Д. Соболев - История самолетов 1919 – 1945
Другим важным направлением в улучшении скоростных качеств истребителей являлось усовершенствование их аэродинамики.
Этот путь, в принципе, был более рациональным, т.к. повышение мощности вызывало увеличение веса, расхода топлива, усиление нежелательного реактивного момента и др. Улучшение же форм самолета давало "чистый плюс".
Сложность заключалась в том, что к началу второй мировой войны внешние формы летательных аппаратов, рассчитанных на скорости 500-600 км/ч, были близки к совершенству. Оставалось идти по пути мелких аэродинамических усовершенствований, заключавшихся в устранении или улучшении формы небольших выступающих в поток деталей, лучшей внутренней герметизации планера и т.д.
Важнейшую роль в деле аэродинамического "облагораживания" самолетов сыграло создание натурных аэродинамических труб. В трубе Т-101 ЦАГИ в годы войны были исследованы все основные типы серийных самолетов (рис. 4.11). Более двадцати моделей военных самолетов прошли испытания в натурной аэродинамической трубе в исследовательском центре Ленгли в США. При этом использовалась следующая методика: с летательного аппарата снимались или тщательно закрывались обтекателями выступающие в поток детали (радиаторы, вооружение, антенны и др.), герметизировались все щели и после этого замерялся коэффициент лобового сопротивления "идеального" самолета. Затем поэтапно убирали обтекатели или устанавливали ранее снятые агрегаты и замеряли долю отдельных элементов в общем сопротивлении самолета. Если эта доля была значительной, изыскивались способы перекомпоновки данного агрегата для улучшения обтекаемости [13, с. 110].
Рис.4. 11. Ла 5 в аэродинамической трубе ЦАГИ
Отдельные доработки приводили, казалось бы, к незначительному эффекту, однако в сумме эти изменения дали существенное улучшение аэродинамики и заметный прирост скорости. Тщательное усовершенствование серийного самолета нередко создавало больший эффект, чем разработка новой машины.
Для подтверждения сказанного приведу два примера. Уборка в полете хвостового колеса шасси у истребителя "Спитфайр" дала прирост скорости в 8 км/ч, улучшение формы кока винта – 6 км/ч, применение щитков ниш уборки шасси – 5 км/ч, изменение формы антенны – 1 км/ч, устранение аэродинамических компенсаторов на элеронах – 10 км/ч, замена плоского лобового стекла выпуклым – 10 км/ч, изменение конструкции выхлопных насадок двигателя – 6 км/ч, улучшение отделки внешней поверхности самолета – 14 км/ч, изменение формы законцовок крыла – 1,5 км/ч, усовершенствование формы обтекателя зеркала заднего вида – 1,5 км/ч 114]. Суммарное увеличение скорости составило 63 км/ч.
Результаты изучения самолета Лa-5 в ЦАГИ в 1942 г. дали следующий эффект: за счет улучшения внутренней герметизации (капот, противопожарная перегородка и др.) скорость машины возросла на 12,1 км/ч, внешней герметизации (швы капота, створки и т.д.) – на 11,7 км/ч, закрытия ниш шасси – на 6,2 км/ч, усовершенствования формы фонаря кабины – на 2,7 км/ч, уменьшения щелей на органах управления – на 2,3 км/ч; итого удалось добиться увеличения скорости на 35 км/ч [15, с. 66]. Большой эффект был достигнут и на модификации Ла-7. Как следует из рис. 4.14 г, благодаря лучшей аэродинамике его максимальная скорость на номинальном режиме была на 25-30 км/ч больше, чем у Ла-5ФН, при одинаковой мощности двигателей. В целом же только за счет аэродинамических усовершенствований скоростные характеристики истребителей Ла-5 (Ла-7) возросли на 60-65 км/ч, что равноценно результатам, полученным на "Спитфайре". Такой прирост скорости эквивалентен увеличению мощности мотора более чем на треть, причем без увеличения веса самолета [16, с. 18].
Рис.4.12. Истребитель Мессершмитт Bf. 109F
Улучшение аэродинамики "Мессершмитта" за первые два года войны можно проследить при сравнении моделей Bf. 109Е (см. рис. 3.36) и Bf. 109F (рис. 4.12). Как видно из фотографий, на модификации "F" конструкторы значительно увеличили размеры кока винта, более обтекаемым стал капот двигателя, радиаторы глубже "утопили" в крыле, закруглили законцовки крыла, убрали подкос к горизонтальному оперению. Это, наряду с 10-процентным повышением мощности двигателя, дало прибавку в скорости примерно на 50 км/ч. В последующие годы модернизация истребителя происходила, в основном, за счет увеличения мощности силовой установки.
Очень большое внимание улучшению аэродинамического совершенства истребителей уделял коллектив Л.С.Яковлева. Как уже отмечалось, из-за отсутствия высокооктанового горючего и сверхжаропрочных материалов возможности форсирования двигателей M-105 были ограничены, и основные надежды приходилось возлагать на уменьшение аэродинамического сопротивления самолета и его взлетного веса.
Лучшим серийным истребителем Яковлева был Як-3 (рис. 4.13). А.С.Яковлев писал: "При разработке этого самолета проводилось коренное усовершенствование аэродинамики и тщательная ревизия всех деталей. Увеличение производства цветного металла в стране позволило тяжелые деревянные лонжероны крыла заменить дюралевыми. Маслорадиатор перенесли из-под фюзеляжа в крыло, а водорадиатор предельно утопили в фюзеляж, улучшили форму кабины, сделали убирющимся костыльное колесо. Площадь крыла уменьшилась с 17,15 до 14,85 м² " [18,с.81]. По оценке известного аэродинамика В.С.Пышнова, лобовое сопротивление Як-3 по сравнению с Як-1 уменьшилось на 20% [19, с. 54].
Рис.4.13. Истребитель Як-3
Рис. 4.14 Высотно-скоростные характеристики истребителей "Спитфайр" (А). "Мессершмитт" (Б), "Як" (В) и "ЛаГ Г"/"Ла" (Г) [8; 17]
Благодаря повышению мощности и высотности силовой установки и уменьшению лобового сопротивления истребителей их высотно-скоростные характеристики значительно улучшились. Как видно из рис. 4.14, скорость самолетов на малых и средних высотах возросла в среднем на 100-120 км/ч. Наибольшей скоростью на больших высотах (8-10 км) обладали "Спитфайры", что объясняется их более совершенной системой наддува с двухступенчатым нагнетателем и системой промежуточного охлаждения смеси. На Восточном фронте, в отличие от Западного имеющего четкую линию фронта, бои между самолетами происходили на сравнительно небольшой высоте (обычно до 4.500 м), поэтому на советских истребителях стояли менее высотные моторы. Немцы, вынужденные вести боевые действия как вблизи земли, так и на больших высотах – при отражении налетов англо-американских бомбардировщиков. применяли на "Мессершмиттах" систему впрыска закиси азота для улучшения высотности двигателя.
Увеличение веса силовой установки и рост аэродинамических нагрузок из-за возросших скоростей привели к необходимости усиления конструкции планера самолета. На истребителе "Спитфайр" Мк.21 даже пришлось полностью заменить крыло, т.к. прежняя конструктивно-силовая схема при малой относительной толщине профиля уже не обеспечивала требуемой жесткости, были случаи реверса элеронов. С ростом взлетной массы приходилось также усиливать шасси. Из-за большого скоростного напора применяемую ранее полотняную обшивку на рулевых поверхностях и задней части фюзеляжа заменили на жесткую – фанерную (на "Яках") или дюралевую (на "Спитфайре").
Чтобы избежать увеличения веса, на последних моделях "Спитфайра", отличающегося крылом малой толщины, дюралюминиевые лонжероны заменили на стальные. Это позволило сохранить и даже уменьшить относительный вес конструкции – с 0,33 на Mk.l до 0,29 на Мк.21 [14,с.771].
Еще большими резервами для модернизации располагали советские самолетостроители. В конструкции первых "Яков" и "ЛаГГов" широко применялось дерево и полотно. В начале войны это решение вполне себя оправдало, так как позволило после эвакуации в трудных производственных условиях наладить массовый выпуск истребителей из доступных материалов, в обстановке острого дефицита алюминиевых сплавов. Однако при схеме свободнонесущий моноплан с относительно тонким крылом деревянные силовые конструкции проигрывали в отношении веса по сравнению с металлическими. Поэтому, когда советская промышленность, благодаря созданию новых предприятий на востоке страны и помощи союзников, вновь начала массовый выпуск алюминиевых сплавов, на самолетах стали более широко использовать металл. В 1942 г. тяжелые и громоздкие сосновые коробчатые лонжероны крыла истребителя "Як" заменили на металлические – с дюралюминиевой стенкой и стальными полками. В результате этого вес конструкции крыла уменьшился на 79 кг, внутри появилось дополнительное пространство, позволившее увеличить объем крыльевых топливных баков [9, с. 194]. В 1943 г. такое же изменение претерпело крыло истребителя Лавочкина.
