Американский стратегический разведчик Локхид F-5G «Лайтнинг» – скорость до 665 км/ч, практический потолок 13500 м. Трезво оценивая шансы на сохранение добрососедских отношений с союзниками по Антигитлеровской коалиции после окончания II мировой войны, советское руководство не могло не задумываться о средствах защиты от таких самолетов в новых войнах, которые могли последовать в недалеком будущем
В стратосферу – с новой силовой установкой Высотный перехватчик И-221 (самолет «2А») проектировался как дальнейшее развитие проекта «А» (И-220), однако получил значительные отличия по конструкции и комплектации, являясь полностью новым типом, потому Заказчик присвоил ему отдельное обозначение МиГ-7. Хотя этот номер был «ниже», чем у появившегося раньше МиГ-11 (И-220), новая машина представляла собой значительный шаг вперед, вернее вверх – в стратосферу. И в ней предстояло не только воплотить то, что было задумано, но так и не сделано на предыдущем самолете, но и сделать новые улучшения, которые выведут МиГ-7 на качественно новую высоту в прямом и в переносном смысле. Основу силовой установки составлял мотор АМ-39А, наддув которого осуществлял не только традиционный двухскоростной приводной центробежный нагнетатель, но и два турбокомпрессора ТК-300Б. С подъемом на высоту доля мощности, которая отбиралась на привод обычного нагнетателя, становилась слишком большой и использование для сжатия подаваемого в карбюраторы воздуха «теряющейся» энергии выхлопных газов было весьма желательно. Работы по турбокомпрессорам в СССР шли еще с предвоенных лет, и в серию были запущены двигатели М-30 и М-30Б конструкции А. Чаромского и В. Яковлева с ними. Однако их эксплуатация на четырехмоторных самолетах ТБ-7 показала низкую надежность такой системы наддува и трудность запуска мотора в воздухе после его заглохания. Потому Главный конструктор КБ-300 Александр Александрович Микулин избрал комбинированный наддув, хотя это вело к росту габаритов, массы, сложности и стоимости силовой установки. На каждом М-30 и М-40 было установлено по четыре турбокомпрессора ТК-82 или ТК-88 соответственно и недостаточная синхронность их работы стала одной из причин частых отказов силовой установки, поскольку обороты каждого ТК «плавали сами по себе» из-за нестабильности давления в выхлопных коллекторах. Примененная на моторе АМ-39А комбинация из одного ПЦН и двух ТК теоретически позволяла за счет ограничения мощности на взлете и на 1-й границе высотности путем изменения передаточного отношения редуктора ПЦН значительно увеличить вторую границу высотности. Мощность на взлете была 1550 л.с., на боевом режиме на I границе высотности 5200 м АМ-39А развивал 1700 л.с., а на II границе высотности 13000 м – 1400 сил. Выхлопной коллектор мотора состоял из двух симметричных частей, правой и левой, в каждой из них сделан отвод газов на привод ТК. Турбины их были установлены по бортам фюзеляжа осями перпендикулярно плоскости симметрии самолета (ПСС), на них подавалась только часть выхлопных газов, а остальная уходила в «реактивные» выхлопные патрубки. Такая силовая установка с системой наддува из двух ТК и одного ПЦН описана в справочнике В.Б. Шаврова «История конструкций самолетов в СССР. 1938-1950 гг.», в книге Р. Белякова и Ж. Мармена «Самолеты МиГ. 1939 – 1995» и в других изданиях. Однако Е. Гордон пишет, что в заводских чертежах самолета, которые он, надо полагать, видел сам, изображен только один турбокомпрессор – по правому борту. И вот теперь о том, как упомянутые выше разные авторы изображали самолет И-221 и в частности его силовую установку. По мнению И. Султанова и Е. Гордона самолет имел выхлопной коллектор с индивидуальными патрубками – по одному на цилиндр, и турбокомпрессор, как мы говорили, был установлен только один. В обзорной книге Ю. Гугли по советским одномоторным истребителям на чертеже И-221 с каждой стороны было по три патрубка (по одному на два цилиндра), а турбокомпрессора два – с турбинами на обоих бортах носовой части. Для снятия такой большой мощности на высоте, где атмосферное давление в 5,4 раза ниже, чем у земли, требовался уже специальный воздушный винт, и КБ-120 разрабатывало его. Новый винт должен был иметь четыре лопасти с увеличенной шириной и меньшей относительной толщиной и кривизной профилей их сечений. Температура воздуха на выходе из ПЦН была ниже, а его газовый состав по содержанию кислорода и вредных примесей – лучше, чем на выходе из турбокомпрессора. Это позволило отказаться от установки отдельного нагнетателя для наддува гермокабины и отбирать воздух от ПЦН мотора. Но и его, и воздух, подаваемый с повышенным давлением в карбюраторы, все равно надо было охладить – об этом чуть ниже. Компоновка входных отверстий и каналов воздухозаборников системы наддува, водяных и масляных радиаторов систем охлаждения и смазки мотора осталась такой же, как на самолете И-220, о котором мы подробно рассказали в предыдущей части нашего цикла. Но над мотоотсеком был сделан большой дополнительный воздухозаборник, который, как я предполагаю, был предназначен для промежуточного радиатора, охлаждавшего сжатый нагнетателями воздух перед подачей в карбюраторы.
В стратосферу – на новом крыле Уже до войны было известно, что для повышения высотности самолета желательно наращивать относительное удлинение крыла – отношение квадрата его размаха к площади. Это дает существенного снижение индуктивного аэродинамического сопротивления несущей поверхности ценой лишь незначительного роста сопротивления лобового (при нулевой подъемной силе) и сопротивления трения. С ростом удлинения подъемная сила крыла увеличивается и, следовательно, растет ее отношение к полному сопротивлению – аэродинамическое качество. Чем оно выше, тем меньшие углы атаки нужны для поддержания заданной траектории полета и тем меньшая мощность тратится на достижение заданной скорости. То есть повышение удлинения крыла на малых углах атаки дает увеличение скорости и высотности и одновременно – снижение крейсерского расхода топлива, и прирост дальности. Размах крыла самолета И-221 («2А») был увеличен до 13 м: по сравнению с И-220 он вырос на 2 м, площадь стала больше на 2,06 кв.м, относительное удлинение – на 1,6 единицы и достигло 7,5. Стреловидность передних кромок отъемных частей крыла (ОЧК) уменьшили, вновь сделали такой же, как у центроплана, и излом по передним кромкам центроплана и ОЧК исчез, что было тоже хорошо с точки зрения обтекания консолей. Но стреловидность по задней кромке консолей осталась прежней и, соответственно, излом в этом месте остался, что, вообще-то говоря, было уже не хорошо, но как мы потом увидим, на результатах это не сказалось. Увеличение удлинения, размаха и площади крыла давало надежду и на улучшение взлетно-посадочных данных – не только за счет роста аэродинамического качества и некоторого (незначительного – менее 6% на построенном самолете) снижения удельной нагрузки на крыло, но и благодаря росту площади закрылков. Насколько эта надежда оправдалась – мы увидим далее, в следующей части цикла. Как и на И-220, крыло И-221 имело автоматические предкрылки по всему размаху его отъемных частей. Они должны были исключить опасность срыва обтекающего консоли потока и сваливания самолета при резком росте угла атаки или в случае слишком быстрого падения полетной скорости во время выполнения маневров и на посадке. К тому же увеличение удлинения крыла само по себе благотворно сказалось на его срывных свойствах. Важнейший вопрос – профиль крыла. По данным Е. Гордона на самолете И-221 оно было набрано ламинарными профилями NACA-234 с относительной толщиной 14% у корня и 10% по законцовкам. Но это место в его книге по самолетам МиГ вызывает большие сомнения. Обратимся к справочной литературе. В наших документах иногда стандартное американское 5-символьное обозначение профилей NACA этой серии заменялось на 3-символьное. Расшифруем его. Первая цифра (в нашем случае – 2) это кривизна средней линии в процентах от хорды. Величина в 2% для ламинарных профилей великовата – у них обычно нижняя дужка более выпуклая, средняя линия имеет кривизну менее 1% и первая цифра должна быть «0». Две следующие цифры это точка максимальной строительной высоты профиля: 34% для такой точки ламинарного профиля в принципе может быть, хотя обычно максимальная толщина в нем находится за 40%. И наконец, профиля с индексом NACA 234 ни в одном справочнике мне найти не удалось. Зато в то время были весьма популярны профили NACA 230 – они были применены в СССР на самолетах ЛаГГ-3, Ла-5, Ла-7, И-180 и других, такой профиль рекомендовал Микояну Николай Николаевич Поликарпов для самолета И-200 – МиГ-1, но тот оставил проверенный Clark-Y. Говоря о следующем за И-221 самолете той же серии «А» И-222, В.Б. Шавров указывает, что его крыло имело такую же точно геометрию на виде в плане и профиль NACA 230-14-10. Если написать это обозначение правильно, то получится NACA 23014 (относительная толщина 14%) для корневого сечения крыла и NACA 23010 (10%) для законцовок. Это профили с 5-символьной системой обозначения. В некоторых советских довоенных источниках указывается, что профили NACA 230 относятся к ламинарным, но там не приводятся их характеристики. А одного взгляда на поляру (график зависимости коэффициента подъемной силы от коэффициента сопротивления) достаточно, чтобы понять – это обычный профиль с турбулентным характером течения погранслоя. Ну и последнее – Е. Гордон пишет, что в проекте самолета И-221 крыло в отличие от И-220 было цельнометаллическим. Что же, вполне возможно. Такое крыло было на третьем опытном образце самолета И-200, прототипа серийного МиГ-1. Но было ли такое крыло изготовлено? В стратосферу – в гермокабине С подъемом на высоту плотность воздуха, его температура и давление падают. Из-за этого пилоту работать в обычной свободно сообщающейся с атмосферой кабине становится сначала некомфортно, затем тяжело и, наконец, вовсе невозможно. Пилота можно одеть в теплый меховой комбинезон с электроподогревом, он может дышать с помощью кислородной маски, но сердечно-сосудистая система не сможет обеспечить работу мышц. Я не буду утомлять читателя дальше «медицинскими фактами» (желающие могут узнать, насколько сильно меняются эти параметры, посмотрев приведению здесь таблицу Свойства атмосферы с подъемом на высоту), а лишь скажу, что на высоте 14000 м, которая была задана в качестве практического потолка для самолета И-221, пилотировать может не просто абсолютно здоровый и тренированный человек, а уникум, один из тысячи. Это предопределило необходимость гермокабины. Если для предыдущих высотных истребителей она была желательна, то самолет И-221 без нее не смог бы достичь заданного практического потолка, который был главным пунктом выдвинутых к нему Заказчиком требований. Разработка гермокабин для самолетов в СССР началась еще в первой половине тридцатых годов в ЦКБ-39 под руководством Н.Н. Поликарпова и А.Я. Щербакова, а когда в конце 1935 – начале 1936 годов эта организация окончательно была распущена, под руководством Щербакова было создано самостоятельное КБ-5, которое занималось высотным оборудованием самолетов всех классов. С его помощью в 1937 году гермокабинами были оборудованы два самолета И-15 – рекордный и боевой истребитель. Но они оказались не удачны. Первые гермокабины были мягкого типа и представляли собой скорее некое подобие мешка из нескольких слоев резины и ткани, в котором находилось тело пилота и рычаги управления. Голова его оставалась под куполом с иллюминаторами, который пристегивался к раме на горловине мешка замками патефонного типа. В этом пространстве создавалось избыточное давление путем подачи туда чистого кислорода из баллона, а специальные химпатроны отбирали накапливающиеся углекислоту и влагу. Такая система кондиционирования воздуха в гермокабине называется регенерационной. Стоит ли говорить, насколько такая конструкция была некомфортной? Кроме стеснения движений пилота, который находился там как в сауне, только в холодной, она еще и стесняла ему обзор, а кислородная атмосфера была крайне пожароопасной, причем если пожар начинался, то для летчика все заканчивалось за считанные секунды. Но даже если бы у него было больше времени, он не смог бы выпрыгнуть и воспользоваться парашютом потому, что даже на земле не имел возможности вылезти из мешка без посторонней помощи. Гермокабина для истребителя оказалась сложнейшей в своей многогранности инженерной задачей. И все же технический прогресс не стоял на месте. В 1939 году Щербаков сделал полужесткую кабину для самолета И-15бис ГК, а в 1940 году появился высотный истребитель И-153В с его же конструкции гермокабиной, которая стала «светлой» – купол с иллюминаторами заменили привычным сегодня полностью прозрачным фонарем. Но проблемы пожаробезопасности, избыточной влажности и открытия фонаря в полете для аварийного покидания регенерационная система не решала. К тому же объемы обитаемого пространства и продолжительность полета истребителя росли, и это требовало слишком уж большого увеличения объема и массы кислородных баллонов. Выход заключался в переходе на вентиляционную схему кондиционирования воздуха. В такой кабине пилот дышит через маску, что требует гораздо меньшего запаса кислорода и не создает опасности вспышки при малейшей искре или попадании пули, а поддержание давления осуществляется нагнетанием забортного воздуха. Его сжимают специальным компрессором, или (как это было задумано на самолете И-221), отбирая от системы наддува двигателя. При этом температура воздуха повышается даже больше, чем надо для того, чтобы в кабине стало тепло, и подаваемый воздух охлаждают в специальном воздухо-воздушном радиаторе – ВВР. На самолете И-221 он был расположен в «ванне» непосредственно под кабиной и был регулируемым. Давление в кабине поддерживалось на нужном уровне вручную или автоматически клапанами. Вентиляционная схема СКВ позволила отказаться от поглотителей углекислоты, которые работали неважно и сами издавали неприятный запах. Но с лишней влагой по-прежнему боролись силикагелевыми патронами – она не только могла превратить кабину в «парилку», но и оседала на плексигласе кабины, и если он был холодным (а за бортом ведь «глубокий минус»!), то «плекс» обмерзал и становился непрозрачным. С этим боролись двумя путями – обдувом изнутри горячим воздухом и заменой одинарных стекол двойными, а то и тройными стеклопакетами. В конструкции самолета И-221 была применена жесткая гермокабина с вентиляционной СКВ разработки КБ-5 А.Я. Щербакова. Ее конструкция от примененной на упомянутом выше самолете И-153В образца 1940 года имела еще одно важное отличие. Сдвижная часть фонаря самолета И-153В при закрытии герметизировалась путем прижима острой кромки на ее каркасе к резиновому уплотнению на лобовом козырьке и на вырезе кабины в фюзеляже двумя рычажными замками. Получалось плотное соединение, через которое «травили» считанные литры воздуха в минуту (это намного меньше производительности компрессора), но их совместная подгонка была очень сложной, а чем она была лучше, тем тяжелее пилоту было бы открывать в полете фонарь для аварийного покидания самолета. На истребителе И-221 это решение заменили шлангом герметизации, уложенным по всему контуру разъема сдвижной части фонаря кабины. С включением СКВ он раздувался и надежно заполнял все неплотности, а в случае необходимости пилот стравливал давление из него отдельным клапаном. По фонарю образовывались существенные щели, через которые статическое давление в кабине выравнивалось с забортным быстро, но не «ударом», и фонарь больше не присасывало хотя бы его силой. Конечно, оставалось еще динамическое давление на фонарь от обтекающего потока – это общая проблема всех истребителей со скоростями свыше 500 км/ч и с этим боролись системой аварийного сброса, но и для того, чтобы она сработала, когда она понадобится, лишнее статическое давление, прижимающее фонарь, совершенно не нужно. Герметизация надувным шлангом до сих пор остается основным вариантом уплотнения стыка по фонарю кабины – по крайней мере, на истребителях IV поколения стоит все еще она. Такая кабина, являющаяся развитием конструкции Щербакова на самолете И-153В, была предусмотрена в проекте самолета «2А», но согласно Е. Гордону она имела еще одно отличие – ее стенками были деревянные борта фюзеляжа, тогда как на И-153В она представляла собой капсулу, которая сваривалась из 0,8-мм формованных листов алюминиевого сплава АМцЛ и вкладывалась в фюзеляж, что добавляло этому истребителю 45 кг массы. Что же, при использовании для выклейки, скажем, дельта-древесины, это технически возможно. Однако далее Гордон пишет, что деревянной была только средняя часть фюзеляжа, а хвостовая представляла собой конструкцию из легких сплавов с работающей обшивкой, выполненную зацело с килем. Получается странная конструкция – ферменный носовой мотоотсек, сваренный из стальных труб и покрытый дюралевыми панелями капота, стыкуется с деревянным монококом средней зачти и заканчивается полумонококовой хвостовой балкой из дюраля? На предшествующем самолете «А» (И-220) и на самолетах «Д» (И-230, И-231) хвостовая часть фюзеляжа была полностью деревянной, а киль – отъемным (зацело с деревянной частью фюзеляжа киль был на серийном МиГ-3). Поскольку фото самолета нет, а какие-либо конструкторские или технологические документы по И-221 не опубликованы, подтвердить или опровергнуть это утверждение Гордона пока не представляется возможным. Однако похожие за исключением пониженной верхней части фюзеляжи последующих самолетов серии «А» И-222, И-225, И-225 снова имели деревянную хвостовую часть и отъемный киль – такие же, как И-220. С фюзеляжем И-221 связан еще один вопрос. Во всех источниках приводится его полная длина, равная 9550 мм, что на 53 мм меньше, чем у прототипа И-220. За счет чего произошло это изменение, не ясно. Мотоотсек был скомпонован так плотно, что сократить его длину вряд ли было возможно, а ведь в добавление к ПЦН на моторе в нем появлялись еще и турбокомпрессоры. Тогда может быть укорочена хвостовая балка фюзеляжа? Но Шавров приводит базы шасси самолетов И-220 и И-221 (расстояние между осями колес основных и хвостовой опор на боковой проекции н стоянке с нормальной загрузкой самолета). Шасси обоих самолетов были, судя по всему, одинаковы, и базы по данным Шаврова тоже – 5850 мм. Та же цифра значится на эскизе на стенде Музея ОКБ им. А.И. Микояна. Так может быть, только если сдвинуть назад хвостовую опору шасси. Но тогда ее ниша «перережет» предпоследний шпангоут каркаса фюзеляжа, а он – силовой. Это может ослабить этот шпангоут настолько, что без мощного и тяжелого усиления он не сможет воспринимать крутящий момент, создаваемый вертикальным оперением при работе руля направления и передаваемый на фюзеляж в основном именно этим, более нагруженным и мощным лонжероном. Гордон указывает, что Шавров пишет о смещении вперед основных стоек шасси (очевидно, по отношению к тому положению, которое они занимали на И-220), но в то же время утверждает, что в заводских чертежах этого нет. И действительно, центропланы самолетов похожи, они скомпонованы так тесно, что сдвигать «ноги» на 50 мм так просто некуда. Но утверждал ли такое Шавров? Его монография пережила два издания, и во 2-м исправленном от 1988 года, которое есть у меня, ни слова о шасси в посвященной самолету И-220 статье не сказано. Изменение длины самолета при одинаковой базе шасси – это явная нестыковка в данных. Мое предположение – длина самолетов «А» и «2А» одинакова, как и вообще конструкция фюзеляжей. И все выше указанные историки – авторы чертежей этих самолетов – изобразили их с абсолютно одинаковой длиной и деревянной хвостовой частью. Отличия – лишь в расположении металлических панелей капота мотоотсека при одинаковой общей длине и этого отсека. Вот что можно сказать о проекте самолета «А» – И-221 или МиГ-7. Однако в авиации часто бывает, что опытный самолет существенно отличается от подписанного исполнителем и утвержденного Заказчиком проекта.
Нет комментариев