туманского для истребителя МиГ-25 был создан двигатель Р-15.
В конструкции этих двигателей были использованы новые сплавы, охлаждаемые лопатки и другие новшества, которые не только повысили эффективность двигателя, но и существенно увеличили его срок службы. Вспомните, что эксплуатационные возможности самолета XF-103 были лимитированы параметрами силовой установки.
Но за аннулированием программы XF-103 стояли не только технические проблемы. Программа самолета, не вышедшая за стадию экспериментов и исследований, попала под юрисдикцию научно-исследовательского командования ВВС США (ARDC — Air Research and Development Command). А всю ответственность хотело получить материальное командование АМС (Air Material Command), главным образом потому, что предстояли особо сложные работы, связанные с изготовлением титановых узлов конструкции. Руководство АМС не хотело пускать перехватчик в серию без своей санкции, и поэтому генералы от технологии выступали против самолета.
К 1957 г. некоторые лица в Пентагоне вынашивали идею новой системы ПВО северо-американского континента, в состав которой должен был входить новый перехватчик, лучше приспособленный для изменившейся ситуации. Предусматривалось, что в северных районах Канады будет развернута сеть радиолокационных станций системы предупреждения о воздушном нападении DEW (Distant Early Warning), в результате чего система SAGE становилась как бы вторичной. Это требовало увеличения дальности полета XF-103, что было оговорено для окончательной его конфигурации.
Но появились ракеты-перехватчики «Бомарк», способные нести ядерный заряд и перехватывать цели на большом расстоянии. Позиции ракет «Бомарк» были размешены на территории Канады. Потребность в пилотируемом XF-103 отпала. Фирма Рипаблик выступила с предложением создания разведывательного варианта перехватчика, но ВВС решили, что сверхскоростной самолет не нужен, а нужно делать разведчик с большой дальностью полета. Появился известный Локхид U-2, хотя позднее все-таки вернулись к идее сверхзвукового разведчика в лице SR-71.
Завершение работ по перехватчику XF-103 в какой-то мере расчистило дорогу программе истребителя F-105. Макет перехватчика некоторое время хранился в ангаре на заводе фирмы
Рипаблик в Риверхеде (штат Лонг-Айленд), а затем его переправили на завод фирмы Грумман, где и разобрали.
Но опыт разработки XF-103 не пропал, многие конструктивные решения нашли применение в других самолетах. Например, кессон крыла палубного истребителя Грумман F-14 «Томкэт» изготовлен из того же титанового сплава 4908, который предлагалось внедрить на XF-103. Не удивительно, что после завершения работ по самолетам XF-103 и F-105 многие специалисты фирмы Рипаблик перебрались на фирму Грумман, тем более что обе компании были соседями.
Не был забыт опыт фирмы Хьюз. создававшей для перехватчика ракеты и систему управления вооружением. Он пригодился при разработке ракеты AIM-47А для перехватчика Локхид YF-12A, а также ракеты AIM-54A «Феникс» для самолетов Дженерал Дайнэмикс F-111 и Грумман F-14. Спасаемая кабина экипажа была воплощена на самолетах ХВ-70, F-111 и В-1. Силовая установка XF-103 была прообразом современных двигателей с изменяемым циклом работы, и кое-какие идеи обрели вторую жизнь.
источник: Виктор Беляев «Титановое чудо фирмы Рипаблик» // Авиация и Космонавтика 09-1998
