Задача – взлететь вертикально!

Продолжение. Начало в «АиВ», № 5'2006

Тем временем англичане существенно продвинулись в создании своего СВВП. 3-9 сентября 1962 г. на очередном авиасалоне в Фарнборо впервые был показан опытный самолет Хоукер Р1127. В демонстрационных полетах принимали участие 2 машины такого типа, которые выполняли вертикальный взлет и посадку, маневры на ви- сении, горизонтальный полет на большой скорости и фигуры высшего пилотажа. Кроме того, британцы показали на Р. 1127 взлет с коротким разбегом, использование которого позволяло по сравнению с вертикальным взлетом эксплуатировать самолет с увеличенной массой. На выставочном стенде можно было ознакомиться и с двигателем BS.53 «Пегас», которым оснащался Р.1127.

Разработка советского СВВП существенно отставала от британского. 2 октября 1962 г. один из ведущих специалистов яковлев- ской фирмы С.Г. Мордовии встретился с летчиком-испытателем Ю.А. Гарнаевым, который поделился впечатлениями от полетов на «Турболете» и сообщил об отчете ЛИИ по итогам испытаний этого летающего стенда. Увы, в нем не оказалось главного: сведений о взаимодействии газовых струй двигателя с поверхностью земли…

Работы по Як-36 были организованы так, что модельные и натурные исследования велись практически одновременно с созданием самой машины. Поэтому как самолет, так и многочисленные испытательные стенды и установки превратились в единый исследовательский комплекс. Полученные с его помощью знания должны были стать научно-техническим заделом, столь необходимым для создания полноценного боевого СВВП.

На опытном производстве ОКБ Яковлева построили 4 экземпляра Як-36. Первый предназначался для наземных исследований (в т.ч. на «кабель-кране»(3*)) тепловых и газодинамических явлений, сопутствующих вертикальным режимам. Еще один – для статических испытаний и два – для летных.

Ведущим летчиком-испытателем назначили Ю.А. Гарнаева, припомнив его «турболетное» прошлое и богатый опыт пилотирования вертолетов. Дублером стал В.Г. Мухин – летчик ОКБ А.С. Яковлева. Летчиком облета назначили А.П. Богородского, ведущими инженерами – О.А. Сидорова и В.Н. Павлова, механиками самолетов – Д.А. Колотурского и В.К. Кузьмина. Как вспоминал Мухин, до начала испытаний необычной машины много внимания было уделено подготовке летчиков. «6 конструкторском бюро создали для этой цели специальный электронный стенд, состоящий из кабины самолета и выносного монитора. На нем и отрабатывалась методика управления самолетом на режимах вертикального подъема и снижения, висения на высотах до 5 м и методика небольших перемещений над площадкой, контур которой был нанесен на экран монитора. Применялся принцип управления, схожий с управлением вертолетом. Изменение высоты производилось возвратно-поступательным движением обычного, как у нормального самолета, сектора газа, а перемещение по площадке – небольшими отклонениями ручки. Кроме того, пришлось потренироваться на вертолете Ми-4, выполняя вертикальные взлеты и снижения, зависания на малых высотах, разгоны и торможения вдоль полосы».

Весной 1963 г. первый летный Як-36 (борт 37) доставили на аэродром ЛИИ в Жуковском. После всех необходимых регулировок, проверок и т.п. начались вертикальные «полеты» на привязи. К лету в ЛИИ подготовили специальную бетонную яму, закрытую стальной решеткой, служившую для отвода горячих газов, которые бушевали под фюзеляжем. По воспоминаниям Павлова, «… при первом же опробовании двигателей произошел помпаж. Пришлось заварить решетки спереди самолета до самой носовой стойки. После этого двигатели временно перестали помпировать».

В июне-июле Гарнаев совершил на пришвартованном самолете несколько первых подлетов, поднимая машину до полуметра над решеткой. 23 июля этот режим трижды повторил В.Г. Мухин. 24 и 30 июля он выполнил еще 6 подлетов. О том, какие впечатления остались у очевидцев этих первых «полетов», хорошо видно из воспоминаний Павлова. «Летчик должен был поднять машину, натянуть тросы, которыми самолет был привязан к решетке, а затем, убирая тягу двигателей, стараться зависнуть в свободном полете (т.е. с ослабленными тросами) и в этом положении пытаться удерживать самолет в заданном положении и управлять им. Сейчас, спустя сорок лет, я вспоминаю этот «цирк» с внутренним трепетом. По-моему все, кто наблюдал за этой эквилибристикой, до приземления самолета не дышали. А суть в том, что натянуть тросы просто – дал газ, самолет взлетел, тросы натянулись, и летчику делать больше нечего. "Цирк" начинался тогда, когда летчик пытался снизить самолет на полметра, а тот в это время почему-то еще уходил в какую-либо сторону, а с другой стороны его держал трос, да и летчик пытался им управлять, т.е. хорошего из этого ничего не получалось».

3* «Кабель-кран» представлял собой две ферменные опоры, вершины которых были соединены тросом. С середины этого троса свисал другой трос, к нему через механический или тензометрический динамометр подвешивали самолет, который снизу швартовали к площадке.

Британский опытный СВВП Хоукер Р.1127 во время испытаний на привязи

Разработка первого советского СВВП вызвала серьезный интерес у руководства Министерства обороны. В том же месяце ЛИИ посетил министр обороны Р.Я. Малиновский с группой генералов, которые наблюдали за висением Як-36 на привязи. "Ю.А. Гарнаев дал полные обороты двигателям, – рассказывал Павлов. – самолет плавно взлетел на высоту около 5 м, натянул все 4 троса и так с туго натянутыми тросами висел минут 5, затем плавно опустился и сел. Зрелище было исключительное. Всем очень понравилось, гости были в восторге и благополучно удалились». На прощание Малиновский поблагодарил создателей самолета и высоко оценил проведенную работу.

Однако заслужить похвалу высокого начальства было даже не половиной дела. Создатели Як-36 столкнулись с рядом серьезнейших проблем, над решением которых пришлось биться не месяц и не год.

Вполне естественно, что разработчики Як-36 в первую очередь опирались на опыт проектирования обычных реактивных самолетов. Они считали, что на СВВП достаточно так закомпоновать двигатели, чтобы векторы их тяги на вертикальных режимах проходили через центр масс машины, а на режимах горизонтального полета отвечали бы требованиям к аэродинамической компоновке обычного самолета. При этом реактивный двигатель рассматривался только как источник тяги, которую следует повернуть в нужном направлении. Первые эксперименты с установленными вертикально ТРД и полеты «Турболета» показали, что одиночная вертикальная реактивная струя, натекая на плоскую горизонтальную поверхность, не отражается от нее, а растекается по этой поверхности во все стороны тонким слоем (поэтому такая струя называется веерной). Она постепенно охлаждается и тормозится при смешении с неподвижным воздухом и от трения о поверхность площадки. На расстоянии в несколько десятков диаметров сопла струя отрывается от поверхности архимедовыми силами и всплывает, а попадание горячих газов в воздухозаборники двигателей грозит большими неприятностями. Происходит это, как правило, импульсно и неравномерно по входному сечению, что резко нарушает газодинамику компрессора. В нем начинается срыв потока с лопаток, который распространяется лавинообразно и вызывает мощные пульсации давления внутри двигателя (помпаж), что может привести к его выключению.

Радикальным средством преодоления отрицательного влияния струйных течений является применение в местах базирования СВВП газоотводящих устройств. Однако в силу ряда причин они не прижились.

Следует отметить, что на английском «Хар- риере» попадание горячих газов в воздухозаборник не отмечалось. Установленный на этих машинах двухконтурный двигатель «Пегас» имел два передних сопла вентилятора и два задних сопла газогенератора. На вертикальных режимах струи относительно холодного воздуха от вентилятора экранировали воздухозаборник от горячих струй газогенератора.

А вот на Як-36 опасное явление начало проявляться практически сразу. Как вспоминал участник разработки всех советских подъемно-маршевых двигателей Л.П. Берне,половина горячих газов уходила в хвостовую часть, «что было безвредно, но другая половина, ориентированная вперед, попадала непосредственно на вход в двигатели. Неравномерность температурного поля на входе в компрессор достигала критического значения, и устойчивая работа двигателя нарушалась». Уже на следующий день после визита Малиновского произошел помпаж левого двигателя, самолет хорошо приложился о решетку и сломал левую подкрыльевую стойку шасси.

«Стойку мы быстро заменили запасной. – рассказывал Павлов, – но всем стало ясно, что летать, а тем более эксплуатировать такой самолет с подобных ям будет невозможно. А на плоской поверхности при вертикальном положении сопел двигатели просто не будут работать из-за попадания в воздухозаборник горячих выхлопных газов».

Конструкторы тут же развернули поиск решений, направленных на устранение наиболее явных симптомов «болезни» средствами научной и народной «медицины». Павлов пишет, что в этот момент Яковлев назначил Мордовина зам. главного конструктора и «ответственным за доводку этого, казалось бы, безнадежного дела. С. Г. Мордовии, – очень талантливый человек, конструктор, инженер, изобретатель, крупный ученый. Он не имел ученого звания, ему некогда было писать диссертации и защищать их, он создавал, он работал, образно говоря, все 24 часа в сутки, в тяжелой борьбе отстаивая свое мнение. По инициативе С.Г. Мордовина… была создана примитивная модель, имитирующая сопла на самолете. На этой модели С. А. Страхов и РВ. Когаут провели исследования растекания выхлопных газов и дали предварительные рекомендации, как защитить воздухозаборники».

Параллельно в ЛИИ на натурном стенде-имитаторе силовой установки Як-36, так называемом стенде «Д», отрабатывали мероприятия по защите самолета и двигателя от воздействия газовых струй. Один из участников этих работ, впоследствии ведущий специалист ЛИИ по отработке режимов взлета СВВП Л.И. Верный вспоминал об этом периоде: «Придя в мае 1963 г. в 3-е отделение ЛИИ и попав в специально созданный по инициативе А.В. Чесалова(4*) сектор по исследованию работы СУ СВВП, я оказался в чрезвычайно благоприятной атмосфере, в которой царили творчество, доброжелательность, взаимопомощь и демократичность, в значительной степени определяемые ее руководителем И.А. Розенфельд…

Это было романтическое время. Все участники работы были уверены, что будущее боевой авиации СССР связано именно с такими самолетами, способными взлетать и садиться на пятачок, и которым не нужны аэродромы для взлета и посадки, и тем самым их боевое применение не зависит от все возрастающих разрушительных возможностей боевой авиации и ракет противника. Увлеченность СВВП была большой не только в кругах специалистов ЛИИ. Даже в ГВФ рассматривалась возможность создания гражданских СВВП для пассажирских и грузовых авиаперевозок…

Собственно, стенд «Д» представлял собой металлоконструкцию на шасси, на которой устанавливались двигатели Р11Ф-300, по расходу воздуха, тяговым характеристикам и прочим параметрам достаточно близко совпадающим с двигателем Р27-300 – за исключением того, что на нем устанавливались не поворотные, а фиксированные под углом -90° от вертикали реактивные сопла. Взаиморасположение двигателей, воздухозаборных каналов и сопл, расстояние от среза сопл до поверхности аэродрома и сопла струйного управления в натуральную величину моделировали самолет Як-36. Управление работой двигателей осуществлялось дистанционно из кабины, расположенной на расстоянии около 20 м от стенда. Контроль за работой двигателей обеспечивался пультом, на котором имелись все необходимые приборы, контролирующие частоту вращения, температуру газа за турбиной, давление масла, топлива и т.д. Стенд располагался на бетонной поверхности, устланной металлическим листом. Ведущим инженером от ОКБ Яковлева был В.П. Власов, от ЛИИ – Л. И. Верный, от ОКБ Туманского – К.К. Лаврентьев».

4* Профессор, доктор технических наук, лауреат Государственной премии, с 1943 по 1947 гг. – начальник ЛИИ. В описываемый период – начальник 3-го отделения ЛИИ

Так выглядел «кабель-кран»

Летчики-испытатели В.Г. Мухин и Ю.А. Гарнаев

На этом стенде с проблемой помпажа двигателей от попадания горячих газов столкнулись даже несколько раньше, чем на самом Як-36. Проведенные эксперименты дали очень важный материал для понимания явления и выработки мероприятий по доработкам самолета. Поиск вариантов защиты воздухозаборников, по выражению Берне, шел мучительно, а принятые в конце концов решения, позволившие решить проблему, заключались во внедрении «ряда конструктивных изменений. На самолете установили отражательные щитки, которые после взлета убирались, а также струйную газовую защиту. В конце концов удалось добиться устойчивой работы двигателей». Эффективность доработок проверяли во время испытаний на «кабель-кране» на высотах до 5 м, т.к. выше влияние газов уже не сказывалось. На все это ушел год напряженной работы.

Во время испытаний Як-36 быстро проявились и другие неприятные физические явления. Одно из них рассмотрим подробней. Взлетающий с горизонтальным положением фюзеляжа СВВП можно условно представить как фигуру, расположенную на некоторой высоте от площадки, в контуре или вне контура которой располагаются сопла реактивных двигателей. Если сопло одно, оно размещается в центре масс, т.е. для самолета обычной схемы – в зоне сопряжения крыла с фюзеляжем. И вот под контуром СВВП растекается тонкая веерная струя, которая эжектирует неподвижный воздух, чем создает под крылом зону разрежения и, соответственно, присасывающую силу. Эта сила тем больше, чем больше скорость веерной струи и площадь фигуры над зоной разрежения, а также чем эта фигура более плоская и ближе расположена к поверхности площадки. Таким образом, вынужденное по условиям балансировки расположение сопла однодвигательного СВВП в зоне сопряжения крыла с фюзеляжем приводит к максимальной присасывающей силе, которую практически можно уменьшить, только увеличив высоту самолета (крыла) над площадкой.

Качественно такой же отрицательный эффект получается и при многосопловой силовой установке, размещенной вблизи центра масс самолета. При этом величина присасывающей силы во многом определяется взаимодействием струй еще до соприкосновения с поверхностью ВПП. Если сопла расположены близко друг от друга, то струи как бы сливаются и после натекания на площадку образуют единую веерную струю. Из-за повышенной эжекции окружающего воздуха струями с большей суммарной поверхностью присасывающая сила многосопловой силовой установки возрастает. По воспоминаниям Мухина, подсасывание Як-36 к земле «доставило очень много мороки… По расчету, подсос не должен был превышать 400-450 кг, а на самом деле он оказался значительно больше, да к тому же менялся в зависимости от силы ветра и положения самолета по крену и тангажу. По идее, по законам физики, небольшое превышение тяги над весом должно приводить к подъему аппарата, а на практике требовалась тяговооруженность не менее 1,1-1,12».

Необходимо отметить, что значительный объем исследований проблем взаимодействия реактивных струй и несущих элементов СВВП был проведен в ЦАГИ, который в то время возглавлял выдающийся авиаконструктор В.М. Мясищев. Такие работы велись в руководимом Б.Н. Фролищевым секторе аэродинамики СВВП, где трудились ведущие специалисты В.А. Голу- бов, И.В. Краснов, В.Г. Культин, С.Д. Сыт- ник и др. В секторе создали стенд ВВ-1, на котором выполнили значительный объем испытаний специальных моделей, позволивших обнаружить существеннейшие потери вертикальной тяги силовой установки СВВП из-за взаимодействия растекающихся реактивных струй двигателя с крылом на режимах ВВП (это самое «подсасывающее воздействие»). Занимались в ЦАГИ и другими исследованиями, связанными с созданием Як-36. Так, в 1963-64 гг. в аэродинамической трубе Т-101 проводились продувки натурного самолета, позволившие в том числе разработать целый комплекс мероприятий для обеспечения безопасных взлета-посадки и переходных режимов (Б.Н. Фролищев, А.Г. Кукинов). Специалисты ЦАГИ активно участвовали в работах по обеспечению устойчивости и управляемости СВВП. Проведенные на пилотажном стенде оценки потребной эффективности струйных органов управления (Г.В. Александров, А.Н. Предтечен- ский) подтвердили результаты летных исследований на «турболете».

В целом доводка системы управления Як-36 потребовала значительных усилий. Для решения вопросов поперечной управляемости при использовании органов струйного управления по инициативе Г.В. Александрова и Г.С. Калачева (ЛИИ) в ОКБ Яковлева решили создать натурный стенд сил и моментов для отработки системы управления, сыгравшый важную роль в экспериментальной отработке всех СВВП, созданных на этой фирме. А пока Як-36 не был готов для вертикального взлета с аэродромной площадки, поступил приказ провести взлет с коротким разбегом. Как вспоминает Павлов, специалисты «еще не знали ни управляемости самолета, ни его поведения в воздухе, но приказ есть приказ. До сих пор я вспоминаю этот цирковой трюк. Я находился на подвижном командном пункте, который по краю полосы следовал за самолетом. Выполнял этот трюк Ю.А. Гарнаев. Запустив и опробовав двигатели, запросил взлет. Взлет разрешили. Впереди 5 км отличной полосы. Пробежав метров 50-60, самолет подскочил метров на 10-15 и, продолжая лететь, начал болтаться по всем трем осям. Смотреть было страшновато. Я думаю, что только Ю.А. Гарнаев с его хладнокровием и опытом смог, плавно убирая обороты двигателя и работая ручкой управления по кругу, посадить самолет на взлетную полосу, немного выкатившись на грунт. Когда мы подъехали к самолету через несколько секунд, Ю.А. Гарнаев стоял около него. Лицо его было бледно. И почти спокойно он сказал нам: «Так ведь можно и машину подломать».

В дальнейшем Гарнаев лишь эпизодически принимал участие в испытаниях Як-36, т.к. был занят демонстрационными полетами на вертолетах за рубежом, а затем после катастрофы камовского винтокрыла Ка-22 находился на медицинском обследовании и временно не летал вообще. Поэтому основной объем испытаний выполнил Мухин. Он вспоминал: «На режимах висения самолет управлялся по высоте сектором газа, а относительно центра тяжести самолета – струйными ovлями. Кроме того, установили два полукомплекта автопилота, которые создавали так называемое искусственное демпфирование или искусственную «плотность» воздуха. А на продольном канале автопилоты держали еще и заданный угол тангажа. Если управляемость самолетом по тангажу и курсу нареканий не вызывала, то управление по крену оказалось неэффективным. Много раз мне приходилось поднимать самолет на высоту 0,5-0,7 метра и тотчас садиться, так как даже полное отклонение ручки для парирования крена не помогало. Мне говорили: это сказывается влияние земли, поднимись повыше – там будет лучше… Однако какое-то седьмое чувство подсказывало мне, что это не так». Согласился с мнением коллеги и Гарнаев. Очевидно, дискуссии Мухина с конструкторами порой проходили весьма остро. Во всяком случае, Павлов говорит, что Мухин как-то раз бросил одному инженеру, пытавшемуся убедить его поднять машину на 5 метров: «Садись сам и поднимай».

Отработка на первом летном экземпляре Як-36 вертикальных взлета и посадки

Для более объективной оценки ситуации самолет поручили облетать Богородскому. По воспоминаниям Мухина, тому удалось поднять машину примерно на метр, затем он свалился в крен, поломав «законцовку крыла и щиток обтекателя шасси. Этот эксперимент убедил наших конструкторов заняться доводкой управления по крену». Эти работы также растянулись на целый год, с лета 1963 г. до лета 1964 г. Как пишет Павлов, «первоначально, чтобы экономить воздух, отбираемый от компрессора (это ведь тяга), решили подключить топливные насосы двигателей к ручке управления с таким расчетом, чтобы в небольших величинах изменять тягу двигателей (сопла-то находятся с разных сторон от ц.т.) и таким образом как бы увеличить мощность реактивного управления(5*) по крену. Но после проведения частотных испытаний управления и расшифровки осциллограмм все наши надежды рухнули: мощность управления по крену исчезла. Все оказалось очень просто и понятно: сила на струйном руле изменялась сразу за отклонением ручки управления, а сила на сопле двигателя изменялась с задержкой, т.к. изменение шло после отработки топливной аппаратуры, а на это требовалось время. И силы расходились по фазе. Поэтому пришлось искать другое решение. Надо было дополнительно отобрать от двигателей еще воздух, а это или потеря тяги, или повышение температуры на лопатках турбины. Для этого нужно было провести дополнительные испытания двигателя на стенде, а также доработать трубы системы реактивного управления в консолях крыла.

Чтобы выиграть время, было принято решение увеличить плечо сил от крыльевых струйных рулей на один метр. После этой несложной доработки машина устойчиво держалась на всех высотах, да и летчик почувствовал ее. Они стали понимать друг друга. Мне помнится этот момент, когда после отличной посадки из кабины показался В. Г. Мухин с сияющим лицом и произнес: «Я понял». Мы его качали».

5* Мощность управления – устоявшийся термин, который употребляется в ОКБ Яковлева и сейчас. По сути это управляющий момент. (Прим. автора).

Окончание следует

Андрей Харук/ г. Нововолынск Волынской обл.

Примечания:

Задача – взлететь вертикально!

Продолжение. Начало в «АиВ», № 5'2006

Тем временем англичане существенно продвинулись в создании своего СВВП. 3-9 сентября 1962 г. на очередном авиасалоне в Фарнборо впервые был показан опытный самолет Хоукер Р1127. В демонстрационных полетах принимали участие 2 машины такого типа, которые выполняли вертикальный взлет и посадку, маневры на ви- сении, горизонтальный полет на большой скорости и фигуры высшего пилотажа. Кроме того, британцы показали на Р. 1127 взлет с коротким разбегом, использование которого позволяло по сравнению с вертикальным взлетом эксплуатировать самолет с увеличенной массой. На выставочном стенде можно было ознакомиться и с двигателем BS.53 «Пегас», которым оснащался Р.1127.

Разработка советского СВВП существенно отставала от британского. 2 октября 1962 г. один из ведущих специалистов яковлев- ской фирмы С.Г. Мордовии встретился с летчиком-испытателем Ю.А. Гарнаевым, который поделился впечатлениями от полетов на «Турболете» и сообщил об отчете ЛИИ по итогам испытаний этого летающего стенда. Увы, в нем не оказалось главного: сведений о взаимодействии газовых струй двигателя с поверхностью земли…

Работы по Як-36 были организованы так, что модельные и натурные исследования велись практически одновременно с созданием самой машины. Поэтому как самолет, так и многочисленные испытательные стенды и установки превратились в единый исследовательский комплекс. Полученные с его помощью знания должны были стать научно-техническим заделом, столь необходимым для создания полноценного боевого СВВП.

На опытном производстве ОКБ Яковлева построили 4 экземпляра Як-36. Первый предназначался для наземных исследований (в т.ч. на «кабель-кране»(3*)) тепловых и газодинамических явлений, сопутствующих вертикальным режимам. Еще один – для статических испытаний и два – для летных.

Ведущим летчиком-испытателем назначили Ю.А. Гарнаева, припомнив его «турболетное» прошлое и богатый опыт пилотирования вертолетов. Дублером стал В.Г. Мухин – летчик ОКБ А.С. Яковлева. Летчиком облета назначили А.П. Богородского, ведущими инженерами – О.А. Сидорова и В.Н. Павлова, механиками самолетов – Д.А. Колотурского и В.К. Кузьмина. Как вспоминал Мухин, до начала испытаний необычной машины много внимания было уделено подготовке летчиков. «6 конструкторском бюро создали для этой цели специальный электронный стенд, состоящий из кабины самолета и выносного монитора. На нем и отрабатывалась методика управления самолетом на режимах вертикального подъема и снижения, висения на высотах до 5 м и методика небольших перемещений над площадкой, контур которой был нанесен на экран монитора. Применялся принцип управления, схожий с управлением вертолетом. Изменение высоты производилось возвратно-поступательным движением обычного, как у нормального самолета, сектора газа, а перемещение по площадке – небольшими отклонениями ручки. Кроме того, пришлось потренироваться на вертолете Ми-4, выполняя вертикальные взлеты и снижения, зависания на малых высотах, разгоны и торможения вдоль полосы».

Весной 1963 г. первый летный Як-36 (борт 37) доставили на аэродром ЛИИ в Жуковском. После всех необходимых регулировок, проверок и т.п. начались вертикальные «полеты» на привязи. К лету в ЛИИ подготовили специальную бетонную яму, закрытую стальной решеткой, служившую для отвода горячих газов, которые бушевали под фюзеляжем. По воспоминаниям Павлова, «… при первом же опробовании двигателей произошел помпаж. Пришлось заварить решетки спереди самолета до самой носовой стойки. После этого двигатели временно перестали помпировать».

В июне-июле Гарнаев совершил на пришвартованном самолете несколько первых подлетов, поднимая машину до полуметра над решеткой. 23 июля этот режим трижды повторил В.Г. Мухин. 24 и 30 июля он выполнил еще 6 подлетов. О том, какие впечатления остались у очевидцев этих первых «полетов», хорошо видно из воспоминаний Павлова. «Летчик должен был поднять машину, натянуть тросы, которыми самолет был привязан к решетке, а затем, убирая тягу двигателей, стараться зависнуть в свободном полете (т.е. с ослабленными тросами) и в этом положении пытаться удерживать самолет в заданном положении и управлять им. Сейчас, спустя сорок лет, я вспоминаю этот «цирк» с внутренним трепетом. По-моему все, кто наблюдал за этой эквилибристикой, до приземления самолета не дышали. А суть в том, что натянуть тросы просто – дал газ, самолет взлетел, тросы натянулись, и летчику делать больше нечего. "Цирк" начинался тогда, когда летчик пытался снизить самолет на полметра, а тот в это время почему-то еще уходил в какую-либо сторону, а с другой стороны его держал трос, да и летчик пытался им управлять, т.е. хорошего из этого ничего не получалось».

3* «Кабель-кран» представлял собой две ферменные опоры, вершины которых были соединены тросом. С середины этого троса свисал другой трос, к нему через механический или тензометрический динамометр подвешивали самолет, который снизу швартовали к площадке.

Британский опытный СВВП Хоукер Р.1127 во время испытаний на привязи

Разработка первого советского СВВП вызвала серьезный интерес у руководства Министерства обороны. В том же месяце ЛИИ посетил министр обороны Р.Я. Малиновский с группой генералов, которые наблюдали за висением Як-36 на привязи. "Ю.А. Гарнаев дал полные обороты двигателям, – рассказывал Павлов. – самолет плавно взлетел на высоту около 5 м, натянул все 4 троса и так с туго натянутыми тросами висел минут 5, затем плавно опустился и сел. Зрелище было исключительное. Всем очень понравилось, гости были в восторге и благополучно удалились». На прощание Малиновский поблагодарил создателей самолета и высоко оценил проведенную работу.

Однако заслужить похвалу высокого начальства было даже не половиной дела. Создатели Як-36 столкнулись с рядом серьезнейших проблем, над решением которых пришлось биться не месяц и не год.

Вполне естественно, что разработчики Як-36 в первую очередь опирались на опыт проектирования обычных реактивных самолетов. Они считали, что на СВВП достаточно так закомпоновать двигатели, чтобы векторы их тяги на вертикальных режимах проходили через центр масс машины, а на режимах горизонтального полета отвечали бы требованиям к аэродинамической компоновке обычного самолета. При этом реактивный двигатель рассматривался только как источник тяги, которую следует повернуть в нужном направлении. Первые эксперименты с установленными вертикально ТРД и полеты «Турболета» показали, что одиночная вертикальная реактивная струя, натекая на плоскую горизонтальную поверхность, не отражается от нее, а растекается по этой поверхности во все стороны тонким слоем (поэтому такая струя называется веерной). Она постепенно охлаждается и тормозится при смешении с неподвижным воздухом и от трения о поверхность площадки. На расстоянии в несколько десятков диаметров сопла струя отрывается от поверхности архимедовыми силами и всплывает, а попадание горячих газов в воздухозаборники двигателей грозит большими неприятностями. Происходит это, как правило, импульсно и неравномерно по входному сечению, что резко нарушает газодинамику компрессора. В нем начинается срыв потока с лопаток, который распространяется лавинообразно и вызывает мощные пульсации давления внутри двигателя (помпаж), что может привести к его выключению.

Радикальным средством преодоления отрицательного влияния струйных течений является применение в местах базирования СВВП газоотводящих устройств. Однако в силу ряда причин они не прижились.

Следует отметить, что на английском «Хар- риере» попадание горячих газов в воздухозаборник не отмечалось. Установленный на этих машинах двухконтурный двигатель «Пегас» имел два передних сопла вентилятора и два задних сопла газогенератора. На вертикальных режимах струи относительно холодного воздуха от вентилятора экранировали воздухозаборник от горячих струй газогенератора.

А вот на Як-36 опасное явление начало проявляться практически сразу. Как вспоминал участник разработки всех советских подъемно-маршевых двигателей Л.П. Берне,половина горячих газов уходила в хвостовую часть, «что было безвредно, но другая половина, ориентированная вперед, попадала непосредственно на вход в двигатели. Неравномерность температурного поля на входе в компрессор достигала критического значения, и устойчивая работа двигателя нарушалась». Уже на следующий день после визита Малиновского произошел помпаж левого двигателя, самолет хорошо приложился о решетку и сломал левую подкрыльевую стойку шасси.

«Стойку мы быстро заменили запасной. – рассказывал Павлов, – но всем стало ясно, что летать, а тем более эксплуатировать такой самолет с подобных ям будет невозможно. А на плоской поверхности при вертикальном положении сопел двигатели просто не будут работать из-за попадания в воздухозаборник горячих выхлопных газов».

Конструкторы тут же развернули поиск решений, направленных на устранение наиболее явных симптомов «болезни» средствами научной и народной «медицины». Павлов пишет, что в этот момент Яковлев назначил Мордовина зам. главного конструктора и «ответственным за доводку этого, казалось бы, безнадежного дела. С. Г. Мордовии, – очень талантливый человек, конструктор, инженер, изобретатель, крупный ученый. Он не имел ученого звания, ему некогда было писать диссертации и защищать их, он создавал, он работал, образно говоря, все 24 часа в сутки, в тяжелой борьбе отстаивая свое мнение. По инициативе С.Г. Мордовина… была создана примитивная модель, имитирующая сопла на самолете. На этой модели С. А. Страхов и РВ. Когаут провели исследования растекания выхлопных газов и дали предварительные рекомендации, как защитить воздухозаборники».

Параллельно в ЛИИ на натурном стенде-имитаторе силовой установки Як-36, так называемом стенде «Д», отрабатывали мероприятия по защите самолета и двигателя от воздействия газовых струй. Один из участников этих работ, впоследствии ведущий специалист ЛИИ по отработке режимов взлета СВВП Л.И. Верный вспоминал об этом периоде: «Придя в мае 1963 г. в 3-е отделение ЛИИ и попав в специально созданный по инициативе А.В. Чесалова(4*) сектор по исследованию работы СУ СВВП, я оказался в чрезвычайно благоприятной атмосфере, в которой царили творчество, доброжелательность, взаимопомощь и демократичность, в значительной степени определяемые ее руководителем И.А. Розенфельд…

Это было романтическое время. Все участники работы были уверены, что будущее боевой авиации СССР связано именно с такими самолетами, способными взлетать и садиться на пятачок, и которым не нужны аэродромы для взлета и посадки, и тем самым их боевое применение не зависит от все возрастающих разрушительных возможностей боевой авиации и ракет противника. Увлеченность СВВП была большой не только в кругах специалистов ЛИИ. Даже в ГВФ рассматривалась возможность создания гражданских СВВП для пассажирских и грузовых авиаперевозок…

Собственно, стенд «Д» представлял собой металлоконструкцию на шасси, на которой устанавливались двигатели Р11Ф-300, по расходу воздуха, тяговым характеристикам и прочим параметрам достаточно близко совпадающим с двигателем Р27-300 – за исключением того, что на нем устанавливались не поворотные, а фиксированные под углом -90° от вертикали реактивные сопла. Взаиморасположение двигателей, воздухозаборных каналов и сопл, расстояние от среза сопл до поверхности аэродрома и сопла струйного управления в натуральную величину моделировали самолет Як-36. Управление работой двигателей осуществлялось дистанционно из кабины, расположенной на расстоянии около 20 м от стенда. Контроль за работой двигателей обеспечивался пультом, на котором имелись все необходимые приборы, контролирующие частоту вращения, температуру газа за турбиной, давление масла, топлива и т.д. Стенд располагался на бетонной поверхности, устланной металлическим листом. Ведущим инженером от ОКБ Яковлева был В.П. Власов, от ЛИИ – Л. И. Верный, от ОКБ Туманского – К.К. Лаврентьев».

4* Профессор, доктор технических наук, лауреат Государственной премии, с 1943 по 1947 гг. – начальник ЛИИ. В описываемый период – начальник 3-го отделения ЛИИ

Так выглядел «кабель-кран»

Летчики-испытатели В.Г. Мухин и Ю.А. Гарнаев

На этом стенде с проблемой помпажа двигателей от попадания горячих газов столкнулись даже несколько раньше, чем на самом Як-36. Проведенные эксперименты дали очень важный материал для понимания явления и выработки мероприятий по доработкам самолета. Поиск вариантов защиты воздухозаборников, по выражению Берне, шел мучительно, а принятые в конце концов решения, позволившие решить проблему, заключались во внедрении «ряда конструктивных изменений. На самолете установили отражательные щитки, которые после взлета убирались, а также струйную газовую защиту. В конце концов удалось добиться устойчивой работы двигателей». Эффективность доработок проверяли во время испытаний на «кабель-кране» на высотах до 5 м, т.к. выше влияние газов уже не сказывалось. На все это ушел год напряженной работы.

Во время испытаний Як-36 быстро проявились и другие неприятные физические явления. Одно из них рассмотрим подробней. Взлетающий с горизонтальным положением фюзеляжа СВВП можно условно представить как фигуру, расположенную на некоторой высоте от площадки, в контуре или вне контура которой располагаются сопла реактивных двигателей. Если сопло одно, оно размещается в центре масс, т.е. для самолета обычной схемы – в зоне сопряжения крыла с фюзеляжем. И вот под контуром СВВП растекается тонкая веерная струя, которая эжектирует неподвижный воздух, чем создает под крылом зону разрежения и, соответственно, присасывающую силу. Эта сила тем больше, чем больше скорость веерной струи и площадь фигуры над зоной разрежения, а также чем эта фигура более плоская и ближе расположена к поверхности площадки. Таким образом, вынужденное по условиям балансировки расположение сопла однодвигательного СВВП в зоне сопряжения крыла с фюзеляжем приводит к максимальной присасывающей силе, которую практически можно уменьшить, только увеличив высоту самолета (крыла) над площадкой.

Качественно такой же отрицательный эффект получается и при многосопловой силовой установке, размещенной вблизи центра масс самолета. При этом величина присасывающей силы во многом определяется взаимодействием струй еще до соприкосновения с поверхностью ВПП. Если сопла расположены близко друг от друга, то струи как бы сливаются и после натекания на площадку образуют единую веерную струю. Из-за повышенной эжекции окружающего воздуха струями с большей суммарной поверхностью присасывающая сила многосопловой силовой установки возрастает. По воспоминаниям Мухина, подсасывание Як-36 к земле «доставило очень много мороки… По расчету, подсос не должен был превышать 400-450 кг, а на самом деле он оказался значительно больше, да к тому же менялся в зависимости от силы ветра и положения самолета по крену и тангажу. По идее, по законам физики, небольшое превышение тяги над весом должно приводить к подъему аппарата, а на практике требовалась тяговооруженность не менее 1,1-1,12».

Необходимо отметить, что значительный объем исследований проблем взаимодействия реактивных струй и несущих элементов СВВП был проведен в ЦАГИ, который в то время возглавлял выдающийся авиаконструктор В.М. Мясищев. Такие работы велись в руководимом Б.Н. Фролищевым секторе аэродинамики СВВП, где трудились ведущие специалисты В.А. Голу- бов, И.В. Краснов, В.Г. Культин, С.Д. Сыт- ник и др. В секторе создали стенд ВВ-1, на котором выполнили значительный объем испытаний специальных моделей, позволивших обнаружить существеннейшие потери вертикальной тяги силовой установки СВВП из-за взаимодействия растекающихся реактивных струй двигателя с крылом на режимах ВВП (это самое «подсасывающее воздействие»). Занимались в ЦАГИ и другими исследованиями, связанными с созданием Як-36. Так, в 1963-64 гг. в аэродинамической трубе Т-101 проводились продувки натурного самолета, позволившие в том числе разработать целый комплекс мероприятий для обеспечения безопасных взлета-посадки и переходных режимов (Б.Н. Фролищев, А.Г. Кукинов). Специалисты ЦАГИ активно участвовали в работах по обеспечению устойчивости и управляемости СВВП. Проведенные на пилотажном стенде оценки потребной эффективности струйных органов управления (Г.В. Александров, А.Н. Предтечен- ский) подтвердили результаты летных исследований на «турболете».

В целом доводка системы управления Як-36 потребовала значительных усилий. Для решения вопросов поперечной управляемости при использовании органов струйного управления по инициативе Г.В. Александрова и Г.С. Калачева (ЛИИ) в ОКБ Яковлева решили создать натурный стенд сил и моментов для отработки системы управления, сыгравшый важную роль в экспериментальной отработке всех СВВП, созданных на этой фирме. А пока Як-36 не был готов для вертикального взлета с аэродромной площадки, поступил приказ провести взлет с коротким разбегом. Как вспоминает Павлов, специалисты «еще не знали ни управляемости самолета, ни его поведения в воздухе, но приказ есть приказ. До сих пор я вспоминаю этот цирковой трюк. Я находился на подвижном командном пункте, который по краю полосы следовал за самолетом. Выполнял этот трюк Ю.А. Гарнаев. Запустив и опробовав двигатели, запросил взлет. Взлет разрешили. Впереди 5 км отличной полосы. Пробежав метров 50-60, самолет подскочил метров на 10-15 и, продолжая лететь, начал болтаться по всем трем осям. Смотреть было страшновато. Я думаю, что только Ю.А. Гарнаев с его хладнокровием и опытом смог, плавно убирая обороты двигателя и работая ручкой управления по кругу, посадить самолет на взлетную полосу, немного выкатившись на грунт. Когда мы подъехали к самолету через несколько секунд, Ю.А. Гарнаев стоял около него. Лицо его было бледно. И почти спокойно он сказал нам: «Так ведь можно и машину подломать».

В дальнейшем Гарнаев лишь эпизодически принимал участие в испытаниях Як-36, т.к. был занят демонстрационными полетами на вертолетах за рубежом, а затем после катастрофы камовского винтокрыла Ка-22 находился на медицинском обследовании и временно не летал вообще. Поэтому основной объем испытаний выполнил Мухин. Он вспоминал: «На режимах висения самолет управлялся по высоте сектором газа, а относительно центра тяжести самолета – струйными ovлями. Кроме того, установили два полукомплекта автопилота, которые создавали так называемое искусственное демпфирование или искусственную «плотность» воздуха. А на продольном канале автопилоты держали еще и заданный угол тангажа. Если управляемость самолетом по тангажу и курсу нареканий не вызывала, то управление по крену оказалось неэффективным. Много раз мне приходилось поднимать самолет на высоту 0,5-0,7 метра и тотчас садиться, так как даже полное отклонение ручки для парирования крена не помогало. Мне говорили: это сказывается влияние земли, поднимись повыше – там будет лучше… Однако какое-то седьмое чувство подсказывало мне, что это не так». Согласился с мнением коллеги и Гарнаев. Очевидно, дискуссии Мухина с конструкторами порой проходили весьма остро. Во всяком случае, Павлов говорит, что Мухин как-то раз бросил одному инженеру, пытавшемуся убедить его поднять машину на 5 метров: «Садись сам и поднимай».

Отработка на первом летном экземпляре Як-36 вертикальных взлета и посадки

Для более объективной оценки ситуации самолет поручили облетать Богородскому. По воспоминаниям Мухина, тому удалось поднять машину примерно на метр, затем он свалился в крен, поломав «законцовку крыла и щиток обтекателя шасси. Этот эксперимент убедил наших конструкторов заняться доводкой управления по крену». Эти работы также растянулись на целый год, с лета 1963 г. до лета 1964 г. Как пишет Павлов, «первоначально, чтобы экономить воздух, отбираемый от компрессора (это ведь тяга), решили подключить топливные насосы двигателей к ручке управления с таким расчетом, чтобы в небольших величинах изменять тягу двигателей (сопла-то находятся с разных сторон от ц.т.) и таким образом как бы увеличить мощность реактивного управления(5*) по крену. Но после проведения частотных испытаний управления и расшифровки осциллограмм все наши надежды рухнули: мощность управления по крену исчезла. Все оказалось очень просто и понятно: сила на струйном руле изменялась сразу за отклонением ручки управления, а сила на сопле двигателя изменялась с задержкой, т.к. изменение шло после отработки топливной аппаратуры, а на это требовалось время. И силы расходились по фазе. Поэтому пришлось искать другое решение. Надо было дополнительно отобрать от двигателей еще воздух, а это или потеря тяги, или повышение температуры на лопатках турбины. Для этого нужно было провести дополнительные испытания двигателя на стенде, а также доработать трубы системы реактивного управления в консолях крыла.

Чтобы выиграть время, было принято решение увеличить плечо сил от крыльевых струйных рулей на один метр. После этой несложной доработки машина устойчиво держалась на всех высотах, да и летчик почувствовал ее. Они стали понимать друг друга. Мне помнится этот момент, когда после отличной посадки из кабины показался В. Г. Мухин с сияющим лицом и произнес: «Я понял». Мы его качали».

5* Мощность управления – устоявшийся термин, который употребляется в ОКБ Яковлева и сейчас. По сути это управляющий момент. (Прим. автора).

Окончание следует

Андрей Харук/ г. Нововолынск Волынской обл.