Приложение I. Ракетные самолеты и ускорители старта
Приложение I. Ракетные самолеты и ускорители старта
История создания ракетного самолета является частью истории развития ракет, а сам ракетный самолет может быть назван побочным продуктом ракетных исследований. Свыше 20 лет тому назад (1928 год) Макс Валье предлагал превратить обычный самолет в ракетный путем простой замены двигателей внутреннего сгорания ракетными. Он утверждал, что в дальнейшем, постепенно совершенствуя двигатели и сокращая площадь несущих поверхностей, можно будет создать из такого самолета пилотируемую космическую ракету. Первые опыты Валье проводились летом 1928 года; они были составной частью экспериментов Опеля по использованию на самолетах ракетных двигателей. Самолет представлял собой планер тогда еще нового типа — «утка». 11 июня 1928 года этот самолет в первый и последний раз поднялся с горы Вассеркуппе в Западной Германии.
Ракетные двигатели для эксперимента были созданы Зандером, самолет предоставлен обществом «Рён-Росситен Гезельшафт», а финансировал все это дело сам Опель. Перед испытанием полноразмерного планера испытывались небольшие его модели. Опытами руководил А. Липпиш, а обязанности пилота этого первого ракетного планера выполнял Фридрих Штамер. Для испытаний Зандер разработал пять типов ракет, три — для моделей планеров и два — для полноразмерного планера.
Естественно, что первые испытания были проведены на моделях. Это были так называемые «бесхвостки» с размахом крыла немногим более 210 см и весом около 13 кг. На первой из них установили одну из мощных ракет с тягой 75 кг. Как и следовало ожидать, крылья и элероны модели оказались для столь мощной ракеты просто помехой; ракета мгновенно подняла модель вертикально вверх, а когда кончилось топливо, модель упала на землю.
В третьем опыте модель, снабженную небольшой ракетой на твердом топливе, запустили с деревянной пусковой направляющей с помощью автоматически сбрасываемого резинового троса. Модель оказалась достаточно устойчивой в воздухе и совершила длительный полет. Четвертое испытание во многом походило на первое. Модель с установленной на ней очень мощной ракетой покинула направляющую, по выражению Липпиша, «как снаряд», и поднялась на высоту около 100 м. Теперь уже было совершенно ясно, что одна ракета достигла бы в десять раз большей высоты; крылья же, встречая огромное сопротивление воздуха, резко снижали эффективность. Достигнув максимальной высоты, модель перевернулась на спину, пролетела так еще несколько секунд, а затем, совершив переворот через крыло, приняла нормальное положение и долго планировала.
В пятом испытании крылья модели не выдержали. Они не были рассчитаны на перегрузки, которые возникают при разгоне до скорости 560 км/час меньше, чем за 3 секунды. Крылья сломались, и модель камнем упала на землю, когда двигатель перестал работать.
Эти опыты позволили сделать определенные выводы относительно возможности установки ракет на планер. Экспериментаторы отказались от ракет с тягой 360 кг, а остановились на двух типах ракет с тягой соответственно 12 и 15 кг. Поскольку пилот мог допустить ошибку, воспламенение ракет осуществлялось электрическим запалом, рассчитанным на последовательное включение ракет. Это была правильная предосторожность. Для запуска планера с земли использовался обычный резиновый трос. Пилот не должен был включать ракеты, пока планер не поднимался в воздух и не освобождался от троса.
Несмотря на все эти приготовления, первые две попытки поднять в воздух планер закончились неудачей: что-то случилось с резиновым тросом, а Штамер включил один из двигателей еще до того, как планер оказался в воздухе. Топливо выгорело, но скорость планера не увеличилась. Во второй раз Штамеру удалось подняться в воздух, но при выравнивании планера он обнаружил какую-то неисправность и сделал посадку, пролетев около 200 м без второго двигателя. Планер был возвращен на стартовую площадку, и второй двигатель был снят. После осмотра системы зажигания на планер установили два ракетных двигателя на твердом топливе с тягой по 20 кг. Расстояние, которое планер пролетел на этот раз, составило около 1,5 км, а весь полет длился немногим более одной минуты.
При следующем полете предполагалось перелететь через небольшую гору. Запуск прошел хорошо, и, когда планер поднялся в воздух, была включена первая ракета. Через 1—2 секунды она с грохотом взорвалась. Горящие куски пороха мгновенно подожгли планер, однако пилот cyмел резким маневром сбить пламя и посадить планер. Сразу после посадки загорелась, но, к счастью, не взорвалась вторая ракета. Планер был почти уничтожен, и потому общество «Рён-Росситен Гезельшафт» отказалось от продолжения опытов. Его руководители, по-видимому, пришли к выводу, что ракеты для этой цели не годятся.
После этого разработкой планера с ракетным двигателем стала заниматься фирма «Рааб-Катценштейн» в Касселе. Она построила бесхвостый самолет, сходный по конструкции с «бесхвосткой» Липпиша, но рассчитанный на одного пилота и, возможно, даже на пассажира. По неизвестным причинам первые полеты закончились неудачно, и фирма также отказалась от опытов. Не сдался один только Опель, который тоже был как-то связан с этим проектом.
Планер Опеля был готов к летным испытаниям 30 сентября 1929 года. Для запуска применялась деревянная направляющая длиной около 21м. Здесь не было ни резинового троса, ни какого-либо другого стартового устройства; взлет осуществлялся только с помощью ракет. Первые два испытания, проведенные ранним утром 30 сентября, не были успешными. Ракетные двигатели не развили достаточной тяги, чтобы оторвать планер от земли; он сделал всего лишь несколько коротких прыжков. После завтрака Опель сделал еще одну попытку, на этот раз удачную. Планер поднялся в воздух и совершил полет продолжительностью около 10 минут; максимальная скорость планера составила 160 км/ час. Но во время посадки загорелись крылья, в результате чего ракетный планер Опеля сильно пострадал и оказался совершенно непригодным для дальнейшего использования. Каким-то чудом Опелю удалось спастись из разрушившегося при посадке планера. На этом и закончились эксперименты Опеля с ракетными планерами.
Три года спустя несколько подобных экспериментов были проведено в Италии. В 1931 году появились сообщения о том, что итальянский инженер Этторе Каттанео провел в Миланском аэропорту испытания ракетного планера-самолета весом 280 кг. Планер Каттанео имел мощные ракеты для взлета и менее мощные для поддержания полета. В одном из полетов планер продержался в воздухе 34 секунды, пролетев расстояние в 1 км.
Само собой разумеется, что ракетные планеры Липпиша, Опеля и Каттанео не были первыми проектами такого рода. История ракетного дела знает много более ранних проектов, не считая упомянутых в главе IV. Среди этих проектов следует прежде всего отметить проект русского инженера Федора Гешвенда[53] из Киева, который мечтал о крылатом железнодорожном вагоне, движущемся с помощью струи пара. Интересен также и проект немецкого изобретателя Вильгельма Гедике, писавшего под псевдонимом «инженер Крассус», который предлагал создать вертолет с многолопастным ротором, приводимым в движение силой струи сжатого воздуха и осветительного газа. Такой же реактивный двигатель, установленный на подвесной кабине, проектировался для движения вертолета вперед. Русский инженер Александр Горохов спроектировал в свое время «летающую торпеду» с тремя реактивными аппаратами, укрепленными по обеим сторонам корпуса: «торпеда» имела очень небольшие крылья, больше походившие на стабилизаторы.
В 1908 году французский изобретатель Рене Лорэн опубликовал в авиационном журнале «Аэрофил» несколько статей о проекте «реактивного» самолета, приводившегося в движение обычным однорядным шестицилиндровым двигателем внутреннего сгорания. Этот двигатель Лорэн предлагал сделать настолько плоским, чтобы он помещался в крыле самолета. Каждый цилиндр этого поршневого двигателя должен был иметь выхлопное сопло. Предполагалось, что самолет будет приводиться в движение серией последовательных выхлопов.
Критики Лорэна признавали, что схема имела ряд преимуществ: не было ни ведущих валов, ни передач, ни пропеллеров, которые в ту пору были весьма ненадежными. Все это, очевидно, способствовало снижению веса двигательной установки. Но вместе с тем схема Лорэна являлась ошибочной.
Лорэн работал в той области техники, где, как он полагал, должно было произойти слияние ракетного дела и аэродинамики, но этого не случилось. Препятствия, мешавшие применению ракетных двигателей в самолетах, сводились в основном к проблеме улучшения общего коэффициента полезного действия, то есть к правильному сочетанию скорости ракеты со скоростью истечения газов из двигателя. В простых ракетах типа «Фау-2» или «Викинг» это почти достигалось в конце периода работы двигателя; поэтому здесь вопрос сводился в основном к общим размерам ракеты. Но при использовании ракетных двигателей в самолетах проблема усложнялась главным образом наличием крыльев, создающих как подъемную силу, так и лобовое сопротивление, и потому существенно снижающих скорость.
В схеме Лорэна мы имеем своего рода реактивный двигатель, использующий энергию быстрой струи выхлопных газов с малой массой. Лорэн не понимал, почему этот двигатель должен уступать поршневому двигателю с винтом, создающим «струю» с большой массой, но малой скоростью. Только спустя несколько лет инженеры начали понимать действительную причину — глубокую разницу между скоростью истечения газов и скоростью самолета.
Имелось два способа сокращения этой разницы: увеличение скорости самолета и снижение скорости истечения газов. Оба способа, примененные одновременно, вероятно, привели бы к полному устранению разницы.
В 1917 году француз Мориз предложил проект двигательной установки для самолетов, которая, как предполагалось, позволяла соединить планер с реактивным двигателем. С помощью компрессора, приводимого в действие двигателем, топливных форсунок и камеры сгорания с выхлопным соплом Мориз сумел получить реактивную струю. Дополнением к его двигателю являлась форсажная камера — устройство, замедляющее скорость реактивной струи, но увеличивающее ее массу. Осуществить свою идею на практике Мориз, однако, не сумел. Это сделал за него его соотечественник инженер Мело.
Мело отказался от большей части оборудования Мориза, а вместо этого взял два цилиндра и соединил их открытыми концами друг с другом. На каждом конце этой двухцилиндровой сборки имелись отверстия для подачи топлива и запальные свечи. Внутри помещался свободный поршень без шатуна, двигавшийся взад и вперед для создания компрессии. Выхлоп осуществлялся через отводные трубки в общую «буферную камеру», к которой крепилось реактивное сопло. В результате создавалась пульсирующая реактивная струя, которая затем также пропускалась через форсажную камеру.Мело не только описал свой проект[54], но и построил по нему действующий двигатель. Правда, его было трудно запускать, но работал он исправно. После того как были накоплены необходимые опытные данные, Мело рассчитал, что двух больших двигателей такого рода будет достаточно, чтобы поднять обычный для того времени самолет. Он вел эксперименты в течение многих лет, но, кажется, успеха не имел. Да и не было в ту пору особых причин для замены хорошо известного и постоянно совершенствуемого двигателя внутреннего сгорания новым и недостаточно испытанным устройством. Самолеты, летавшие со скоростью 160—200 км/час, не нуждались в двигателе нового типа, который в дальнейшем оказался лучше всяких других.
Вплоть до Мело история создания ракетных самолетов шла общим путем, от изобретателя к изобретателю, от проекта к проекту, от одного теоретического усовершенствования к другому. Но дальше это развитие пошло разными дорогами главным образом из-за стремления изобретателей как-то повысить коэффициент полезного действия новых двигателей. Одни пытались достичь этого за счет максимального увеличения скорости, рассматривая ракету как самостоятельное средство передвижения, другие брали за основу любую приемлемую скорость и, подобно Мело, стремились приспособить ракету к самолету, а не наоборот. Последний путь привел к тому, что сейчас широко известно под названием реактивного ускорения старта.
Рассмотрим теперь некоторые отличительные и сходные моменты в действии ракетного и воздушно-реактивного двигателей. Оба они основаны на использовании третьего закона Ньютона. Разница состоит только в том, что воздушно-реактивный двигатель является таким ракетным двигателем, который в качестве окислителя расходует кислород окружающего воздуха. Вследствие этого воздушно-реактивный двигатель конструктивно довольно сложен и к тому же ограничен в отношении высоты, на которой он может применяться. Ракетный же двигатель в свою очередь может быть назван упрощенным реактивным двигателем, который несет кислород (окислитель) с собой и поэтому не ограничен высотой применения.
Большой промежуток времени между опытами Опеля и современными работами над самолетами с ракетными двигателями интересен, вероятно, только деятельностью австрийского инженера доктора Зенгера. Он, несомненно, был одним из первых конструкторов подобных самолетов, который решал задачи не вслепую, а на серьезной научной основе. Зенгер начал карьеру специалиста-ракетчика с широкой серии испытаний ракетных двигателей в лабораториях Венского университета. Эти испытания были весьма успешными. Зенгер в то время работал главным образом с одной моделью — сферической камерой сгорания диаметром около 50 мм. Сопло двигателя было необычайно длинным (25 см), причем диаметр среза сопла равнялся диаметру камеры сгорания. Камера сгорания и примыкающая к ней часть сопла были снабжены рубашкой охлаждения (рис. 77), в которую под большим давлением подавалось топливо. Топливо в рубашке охлаждения выполняло две функции: охлаждало камеру сгорания и компенсировало давление, создаваемое в ней продуктами сгорания. В рубашке охлаждения возникало своего рода противодавление, поэтому она фактически испытывала основное напряжение и, следовательно, должна была иметь более толстые стенки, чем сама камера сгорания.
Рис. 77. Экспериментальный ракетный двигатель Зенгера.
В качестве горючего Зенгер использовал летучие продукты нефти; впрыск производился насосами такого типа, которые применяются в дизельных двигателях. Давление впрыска колебалось в пределах 30—150 атм, но было всегда более высоким, чем принятое в «Ракетенфлюгплатц» и в Пенемюнде. Кислород подавался непосредственно в камеру сгорания под давлением; но вместо жидкого кислорода Зенгер использовал газообразный, подаваемый непосредственно из обычного стального баллона, имевшего редукционные клапаны.
Небольшой ракетный двигатель подвешивался к каркасу из стальных труб, который мог перемещаться только в горизонтальном направлении, сжимая пружинное устройство замера тяги.
Время работы двигателей Зенгера было необычно большим. Испытание продолжительностью 15 минут являлось для него вполне нормальным. Многие двигатели работали в течение 20 минут, а один — в течение получаса. Двигатели развивали тягу порядка 25 кг, при этом скорость истечения составляла, как правило, 2000—3500 м/сек. Зенгер еще тогда был уверен — и дальнейшее развитие ракетной техники подтвердило правильность его взглядов, - что проблемы создания более крупных ракетных двигателей практически вполне разрешимы.
Следующим шагом исследователей была разработка технических требований, предъявляемых к конструкции ракетного самолета. Оберт, работавший в свое время над этой проблемой, указывал, что самолет с ракетным двигателем может обладать большим радиусом действия, если он будет взлетать почти вертикально, выравниваться на большой высоте, развивать максимальную скорость за счет использования всего топлива в возможно короткое время и в дальнейшем переходить на скоростное планирование. Зенгер пришел примерно к тем же выводам, но он решал проблему в основном с точки зрения конструктора самолета. Он высказался в защиту наклонного старта под углом 30°, но в остальном его метод был таким же, как у Оберта. Приняв время горения равным 20 минутам, он рассчитал, что общее полетное время ракетного самолета составит несколько более одного часа, а средняя скорость—2500 км/час. На рис. 78 показана примерная схема самолета Зенгера. Он весьма похож на первую схему американского экспериментального самолета Х-1.
Рис. 78. Эскиз стратосферного ракетного самолета Зенгера.
Доктор Зенгер не имел ничего общего с ракетными самолетами, построенными или проектировавшимися немцами во время второй мировой войны, такими, как «Мессершмитт» Ме-163В («Комета»), самолет-разведчик DFS-228 или разведывательный вариант двухдвигательного бомбардировщика DFS-346, способного теоретически подняться на 30 км и развить скорость 2700 км/час. На всех этих самолетах были установлены ракетные двигатели, разработанные на заводе Вальтера в Киле. Как уже говорилось, впервые в Германии перекись водорода высокой концентрации была получена в промышленных масштабах в 1936 году. В некоторых двигателях Вальтера она использовалась в качестве окислителя с определенным топливом; эти двигатели получили название «горячих». В других двигателях 80—83% перекись водорода служила источником энергии, получаемой в результате ее каталитического разложения; эти двигатели стали называться «холодными».
Первым ракетным двигателем Вальтера для самолетов был двигатель R.I., прошедший летные испытания в 1937 году на самолете «Хейнкель», на котором был оставлен и обычный поршневой двигатель. На испытаниях двигатель создавал тягу около 350 кг при секундном расходе топлива порядка 3,3 кг.
В том же году министерство авиации Германии обратилось к Липпишу с просьбой спроектировать скоростной истребитель, при этом ему была указана только мощность двигателя, который должен был быть установлен на самолете. Проект, разработанный Липпишем, условно обозначался DFS-194 — по начальным буквам названия немецкого научно-исследовательского института безмоторного полета Deutsche Porschungsanstalt fiir Segelflug (нем)., где Липпиш проработал много лет.
В 1938 году почти законченный проект вместе с конструктором были переданы фирме «Мессершмитт», которая уже имела опыт создания скоростных самолетов. Опытный образец нового самолета получил новое обозначение — Me-163. Интересно, что, когда испытания самолета в аэродинамической трубе уже заканчивались, вопрос о двигателе все еще оставался открытым. Сотрудник фирмы BMW Гейнц Гартманн вспоминает, что в течение некоторого времени самолет Me-163 стоял в одном из производственных зданий его фирмы. Инженеры фирмы усиленно работали тогда над турбореактивными двигателями, занимаясь одновременно и стартовыми ускорителями. Одной из разработок был стартовый ускоритель, предназначавшийся для повышения маневренности самолета в воздухе. Этот ускоритель и был предложен в качестве двигателя для нового самолета.
Но победил профессор Вальтер; на самолет Me-163 был установлен двигатель его конструкции. Это был «холодный» двигатель, работавший на принципе разложения перекиси водорода раствором перманганата кальция. Обе жидкости подавались в камеру сгорания насосами, приводимыми в движение турбиной, использовавшей энергию той же реакции, происходившей в специальном парогазогенераторе.
Первые летные испытания, однако, не увенчались успехом. «Для боевого применения не годится!»—таково было решение министерства авиации. Вскоре после этого Мессершмитт и Липпиш поссорились. Липпиш ушел, но инженеры Мессершмитта внесли в конструкцию ряд изменений. Новый образец стал обозначаться Ме-163В, и Вальтер предложил для него новый, на этот раз «горячий» двигатель, получивший официальное обозначение «109-509».
Топливо для «горячего» варианта двигателя получило название «Ц-штоф». Оно состояло на 30% из гидразин-гидрата (Na2H4 .H2O), на 57% из метилового спирта и на 13% из воды. Гидразин-гидрат может быть использован в качестве топлива самостоятельно или в сочетании с перекисью водорода; он обладает свойством самовоспламенения, что позволяет освободиться от запального устройства. Но как источник энергии он значительно уступает спирту.
Двигатель «109-509» мог работать 15 - 20 минут при минимальном расходе топлива, но при полной тяге время paботы сокращалось до 4 минут 11 секунд. Для того чтобы увеличить время пребывания самолета в воздухе, Вальтер разработал новый вариант двигателя, получивший обозначение «109-509С». Он отличался от первого тем, что имел вспомогательную «маршевую» камеру - реактивный двигатель небольших размеров, расположенный под основным и создающий тягу до 300 кг. Этого было достаточно, чтобы поддерживать самолет в воздухе. Основной двигатель («109-509С») был примерно на 10% более мощным, чем двигатель «105-109», уже хотя бы потому, что самолет Ме-163С, для которого он был разработан, имел большие размеры, чем Ме-163В. В 1944 году самолет Me-163 прошел испытания в боях и вначале использовался успешно.
Был отдан приказ начать серийное производство «Кометы», но в это время фирма «Мессершмитт» выполняла другой, более срочный заказ, и проект Me-163B пришлось передать фирме «Фокке-Ахгелис» без твердого указания, кто и за что отвечает. Позднее в том же, 1944 году Ме-163В был направлен фирме «Юнкерс», инженеры которой еще раз его перепроектировали и присвоили новому варианту наименование Ju-248, в дальнейшем замененное на «8-263». Самолет «8-263» был доведен лишь до стадии планерных испытаний.
Ме-163В имел очень небольшие размеры. Размах его стреловидных крыльев составлял всего лишь 9 м (точные размеры см. Приложение II), общая длина равнялась 5,7м, высота—2,4 м. Самолет не имел хвостового оперения, за исключением вертикального стабилизатора с рулем поворота. Взлет осуществлялся с помощью колесного шасси, которое потом сбрасывалось; посадка производилась на специальные убирающиеся «лыжи». Посадочная скорость Ме-163В была невысокой—150 км/час; максимальная скорость—814 км/час на уровне моря и 896 км/час на уровне 12000 м.
На последнем этапе второй мировой войны разработка ракетных самолетов пошла в другом направлении. Как немцы, так и японцы поняли, что с растущим превосходством союзников в воздухе нельзя бороться огнем одной лишь зенитной артиллерии. Но ни в Германии, ни позднее в Японии не имелось уже достаточного количества истребителей, что главным образом объяснялось отсутствием подготовленных кадров пилотов. Было очевидно, что зенитные управляемые снаряды типа «Вассерфаль» и «Рейнтохтер» смогут вполне заменить зенитную артиллерию, однако каждый понимал, что разработка действительно надежного способа управления для этих ракет займет годы. Единственно возможной альтернативой могли быть так называемые пилотируемые снаряды.
Эту концепцию высказывал в свое время Оберт. Он писал, что по идее ракетный самолет должен представлять собой «летающий танк», который врезается в строй самолетов противника и уничтожает их пушечным огнем и таранными ударами. В 1943 году доктор Липпиш сделал уже более конкретное предложение. О нем стало известно из доклада доктора Карлсона, опубликованного немецким пресс-бюро под № 54500, в котором автор усиленно пропагандировал идею доктора Липпиша.
«Ракета-таран», как она называлась, должна была иметь мощную заостренную стальную носовую часть и три стреловидные плоскости вблизи хвостовой части, сочетающие функции стабилизаторов и плоскостей управления. Ракету предполагалось снабдить жидкостным ракетным двигателем и пороховым ускорителем старта. Ее потолок точно не указывался, но должен был в несколько раз превышать потолок атакуемых бомбардировщиков.«Ракета-таран» должна была стартовать вертикально или почти вертикально и после отделения стартового ускорителя направляться пилотом на самолет противника для таранного удара. В случае необходимости пилот мог бы выпрыгнуть или катапультироваться с ракеты. В точке, близкой к максимальной высоте, у ракеты должен был раскрыться парашют, на котором она могла опуститься на землю для повторного использования.
1 августа 1944 года на заводе «Бахемверке» была начата разработка первой «ракеты-тарана», получившей название «Наттер» (рис. 79). Это был небольшой ракетный самолет-снаряд, рассчитанный на вертикальный старт с короткой пусковой направляющей. Двигатель «Наттера» работал на перекиси водорода; взлет обеспечивался несколькими стартовыми пороховыми ракетами Шмиддинга. Характерным для этого «самолета-ракеты» было то, что он мог производиться и собираться малоквалифицированными рабочими на небольших заводах. Основным материалом в его конструкции было дерево. Корпус состоял из трех основных отсеков; в переднем помещались 24 боевые ракеты, соединенные с электрозапалом. Запуск их производился одновременно. Затем шел отсек для пилота и, наконец, хвостовой отсек с ракетным двигателем Вальтера.
Рис. 79. Немецкая пилотируемая ракета-перехватчик «Наттер».
По достижении высоты, на которой шли бомбардировщики противника, пилот должен был перевести ракету на горизонтальный полет, направить ее на строй самолетов противника и выпустить свои 24 ракеты. Затем пилот должен был движением ручки управления вперед до отказа привести в действие механизм, разделявший «Наттер» на части. Сначала отделялся свободный от ракет носовой отсек, затем выбрасывался парашют с двигателем Вальтера, а потом — пилот.
Конструктор «Наттера» следовал той же идее, которая привела Липпиша к проекту «ракеты-тарана», однако таранный удар был здесь заменен ракетной атакой. Германские ВВС одобрили проект «Наттера», и после испытаний модели в сверхзвуковой аэродинамической трубе в Брауншвейге было построено 15 опытных образцов «Наттера». Планерные испытания прошли весьма неудовлетворительно, но все же после их окончания был предпринят взлет с пилотом, который кончился плохо и для «Наттера», и для его пилота. Приблизительно на высоте 150м крышка кабины пилота оторвалась. Так как головная опора пилота крепилась к ней, то, вероятно, пилот погиб в тот же момент от перелома позвоночника. Но «Наттер» продолжал набирать высоту, летя под углом примерно 15°. На высоте 1500 м, очевидно, прекратилась подача топлива, «Наттер» перевернулся, спикировал и врезался в землю.
К концу войны количество «Наттеров», заказанных фирме «Бахемверке», достигло 200, из них 50 штук заказали ВВС и 150—войска СС. Тем не менее в боевых действиях они не участвовали. Говорят, что германское правительство обещало передать планы этого вооружения японцам, но никто не знает, было ли это обещание выполнено.
Японцы создали пилотируемый самолет-снаряд другого типа. Это были так называемые «камикадзе» — самолеты, управлявшиеся пилотами-смертниками. Практически в качестве «камикадзе» мог использоваться самолет любого типа, способный нести заряд взрывчатого вещества и пикировать на цель. Но один из них - «Бака» - был специально создан для таких атак. Длина его составляла всего 6 м, а размах крыльев — 5 м. В носовой части помещался боевой заряд весом 540 кг. Двигательная установка была представлена несколькими большими пороховыми ракетами. «Бака» переносился бомбардировщиком «Бетти», причем оба пилота были связаны по телефону до тех пор, пока пилот самолета-носителя не решал, что наступил момент выпустить самолет-смертник.
Вопрос о создании ракетных самолетов в США был поднят примерно в то же время, что и в Германии. В декабре 1944 года командование армейской авиации обратилось к инженерам фирмы «Белл Эркрафт» с заказом спроектировать для исследовательских целей пилотируемый самолет с ракетным двигателем. Проект был осуществлен уже после войны; он преследовал цель накопления информации о полете на околозвуковых и сверхзвуковых скоростях.
По мере того как возрастала скорость самолетов, пилоты все чаше и чаше замечали странные явления в поведении их машин. Так, например, движение плоскостей управления на больших скоростях приводило к прямо противоположному результату. Тогда стали говорить о так называемом «эффекте компрессии», о «числе Маха» и о «звуковом барьере», который может-де быть преодолен только силой. Многие шутили, что в небе появилась «кирпичная стена». В целом же это было нагромождение неправильно понятых фактов, принимаемых на веру слухов и недостаточно усвоенных теоретических концепций, сцементированных суеверием.
Курсантам военных училищ во время войны настойчиво внушали, что никто не может достичь скорости звука, то есть числа Маха, равного 1 (М=1). Курсанты тщательно записывали это в свои тетради, а в это же время где-нибудь совсем рядом призывники вели учебный зенитный огонь. Снаряды вылетали из стволов пушек со скоростью М=3, и никому это не казалось удивительным.
Число Маха названо так по имени австрийского физика доктора Эрнста Маха, который впервые исследовал данную проблему. Скорость распространения звука при средней температуре составляет около 1200 км/час[55].
Но не на всякой высоте самолет, летящий со скоростью 1200 км/час, летит со скоростью звука. На высоте 1,5 км, например, скорость звука уже не та, что на уровне моря, а на высоте 5 км она еще больше отличается от нее. Помимо этого воздух на разных высотах имеет неодинаковую плотность, а поэтому и скорость самолета при прочих равных условиях также будет различной. Для определения соотношения между скоростью движущегося предмета и скоростью звука введено число Маха, определяемое по формуле:
где М — число Маха, v — скорость самолета, или «истинная воздушная скорость», и Сзв, — скорость звука на данной высоте.
Многие полагают, что изменение числа Маха вызывается различной плотностью воздуха на разных высотах. Отчасти это так, ибо с изменением плотности воздуха меняются и летные характеристики самолета. Но вообще скорость звука не имеет ничего общего с плотностью воздуха; она полностью зависит от температуры воздуха[56].
В соответствии с числом Маха авиационные инженеры делят все скорости движения в воздухе на три группы: дозвуковые (от М=0 до М=0,8), околозвуковые (от М=0,85 до М = 1,3) и сверхзвуковые (свыше М= 1,3). На первый взгляд может показаться, что вполне достаточно делить все скорости на дозвуковые и сверхзвуковые. Однако введение промежуточной категории — околозвуковая скорость — совершенно необходимо. Дело в том, что вокруг тела, движущегося, скажем, со скоростью М = 0,9, поток воздуха может быть в некоторых точках сверхзвуковым, а в остальных — дозвуковым. Скорости второй категории можно назвать и скоростями смешанного потока, но слово «околозвуковая» является более коротким и терминологичным.
При дозвуковой скорости воздух на пути самолета не сжимается им, подобно газу в замкнутом цилиндре, сжимаемому поршнем. Когда же скорость самолета становится сверхзвуковой, воздух не может уйти с его пути и действительно сжимается даже в открытом пространстве. Физики объясняют это тем, что при сверхзвуковой скорости полета область, находящаяся впереди снаряда или самолета, является «областью отсутствия звукового сигнала».
Рис. 80. Образование «конуса Маха».
Эта «область отсутствия сигнала» лежит вне «конуса Маха» (рис. 80). За счет сжатия воздуха здесь, если можно так выразиться, создается источник колебаний, или «импульсная точка». До тех пор пока эта «импульсная точка» неподвижна, возбуждаемые ею ударные волны распространяются концентрически, постепенно затухая. По мере удаления этих концентрических волн от «импульсной точки» их поверхность увеличивается и они слабеют. Когда источник колебаний начинает двигаться, сферы звуковых (несущих «сигнал») и ударных волн теряют концентрическую форму; «сигнал» замедляется. А когда скорость «импульсной точки» превысит скорость звука, «сигнал», то есть звуковая волна, отстанет от нее. Рис. 81 показывает графически, как это явление выглядит на фотоснимках артиллерийских снарядов, сделанных по методу «шлиренкинематографии»[57].
Рис. 81. Схема распространения ударных волн, образуемых 156-мм американским снарядом «Лонг Том» на разных скоростях полета.
Но не только это отличает дозвуковые скорости полета от сверхзвуковых. Предположим, что воздух с дозвуковой скоростью проходит через трубу. Пока труба остается прямой, скорость потока не меняется. Но если сделать трубу постепенно уменьшающегося диаметра, то поток воздуха будет набирать скорость.Скорость потока может достигнуть М= 1, если наше сопло будет достаточно длинным. Сверхзвуковой поток в таком сопле, наоборот, замедляется. В расширяющемся (расходящемся) сопле дозвуковой поток замедляется, а сверхзвуковой - увеличивает скорость (рис. 82). Вот почему сопло ракетного двигателя сначала сходится, чтобы разогнать дозвуковой поток до скорости звука, а затем расширяется, чтобы максимально увеличить эффективную скорость истечения.
Рис. 82. Зависимость скорости истекающих газов от конфигурации сопла.
Хотя все эти явления были более или менее известны как теоретические положения, инженеры-проектировщики самолетов нуждались в конкретных цифровых данных. Для этого необходимо было создать экспериментальный самолет. Работа над ним началась в декабре 1944 года. Самолет получил обозначение XS-1, которое позднее было сокращено до Х-1. Он должен был подниматься на высоту 10700 м и развивать здесь скорость не менее 1280 км/час (М = 1,21) на протяжении 2—5 минут.
По внешнему виду самолет Х-1 напоминал ракету «Фау-2», положенную горизонтально, с крыльями, хвостовым оперением, трехколесным шасси и с пилотом в приборном отсеке.
Согласно первоначальному замыслу самолет Х-1 не должен был быть ракетным. Конструкторы могли свободно выбирать любую двигательную установку при условии, что летные характеристики будут отвечать заданным. Однако, не желая перегружать конструкцию различными нововведениями, они решили сделать самолет как можно более похожим на обычный винтовой. Поэтому сначала в проекте фигурировал турбореактивный самолет. Но турбореактивные двигатели того времени не обеспечивали необходимой скорости. Они могли давать скорость, приблизительно соответствующую М = 1, но только на небольшой высоте.
Затем была рассмотрена комбинация турбореактивного и ракетного двигателей. Первый предназначался в основном для взлета, набора высоты и возвращения на базу, а второй—для разгона самолета и поддержания требуемой скорости на рабочей высоте. Вскоре выяснилось, что эта комбинация чрезмерно увеличивает габариты самолета. Характеристики турбореактивного двигателя с высотой ухудшались, что снижало скорость набора высоты и, следовательно, увеличивало расход топлива. Скорость, которую самолет развивал на рабочей высоте, оказывалась также довольно небольшой при значительном расходе топлива. Кроме того, применение двух столь сильно отличающихся друг от друга двигательных установок усложняло эксплуатацию самолета.
По сравнению с такой комбинированной системой, самолет, снабженный только ракетным двигателем, имел определенно лучшие характеристики. Несмотря на большой расход топлива, самолет развивал при наборе высоты (до 11 000 м) большую скорость подъема (около 6000 м/мин) при общей скорости полета порядка 800 км/час. На больших высотах теоретическая скорость набора высоты и скорость полета были еще выше, составляя максимально на высоте 36 000 м 36 000 м/мин и 2250 км/час. После сравнительного анализа проектов с различными двигательными установками было решено остановиться на ракетном двигателе.
Было рассмотрено много типов топлива, прежде чем выбор пал на жидкий кислород и этиловый спирт. Перекись водорода была отвергнута, потому что двигатели на этом топливе в то время давали очень низкие удельные импульсы. Азотная кислота и анилин считались не подходящими для пилотируемого самолета; эти топлива являются самовоспламеняющимися, и хранить их нужно раздельно, так как при одновременной их утечке может возникнуть сильный пожар. Значительно упростить топливную систему мог бы нитрометан, представляющий собой однокомпонентное топливо (монотопливо), но он опасен тем, что в определенных условиях, которые в то время еще не были хорошо изучены, сильно детонирует. Изучались также бензин и жидкий кислород. Но для бензинового ракетного двигателя с регенеративным охлаждением необходимо было устанавливать третий бак—с водой, так как бензин не мог быть использован в качестве охлаждающей жидкости. Выбранные компоненты топлива жидкий кислород и спирт—давали хороший удельный импульс, являлись относительно безопасными и удобными в обращении. Двигатель имел регенеративное охлаждение, обеспечиваемое циркуляцией топлива в рубашке охлаждения перед подачей в камеру сгорания. Для улучшения охлаждения одна часть воды смешивалась с тремя частями этилового спирта. Оказалось, что добавка такого количества воды очень мало влияет на импульс тяги, но заметно способствует улучшению охлаждения.
Ракетный двигатель был изготовлен фирмой «Риэкшн моторс» (Нью-Джерси), той самой, которая позднее строила двигатель для ракеты «Викинг». Двигатель получил обозначение 6000 С4, где цифра означала развиваемую тягу в фунтах (2720 кг). Он имел четыре камеры, работавшие независимо друг от друга. Сухой вес двигателя составлял 95 кг. Размеры его были следующими: длина 142 см, диаметр около 48 см.
Все четыре камеры ракеты могли работать раздельно и в любой комбинации по выбору пилота. Для запуска в передней головке цилиндра имелось небольшое запальное устройство, воспламенявшее поток смеси горючего и окислителя. Когда давление в камере сгорания поднималось до 3,6 кг/см2, открывались топливные клапаны, впуская горючее и окислитель в камеру. Конструкция не предусматривала регулировки подачи топлива в отдельные камеры, поэтому пилот мог выбирать только между 25, 50, 75 и 100 % полной тяги.
Для подачи компонентов топлива в ракетный двигатель использовался турбонасосный агрегат. Но пока его конструировали, на самолете временно были установлены баки с наддувом. Это сократило время пребывания самолета в воздухе приблизительно на 1,5 минуты, увеличило его посадочный вес почти на 900 кг и довело нагрузку на крыло при посадке до 268 кг/м 2. Это, однако, не имело особого значения, потому что война уже закончилась, а бомбардировщики В-29 вполне могли обеспечить подъем исследовательского самолета Х-1 на необходимую высоту.
Когда самолет Х-1 и бомбардировщик В-29 в качестве самолета-носителя были готовы к летным испытаниям, началось составление плана испытаний. Предварительные исследования показали, что отделение Х-1 от В-29 вполне обеспечивается встречным воздушным потоком. Чтобы не допустить смещения Х-1 назад, на фюзеляже бомбардировщика B-29 было укреплено несколько деревянных стоек, покрытых перед самым взлетом свежей красной краской. В случае касания этих стоек во время полета эта краска отпечаталась бы на самолете Х-1.
По плану все летные испытания должны были проводиться в Калифорнии на базе ВВС Мюрок, в 120 км восточнее Лос-Анжелеса. Эта авиационная база, известная сейчас под названием базы ВВС Эдвардс, расположена на берегу высохшего озера Роджерс Драй-Лейк. 9 декабря 1946 года в условиях хорошей погоды самолет Х-1 был запущен над озером на высоте 8200 м. Приблизительно через 10 секунд была включена первая камера двигателя, а через некоторое время — вторая. Самолет так быстро стал набирать скорость, что пилоту из соображения безопасности пришлось уменьшить тягу на 25%. Самолет медленно поднялся на высоту 11000 м, где пилот снова увеличил тягу на 50%. Стрелка индикатора показала скорость М = 0,795. В этот момент двигатель был выключен, и самолет спланировал до высоты 4500 м. Здесь все камеры двигателя были включены на полную мощность для повторного непродолжительного набора высоты. При этом пилот испытал очень большие перегрузки, подобные тем, которые возникают на истребителе во время взлета с форсажем. Одиннадцать последующих полетов прошли не менее успешно.
Ракетный самолет Х-1 под крылом самолета В-29 (база ВВС Мюрок)
Первые полеты на самолете Х-1 совершил летчик-испытатель Гудлин, которого затем сменил прославившийся в воздушных боях над Англией летчик-истребитель Чарльз Егер. 14 октября 1947 года ему посчастливилось первым в мире осуществить сверхзвуковой полет, однако в течение нескольких лет ВВС США упорно отказывались сообщить об этом. Фактически была достигнута скорость 1216 км/час, и на той высоте, где она была зафиксирована, она, конечно, являлась сверхзвуковой.
Чтобы не приостанавливать работ по программе испытаний из-за какой-нибудь случайной поломки, были построены два образца самолета Х-1. Максимальная проектная скорость, которую самолет Х-1 мог показать на высоте 18000 м, составляла 1570 км/час. Эта скорость была почти достигнута в 1948 году (1547 км/час). Во время одного полета в 1949 году Х-1 поднялся на максимальную высоту (21378 м). В январе 1949 года капитан Егер стартовал на самолете Х-1 с высохшего озера без самолета-носителя. Со всеми четырьмя ракетными камерами, работающими на полную мощность, самолет оторвался от земли, пробежал 700 м и набрал высоту в 7000 м за 100 секунд. В августе 1950 года, по окончании программы, самолет Х-1 был снят с испытаний и передан в Национальный музей авиации в Вашингтоне.
К этому времени на базу ВВС Эдвардс прибыл новый сверхзвуковой самолет—«Дуглас» D-558-II, больше известный под названием «Скайрокет». Конструировал его специалист ВМС Хейнеманн, но построен он был фирмой «Дуглас» и испытывался ее летчиками Джином Мэем и Уильямом Бриджменом. Исследовательская программа, разработанная для «Скайрокет», была значительно шире, чем программа для самолета Х-1. Основная задача при испытаниях Х-1 состояла в том, чтобы довести его скорость до сверхзвуковой, пролететь так не менее 2 минут и проверить, как ведет себя самолет на этих скоростях. Новый самолет предназначался для исследований поведения машины при околозвуковых скоростях полета. Самолет «Скайрокет» рассматривался как прототип будущих самолетов-истребителей.
«Скайрокет» был закончен конструированием в конце 1947 года, а в феврале 1948 года совершил свой первый полет. Планер самолета был изготовлен в основном из алюминиевого сплава 75-ST. В отличие от Х-1 крылья и хвостовое оперение самолета были стреловидными (крылья — 33°, хвостовое оперение — 40°). Размах крыльев составлял 7,6 м, общая длина — 14,4 м, высота — 3,45 м, стартовый вес — около 6800 кг. Хейнеманн сделал как раз то, от чего отказались инженеры фирмы «Белл»: его машина была рассчитана как на турбореактивный, так и на ракетный двигатели. В качестве первого использовался двигатель 24-С с тягой 1360 кг (фирма «Вестингауз»); в качестве второго— двигатель фирмы «Риэкшн моторс», очень похожий на двигатель самолета Х-1, с тягой при работе всех четырех камер порядка 2700 кг. Расход топлива достигал почти 1 т/мин.
Для отрыва полностью заправленного топливом самолета «Скайрокет» от земли необходимо было включать турбореактивный двигатель и две камеры ракетного двигателя. Первые 59 полетов провел летчик Джин Мэй, а с шестидесятого полета его заменил Уильям Бриджмен. К этому времени обычной практикой стало сопровождение экспериментальных самолетов серийными реактивными самолетами. В роли пилотов для сопровождения «Скайрокет» часто выступали Чарльз Егер и подполковник Фрэнк Эверест.
К ноябрю 1949 года выяснилось, что самолет «Скайрокет» не может самостоятельно оторваться от земли, развить сверхзвуковую скорость и сохранить ее в течение необходимого времени. Поэтому его тоже нужно было сбрасывать с бомбардировщика В-29. Но так как у существующего образца «Скайрокет» не было необходимых приспособлений для этой цели, фирма «Дуглас» построила еще два самолета, один из которых имел устройство для запуска в воздухе с самолета-носителя.
История испытаний самолета «Скайрокет» сильно напоминает историю испытаний ракеты «Викинг». Были периоды, когда все шло плохо. Шесть раз бомбардировщик В-29 поднимался с самолетом «Скайрокет», торчащим из бомболюка, и шесть раз возвращался назад, не сбросив его. Из-за частых неполадок даже первый запуск с воздуха был произведен по ошибке.
Бриджмен сидел в своей кабине в тесном и неудобном противоперегрузочном костюме, и в то время, как пилот бомбардировщика заканчивал отсчет, заметил, что стрелка одного из манометров ушла за крайний нижний предел. Бриджмен хотел предупредить пилота В-29, чтобы тот не сбрасывал его, но пилот не мог его слышать, так как держал связь на передаче. Тогда Бриджмен снова поставил переключатель в положение «включено». Самолет «Скайрокет» успешно отделился от В-29 и совершил блестящий полет, если принять во внимание те обстоятельства, при которых самолет был запущен. На сверхзвуковой скорости «Скайрокег» неожиданно подвергся боковой вибрации, что привело к непродолжительной потере управления.
Один из последующих полетов чуть не кончился катастрофой. Лицевая пластина костюма обледенела из-за выделяемой при дыхании влаги, и Бриджмен перестал что-либо видеть. Сопровождавший его Егер помог ему снизиться в более теплые слои воздуха, но налет льда на пластине исчез только перед самой посадкой. Несмотря на все свои неудачи, Бриджмен, однако, был некоторое время «человеком, летавшим быстрее всех»[58]. 15 августа 1951 года на высоте около 24 км он достиг скорости 1980 км/час. 21 августа 1953 года подполковник М. Карл из корпуса морской пехоты поднялся на самолете «Скайрокет» на высоту 25 370 м, а 14 октября того же года другой летчик-испытатель С. Кроссфилд пролетел на «Скайрокете» на высоте 18000 м со скоростью 2123 км/час (М = 2,01).
Тем временем преемник Х-1 самолет Х-1А фирмы «Белл Эркрафт», пилотируемый Егером, показал еще лучшие результаты.