¹) Interavia, 11, №10 804-807 (1956)

Фиг 1. Первый экспериментальный самолёт «Белл» Х-1 с ЖРД.

Первые успешные сверхзвуковые полеты экспериментального самолета «Белл» Х-1 с ЖРД (фиг. 1) в октябре 1947 г. ознаменовали собой начало практического осуществления программы NACA, основная цель которой состояла в исследовании условий полетов на больших высотах и при больших числах М с помощью специальных экспериментальных самолетов (самолеты класса «экспериментальные») имеют обозначение «X»). С того времени как был спроектирован первый самолет NACA Х-1 прошло 12 лет. За эти годы были созданы улучшенные варианты самолета Х-1, а также новые экспериментальные самолеты (некоторые из них достигают скоростей 3200 км/час и высот больше 24000 м). Задачи программы исследований также изменились. Вначале основные препятствия были связаны с вопросами сопротивления и устойчивости; по мере увеличения скорости возникли новые трудности: «тепловой барьер» и пределы физиологической выносливости летчика. Тем не менее для исследования условий на границе земной атмосферы непрерывно создаются новые пилотируемые и беспилотные экспериментальные аппараты, рассчитанные на достижение чисел М=5 и выше («Дуглас» X-12, «Норт Америкэн» Х-15 и др.). В программу NACA вошли последние исследования по конструкционным материалам («Локхид Х-17) и материалы по разработке нового электронного оборудования («Норт Америкэн» Х-10). Естественно, что для этих работ потребуются значительные средства; известно, что на проектирование и постройку самолета Х-1 было затрачено 10 млн. долл. Стоимость самолета «Дуглас» Х-12, по имеющимся сообщениям, в несколько раз больше стоимости Х-1, а надо полагать, что самолет Х-12 вряд ли будет последним самолетом в серии «Х». Программа исследований имеет решающее значение для воздушной мощи США. Результаты этой программы косвенным образом выгодны промышленности, поскольку они дают основу для подробных исследований. Кроме того, во многих случаях получаемая информация представляет непосредственную ценность для проектирования новых самолетов.

Фиг 2. Экспериментальный самолёт «Белл» Х-1А с удлиненным фюзеляжем и фонарём кабины истребительного типа.

Работа над самолетами серии «Х» началась в 1944 г., когда сотрудники NACA поняли, что при помощи имевшихся в то время средств нельзя произвести надежные измерения в аэродинамических трубах в области околозвуковых скоростей. Чтобы восполнить этот пробел, ВВС и ВМФ США приняли решение о немедленной постройке двух экспериментальных самолетов: «Белл» Х-1 (ЖРД) и «Дуглас» 558-II (ТРД). Эти самолеты, проектировавшиеся на основе теории дозвуковой аэродинамики, имели запасы по прочности, достаточные, чтобы противостоять всем напряжениям при сверхзвуковых скоростях на больших высотах. Кроме того, размеры самолетов должны были быть по возможности наименьшими для достижения околозвуковых скоростей в горизонтальном полете, несмотря на небольшую тягу реактивных двигателей того времени. Поэтому все военное и часть стандартного оборудования с самолетов были сняты и оставлены только необходимые приборы. Поскольку в то время надежного ТРД большой мощности не было, на первом самолете Х-1 был установлен четырехкамерный ЖРД «Риэкшн Моторс» Е 6000-С4 с тягой 2720 кг. Первоначально была предусмотрена установка двух топливных насосов с приводом от турбин, но из-за задержки разработки парагазогенератора (в котором в присутствии катализатора разлагается концентрированная перекись водорода), питающего турбину, было решено использовать более простую систему подачи топлива под давлением. Такая система также дает энергию для привода щитков, шасси, гироскопических приборов и системы наддува кабины. В ней использовался сжатый азот, который хранился во вместительном баллоне при давлении ~ 350 атм и вытеснял горючее и кислород из баков при открывании клапана. Применение такой системы подачи топлива привело, однако, к необходимости использовать баки, рассчитанные на большое давление; тем самым значительно увеличивался вес топливной системы за счет уменьшения веса топлива. Всего на самолете имелось 1310 л жидкого кислорода и 1365 л смеси спирта с водой (в отношении 5 : 1), обеспечивавших продолжительность работы двигателя на полной тяге 2,5 мин. при расходе топлива 17,85 л/сек. Поскольку для испытательных полетов с земли продолжительность работы ЖРД была слишком незначительна даже при последовательной работе четырех камер, был запроектирован запуск в воздухе. С этой целью для подвески самолета Х-1 в бомбовом отсеке был модифицирован четырехмоторный бомбардировщик «Боинг» В-29. Поскольку длина самолета Х-1 составляла 9,45 м, бомбовый отсек бомбардировщика был удлинен. Бомбардировщик В-29 поднимал самолет Х-1 на высоту, достаточную для безопасного сброса. После нескольких планирующих спусков 9 декабря 1946 г. состоялся полет с работающим двигателем, а 14 декабря 1947 г. летчик-испытатель Ч. Ягер превысил скорость звука.

Фиг 3. Экспериментальный самолёт «Белл» Х-1B, оборудованный специальными измерительными приборами для изучения «теплового барьера».

Каждый полет детально разрабатывался. Во время набора высоты летчик оставался на самолете-матке В-29. По достижении высоты ~ 3000 м он через маленькую дверь в борту фюзеляжа спускался по лестнице (которая находилась в открытом потоке) в кабину подвешенного Х-1. Эта же дверь служила аварийным люком. На самолете не было катапультирующего кресла. На высоте 7500 м в топливные баки подавалось давление, и на высоте 9000 м после отделения от носителя начинался полет, который длился несколько минут. После выполнения задания все остающееся топливо сливалось и летчик направлял самолет к посадочной полосе длиной около 21 км на дне высохшего озера в Мюроке. (Это место использовалось в качестве эксплуатационной базы для самолета Х-1.) Летчик пролетал над полосой со скоростью свыше 480 км/час, делал разворот на скорости около 350 км/час и совершал посадку на скорости 290 км/час.

Фиг 4. Экспериментальный самолёт «Белл» Х-1E - последний самолёт серии Х-1 с относительной толщиной крыла 4% и дальнейшей модификацией фонаря кабины.

Число М увеличивалось с каждым полетом только после того, как полностью анализировалось поведение самолета при меньших скоростях с увеличенными значениями коэффициента подъемной силы. После ряда испытаний обнаружилось, что многие аэродинамические явления, которые обычно не имеют места до перехода на большие числа М, могут возникать при меньших числах М во время полета с увеличенным коэффициентом подъемной силы (крен с набором высоты). Таким образом, число М было увеличено до М=1,5. Как и следовало ожидать, иногда наблюдались затруднения с устойчивостью, но они были не столь серьезны на самолете Х-1 с прямым крылом, как на самолетах со стреловидными крыльями, которые испытывались позже ( «Дуглас» D-558-II, «Нортроп» Х-4, «Белл» Х-5). На самолете Х-1 с относительной толщиной крыла 8% и толщиной оперения 6% критическое число М~0,88. Конструкция самолета была рассчитана на перегрузки от +18g до —10g; в ходе испытаний никаких серьезных повреждений не наблюдалось. Все самолеты серии Х-1 имели прямую передачу усилий в системе управления и не были оборудованы бустерами.

Фиг. 5. Установка самолёта Х-2 на самолёт-носитель В-50, поднятый при помощи гидравлических платформ. Фиг. 6. Экспериментальный самолёт «Белл» Х-2, оборудованный лыжным шасси и установленный на тележку для передвижения по земле.

Первый самостоятельный полет самолета Х-1 с частично заполненными баками состоялся 7 января 1949 г. Самолет медленно рулил вдоль полосы на соляном озере (все камеры ЖРД работали), набрал скорость и после пробега около 700 м оторвался от земли. Высоту 7000 м набрал за 100 сек.

Одновременно с проведением этих испытаний были построены еще два самолета Х-1: один — с относительной толщиной крыла 10%, другой — с первоначально запланированными топливными турбонасосными установками. Применение турбонасосов для подачи топлива, работающих на перекиси водорода, позволило увеличить запас жидкого кислорода до 2275 л и водно-спиртовой смеси до 2500 л, что обеспечивало теоретическую продолжительность работы ЖРД в течение 3,5 мин. Однако перед отделением от носителя этот самолёт взорвался во время испытательного полета в ноябре 1951 г. Прототип самолета Х-1 в настоящее время хранится в музее Смитсоновского института в Вашингтоне.

Опыт первых экспериментальных самолетов был использован при создании самолета Белл» Х-1A (фиг. 2), построенного в конце 1951 г. В отличие от самолета Х-1 самолет «Белл» Х-1A имел фюзеляж, удлиненный на 2,14 м, модифицированную кабину (катапультирующее кресло) и выступающий из обводов фонарь кабины. Благодаря большим размерам фюзеляжа удалось увеличить запас топлива на самолете и довести продолжительность работы ЖРД более чем на 4 мин. Самолет Х-1A был передан на Эдвардскую базу ВВС США в ноябре 1953 г. 17 декабря 1953 г. — в день 50-й годовщины первого полета братьев Райт — было решено сделать попытку достичь M=2.

Полет, во время которого Ягер увеличил неофициальный мировой корд скорости до М=2,5 в действительности состоялся 12 декабря 1953 г. После отделения от самолета-носителя на высоте 9100 м летчик начал «обычный» набор высоты до 18 300 м, затем включил четвертую камеру ЖРД и медленно перешел в горизонтальный полет, достигнув М=1,9 на высоте 23 800 м. На этой стадии полета самолет разгонялся с ускорением 13,8 м/сек². Затем летчик перешел в пологое пикирование и самолет достиг М=2,5 или скорости 2650 км/час на высоте 23 200 м. До этого момента постоянное ускорение поддерживало «индуктивную устойчивость самолета, которая внезапно исчезла, как только одновременно прекратили работу все четыре камеры ЖРД. Летчик немедленно потерял управление самолетом, который начало резко бросать в стороны; при этом движении перегрузки достигали 11g. Примерно через 50 сек. Ягер обнаружил, что он находится на высоте 7500 м, и скорость самолета по прибору составляет всего 274 км/час. Летчик попытался во что бы то ни стало вывести самолет из обратного штопора. Воздушные нагрузки на борта фюзеляжа были в два с половиной раза больше предельных расчетных нагрузок, но прочная конструкция выдержала их, и самолет в конце концов приземлился на аэродроме в Мюроке. (Сам Ягер находился в полуоглушенном состоянии и имел серьезные ушибы.) Впоследствии летчик Муррей достиг высоты ~27 400 м, но не превысил скорости, соответствующей М=2.

В начале 1955 г. был построен еще один самолет Х-1А с новым крылом, имеющим относительную толщину всего 4% и удлинение 4 (по сравнению с удлинением 6 у более ранних самолетов). Перед первым запуском этого самолёта, в то время как самолёт-носитель набирал высоту, в топливной системе произошёл взрыв и на экспериментальном самолёте начался пожар, поэтому его пришлось сбросить.

За несколько месяцев до этого начались испытания самолета «Белл» Х-1В (фиг. 3). Этот самолет является модификаиией самолета Х-1А; он специально оборудован для изучения явлений аэродинамического нагрева. После самолета Х-1В появился самолет Х-1D, который во время испытания 21 августа 1951 г. потерпел аварию: он был сброшен с самолета-носителя B-50 в результате взрыва. Последним самолетом серии Х-1 с прямым крылом является самолет Х-1Е (фиг. 4), фюзеляж которого был вновь модифицирован, а фонарь нового типа с острыми гранями напоминает фонарь самолета «Дуглас» D-558-II.

Начальной целью экспериментальных полетов было определение максимальных характеристик испытываемых самолетов. Однако затем оказалось столь же важным и не менее трудным установить максимальный коэффициент подъемной силы, который можно практически получить при больших числах М. Найдено, например, что в области наибольшего числа М при увеличении угла атаки скорость падает непропорционально, поэтому с имеющейся тягой двигателя можно выполнять крутые развороты только при меньших числах М. Исследователи пришли к выводу, что благодаря огромному росту сопротивления при очень небольшом увеличении угла атаки для испытаний подъемной силы при больших числах М (например, при М=2) нужно использовать самолет, максимальная скорость которого значительно превышает этот предел.

Таким требованиям удовлетворяет самолет «Белл» Х-2 (фиг. 5 и 6), ракетный двигатель которого имеет достаточную избыточную тягу для того, чтобы самолет мог лететь с большим углом атаки при М>2. Несмотря на то, что проект самолета Х-2 появился еще в 1947 г., первый образец построенный в январе 1950 г., подвергся многочисленным переделкам, которые задержали передачу самолета ВВС до лета 1952 г. Во время испытательного полета в мае 1953 г. самолет Х-2 без пилота в результате взрыва был сброшен с самолета-матки и упал в озеро Онтарио. Вскоре после этого была закончена постройка второго самолета Х-2, и фирма «Белл» начала испытания на планирование в августе 1954 г. Первый полет с двигателями, которые работали 6 мин., состоялся в ноябре 1955 г. Самолет вел Эверест — главный летчик-испытатель Эдвардской базы ВВС. 25 июля 1956 г. этот же пилот достиг невероятной скорости ~ 4000 км/час, которая, однако, не была подтверждена ВВС США по причинам секретности¹)

¹) Второй образец самолета Х-2 разбился во время испытательного полета в октябре 1956 г. Причины катастрофы не сообщаются. — Прим. перев.

Фиг. 7. Экспериментальный самолёт «Дуглас» Х-3

Стреловидное крыло самолета Х-2, имеющее чрезвычайно малые размеры, во многом отличается от крыльев самолетов серии Х-1. Крыло и оперение изготовлены из нержавеющей стали, фюзеляж — из толстостенной никелевой стали (листы из сплава К-монель). Расчетный диапазон скоростей самолета Х-2 требует применения жаропрочных сплавов для всех нагруженных деталей. Даже при М=2—3 обшивка нагревается до 120—350°С, несмотря на низкие температуры окружающего воздуха на больших высотах (от — 50 до —60°С). Так, даже для фонаря кабины, имеющего острые углы, потребовалось специальное жаропрочное стекло. В отличие от самолетов серии Х-1 кабина самолета Х-2 имеет теплоизоляцию и систему кондиционирования, рассчитанную на значительно большее избыточное давление; в систему управления введены бустеры. В случае аварии кабина самолета, установленная на взрывных болтах, целиком отделяется от фюзеляжа опускается на ленточном парашюте до высоты, на которой летчик может безопасно воспользоваться индивидуальным парашютом. На самолете установлен ЖРД «Кёртисс-Райт» LR-25-CW-1 с тягой ~7250 кг, которую можно плавно изменять рычагом управления. В целях экономии места две основные стойки обычного шасси заменены убирающейся лыжей; для управления движением по земле на самолете имеется носовое колесо.

К одному из наиболее необычных по виду самолетов принадлежит, несомненно, самолет «Дуглас» Х-3 — «летающий карандаш», длина которого ~ 20,4 м, а размах крыльев ~ 6,9 м (фиг. 7). На нем установлены 2 ТРД фирмы «Вестингауз». Постройка самолета была закончена к середине 1952 г.; после заводских испытаний он в декабре 1953 г. был передан ВВС США. Едва ли нужно говорить о том, что этим самолетом, имеющим нагрузку на крыло ~ 1200 кг/м и посадочную скорость свыше 346 км/ч могут управлять только наиболее искусные летчики. К сожалению, никаких подробностей о целях и результатах программы летных исследований самолета Х-3, законченной в настоящее время, не имеется.

Фиг. 8. Экспериментальный самолёт «Нортроп» Х-4 без хвоста.

В то время как описанные выше самолеты серии «Х» использовались главным образом для исследований в области сверхзвуковых скоростей, самолеты с турбореактивными двигателями «Нортроп» Х-4 и «Белл» X-5 были сконструированы специально для исследований в околозвуковой области. Поэтому понятно, почему эти два самолета имели стреловидные крылья. Одной из задач программы было исследование определенных качеств устойчивости и устранение большого числа неблогоприятных явлений, возникающих у самолета с такими крыльями.

Самолет «Нортроп» Х-4 (фиг.8) давал возможность испытывать поведение самолета без хвоста со стреловидным крылом, снабженным элевонами. Элевоны в настоящее время применяются почти на всех самолетах с треугольными крыльями, хотя они до сих пор представляют определенные затруднения в отношении устойчивости и эффективности поверхностей управления в околозвуковой области. Продолжительность полета самолета Х-4 При полной тяге установленных на нем ТРД «Вестингауз» J-30 составляла всего 15 мин., так как запас топлива на самолете не мог превышать ~ 1100 л из-за большого веса установленных приборов.

Фиг. 9. Экспериментальный самолёт «Белл» Х-5 с изменяемом в полёте углом стреловидности.

На самолете «Белл» Х-5 (фиг. 9) с одним ТРД были проведены испытания стреловидного крыла с углом стреловидности, который мог изменяться в полете в определенных пределах соответственно изменению числа М. Механизм установки угла стреловидности был связан с устройством, которое одновременно компенсировало изменение центровки самолета. Летные испытания самолета Х-5 оказались, однако, затруднительными из-за недостаточной устойчивости. 13 октября 1953 г первый из двух самолетов этого типа разбился и летчик погиб. Как сообщают, второй самолет позже также потерпел аварию.

За последние несколько месяцев были опубликованы сведения о серии новых экспериментальных самолетов и испытательных аппаратов и о значительном расширении программы летных исследований, финансируемой ВВС и ВМФ США (табл. 1). Некоторые из новых моделей серии спроектированы как беспилотные, управляемые на расстоянии аппараты, поскольку человек не в состоянии вынести условия на огромных высотах и скоростях.

Таблица 1

Фиг. 10. Экспериментальный летательный аппарат «Локхид» Х-7 для испытаний прямоточных двигателей и управляемых ракет.