Навигация:
Довоенные работы в СССР по турбореактивным двигателям
Разработка ракетоплана в НИИ-3
Хаос в работах над реактивной авиацией
Институт Костикова проваливает задание ГКО
Нулевое поколение реактивных самолётов
Условия работы на предприятиях авиапрома
Широкий фронт исследований по типам реактивных двигателей
Ведомственные интересы
Состояние работ по реактивной авиации в других странах
18 февраля 1944 года — постановление ГКО № 5201
Ведомственность вновь побеждает идею централизации
Неудачный трёхкамерный ЖРД Глушко
в первой половине 1940-х годов авиаконструкторы столкнулись с неожиданной проблемой — наращивать скорость новых истребителей привычными методами стало все труднее и труднее, а в перспективе обозначилась угроза полной невозможности дальнейшего прироста скорости. Вплотную приблизившись к скоростям порядка 700 км/ч, авиаконструкторы словно бы уперлись в невидимый потолок. Далее лежала область око 75 лозвуковых скоростей, на которых сопротивление воздуха возрастало уже скачкообразно. Самолету приходилось буквально продираться через внезапно «загустевшую» атмосферу. Теперь увеличение мощности мотора давало намного меньший прирост скорости, чем раньше, а улучшать аэродинамику серийных истребителей, по большому счету, было уже особенно и некуда. При этом отдельную проблему составлял вопрос движителя.
Традиционный пропеллер на скоростях более 750 км/ч начинал резко терять эффективность. Скорость концов лопастей авиавинта приближалась к скорости звука, это вело к возникновению в лопастях волнового сопротивления. В результате часть мощности двигателя расходовалась не на разгон самолета, а на преодоление волнового сопротивления. Так как коэффициент полезного действия двигателя при этом снижался, дальнейший прирост скорости требовал еще большего роста мощности мотора. Однако постоянное увеличение мощности традиционных поршневых моторов превращало авиадвигатель в нечто непригодное для установки на самолет — и вес, и габариты явно выходили за все мыслимые пределы. Кроме того, следовало учитывать, что линейный рост мощности мотора вызывал пропорциональный рост расхода топлива, поэтому ради сохранения дальности полета пришлось бы увеличить запас горючего на борту; возрастание мощности (а значит — и веса) мотора и объемов топлива (а значит — снова веса) при сохранении прежней нагрузки на крыло неизбежно требовало адекватного увеличения самого планера.
Очевидно, что при этом резко возрос бы как вес самолета, так и его аэродинамическое сопротивление. В результате получался замкнутый круг — рост мощности мотора вел к росту веса всего самолета в целом, а для того, чтобы разогнать «потяжелевшую» машину, требовался новый, еще более мощный, мотор. Таким образом, стало очевидно, что традиционными мерами данную проблему решить не удастся.
... нам, живущим в XXI в., очевидно, что магистральным путём развития реактивной авиации стал турбореактивный двигатель (ТРД). Принципиальная схема такого двигателя была не так уж сложна, однако её практическое воплощение «в металле» требовало решения массы технологических задач. Одной из наиболее сложных проблем для технологов и конструкторов было создание лопаток турбины, которые должны были часами работать в потоке раскалённых газов, истекавших из камеры сгорания. Отечественный проект ТРД конструкции А.М. Люльки курировался НКАП, но с целью решения проблемы лопаток турбины компрессора работы над этим двигателем были сосредоточены на Кировском заводе, весьма далёком от авиапроблематики. К началу войны они продвинулись достаточно далеко и даже обсуждались в высших государственных инстанциях.
Так, в утверждённом 12 июля 1940 г. Комитетом обороны при СНК СССР плане развития реактивной техники упоминалось изучение вопросов «о применении реактивных двигателей большой мощности для сверхскоростных стратосферных полётов, а также проведение работ по турбореактивным двигателям конструкции А.М. Люлька с тем, чтобы уже в декабре 1940 г. испытать двигатель на стенде». Как видим, разработка реактивной авиации в довоенном СССР уже началась. Однако велись изыскания весьма неспешно, высоким приоритетом не обладали, а главное - были раздроблены между несколькими ведомствами, что не позволяло ни концентрировать ресурсы на важнейших направлениях, ни наладить взаимодействие между конструкторскими группами.
Несколько позже к разработке ракетоплана приступили и в НИИ-3. Собственно, тема «302», подразумевавшая строительство ракетоплана, была включена в план работ ещё весной 1941 г. (почти одновременно с началом работ над БИ). Однако на тот момент НКБ требовал от директора института А.Г. Костикова в первую очередь интенсифицировать работы над реактивными снарядами «РС», поэтому по теме «302» долгое время ничего не делалось. Спустя год Костикову удалось добиться важной (пусть и сугубо бюрократической) победы - постановление ГКО № 2105сс от 26 июля 1942 г. официально санкционировало начало работ над самолётом «302». Ракетоплан надо было предъявить на совместные испытания с «двумя вариантами ВРД»16: с первым - к 15 марта, со вторым - к 15 мая 1943 г.17 Судя по всему, позиции Костикова в НКБ постепенно ухудшались, поэтому для него переориентация на авиационную тематику была хорошим вариантом смены подчинённости. 15 июля 1943 г. было издано постановление ГКО № 2046, предусматривавшее преобразование НИИ-3 в Государственный институт ракетной техники (ГИРТ), причём он передавался из структуры НКБ в непосредственное ведение правительства. Сам Костиков был назначен директором опытного авиазавода № 5518. Увы, как показала жизнь, Костиков был хорош только на поле бюрократических интриг, а вот с опытно-конструкторскими работами не ладилось. Постановление № 2105сс выполнялось с серьёзным отставанием от графика. Первый экземпляр ракетоплана «302» прибыл на испытания в Лётно-испытательный институт НКАП лишь 23 сентября 1943 г., причём Костиков, в нарушение постановления ГКО, построил самолёт только в одном экземпляре - с единственным двигателем ЖРД, оставив вариант с ПуВРД в законцовках
Что касается конструкторской группы Люльки, создание ТРД (готового к тому моменту на 70%) продолжать в условиях блокады Ленинграда было невозможно. Реанимировать работы удалось лишь в 1943 г., после передачи коллектива ОКБ-293 В.Ф. Болховитинова (в составе которого трудился и Люлька с единомышленниками) в состав НИИ-1 НКАП. Несколько позднее группа перешла в ЦИАМ, где сложилось три центра разработки авиамоторов нетрадиционных на тот момент схем: Холщевникова (ВРДК), Люльки (ТРД с осевым компрессором) и Уварова (ТРД с центробежным компрессором). Стоит упомянуть, что в 1942 г. М.И. Гудков предлагал строить экспериментальный истребитель под ТРД конструкции Люльки, но ввиду отсутствия двигателя как такового эти предложения представляли сугубо академический интерес и были отклонены. Таким образом, в 1941-1943 гг. ситуация с работами в области реактивной авиации по сравнению с довоенным периодом практически не изменилась. По-прежнему не было чёткого понимания, какой тип двигателя имеет приоритет, и работы велись сразу по целому вееру направлений - ЖРД, ПуВРД, ВРДК, ТРД. К тому же эти изыскания были хаотично и произвольно распределены между различными ведомствами. В тот момент эта ситуация не тревожила советское руководство - применение реактивного двигателя рассматривалось как дело отдалённого будущего.
ГИРТ, наряду с рядом других структур и организаций, влился в состав НИИ-1, причем руководство НКАП, видимо, рассчитывало, что производственная и научная база института реактивного движения, который так или иначе, но занимался реактивной тематикой еще с тридцатых годов, позволит существенно ускорить темпы разработки новой техники. Увы, эти планы оказались основаны на шатком фундаменте. Итоговый акт комиссии НКАП по приемке ГИРТ, работавшей под председательством А.С. Яковлева зимой 1944 г., гласил: «Общее состояние работы в институте по всем основным разделам его деятельности - совершенно неудовлетворительное. Основные задачи тематики не решены. Сроки выполнения работ по решениям ГОКО сорваны. Заявленные институтом технические данные объектов и сроки выполнения основных заданий совершенно не обоснованы ни располагаемой базой, ни степенью технической подготовленности основных вопросов. Научно-исследовательского института фактически нет, ни с точки зрения экспериментально-исследовательской базы, ни с точки зрения наличия подготовленных кадров. Направление всей работы института было неверным и сводилось к бессистемному и технически необоснованному конструированию многочисленных объектов, без проведения необходимых научных исследований и предварительных испытаний. ... Утвержденного годового плана работы института не имеется. Из числа работ, проводившихся в институте, основные работы, определявшие его практическую отдачу — не выполнены. Главная задача института — создание реактивного двигателя — не решена и решение этой задачи совершенно не обеспечено, т.к. основные элементы двигателя не отработаны, нет необходимых образцов двигателя для доводки. Испытательная база неудовлетворительна. ... Создание реактивного самолета перехватчика по постановлению ГОКО № 2105сс от 26.07.1942 с передачей 2 экземпляров на летные испытания в марте и мае 1943 г. являлось основной работой института. Задание ГОКО не выполнено в первую очередь по причине отсутствия отработанного двигателя». При детальном изучении положения дел с проектом ракетного перехватчика выяснилось, что руководство ГИРТ позволило себе даже на стадии проектирования существенно снизить технические характеристики по сравнению с параметрами, заданными в постановлении ГКО. Хотя постановление требовало обеспечить продолжительность полета ракетоплана 20 минут, проект самолета конструировался, исходя из необходимости обеспечить полет лишь на протяжении 1 минуты. Было очевидно, что даже при успешном завершении испытаний (а до этого было весьма далеко) ВВС безусловно откажутся от 88 самолета с крайне малым радиусом действия. Костиков, правда, пытался сослаться на то, что в отличие от первых двух экземпляров самолета «302», на III и IV экземплярах устанавливается не одно-, а двухкамерный ЖРД, что, дескать, позволит поднять продолжительность полета до 3,5 минуты.
Руководство советской авиапромышленности пошло по привычному пути работ по всему вееру возможных конструкций реактивных двигателей: ЖРД, ТРД и ВРДК. Сейчас уже очевидно, что будущее оказалось за ТРД и первым поколением советских реактивных истребителей стали самолёты, оснащённые «трофейными» немецкими турбореактивными двигателями РД-10 (ЮМО-004) и РД-20 (БМВ-003). Но между машинами с поршневыми моторами и первым поколением отечественных реактивных истребителей было оно - «нулевое поколение», создаваемое согласно майскому приказу наркома А.И. Шахурина. Разумеется, эти самолёты не производились крупносерийно. Однако, работая над ними, конструкторы и производственники набирались опыта, осваивали новые технологии и приёмы.
... надо признать, что весь комплекс работ по машинам «нулевого поколения» закончился безрезультатно. Ни один из разработанных в рамках задания 1944 г. проектов не стал серийной машиной. Тем не менее, на наш взгляд, эта история продемонстрировала громадный потенциал советской экономики вообще и авиапромышленности в частности. Переход от самолётостроения, основанного на поршневых моторах, к реактивному требовал преодоления очередного технологического барьера. Многие страны, обладавшие авиапромышленностью в 1930-е гг., преодолели этот барьер лишь в 1950-е гг., а некоторые не преодолели вовсе. Следует учитывать, что СССР в 1944 г. был вынужден решать сложнейшую научную, экономическую и организационную задачу в тяжёлых условиях заключительного этапа Великой Отечественной
Даже после окончания Великой Отечественной войны, в первом полугодии 1947 г., нарком авиапромышленности докладывал: «Завод №166 не выполнил плана по выпуску самолётов Ту-2 и не смог создать необходимых заделов, так как в течение 4-х зимних месяцев полностью стоял из-за отсутствия топлива. Температура в цехах доходила до -15 градусов
Жидкостный реактивный двигатель (ЖРД) — то есть обычный химический ракетный двигатель, использующий жидкое топливо. Горючее окисляется (сгорает) в камере сгорания, образовавшиеся газы на большой скорости истекают из двигателя, создавая реактивную тягу. Как правило, ЖРД используют двухкомпонентную систему, при которой кроме собственно топлива в камеру сгорания подается еще и окислитель. Впрочем, германские конструкторы на Ме-163 использовали однокомпонентный ЖРД.
Воздушно-реактивный двигатель (ВРД) — тепловой реактивный двигатель. В ВРД воздух, поступающий из атмосферы, подается в камеру сгорания, где выступает в качестве окислителя для топлива. В процессе сгорания смесь воздуха и продуктов окисления топлива резко нагревается и на значительной скорости истекает из двигателя, за счет чего и возникает реактивная тяга. Однако и это понятие описывает целый комплекс принципиальных схем двигателей, поэтому дефиниция «ВРД» может быть, в свою очередь, подразделена на несколько категорий. В целом, базовый признак, по которому эти разновидности ВРД отличаются друг от друга, — это способ нагнетания воздуха атмосферы в двигатель.
Прямоточный воздушно-реактивный двигатель (ПВРД) основан на нагнетании воздуха за счет торможения встречного потока. То есть воздух, поступая на входное отверстие мотора со скоростью полета самолета (или иного аппарата, на который установлен ПВРД), тормозится и за счет этого сжимается и нагревается. Затем он поступает в камеру сгорания, где при окислении топлива нагревается еще больше и истекает через сопло на скорости большей, чем скорость встречного потока, — возникает реактивная тяга. Очевидно, что схема такого двигателя относительно проста, но работа ПВРД возможна только при достижении определенной скорости, то есть при нулевой скорости он вообще работать не будет.
Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель (ПуВРД) нагнетает воздух за счет разницы давлений между входной частью двигателя и камерой сгорания. Работа такого мотора имеет не постоянный, а периодический характер. На первом такте клапан (или клапаны) между входной частью и камерой сгорания открыт, и воздух через него поступает в камеру сгорания. Туда же подается топливо. На втором такте происходит возгорание топлива. Давление в камере сгорания резко возрастает и закрывает клапан. Продукты сгорания начинают истекать через сопло, создавая реактивную тягу. На третьем такте давление в камере сгорания снижается, и клапан вновь открывается. Такие двигатели тоже отличаются простотой конструкции и, теоретически, могут работать даже при нулевой скорости, хотя на практике существенную тягу они развивают уже при достижении сколько-нибудь значимых скоростей. Скажем, немецкий самолет-снаряд «V-1», использовавший ПуВРД, стартовал с паровой катапульты.
Мотокомпрессионный воздушно-реактивный двигатель, или иначе — воздушно-реактивный двигатель компрессионного типа (ВРДК), для нагнетания воздуха использует специальный компрессор. Но так как этот компрессор сам по себе работать не будет, ВРДК практически всегда сопряжен с обычным поршневым мотором внутреннего сгорания (ДВС). Строго говоря, поршневой мотор при этом мог ограничиться только обслуживанием компрессора, но иногда ДВС вращал еще и пропеллер.
Турбореактивный двигатель (ТРД) осуществляет нагнетание воздуха в камеру сгорания тоже компрессором, но в этом двигателе компрессор приводится в действие не дополнительным мотором, а турбиной, насаженной на один вал с компрессором. Перед тем, как покинуть двигатель через сопло, раскаленные газы из камеры сгорания попадают на турбину и заставляют ее вращаться, а турбина, в свою очередь, вращает компрессор. Такая конструкция позволяет ТРД эффективно работать на низких и даже нулевых скоростях, однако турбина сама по себе является крайне сложным агрегатом, разработка и производство которого сопряжено с решением массы технических проблем.
Помимо ЖРД и ПуВРД, в довоенном СССР развивались и еще два типа реактивных двигателей, пригодных к установке на самолеты. Так, в Центральном институте авиамоторостроения (ЦИАМ) группа под руководством К.В. Холщевникова разрабатывала проект ВРДК, но особый интерес у советского руководства вызывал проект турбореактивного двигателя конструктора А.М. Люльки. Однако несмотря на курирование со стороны НКАП, работы по этому проекту были сосредоточены в Ленинграде на Кировском заводе, который в систему Наркомата авиапромышленности не входил. Собственно говоря, на тот момент это было резонное решение — именно производственные мощности одного из ведущих советских машиностроительных заводов давали надежду на эффективное решение многочисленных технологических проблем, неизбежных в таком сложном и новом деле, как создание авиадвигателя принципиально новой схемы. Следует отметить, что накануне войны работы Люльки продвинулись уже достаточно далеко, и даже рассматривались в высших государственных инстанциях Советского Союза.
Дважды НКАП пытался перевести работы по реактивной тематике в сферу своей компетенции. Еще в сентябре 1940 г. Наркомат авиапромышленности предложил Комитету Обороны при Совнаркоме СССР создать на базе СКБ Центрального котлотурбинного института Наркомата 81 электропромышленности (НКЭП) — НИИ авиационной теплотехники, подчиненное НКАПу Именно в это НИИ предлагалось передать все конструкторские группы, работавшие над различными моделями реактивных авиадвигателей. Однако НКЭП резко возражал против такого ущемления его ведомственных амбиций, и проект был похоронен. Вторично к идее концентрации всех проектов реактивных авиамоторов вернулись всего за несколько месяцев до войны — в феврале 1941 г. На этот раз притязания НКАПа простирались лишь на НИИ-3, который предлагалось передать из Наркомата боеприпасов в авиапромышленное ведомство и переориентировать с работ по реактивным снарядам на авиатематику. Однако и это предложение не прошло.
Ситуация резко изменилась в середине 1943 г., после того, как в Главное управление инженерно-аэродромной службы ВВС РККА поступила справка о состоянии работ ...
... начало Великой Отечественной войны не привело к существенным изменениям в политике советского руководства по отношению к проблеме реактивного самолетостроения. Работы по различным типам реактивных самолетов по-прежнему были рассредоточены между различными ведомствами и продолжали считаться малоприоритетными. Ситуация резко изменилась в середине 1943 г., после того, как в Главное управление инженерно-аэродромной службы ВВС РККА поступила справка о состоянии работ по реактивным самолетам за границей. В этой справке отмечалось, что Германия располагает тремя моделями реактивных самолетов — Хе-180, Хе-280 и Хе-Т. Причем если Хе-180 лишь упоминался как предшественник Хе-280, то последний описывался достаточно подробно: двухместный самолет-моноплан, реактивные двигатели расположены под крыльями и работают по принципу Кампини: установлены термодинамические турбины, воздух нагнетается с помощью компрессора. Вооружение самолета, согласно справке, состояло из пушек в фюзеляже и пары пулеметов в крыльях. Отмечались две важных особенности конструкции. Во-первых, самолет был оснащен «приспособлением для выбрасывания летчика вместе с кабиной и парашютом». А во-вторых, мощность силовой установки «почти не регулируется, поэтому изменение скоростей в полете невозможно». Хе-Т характеризовался как одноместный истребитель с герметичной кабиной, способный развить скорость до 1180 км/ч на высоте 15 850 м. В отношении Великобритании в справке упоминались лишь турбореактивные двигатели фирм «Роллс-ройс» и «Ровер», в Италии — упоминались испытания самолета Кампини-Капрони в 1941 ...
Очевидно, что раньше всех к практическим работам в области реактивной авиации приступили в Германии, но англичане стремительно наверстали отставание, сведя его к минимуму. Формально США начали поставлять в войска реактивный истребитель раньше всех, однако «Аэрокомет» был машиной, явно не пригодной для боя, и в боевых действиях не участвовал, а «Шутинг Стар», наоборот, — существенно отставал по срокам готовности и от «Метеора», и от «Швальбе». Таким образом, зимой 1943/44 г. и США, и Германия, и Великобритания вели полноценные испытания и готовились к серийному производству истребителей, оснащенных турбореактивными двигателями. Очевидно, что данные советской разведки были очень неточны и расплывчаты, однако основной посыл этого документа был верен — на Западе работы по реактивной авиации действительно шли полным ходом.
... даже идеальная работа разведки не могла дать полной ясности относительно генерального тренда развития реактивного самолетостроения за рубежом. Да, английские, американские и немецкие самолеты имели турбореактивные двигатели. Но те же немцы строили и испытывали и перехватчики с ЖРД. А итальянцы еще до войны испытывали самолеты с ВРДК, и была вероятность, что эти работы продолжаются. В сложившейся ситуации было решено уделить вопросам реактивной авиации особое внимание. 18 февраля 1944 г. было принято постановление ГКО № 5201, согласно которому вся тематика, связанная с реактивным самолетостроением, сосредотачивалась в ведении НКАП. Специально для решения этих задач в рамках Наркомата авиапромышленности создавался Научно-исследовательский институт реактивной авиации (НИИРА), вскоре переименованный (очевидно, из соображений секретности) в НИИ-1. Причем во главу угла работ НИИ-1 ставились проблемы именно моторостроения. Было очевидно, что при наличии работоспособного мотора, создание под него собственно самолета представлялось вопросом уже не столь сложным.
... ключевым и наиболее ответственным шагом стало определение наиболее приоритетных проектов в области реактивного двигателестроения. На тот момент достаточно далеко продвинулись только работы над ЖРД. Так, в рамках работ НИИ-3 А.М. Исаев разрабатывал ЖРД вытеснительного типа, который так и назывался — «двигатель НИИ-3», Л.С. Душкин в том же ГИРТ доводил одно- и двухкамерные варианты ЖРД насосного типа. Однако наибольших успехов добился В.П. Глушко, который работал в ОКБ НКВД при заводе № 16 над трехкамерным ЖРД, притом однокамерный вариант его двигателя уже испытывался на Пе-2. Двигатели всех остальных схем все еще оставались в проектах и эскизах. Исходя из сложившегося положения дел, а также учитывая «подмоченную» репутацию всех проектов, связанных с ГИРТ, и было принято итоговое решение о распределении задач в области реактивного моторостроения.
... ведомственность вновь победила идею централизации, и работа над реактивными авиадвигателями снова оказалась «размазанной» между НИИ-1, ЦИАМ и НКВД. Результаты такой разобщенности оказались ожидаемо негативны. Из всего «веера» моделей авиадвигателей и самолетов, запланированных к производству весной 1944 г., успешно прошел государственные испытания и был рекомендован к серийному производству только один истребитель И-250 конструкции Микояна и Гуревича, оснащенный ВРДК Холщевникова. Однако к этому моменту в СССР уже полным ходом шли испытания истребителей первого поколения с «трофейными» германскими ТРД — МиГ-9, Як-15 и Ла-150. На фоне этих самолетов тактико-технические данные И-250 выглядели откровенно бледно, поэтому после выпуска установочной партии в 8 машин производство этого самолета прекратили. После того, как от И-250 отказалась армия, машину попытались спасти путем создания специальной флотской модификации с повышенной дальностью полета. За счет установки на самолете дополнительных топливных баков планировалось создать на базе И-250 специализированный истребитель сопровождения.
Так как советский флот на тот момент не мог не то что похвастаться наличием авианосцев, но и вообще испытывал недостаток хоть сколько-нибудь крупных кораблей, основу ударной мощи флота во второй половине 1940-х годов составляла торпедоносная авиация берегового базирования. Вот эти торпедоносцы и планировалось сопровождать истребителями с комбинированной двигательной установкой. Один из серийных И-250 (№ 3810102) был доработан для установки на нем дополнительных бензобаков. Суммарный вес топлива на истребителе за счет этих работ удалось довести до 190 кг. Е.И. Подрепный пишет, что в апреле 1947 г. все работы по проектам И-225 и И-250 были официально прекращены, как потерявшие актуальность,
Однокамерная версия двигателя Глушко была рассчитана на то, что топливный насос будет работать за счет отбора мощности от основного (поршневого) мотора. Трехкамерная версия должна была работать самостоятельно, без использования дополнительного мотора. Оговоримся сразу — трехкамерный ЖРД у Глушко не задался, а Яковлев даже не приступил к изготовлению ракетоплана, откровенно проигнорировав приказ наркома.