aviacija_i_vremja_1996_01. Удар Маха

aviacija_i_vremja_1996_01

Удар Маха

Испытания Me 262 на трансзвуковых скоростях в Германии и СССР

Константин Ю. Косминков/ г. Жуковский Московской обл. Фото из архива автора

Авиация - один из самых динамично развивающихся видов техники. К достижениям в авиационной области люди привыкают быстро, воспринимая как обычное то, что еще совсем недавно вызывало у них восхищение. И только мемуары непосредственных участников событий позволяют мысленно вернуться назад и ощутить всю сложность проблем, стоявших в свое время перед создателями передовой авиатехники. Особое место в подобной литературе занимают воспоминания летчиков-испытателей. Именно они первыми сталкиваются с новыми явлениями, либо совсем еще неизвестными и необъясненными, либо изучавшимися ранее только в лабораториях.

Ниже приводятся (с некоторыми сокращениями, касающимися только частных технических подробностей) воспоминания немецкого летчика-испытателя фирмы «Мессершмитт" Л. Гофмана, который делится своими впечатлениями о скоростных полетах на реактивном истребителе Me 262. Вероятно, это был первый серьезный опыт летных исследований явлений, возникающих при больших дозвуковых числах Маха и не находивших тогда удовлетворительного объяснения. Это необычные воспоминания. Они были написаны для советских специалистов и в 1947 г. опубликованы в специальном издании ЛИИ. По всей вероятности, после войны Л. Гофман оказался в советской зоне оккупации и был привлечен для оказания технической помощи. Никаких сведений о судьбе этого человека в СССР отыскать пока не удалось.

В качестве летчика-испытателя фирмы «Мессершмитт» мне в последние месяцы войны пришлось провести испытания самолета Me 262 при полете с большими числами Маха. В то время этим испытаниям придавалось очень большое значение ввиду следующих соображений:

1) Для дальнейшего развития скоростных реактивных самолетов необходимо было собрать и систематизировать возможно более полный материал по полетам с большими числами Маха.

2) В процессе испытаний самолетов Me 262 имели место весьма необычные несчастные случаи, причины которых необходимо было объяснить.

Эти катастрофы (по словам свидетелей, внушающих доверие) происходили следующим образом. Самолет Me 262 после достижения в горизонтальном полете большой скорости самопроизвольно переходил в пикирование, вывести из которого самолет летчику уже не удавалось. Установить причины этих катастроф путем расследования практически было невозможно, так как летчики не оставались в живых, а самолеты полностью разбивались. В результате этих катастроф погибли один летчик-испытатель фирмы «Мессершмитт» и целый ряд военных летчиков. Особенно примечательным во всех этих катастрофах было то, что ни один из потерпевших аварию летчиков не передавал никаких сообщений по радио, несмотря на то, что времени для этого было вполне достаточно, так как переходы в пикирование происходили обычно на высоте 8000 м. До момента падения на землю не наблюдалось никаких признаков разрушения или пожара самолета.

Причины катастроф предположительно усматривали в следующем:

1) Летчики заболевали высотной болезнью.

2) Местные скачки уплотнения, действующие на самолет, создавали звуковые волны, которые приводили летчика в состояние, не дающее возможности нормально управлять самолетом.

3) В системе электроуправления перестановкой стабилизатора самопроизвольно происходило замыкание на массу,

в результате которого угол установки стабилизатора увеличивался.

4) Поломка червяка перестановки стабилизатора.

5) Самолет Me 262 после перехода за определенное число Маха совершенно не может быть выровнен (гак в тексте, авт. ) и только с очень большим трудом может быть выведен из пикирования.

Возвращаясь к замечанию о местных скачках уплотнения, следует отметить, что в процессе систематического испытания самолетов Me 262 выяснилось, что при достижении определенного числа Маха на самолете действительно возникали очень сильные шумы. Специальные приборы, установленные в кабине, отмечали возникновение на самолете слышимых, но не поддающихся точному определению звуковых волн. Изучение этих звуковых явлений производилось врачами и специалистами других фирм и учреждений, однако вследствие окончания войны эти исследования не были завершены, и данные их не были сообщены фирме «Мессершмитт».

Оба летчика-испытателя фирмы «Мессершмитт», которые летали на Me 262 до меня по той же программе, ощущали так же, как и я, исключительно сильное физическое утомление. После проведения испытательного полета на больших скоростях летчик чувствовал себя совершенно разбитым. Кроме того, после таких полетов мы всегда отмечали у себя симптомы, сходные с симптомами высотной болезни, а именно: бессонница, повышенная возбудимость, чувство страха, нарушение чувства равновесия и др. Все эти симптомы были настолько сильны, что часто лишали летчика возможности продолжать испытания самолета по этой программе.

Ни один из нас не ощущал особенно большого напряжения даже при достаточно п родолжительном полете со скоростью примерно 850 км/ч на соответствующей высоте. Это замечание приведено здесь как доказательство того, что летчики теряли способность нормального управления самолетом отнюдь не в результате перенапряжения, а в результате каких-то иных причин.

В отношении возможных замыканий на массу в системе электроуправления перестановкой стабилизатора необходимо заметить следующее. Электросистема была впоследствии сделана двухпроводной, что совершенно гарантировало от замыканий на массу. Однако, несмотря на это, аварии продолжали повторяться.

Систематические полетные испытания показали, что самолет Me 262 действительно очень трудно выводить после скоростного полета. Об особенностях полета в этом случае будет сказано подробнее ниже.

Рис. 1

Испытания самолета Me 262 при полете с большими числами Маха проводились всегда по одной и той же методике (рис. 1).

Участок траектории А-В соответствует конечному этапу набора высоты до 10000 м. На площадке В-С самолет разгонялся до максимальной скорости горизонтального полета при максимальной тяге двигателя. Одновременно на этой площадке проводилось весьма тщательное уравнивание тяг обоих двигателей с тем, чтобы ни в коем случае не допустить никакой разности.

Трофейный Me 262

Разность тяг обоих двигателей летчику приходилось улавливать только на основании собственных ощущений, так как никаких приборов для их фиксации не было. Разность тяг двигателей, понятно, приводит к тому, что самолет летит с некоторым незначительным углом скольжения, который можно было бы устранить при помощи триммера руля направления. Но отклонение триммера руля направления, в свою очередь, было крайне нежелательным, так как он при возрастании числа Маха не давал постоянного эффекта. Менять угол отклонения триммера в процессе полета со снижением было для летчика весьма затруднительно. Второй трудностью являлось то, что наличие незначительного угла скольжения было вообще очень трудно своевременно заметить; в то же время он в конечном счете приводил к возникновению моментов крена и срыву потока, что вызывало сильное кренение самолета.

Всегда оставалось неясным, вызывалось ли это кренение крылом самолета или разностью тяг двигателей. Для выяснения этого вопроса с каждым экземпляром Me 262 необходимо было проводить целый ряд специальных предварительных испытательных полетов.

Начиная с точки С, самолет из строго горизонтального полета медленно и плавно переводился на снижение с максимальной тягой двигателей. При этом производилась последняя очень незначительная корректировка положения секторов газа.

В зависимости от выбранного угла наклона траектории полета на мерной высоте, равной 7000 м, достигалась различная скорость полета. Опытный летчик-испытатель мог пролететь заданную «мерную» высоту на заранее определенной скорости.

Первое действие чисел Маха, как правило, проявлялось в точке D. Совершенно внезапно возникал сильный грохот, похожий на барабанный бой, который устрашающе действовал на летчика, переживающего это впервые. Причину возникновения этого грохота следует, быть может, искать в образовании мелких местных скачков уплотнения, которые, впрочем, еще никоим образом не влияют на устойчивость полета. Вначале мы предполагали, что виной этого является сравнительно большой фонарь кабины самолета. Однако такой же шум возникал и на самолете,

снабженном небольшим и низким «гоночным» фонарем кабины. Этот единственный экземпляр фонаря кабины был очень совершенной формы и настолько мал, что летчик мог поместиться в кабине только, в полном смысле этого выражения, втянув голову в плечи, при этом обзор, естественно, был очень ограниченным.

Примерно в точке Е самолет при истинной скорости полета, равной примерно 950 км/ч (0, 85М), внезапно (рывком) переваливался на нос, изменяя при этом первоначальный угол наклона траектории примерно на 15 град. Это явление мы называли «ударом Маха 1а» («1а Machs-toss»). Одновременно с этим на ручку управления рулем высоты начинали действовать такие большие обратные нагрузки, что выравнивание самолета даже обеими руками становилось невозможным. После прохождения заданной высоты полета, равной 7000 м, летчик должен был продолжать одной рукой со всей силой тянуть ручку на себя, а другой рукой осторожно и размеренно приводить стабилизатор в положение, соответствующее выравниванию самолета, что осуществлялось при помощи электрического механизма. Двигатели, ось которых расположена ниже центра тяжести самолета, в этот период времени нив коем случае не следовало дросселировать. Мы считали совершенно нормальным, если на высоте около 4000 м (точка G) выравнивание самолета практически заканчивалось при истинной скорости полета, равной примерно 900 км/ч.

Рис. 2

Me 262, испытания которого в НИИ ВВС проводил А. Г. Кочетков

Описанный выше наклонный полет проводился всегда самолетом, сбалансированным таким образом, что он имел тенденцию к кабрированию. Кривая (рис. 2) показывает примерный характер изменения усилий на ручке управления в зависимости от скорости полета при стабилизаторе, отклоненном на угол -1 град. Из этой кривой ясно видно, что большие скорости полета могли быть достигнуты только при очень сильном давлении летчика на ручку управления. В начале устойчивый характер изменения усилий на ручке управления вдруг скачкообразно становился неустойчивым при истинной скорости полета примерно 950 км/ч. Особенно опасным являлось еще и то обстоятельство, что при этом величина усилий возрастает до предела физических возможностей.

Вызывается ли продольная неустойчивость самолета упругой деформацией крыла, фюзеляжа или стабилизатора, также не могло быть выяснено. Результаты проводившихся измерений либо подтверждали допустимые по расчету деформации, либо имели такой большой разброс, что можно было с уверенностью утверждать, что измерения проведены неправильно.

Одному из летчиков-испытателей фирмы «Мессершмитт» удалось выйти из пикирования при скорости 850 км/ч на высоте 1500 м при перегрузке, равной 8д. Отсутствие каких-либо остаточных деформаций на его самолете само по себе является подтверждением прочности конструкции.

Катастрофы на самолетах Me 262, о которых говорилось выше, могли произойти следующим путем.

Весьма вероятно, что летчики, впервые встретившиеся с такими необычно большими и очень быстро возраставшими усилиями на ручке управления рулем высоты, бывали поражены этой неожиданностью и после непродолжительной попытки изменения балансировки самолета считали, что механизм перестановки стабилизатора неисправен. Справедливость этого предположения подтверждаласьдля летчика тем обстоятельством, что при таком режиме полета усилия на ручке управления возрастают значительно быстрее, чем станет ощутима реакция самолета на изменение балансировки. К этому следует добавить, что электромеханизм стабилизатора должен переставлять его очень медленно, чтобы не создавать в скоростном полете чрезмерной перегрузки конструкции самолета.

Весьма вероятно, что потерпевшие аварию летчики, потеряв уверенность в исправности механизма перестановки стабилизатора, начинали в последней фазе пикирования безуспешно тянуть обеими руками ручку управления на себя и поэтому не имели возможности нажать кнопку радио -установки для переключения ее на передачу.

Исходя из этих соображений, лично я установил на своем самолете тумблер переключения радиоустановки с приема на передачу; в течение всего пикирования этот тумблер находился в положении «передача». Таким образом, я имел возможность постоянно вести передачу в течение всего пикирования. Однако уже после первых полетов оказалось, что в критический момент летчику необходимо сделать над собой большое усилие, чтобы заставить себя вести передачу. Это объясняется тем, что ведение передачи совершенно определенно отвлекает летчика от восприятия возникающих на самолете явлений и управления им.

Из условий безопасности полета для летчиков ВВС Германии была принята следующая инструкция по пилотированию самолета Me 262:

1) При скоростях полета максимум до 800 км/ч самолет можно балансировать с нулевым усилием.

2. ) Свыше 800 км/ч необходимо переставить стабилизатор так, чтобы был момент на кабрирование.

3) Скорости полета свыше 900 км/ч запрещены.

Кроме того, на руле высоты был жестко закреплен триммер, который имел постоянный отрицательный (на несколько градусов) угол установки. Этим облегчалось усилие на ручку при полете в диапазоне наибольших допустимых скоростей при установке стабилизатора на кабрирование, рассматриваемой как более безопасная. Соблюдение этой инструкции гарантировало летчиков от опасного протекания кривой усилий на ручке управления.

При полете со слишком большими числами Маха самолет всегда самопроизвольно начинал совершать колебания относительно продольной оси. При этом угол крена самолета достигал величины ±10°, а период колебания равнялся примерно 2 с. При этом на ручке управления не было нагрузок от элеронов, и они были совершенно неэффективны. Здесь я должен оговориться, что в этих случаях я не пытался отклонить элероны на большой угол.

При прохождении заданной «мерной» высоты 7200-7000 м наибольшая истинная скорость, которую я достиг, равнялась 980 км/ч (0. 875М).

После «удара Маха 1а» мог последовать «удар Маха 16». Этим термином мы называли внезапное сваливание самолета на крыло (поворот относительно продольной оси). При этом, как правило, в течение 0, 5 с самолет полностью сваливался на крыло.

Причины, приводившие к возникновению этого «удара Маха 16», были следующие:

1) отклонение элеронов;

2) слишком быстрый вывод самолета из пикирования;

3) наличие самого незначительного угла скольжения;

4) пролет самолета через слой с температурной инверсией.

После «удара Маха 1 б» я всегда совершенно автоматически полностью отклонял элероны для ликвидации движения крена. В этих случаях шарнирный момент элеронов практически равнялся нулю, и в течение некоторого времени они были неэффективны. Только по прошествии сравнительно долгого времени, в течение которого самолет находился в положении полного сваливания, элероны медленно приобретали эффективность, и возобновлялись усилия на ручке управления. Выравнивание самолета в таких условиях удавалось закончить иногда только на высоте примерно 1500 м.

Испытание экспериментальных самолетов было весьма трудной задачей и требовало длительного времени. Не было ни одного самолета, на котором полет во всем диапазоне скоростей от 200 до 950 км/ч был бы совершенно спокоен. Неточности производства, имеющиеся в настоящее время, не могут быть уже скорректированы при полетах в таком большом диапазоне скоростей известными способами балансировки при помощи триммеров. Поэтому мы должны были ограничиваться тем, что отрабатывал и самолет для полета на больших скоростях. Оставшуюся же тенденцию самолета к крену при взлете и посадке приходилось ликвидировать путем дифференциального отклонения посадочных щитков.

Характер изменения усилий на ручке управления и на педалях, а также склонность самолета к крену и рысканию с успехом изменялись путем изменения формы профиля соответствующего руля.

Ввиду успешных результатов, полученных от утолщения профиля элеронов, мы стали утолщать и профили рулей направления. Руль направления первоначально имел полотняную обшивку, и при этом устойчивость пути самолета Me 262 была вполне удовлетворительной. Из условий прочности полотняная обшивка впоследствии была заменена металлической. После этого устойчивость пути Me 262 стала значительно хуже, и ВВС Германии высказались против этого изменения. Путем утолщения профиля руля направления, имевшего металлическую обшивку, мы достигли той же устойчивости пути, как и при рулях направления с полотняной обшивкой. Это объясняется тем, что при полете на больших скоростях полотняная обшивка руля направления вздувалась, создавая тем самым утолщение профиля руля.

Мы пытались и другими способами улучшить устойчивость пути самолета при

полете с большими числами Маха. Например, установкой в его хвостовой части специального гребня (форкиль, ред. ). Это мероприятие, однако, не дало никакого улучшения.

Сильное рыскание самолета приводило всегда к срыву потока в компрессоре одного из двигателей, что, в свою очередь, вызывало весьма существенную и внезапную разность тяг двигателей. Высказывалось предположение, что при наличии даже незначительных углов скольжения возникает небольшая и периодически действующая разность тяг двигателей, что неблагоприятно влияет на устойчивость пути самолета.

Усилия на ручке управления и усилия на педалях самолета Me 262 совершенно сознательно выбирались довольно большими из следующих соображений:

1) чтобы при всех обстоятельствах исключить возможность перекомпенсации рулей в скоростном полете;

2) чтобы предохранить летчиков от быстрых инстинктивных отклонений рулей, которые в скоростном полете могут привести к опасному перенапряжению конструкции самолета;

3) при полете в неспокойном воздухе летчику как для ручного, так и для ножного управления необходимо иметь какую-то неподвижную точку.

Впоследствии на Me 262 была установлена ручка управления с изменяемым в полете передаточным числом, которое можно было изменять при помощи перемещения соответствующего рычага от отношения 1: 1 до 1: 2. При полетах на большой скорости этот рычаг ставился в положение, обеспечивающее только половину максимального отклонения рулей при полном угле отклонения ручки управления. И все-таки, несмотря на это, при наличии влияния числа Маха усилия на ручку управления возрастали до границы физической возможности летчика. Из этих соображений представляется желательным иметь переменную величину компенсации рулей или рулевую машинку.

Полет при больших числах Маха в настоящее время еще недостаточно изучен. Для увеличения безопасности полета можно рекомендовать следующее:

1) подробнейший инструктаж летчика;

2) установка сигнального прибора числа Маха. Предпочтение должно быть дано звуковой сигнализации через наушники рации по сравнению с какой-либо оптической, так как летчик в бою не всегда обращает внимание на приборы;

3) еще более совершенным, чем сигнальный прибор числа Маха, явился бы тормоз, который включался бы автоматически при достижении определенных чисел Маха. Конструкция этого воздушного тормоза должна быть такой, чтобы он во включенном состоянии ни коим образом не влиял на устойчивость и управляемость самолета. Одновременно с этим должно быть предусмотрено механическое включение тормоза, благодаря чему он мог бы служить также для тактического торможения. При наличии такого тормоза реактивный истребитель имел бы возможность атаковать вражеский самолет, летящий ниже на 1000 м, из пикирования при максимальной тяге двигателя. Без такого тактического торможения реактивный истребитель должен проводить атаку врага из совершенно пологого полета с медленной потерей высоты. Это обусловлено тем, что реактивный истребитель должен лететь, нелре-вышая определенных значений чисел Маха. При этом следует помнить, что современные реактивные двигатели не допускают дросселирования при полете на больших высотах;

4) для обеспечения большей безопасности необходимо снабдить самолеты таким катапультным сиденьем, конструкция которого гарантировала бы выбрасывающегося летчика от повреждений из-за действия скоростного напора.

К воспоминаниям Гофмана следует добавить, что после завершения войны испытания Ме-262 были проведены и в СССР. С августа 1945 г. в НИИ ВВС исследовались летные качества трофейного образца этого самолета, на котором летал начальник истребительного отдела института летчик-испытатель А. Г. Кочетков, известный проведенными в США штопорными испытаниями истребителя Р-63 «Кингкобра», Надо сказать, что в то время советские специалисты еще не имели никаких сведений об испытаниях Me 262 в Германии и о возникших там проблемах.

В завершение программы летных испытаний Me 262 Кочетков приступил к выполнению самой сложной ее части - исследованиям скоростных качеств истребителя. Набрав высоту около 11000 м, он, подобно немецким летчикам, предварительно установил стабилизатор на кабрирование, дал полный газ и начал разгон. А дальше все было почти так же, как при испытаниях в Германии. Единственное существенное отличие заключалось в том, что, когда физических сил летчика уже не хватало для удержания самолета в заданном режиме полета (этот момент примерно соответствует точке Е на рис. 1), он свободной левой рукой резко сбавил обороты двигателя до минимальных, чего не делали немецкие летчики, опасаясь увеличения и без того большого пикирующего момента. После уменьшения тяги скорость самолета довольно быстро снизилась и восстановилась его нормальная управляемость.

Это был единственный полет Кочеткова на «сверхмаксимальную» скорость. Необходимость в продолжении подобных рискованных испытаний вскоре отпала, так как были обнаружены секретные немецкие материалы по испытаниям Me 262.

Интересно привести текст заключения НИИ ВВС, в котором дается общая оценка Me 262 как боевой машины (цитируется с небольшими сокращениями):

1. Трофейный самолет «Мессершмитт-262» с 2-мя газотурбинными реактивными двигателями является доведенным реактивным самолетом и, как показали испытания, обладает большим преимуществом в максимальной горизонтальной скорости перед современными отечественными и иностранными истребителями с ВМГ (винтомоторной группой, авт. ) и имеет удовлетворительную скороподъемность и дальность полета.

Плохие взлетные свойства самолета… требуют больших взлетных полос, длиной до 3 км, или применения специальных ускорителей взлета (пороховых или жидкостных ракет).

2. Ходатайствовать… о постройке серии самолетов Ме-262 без всяких изменений в одноместном и двухместном вариантах с целью быстрейшей подготовки летного состава строевых частей Красной Армии и исследования вопросов аэродинамики, связанных с большими скоростями.