Dariusz Paduch (Республика Польша)
Перевод с польского О.Г. Потоцкий
Складные крылья.
Появление в 30-е годы ХХ столетия истребителей-монопланов, а также использование в авиации двигателей большой мощности привело к значительным изменениям в конструкциях самолётов. Новые машины получили значительно более высокую максимальную скорость, однако при увеличившейся нагрузке на крыло имели и более высокие скорости отрыва от земли и посадки, а как следствие этого требовали удлинение взлётных полос для безопасного разбега на взлёте и пробега после посадки. В ближайшей перспективе возникала острая необходимость в постройке более длинных взлётно-посадочных полос… либо в поиске технических решений направленных на снижение минимальных скоростей современных самолётов.
Взлётную и посадочные дистанции можно снизить несколькими способами – например, улучшив механизацию крыла (т. е. применив закрылки, тормозные щитки, предкрылки и проч.). Однако для начала 30-х годов подобные мероприятия оставались новинкой, и их массовое применение началось лишь во второй половине 30-х. А сначала авиаконструкторы пытались найти иной выход из этой проблемы. Одно из таких решений приходило в голову при сравнении моноплана с бипланом. Последний, благодаря своей схеме имел большую площадь крыльев, а соответственно меньшую нагрузку на крыло, лучшие взлётно-посадочные характеристики и маневренность, правда - при меньшей максимальной скорости. Моноплан в этом отношении был полной противоположностью. Идеальным было бы сочетание этих качеств - когда самолёт вёл бы себя как биплан в режиме взлёта-посадки и как моноплан в бою. Именно эти соображения и натолкнули некоторых изобретателей на мысль о самолёте – трансформере с возможностью либо выпуска дополнительного крыла, либо увеличения его площади за счёт добавления дополнительных телескопических сегментов.
В СССР подобными работами одними из первых занялись конструкторы В.В. Шевченко и В.В. Никитин. Всё началось с того, что испытывая один из экземпляров Туполевского истребителя И-4бис (биплан И-4 с убранным нижним крылом), Шевченко заметил, что «…самолёт как бы помолодел, стал резвее», хотя при этом возросла и посадочная скорость. В результате конструктор задумал создать истребитель, в котором одно из крыльев могло бы складываться для того, чтобы взлёт и посадка происходили бы в конфигурации биплана, а полёт – моноплана. Однако путь к реализации замысла оказался долгим – лишь в 1938 году закончив карьеру лётчика-испытателя Шевченко смог приступить к самостоятельной конструкторской работе.
Замыслом Шевченко заинтересовалось военное командование, однако официального заказа на его проект не последовало и все дальнейшие работы проходили лишь на голом энтузиазме конструктора. Шевченко изготовил модель самолета, которую благодаря маршалу Ворошилову удалось продемонстрировать самому Сталину. После недолгих размышлений советский вождь дал добро на продолжение работ над необычным проектом. В быстром темпе было организовано небольшое КБ под руководством самого В. Шевченко (ОКБ-30) в состав которого среди других вошёл и В. Никитин, с которым Шевченко работал до этого. Проект нового самолёта ИС в чертежах был готов уже в 1938 году, а в начале 1939 был сделан полноразмерный макет в масштабе 1:1. Сам Шевченко вспоминал, что аббревиатура ИС означала имя «Иосиф Сталин», а не «истребитель складной» как стали объяснять позже.
В связи с огромным интересом, которое вскоре стало проявлять советское руководство к этой машине, Шевченко для быстрейшего окончания работ были выделены площади на авиазаводе №156 в Москве, а также средства на постройку двух прототипов. В тоже время поменялось и название КБ став ОКБ-60.
Конструкция и оборудование ИС-1 напоминали хорошо известный и отработанный истребитель Поликарпова И-153. Новыми были крылья. Во взлётной конфигурации ИС-1 являлся бесстоечным бипланом с преобладанием в конструкции металлических элементов. Задняя часть фюзеляжа и хвостовое оперение покрыты полотном. Двигатель – звездообразный М-63 мощностью 900 л.с. на высоте 4500 м. Вооружение – 4 пулемёта ШКАС калибра 7,62 мм, размещенные в верхнем крыле над кабиной пилота. Колёса прятались в нижнее крыло одновременно с его уборкой (по некоторым данным такую систему уборки использовали лишь во втором варианте истребителя – ИС-2, в ИС-1 эти операции проходили раздельно). Понятно, что при такой конструкции нормальный полёт самолёта предусматривался только в конфигурации моноплана. Нижнее крыло убиралось при помощи пневмосистемы таким образом, что части центроплана оказывались плотно прижаты к фюзеляжу самолёта в предусмотренных для этого нишах, а внешние части крыльев – в таких же нишах в нижней части верхних крыльев. При этом общая площадь крыла уменьшалась с 20,83 м2 до 13 м2. Хвостовое колесо не убиралось.
Работа над первым лётным экземпляром ИС-1 шла достаточно быстро, и уже в феврале 1940 он был готов к испытаниям. В связи с необычностью и новизной конструкции, до выпуска в воздух было решено сначала продуть самолёт в недавно построенной большой аэродинамической трубе ЦАГИ Т-101, с одновременным испытанием уборки-выпуска шасси и нижнего крыла ИС-1. Это было первое в СССР полноразмерное испытание самолёта в трубе таких размеров и в связи с этим пришлось решать вопрос с подвеской самолёта. Испытания пошли с 20 по 23 марта 1940 года. Они подтвердили работоспособность основных узлов уборки крыла и шасси и живучесть всей конструкции.
В апреле 1940 года самолёт был отправлен на центральный аэродром в Москве для проведения проб двигателя и дальнейшей отработки основных узлов. Однако первый испытательный полёт было решено провести в другом месте - на новом испытательном аэродроме ЦАГИ в Раменском (Жуковский). 8 апреля 1940 года лётчиком-испытателем Г.В. Шияновым ИС-1 был впервые поднят в воздух. В этом вылете, как и в ряде последующих, нижнее крыло не убиралось. Только после проведения 8 полётов, убедившись в том, что самолёт стабилен и послушен лётчику, было принято решение о воздушном испытании механизма уборки-выпуска крыльев.
В то же время на территории 156-го завода продолжалась своя жизнь, связанная с деятельностью ещё одного конструкторского бюро – секретной «шарашки» НКВД – ЦКБ-29 (в ней в это время разрабатывался Туполевский Ту-2, Петляковский Пе-2 и не пошедший в серию бомбардировщик Мясищева), а потому ОКБ-60 было перемещено с территории завода в Москву. Официально состав КБ был утверждён только в мае 1940 года, а до тех пор над новым самолётом успели поработать конструкторы из других организаций – многие бесплатно, на добровольной основе. Однако такая система сильно затруднила работу и привела к неоправданным задержкам. Из-за этого в ОКБ-60 была направлена контрольная комиссия выявившая ряд недостатков в работе, а также массу финансовых нарушений. В результате, главный бухгалтер КБ попал под суд, сам Шевченко был снят с должности руководителя, хотя и оставлен главным конструктором, а Никитин стал его заместителем.
Дальнейшие приготовления ИС-1 к испытаниям шли практически под открытым небом в выделенном специально для этого небольшом ангаре в районе центрального аэродрома. Несмотря на столь жёсткие условия в процессе испытаний на земле было проведено 530 безаварийных проб работы складывания крыльев и связанного с этим механизмов, что подтвердило надёжность выбранной схемы, но не уменьшило разгоревшиеся к тому времени споры по поводу того – как будет происходить этот процесс в воздухе. В конце-концов было решено, что в случае необычного поведения машины в воздухе, пилот-испытатель Г. Шиянов просто покинет машину с парашютом. Первые испытания уборки-выпуска крыльев в полёте произошло 26 декабря 1940 года, и подтвердили безукоризненную работу всех механизмов.
До конца года, ИС-1 произвёл 21 испытательный полёт с общим налётом 6 часов 30 мин. За это время в полёте 10 раз складывалось крыло, на что каждый раз уходило в среднем 6-7 секунд. Шиянов, который лично произвёл 13 вылетов, в своём отчете, написанном к 9 января 1941 года, утверждал, что самолёт является простым в управлении и хорошо ведёт себя в воздухе. Предположительно в это время машина летала без установленного вооружения.
В протоколе, подписанном после окончания лётных испытаний 4 июня 1941 года, записано, что ИС-1 является удачным по конструкции и простым в пилотаже, не теряющим устойчивости даже в процессе складывания – раскладывания нижнего крыла. В варианте биплана (с разложенным крылом), возможен полёт со скоростью до 300 км/ч, а в варианте моноплана (со сложенным) – до 460 км/ч.
В связи с началом Отечественной войны все работы над ИС-1 были остановлены. Дальнейшая судьба первого самолёта осталась малоизвестной, и единственное, что дошло до нас - то, что он был разбит (видимо в ходе дальнейших испытаний осенью 1941 года).
Работа над ИС-2 была закончена в августе 1940 года. Он был оснащён мотором М-88 и имел площадь хвостового оперения несколько уменьшенной площади по сравнению с ИС-1. Подготовить к первому вылету его смогли уже к весне 1941 года. Однако к тому времени интерес к «складному самолёту» сильно упал, и ОКБ-60 было решено закрыть. Шевченко пробовал уговорить руководство сначала закончить испытания ИС-2, однако удалось совершить только 4 полёта в одном из котором было испытано вооружение. В декабре 1941 года в связи с опасностью захвата Москвы вражескими войсками, ИС-2 , как и многие другие опытные самолёты был уничтожен.
Кроме доведённых до лётного состояния ИС-1 и ИС-2, в ОКБ-60 за период его существования было спроектировано ещё несколько самолётов по схеме «моно-биплан». Известно о разработке темы ИС-3 оснащённого двигателем Микулина АМ-37 мощностью 1400 л/с, который однако, не вышел из стадии предварительных проработок.
Осталась абсолютна неизвестной история ИС-4. В некоторых публикациях можно встретить информацию о том, что на рубеже 1941–42 годов был сделан и даже облётан его прототип, однако автору пока не известен ни один источник, наверняка подтверждающий эту информацию. Вероятно, на этой машине был использован двигатель АМ-37, хотя изначально планировалась установка мотора Климова М-120 мощностью 1650 л/с (по некоторым данным – до 1800 л/с). Однако этот двигатель не был готов в срок и потому заменён Климовским. Кроме того – из отрывочных данных известно, что ИС-4 имел закрытую кабину пилота.
В феврале 1941 года, появился проект оригинального двубалочного ИС-16 с нижним крылом складывающимся, как и у его предшественников. Известно, что был изготовлен полноразмерный макет этой машины, а работы над самолётом продолжались до лета 1941 года. В 1942-43 годах, Шевченко предложил ещё один проект ИС по двигатель М-71, который хотя и рассматривался, но так и не был реализован. Последние предложения Шевченко относятся уже к 1947 году, когда им был предложен ещё один проект «складного самолёта», но уже с реактивным двигателем. Самолёту были даны положительные оценки, но он так и не был принят к реализации.
Результаты испытаний прототипов ИС не были признаны удовлетворительными. Конструкция самолёта в принципе была удачной и вполне могла быть принята в эксплуатацию, однако окончательное решение по этому вопросу не имело ясности. Тот-же ИС-4 имел (или по крайне мере – мог иметь) максимальную полётную скорость сравнимую со скоростями аналогичных ему монопланов классической схемы. Сама концепция «складного самолёта» хотя и имела право на существование, однако в реальности самолёт оказывался излишне сложным, а уменьшение посадочной скорости никак не могло компенсировать увеличившуюся массу и сложность конструкции. Тем более, что к тому времени стало ясно, что того же эффекта можно добиться применением развитой механизации крыла (т.е. – при одновременном использовании закрылков и предкрылков, а в дальнейшем – аэродинамических щитков и тормозных парашютов).
По другому пути решения проблемы уменьшения посадочной скорости пошёл другой советский конструктор – Григорий Бакшаев. Он спроектировал лёгкий самолёт смешанной конструкции оснащенный мотором М-11 мощностью в 100 л/с, в котором на основное крыло со стороны фюзеляжа выдвигалось шесть телескопических складных сегментов увеличивающих площадь крыла с 16,52 м2 до 23,85 м2. Каждый сегмент был сделан из двух деревянных стрингеров покрытых полотном. Выдвижение и уборка всей конструкции осуществлялось вручную при помощи тросовой проводки (выдвижение занимало около 30-40 секунд, уборка – 20-30). Самолёт представлял собой моноплан с низкорасположенным крылом, закрытой кабиной и неубираемым шасси. Крыло было двулонжеронным, цельнодеревянной конструкции и покрыто полотном. Для усиления его конструкции была предусмотрена система расчалок крепившихся к стойкам на фюзеляже. Точки креплений расчалок на крыле располагались на расстоянии 4м от оси самолёта. Элероны – на концах крыльев – вне зоны раздвижных сегментов. Самолёт получил название РК (Раздвижное Крыло), хотя в литературе часто встречается и другое его название – ЛИГ-7.
В 1937 году был готов первый экземпляр РК, и вскоре начались его испытания. Была подтверждена работоспособность раздвижных сегментов - причём в полёте это выполнялось столь же легко, как и на земле без нагрузки, а на управление самолёта это никак не влияло. Конструкция самолёта была признана перспективной. Эффективность такой схемы была доказана, однако на лёгких гражданских самолётах, которыми до тех пор занимался конструктор, в ней не было необходимости. Большая потребность в ней могла возникнуть в дальнейшем у скоростных военных самолётов, и потому для продолжения испытаний Бакшаев подал заявку на постройку истребителя РК-И (где – И – истребитель).
Схема самолёта была весьма необычной и до тех пор нигде не встречалась. Работа над его проектом началась в 1938 году и первоначально предполагала постройку самолёта для установки рекорда скорости в 800 км/ч. На самолёте собирались установить разрабатываемый мотор М-105 мощностью 1000 л.с. Это был биплан – с тандемным размещением центральнорасположенных крыльев, нормальным хвостовым оперением и выдвижными раскладными сегментами, которые должны были заполнять промежуток между передним и задним крылом, увеличивая общую площадь в 2,5 раза. С полностью разложенным крылом, самолёт фактически становился монопланом. Такая конструкция позволяла достигнуть больших скоростей при сложенных секциях и совершить нормальную посадку на приемлемой скорости при полностью разложенном крыле.
Этот проект был представлен комиссии из представителей ЦАГИ и ВВС и принят к реализации. Правда, после детальной оценки, предполагаемая максимальная скорость была снижена до 780 км/ч, что, однако, в те годы всё равно являлось рекордным показателем. В конце 1938 года советским руководством было предложено переработать проект в скоростной одноместный истребитель оснащенного перспективным двигателем М-106 мощностью 1200 л/с (который предположительно мог позволить развить самолёту скорость до 800 км/ч) и вывести эту машину к 1940 году на госиспытания.
Начало работ задержалось из-за отсутствия производственной базы, однако, в конце концов, удалось построить полноразмерный макет истребителя с работающим механизмом раскладывания крыльев. В 1940 году макет продули в аэродинамической трубе ЦАГИ. Результаты продувок оказались положительными, и единственная рекомендация по улучшению аэродинамики сводилась к предложению уменьшить зазоры между сдвижными сегментами для уменьшения аэродинамического сопротивления конструкции.
РК-И, имел смешанную конструкцию. Полумонококковый фюзеляж был цельнометаллическим. Крылья собирались из двух половин – верхней и нижней соединяемых между собой электросваркой. Раскладные сегменты состояли из дюралюминового каркаса обтягиваемого полотном. Вес всех сегментов составлял 330 кг. Уборка и выпуск выдвижных элементов осуществлялись при помощи электромотора и системы тяг. После уборки все сегменты целиком прятались в фюзеляж и закрывались концевыми шайбами, которые в разложенном положении являлись законцовками крыла. Закрылки и элероны на заднем тандемном крыле также выполнялись из дюраля. Самолёт имел одностоечное шасси, убираемое по-полёту с доворотом в фюзеляж. Заднее колесо также было убираемое. Запас топлива должен был обеспечить длительность полета продолжительностью 2,45 часа. Вооружение состояло из двух пушек ШВАК и двух пулемётов ШКАС.
Двигатель М-106 выбранный для оснащения РК-И, тем временем никак не могли довести до рабочего состояния, в результате чего окончание работ над самолётом задерживались и испытания отодвигались на неизвестный срок. В некоторых публикациях можно найти информацию о том, что рассматривался вариант оснащения истребителя РК-И двумя менее мощными двигателями – передним и задним с толкающим винтом, однако дальнейших работ по этому проекту не производилось.
В это время Бакшаев занимался не только этой машиной. Ещё до начала войны он работал над улучшением конструкции и модернизацией Поликарповского У-2 (По-2), для которого предложил целую гамму дополнительных грузовых крыльевых кассет и новых типов кабин.
Идя далее по «русскому следу» в области самолётов со складными крыльями, стоит вспомнить о ещё одном российском конструкторе, занимавшемся этой темой. Иван Иванович Махонин родился в Петербурге. После окончания Высшей Технической Школы занимался работами, связанными с паровозами и электровозами. После Октябрьской революции активно сотрудничал с советской властью и даже одно время был помощником самого Дзержинского. Интересы Махонина не ограничивались только железнодорожным транспортом. Среди его проектов были планеры, многоступенчатые ракеты, воздушные торпеды и проч. После полного провала спроектированного Махониным электропоезда, возможность внедрения новых проектов для него значительно уменьшилось. Жизнь конструкторов в СССР в те годы не была лёгкой. Успехи превозносились чуть не до небес и творцы новой техники были обильно обласканы властью, однако в случае неудачи – последствия могли оказаться самыми фатальными…
В этой ситуации Махонин, пользуясь своими связями в Политбюро, добился разрешения на выезд за границу и в 1921 году эмигрировал во Францию. Там, он смог удачно устроить свою судьбу и занялся проектированием экспериментальных самолётов. В 1929 году, Махонин запатентовал самолёт с раскладным крылом. Особенность конструкции состояла в том, что крыло, не просто изменяло площадь за счёт дополнительных сегментов, но увеличивало свою длину благодаря выдвижению подвижных секций на его концах. В результате росла не только площадь, но и размах крыла, что положительно влияло на общую аэродинамику. * 10 сентября 1931 года самолёт Mak.10 оснащённый двигателем Lorraine LD.12b, мощностью 480 л/с поднялся в воздух.
• *Надо добавить, что подобная схема обладает рядом существенных недостатков. Главным из них является то, что при постоянно действующих знакопеременных нагрузках на крыло, выдвижные секции и механизмы их уборки-выпуска должны обладать особой прочностью, что неизбежно приведёт к перетяжелению конструкции самолёта. (Прим. переводчика)
После четырёх лет экспериментальных полётов, первоначальная конструкция самолёта была значительно модернизирована. Новый самолёт назывался Mak.101 и был оснащён двигателем Gnome K.14 мощностью 800 л/с и убираемым шасси. Во время испытаний машина развила максимальную скорость в 378 км/ч. После начала войны и оккупации Франции немцами, Mak.101 вместе с французским лётчиком-испытателем была вывезена в Германию на испытательный полигон Luftwaffe в Рехлине, где во время одного из очередных полётов был разбит, после чего уже не восстанавливался.
Хотя Махонин в 1947 году и пытался продолжить работу в этом перспективном направлении построив Mak.123, оснащённый трофейным двигателем BMV-801TJ, его работы так и не вышли из стадии экспериментальных. Однако нельзя забывать, что в своих работах по раздвижным крыльям он на 6 лет опередил Бакшаева и был признанным лидером в этой области.
К идее изменяемого в воздухе крыла, снова вернулись на более позднем этапе развития авиации – с появлением более скоростных реактивных самолётов, но это уже совсем другая история…
Сравнительные технические данные самолётов ИС
ИС-1 ИС-2 ИС-4 (расчётные данные)
Тип и мощность двигателя (л/с) М-63/900 М-88/1100 АМ-37/1400
Размах (м) и площадь верхнего крыла (м2) 8,06/13 8,6/13
Размах (м) и площадь нижнего крыла (м2) 6,72/7,83 6,72/7,83
Длина самолёта (м) 6,79 7,1 8,35 – 8,4
Высота самолёта (м) 2,74
Масса пустого (кг) 1400
Взлётная масса 2300 2810 2900
Максимальная скорость (км/ч) 453 588 720
Максимальная высота полёта (м) 8800 11000 12500
Дальность полёта (км) 600
Разбег (м) 250
Технические данные самолётов РК
РК (ЛИГ-7) РК-И
Тип двигателя/мощность (л/с) М-11/100 М-106/1200
Размах (м) 11,3 8,2
Длина (м) 7,34 8,8
Высота (м) 3,07
Площадь крыла (сложенного-разложенного) м2 16,56/23,85 11,9/28
Максимальная скорость (км/ч) 150 780-800 (расчётная)
Высота полёта (м) 2900
Взлётная масса (кг) 900 3100
Дальность полёта (км) 400
Технические данные самолётов Махонина
Mak.10 Mak.101 Mak.123
Размах крыла мин/макс (м) 13/21 13/21 13/21
Длина (м) 14,8
Высота (м) 4,85
Мощность двигателя (л/с) 450 760 1800
Стартовая масса (кг) 5000 10000
Посадочная масса (кг) 7000
Максимальная скорость (км/ч) 300 378 300
Высота полёта (м) 5500
Экипаж (чел.) 1 2 2-4
Площадь крыла (м2) мин/макс 19/33 20/36