"Авиация и космонавтика 2000 09" - читать интересную книгу автора

СВЕРХМАНЕВРЕННОСТЬ САМОЛЕТОВ

Техника и тактика неразрывно взаимосвязаны. Развитие авиационной техники неизбежно ведет к развитию тактики воздушного боя, а развитие тактики стимулирует создание новых самолетов. Об этом свидетельствует история развития воздушного боя со времен Первой мировой войны и до наших дней.

В воздушном бою с использованием ракет "воздух-воздух" большой и средней дальности (РБД и РСД) истребителю вовсе не нужна высокая маневренность, даже если атакуемый выполняет энергичные оборонительные маневры.

Опыт локальных войн и военных конфликтов второй половины XX столетия показал, что в воздушных боях возможно возникновение таких ситуаций, в которых использование РБД и РСД невозможно. Тогда становится неизбежным ближний маневренный воздушный бой с использованием ракет малой дальности (РМД) и стрелково-пушечного вооружения.

В процессе длительного маневрирования, когда действует правило "кто кого", оружием становится и аэродинамика самолета. Так, если раньше по соображениям безопасности категорически запрещалось выходить на срыв- ные режимы, то в вооруженном конфликте между Сирией и Израилем в 1973 г. летчики часто прибегали к резким маневрам самолетов, порой на грани срыва. Эти воздушные бои показали необходимость снятия ограничений по выходу на срывные режимы полета. Более того, встал вопрос: как сделать управляемым полет на этих режимах? В середине 1970-х годов широкое распространение получила концепция создания "сверхманевренного" самолета.

Маневренностью самолета называется его способность изменять свое положение в пространстве путем изменения вектора скорости по величине или направлению, либо одновременно и по величине и по направлению. Чем быстрее изменяется вектор скорости самолета, тем выше его маневренность. Для характеристики маневренности самолета используются как частные, так и общие показатели маневренности.

К частным показателям относятся угловые скорости и радиусы кривизны элементов маневров (фигур пилотажа), время выполнения маневра (фигуры). Но для характеристики маневренности самолетов классической аэродинамической схемы более приемлемы общие показатели маневренности – перегрузки. Максимальные маневренные возможности таких самолетов определяются располагаемой нормальной перегрузкой, которая, в свою очередь, зависит от высоты и скорости полета. При превышении этой перегрузки возникает опасность сваливания самолета с последующим переходом в штопор. Располагаемой нормальной перегрузке соответствуют максимальные угловые скорости и минимальные радиусы траекторий в плоскости маневра.

Опыт локальных войн показал, что маневрирование даже с выходом на срывные режимы полета не всегда давало желаемый результат. Причина – истребители третьего поколения уже вобрали все резервы "поворотливости". Стало ясно, что для победы в маневренном воздушном бою истребитель должен не только обладать большой "поворотливостью", но и не сваливаться на закритических углах атаки. Возникла проблема обеспечения не только устойчивости, но и управляемости самолета на этих углах атаки. Появился новый термин – "сверхманевренность", под которым понимался управляемый полет на закритических углах атаки.

Такое толкование "сверхманевренности" недостаточно полно отражает существо дела, поскольку не учитывает соотношения с маневренностью самолета на докритических углах атаки. Сверхманевренным можно назвать такой самолет, у которого на режимах полета одинаковых с обычным маневренным самолетом скорости изменения траекторных углов (углов пути ? и наклона траектории Q), т.е. траекторные угловые скорости ("поворотливость") больше, чем у последнего, и который способен выполнять управляемый полет на закритических углах атаки.

Совместные работы ОКБ А.И.Микояна, ОКБ П.О.Сухого с ЦАГИ в этом направлении начались еще в 1969 году. Были открыты новые возможности значительного увеличения несущих свойств самолета при достаточно малом приращении сопротивления. Это новое направление, разработанное в ЦАГИ, основывалось на рациональном использовании специально индуцированных вихрей на верхней поверхности крыла, которые генерировались заостренными наплывами в его корневой части. Важным фактором явилось применение автоматически отклоняемых носков крыла, угол отклонения которых постоянно увеличивался с возрастанием угла атаки и, наконец, появилась "уплощенная" форма фюзеляжа, что увеличивало его вклад в подъемную силу (до 40%) и уменьшало дестабилизирующее влияние на путевую устойчивость. Аэродинамическая компоновка носила интегральный характер в сочетании крыла с фюзеляжем посредством зализов большого диаметра. Иллюстрацией к сказанному служит рисунок, на котором сопоставлены схемы самолетов МиГ-29 и Су-27.

В октябре 1977 г летчик-испытатель Федотов А.В. совершил первый полет на опытном маневренном истребителе, будущем МиГ-29. На вооружение МиГ- 29 стал поступать в 1983 г. На международной авиационной выставке в Фарнборо (Англия) в сентябре 1988 г. летчик-испытатель А.Н. Квочур впервые продемонстрировал на этом самолете фигуру "колокол" (взмывание вверх с торможением и последующим движением на хвост).

Большие успехи в создании сверхманевренного самолета были достигнуты в ОКБ П.О.Сухого, в котором создавался самолет Су-27. С 1976 г. работы по этому самолету велись под руководством главного (ныне Генерального) конструктора М.П.Симонова, а с 1980 г. под руководством главного конструктора Кнышева А.И.

Первый самолет этого типа Т-10-1 был по сути "летающей платформой" – базой для создания сверхманевренных самолетов интегральной схемы. При соединении крыла с фюзеляжем по интегральной схеме увеличиваются внутренние объемы, что выгодно с точки зрения размещения топлива, оборудования и вооружения. Фюзеляж и крыло объединяются в одно целое – фюзеляж становится несущим, то есть создает значительную подъемную силу. Это позволяет уменьшить вес конструкции самолета, в частности, крыла. На этом самолете кроме "уплощения" фюзеляжа и интегральной схемы его сочленения с крылом было применено автоматическое отклонение носков крыла.

Принципиально новым в облике сверхманевренного самолета явилась продольная статическая неустойчивость на дозвуковых скоростях полета. Неустойчивый по перегрузке самолет имеет одно существенное преимущество перед устойчивым: для его балансировки требуется на горизонтальном оперении создать подъемную силу, направленную в ту же сторону, что и подъемная сила крыла. Вследствие этого отклонение управляемого стабилизатора для балансировки будет приводить к увеличению подъемной силы самолета. Чтобы управлять неустойчивым по перегрузке самолетом применяются различные автоматические устройства, обеспечивающие желаемую устойчивость и динамические свойства самолета. В такой компоновке значительно увеличивалось аэродинамическое качество и несущие свойства в результате обеспечения продольной балансировки средствами автоматики. При этом была решена проблема обеспечения устойчивости и управляемости путем применения системы улучшения устойчивости и управляемости (СУУ) в составе электродистанционной системы управления (ЭДСУ). Исследовательские полеты на Т-10-1 показали принципиальную возможность выхода на закритические углы атаки.

Следующим шагом в развитии сверхманевренных самолетов было создание Т-10-С, у которого с предыдущим Т-10-1 не было ничего общего, кроме кресла К-36. На самолете Су-27 в июне 1989 года на авиасалоне в Ле- Бурже летчик-испытатель Виктор Пугачев продемонстрировал новую фигуру пилотажа – "Кобру" (динамическое торможение): в горизонтальном полете самолет энергично задрал нос, не изменяя направления полета, увеличил угол атаки до 120° – как бы лег на спину, какое-то мгновение пролетел хвостом вперед, а затем быстро возвратился в горизонтальное положение. "Кобра Пугачева" – так окрестили эту фигуру журналисты, аккредитованные на авиасалоне.

Допустимый угол атаки самолета Су-27 составляет 26 градусов. Почему же, вопреки законам классической аэродинамики, самолет не сваливается на закритических углах атаки, скажем при выполнении той же "Кобры "?

Начнем с того, что при увеличении угла атаки до критического значения возрастают коэффициенты подъемной силы и лобового сопротивления. Увеличивается и проекция силы тяги двигателей на местную вертикаль. При этом уменьшается проекция подъемной силы на местную вертикаль. А при угле атаки, равном 90°, подъемная сила действует в направлении, обратном скорости горизонтального полета, т. е. превращается в силу лобового сопротивления. Сила тяги двигателей в этот момент уравновешивает силу тяжести самолета. По мере роста угла атаки более 90° проекция подъемной силы на вертикаль совпадает по направлению с силой тяжести самолета, а вертикальная составляющая силы тяги двигателей удерживает самолет от падения на хвост. Специалисты говорят, что самолет "висит на струе газов, выходящих из двигателей". По мере увеличения угла атаки более 90° вертикальная составляющая тяги двигателей уменьшается пропорционально синусу угла атаки, а вертикальная составляющая подъемной силы совпадает по направлению с вектором силы тяжести. При углах атаки более 120" вертикальная составляющая силы тяги двигателей самолета Су-27 становится меньше суммы двух сил, действующих по направлению силы тяжести. Этим ограничен угол атаки 120°. Увеличение этого угла грозит падением самолета "на спину". На закритических углах атаки неизбежны срывы воздушного потока с несущих поверхностей. Здесь уже действуют законы нестационарной аэродинамики: аэродинамические силы и моменты зависят не только от углов атаки и скольжения, но и от скорости их изменения. При нестационарном обтекании нарушается боковая балансировка самолета и возникает опасность его сваливания на крыло с последующим переходом в штопор. Однако инертность истребителя, небольшая продолжительность "Кобры" (около 10 секунд) и упреждающие действия летчика рулями позволяют избежать этого.

В настоящее время "Кобра " не может быть боевым маневром. Дело в том, что допустимый угол атаки самолета Су-27 составляет 26° и, перед тем как выйти на "Кобру", летчик должен отключить систему ограничения углов атаки. Конечно, это серьезная угроза безопасности полетов. Поэтому "Кобра Пугачева" – пока что фигура пилотажа, которая эффектно смотрятся на авиашоу, но назвать ее эффективным боевым маневром весьма затруднительно. Тем не менее, выполнение "Кобры" показало принципиальную возможность удержать самолет от сваливания на закритических углах атаки.

Чтобы увеличить угол атаки более 120°, нужно увеличить вертикальную составляющую тяги двигателей. Этого можно достичь либо за счет увеличения тяги двигателей, либо за счет отклонения вектора тяги в направлении оси подъемной силы. Первый путь ведет к утяжелению двигателя и самолета в целом. Поэтому в ОКБ им. П.О. Сухого был избран второй путь. Под руководством главного конструктора Конохова B.C. был создан самолет Су- 37. Прототипом самолета Су-37 является серийный истребитель Су-27 и его глубокая модификация – Су-35.

В ходе испытаний на Су-35 были выполнены такие сверхманевры, как "Кобра", "Хук", "Колокол", связанные с выходом на околонулевые скорости и большие углы атаки. Управление самолетом на околонулевых скоростях практически невозможно из-за недостаточной эффективности аэродинамических органов управления. Летчик на этих режимах полета не может ни влиять на скорость изменения пространственного положения самолета, ни удержать его на больших углах атаки независимо от того, успел ли бортовой локатор захватить цель и ракета сойти с пускового устройства. Стремление улучшить управляемость самолета на околонулевых скоростях привело к воплощению идеи изменения в полете направления тяги двигателей, которое позволяет выполнять управляемые фигуры пилотажа практически на нулевой и даже отрицательной скорости полета без ограничений по углу атаки. Даже штопор на этом самолете – управляемый маневр, а не опасный режим.

Отклоняемые сопла на Су-37

Принципиальным отличием самолета Су-37 от всех предыдущих самолетов семейства Су является отклоняемый вектор тяги (ОВТ) двигателей. Балансировка самолета относительно трех осей при малых скоростях полета на больших углах атаки обеспечивается применением ОВТ и новых органов управления. расположенных как позади центра тяжести самолета, так и впереди его. За счет этих органов может быть обеспечен также более высокий уровень поворотливости истребителя (максимальных угловых скоростей тангажа и рыскания).

На Су-37 можно выполнять фигуры пилотажа, свойственные только этому типу самолета. Например, "Чакру" (чакра – древнее оружие в Индии – металлическое кольцо с режущей кромкой), которая названа именем летчика-испытателя Евгения Фролова. При выполнении этой фигуры самолет с набором высоты уменьшает скорость (как при выполнении фигуры "Колокол") и из этого положения делает "мертвую петлю" на очень малых скоростях полета, практически разворачиваясь вокруг своего хвоста!

Угловую скорость разворота в вертикальной плоскости можно увеличить либо за счет увеличения нормальной перегрузки, либо за счет уменьшения скорости полета, либо одновременно и того, и другого. Увеличить перегрузку можно за счет увеличения вертикальной составляющей силы тяги двигателей, отклоняя век

тор тяги в плоскости симметрии самолета в сторону оси подъемной силы. Чем больше угол отклонения вектора тяги, тем больше сила, искривляющая траекторию полета самолета. Однако с увеличением угла отклонения вектора силы тяги не только увеличивается вертикальная составляющая этой силы, но и уменьшается ее продольная составляющая. Поэтому уменьшается скорость полета и суммарная сила, искривляющая траекторию. Вследствие этого радиус разворота самолета в вертикальной плоскости уменьшается, а угловая скорость – увеличивается. Когда угол тангажа возрастет настолько, что сумма подъемной силы и проекции силы тяги на ось подъемной силы станет больше проекции силы тяжести на ось подъемной силы, траектория самолета начнет искривляться вверх. В верхней точке "Чакры", когда самолет находится в положении "вниз головой", траекторию искривляют уже три силы: подъемная, тяжести и вертикальная составляющая силы тяги двигателей. После выполнения "Чакры" самолет возвращается в нормальное положение "головой вверх".

Если Су-27 на "Кобре Пугачева" выходит на угол атаки 120° и возвращается в исходное положение, то Су- 37 при выполнении "Чакры Фролова" изменяет угол атаки на 360". "Кобра" и "Чакра" – не единственные фигуры, выполняемые "Сухими". В арсенале самолетов этого семейства (от Су-27 до Су-37) есть еще "Колокол", "Двойная Чакра", форсированный разворот на "Кобре". Все это элементная база, на которой строится новая "суховская" технология ближнего маневренного воздушного боя.

В начале 1980-х годов в ответ на создание новых ракет "земля-воздух" и "воздух-воздух" возникла идея создания самолета-"невидимки", обнаружение которого наземными и бортовыми радиолокационными станциями было бы затруднено.

Особенно успешно работы в этом направлении проводились в США, завершившиеся созданием по программе "СТЕЛС" самолета F-117A. В операциях против Ирака "Буря в пустыне" (1991г.) и "Лиса в пустыне" (1998г.) США не потеряли ни одного самолета этого типа. Но во время агрессии НАТО против Югославии самолеты-"невидимки" несли потери как от ЗРК, так и от самолетов-истребителей в ближнем воздушном бою. Угловатые формы самолета F-l 17А делают его малозаметным для радаров, но ухудшают его маневренные характеристики настолько, что в маневренном воздушном бою он проигрывает даже самолетам третьего поколения.

Следующим шагом в развитии самолетов-истребителей было создание малозаметных маневренных самолетов 5-го поколения. В США таким самолетом является истребитель фирмы "Локхид Мартин" F-22A "Рэптор" (Орел- могильник), совершивший свой первый полет 7 августа 1997 года. Началу летных испытаний этого самолета предшествовал длительный цикл работ по экспериментальному самолету YF-22, созданному в рамках программы ATF, начатой в 1981г. Создатели самолетов 5-го поколения в США пришли к выводу, что наиболее рациональным крылом тактического истребителя является крыло прямой стреловидности (КПС). Но стреловидное крыло имеет один существенный недостаток: при сравнительно небольших углах атаки на концах стреловидного крыла возникает срыв потока (концевой эффект стреловидного крыла). Дальнейшее увеличение угла атаки при создании перегрузки (при маневрировании) ведет к распространению срыва потока по всему крылу.

Миг-29М подобно Су-37 должен был получить двигатели с У ВТ

С-37

В связи с этим на самолетах со стреловидным крылом на углах атаки меньших, чем критический, возникает опасность сваливания. Этого недостатка лишено крыло обратной стреловидности (КОС) из-за отсутствия концевого эффекта. Следует отметить, что по сравнению с самолетом с крылом прямой стреловидности самолет с КОС имеет значительно большее аэродинамическое качество при маневрировании, лучшую управляемость, особенно на малых скоростях, и малую скорость сваливания. КОС обеспечивает меньшую, чем К ПС, эффективную отражающую поверхность при радиолокационном облучении самолета в переднюю полусферу.

Учитывая эти обстоятельства, в ОКБ им. П.О.Сухого пошли по пути создания малозаметного сверхманевренного истребителя с крылом обратной стреловидности. Идея создания самолета с КОС возникла давно, но не могла быть реализована из-за трудности обеспечения прочности такого крыла. При маневрировании КОС подвергнуто сильным скручивающим нагрузкам. Попытки повышения жесткости традиционной металлической конструкции приводили к недопустимому увеличению веса крыла. Лишь в 1980-х годах, когда появились углепластики, был разработан метод целенаправленной ориентации осей жесткости, компенсирующий рост углов атаки при крутке крыла за счет поворота его сечений.

Первый в мире сверхманевренный самолет с КОС С-37 "Беркут" был создан в ОКБ им. П.О.Сухого. Практически с начала проектирования работы возглавил главный конструктор Михаил Погосян. Ему удалось довести самолет до летного состояния, но в марте 1998 года в связи с назначением на должность директора АВПК "Сухой" Погосян передал "бразды правления" своему заместителю Сергею Короткову.

Самолет С-37 выполнен по схеме "интегральный неустойчивый триплан" со среднерасположенным крылом обратной стреловидности. Его угол стреловидности по передней кромке равен -20 градусам в консольной части и прямой стреловидности в корневой части. Крыло имеет удлинение порядка 4,5 и выполнено почти на 90% из композиционных материалов. Управление по тангажу осуществляется цельноповоротным передним горизонтальным оперением (ПГО) и цельноповоротным основным оперением относительно малой площади.

Известно, что более 70% летчиков плохо переносят длительные перегрузки более четырех единиц даже в про- тивоперегрузочном костюме (ППК). Генеральный конструктор НПО "Звезда" Гай Северин предложил новую концепцию адаптивного катапультного кресла, обеспечивающего летчику возможность ведения маневренного воздушного боя со значительно более высокими, чем на прежних истребителях, перегрузками. Это позволило максимально использовать маневренные преимущества самолета с КОС. Таким образом, если маневренность самолета ограничена физическими возможностями летчика, то адаптивное катапультное кресло позволяет превосходить маневренность самолетов, не оборудованных такими креслами. Это еще одно подтверждение того, что сверхманевренность – это не только управляемый полет на закритических углах атаки, но и маневрирование с перегрузками, превышающими предельные.

25 сентября 1997 г. самолет С-37 "Беркут", пилотируемый летчиком-ис- пытателем Игорем Вотинцевым, совершил первый полет, а в августе 1999г. был представлен на международном авиакосмическом салоне МАКС-99 в г.Жуковском. В настоящее время самолет С-37 проходит заводские испытания и говорить о его возможностях на режиме сверхманевренности еще рано.

Фигуры пилотажа, выполняемые на сверхманевренных самолетах в вертикальной плоскости с выходом на зак- ритические углы атаки, еще не могут быть рекомендованы для использования в воздушном бою. Они могут использоваться в качестве составляющих элементов боевых маневров, выполняемых с интенсивным торможением на закритических углах атаки. При этом самолет выходит на "слепые" скорости сближения, при которых бортовые и наземные РЛС теряют его из виду.

Следует заметить, что одним из недостатков таких маневров является потеря механической энергии, ограничивающая на некоторое время возможности интенсивного маневрирования. В целях уменьшения этого времени могут быть использованы маневры: "переворот, Кобра" и "Полупереворот, Кобра". Еще со Второй мировой войны опыт воздушных боев показывает, что наиболее широкое применение в маневренных воздушных боях находят маневры в горизонтальной и наклонной плоскостях или маневрирование по пространственным траекториям.

Су-30МКИ

Чтобы увеличить "поворотливость" самолета с ОВТ при таком маневрировании, нужно отклонять вектор тяги не только в плоскости симметрии самолета, но и в плоскости, перпендикулярной ей. Особенно наглядно это можно показать на примере виража. Чтобы выполнить вираж (разворот), нужно выдержать строгое соотношение между углом крена и перегрузкой. У обычных маневренных самолетов максимальная угловая скорость в горизонтальной плоскости достигается при располагаемой нормальной перегрузке. Чтобы увеличить эту угловую скорость можно либо увеличить нормальную перегрузку, либо уменьшить скорость полета, либо одновременно сделать и то и другое.

Увеличивать нормальную перегрузку до значений более располагаемой можно за счет увеличения угла атаки вплоть до критического. Увеличивать угол атаки более критического не имеет смысла, поскольку на закритических углах атаки коэффициент подъемной силы (а, следовательно, и подъемная сила) уменьшается и создать перегрузку за счет аэродинамических сил больше той, которая соответствует критическому углу атаки, уже невозможно. Можно пойти по другому пути: увеличить нормальную перегрузку за счет увеличения проекции силы тяги двигателя на ось подъемной силы. В этом случае можно не увеличивать угол атаки более допустимого, что предотвращает опасность сваливания самолета.

Более значительно увеличить скорость разворота самолета в горизонтальной плоскости (увеличить "поворотливость" самолета) можно отклонением тяги двигателя в плоскости, перпендикулярной плоскости симметрии самолета. Тогда проекция силы тяги на продольную ось самолета увеличит силу, искривляющую траекторию в горизонтальной плоскости. Таким способом можно увеличить скорость разворота самолета в горизонтальной плоскости без увеличения нормальной перегрузки.

Увеличивать "поворотливость" самолета можно и за счет уменьшения скорости полета. Но при уменьшении скорости полета уменьшается как располагаемая, так и предельная по тяге нормальная перегрузка. Чтобы при уменьшении скорости полета увеличить нормальную перегрузку, нужно вектор тяги двигателей отклонить в плоскости симметрии самолета в сторону положительного направления оси подъемной силы. Отклонив же вектор тяги еще и в плоскости симметрии в сторону опущенной консоли крыла, можно увеличить "поворотливость" самолета за счет трех факторов: уменьшения скорости, увеличения нормальной перегрузки и увеличения силы, искривляющей траекторию самолета в горизонтальной плоскости.

Изменяя соответствующим образом углы отклонения вектора тяги в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, можно увеличить маневренность ("поворотливость") самолета в любой наклонной плоскости. Отклонение вектора тяги в двух взаимно перпендикулярных плоскостях реализовано на многофункциональных истребителях Су-30МК (МКИ, МКК). Комплекс новых фигур пилотажа, продемонстрированный на этом самолете летчиком- испытателем Аверьяновым В.Ю. на авиасалоне МАКС-99, свидетельствует о том, что "сверхманевренность" уже стала новым направлением в развитии маневренных самолетов.

Создание двигателя с ОВТ АЛ-41 и принятие его в качестве базового для самолетов "Су", несомненно, повысит маневренные возможности этих самолетов любой модификации. Естественно напрашивается вопрос: зачем выполнять сложные и опасные маневры с выходом на закритические углы атаки, если за счет отклонения вектора тяги можно значительно увеличить маневренность самолета без угрозы безопасности полетов.

Маневры с выходом на закритические углы атаки значительно расширяют боевые возможности истребителей, а закритические углы атаки являются "аэродинамическим оружием", вопросы боевого применения которого еще не исследованы.

Полковник в отставке Илья КАЧОРОВСКИЙ, военный летчик 1-го класса.