Конкуренты легендарного МиГ-21. Часть вторая. Су-7: первый двухмаховый

В начале 50-х годов прошлого века в Советском Союзе было всего два истребительных КБ: А.И. Микояна и А.С. Яковлева. Казалось бы, они и должны были стать основными конкурентами при создании истребителя нового типа. Но, как было рассказано в первой части, Яковлева просто выдавили из конкурса. Однако конкурсная борьба все-таки получилась, причем достаточно интригующая. Главным соперником А.И. Микояна стал вернувшийся в строй опальный П.О. Сухой, совсем недавно назначенный приказом МОП № 223 от 14 мая 1953 года Главным конструктором ОКБ-1 вместо В.В. Кондратьева. Ранее в 1949 г. КБ Павла Осиповича было закрыто из-за его конфликта с министром Вооруженных сил СССР Н.А. Булганиным. По официальной же версии, это конструкторское бюро ликвидировали в связи с катастрофой опытного перехватчика Су-15 и общей «неэффективностью» работы: ведь за период существования КБ на вооружение была принята всего одна машина - Су-2.

Приняв материальную базу на территории Центрального аэродрома, П.О. Сухой немедленно приступил к подбору людей и решению организационных вопросов. А уже 5 июля 1953 г. вышло известное Постановление Совета Министров СССР, которое предписывало «истребительным» КБ начать разработку новых типов самолетов; рассчитанных на большую сверхзвуковую скорость полета (не менее 1750 км/ч). По уровню заданных характеристик было ясно, что создаваемый самолет должен был стать не просто новой машиной, а обеспечить существенный прорыв в максимальной скорости. Напомним, что к 1953-му в СССР вообще не существовало серийных сверхзвуковых самолетов. Несмотря на новизну и сложность задания, вновь образованный коллектив, возглавляемый П. О. Сухим, активно начал разработку проекта. Базой для него послужил проект Су-17 (Р), подготовленный еще в 1948-м.

Проекции самолета Су-17 (Р)

Напоминаю читателям, что в КБ им. Сухого многие индексы присваивались совершенно разным самолётам: два Су-7, два Су-9, два Су-17...

Работы шли в двух направлениях. Первое — это фронтовой истребитель (именно он стал главным конкурентом МиГ-21), а второе —перехватчик ПВО. Оба самолета разрабатывались в двух вариантах, отличавшихся крыльями: один с традиционным стреловидным, другой с новым треугольным. Фронтовой истребитель со стреловидным крылом получил обозначение С-1 (Стрелка), а с треугольным — Т-1. Соответственно назвали и перехватчики: С-3 и Т-3. Сухой хотел испытать параллельно оба типа крыла и отдать на вооружение лучший вариант. После переработки конструкции первоначального проекта «Р» в соответствии с последними рекомендациями ЦАГИ на самолетах С1/С3 применили крыло со стреловидностью 60° по линии 1/4 хорд симметричного профиля с относительной толщиной 7% и цельноповоротное горизонтальное оперение. Одновременно установили гидросистему высокого давления, необратимую бустерную систему управления по всем каналам, осесимметричный регулируемый воздухозаборник с выдвижным центральным телом и многое другое. Количество пушек на борту ограничили двумя — по одной в каждой плоскости крыла. Для достижения С-1/С-3 больших скоростей полета, чем у «Р», Павел Осипович решил также использовать новый турбореактивный двигатель (ТРД) конструктора А.М. Люльки АЛ-7Ф с заявленной тягой на форсаже 10000 кгс. Правда, двигатель еще не был готов, и в качестве временной меры на прототип могли поставить его нефорсированный вариант АЛ-7, развивавший на треть меньшую тягу. Расчеты показывали, что даже с таким слабеньким ТРД самолеты «С» выйдут на сверхзвуковые скорости.

Проектирование истребителя С-1 шло довольно бойко, ведь его конструкция во многом повторяла ранее построенный «Р». Конечно, для своего времени Су-17 был революционной и передовой конструкцией, но с момента его проектирования прошло уже 5 лет, и это порой игнорировали сотрудники КБ. Это привело к тому, что к моменту окончания проектирования, ход работы был нарушен начальником бригады общих видов Е.Г. Адлер. Об этом он написал в своих воспоминаниях так: «Подталкиваемый эйфорией, связанной с Су-17 , который был загублен еще в 1948-м, я пассивно наблюдал, как молодые сотрудники бригады эскизного проектирования Сизов, Рюмин, Пономарев и Поляков усердно повторяли основные черты этого идеала… Но по мере того, как чертежи из бригады эскизного проектирования перемещались в основные бригады ОКБ, во мне исподволь росло чувство недовольства и напрашивалось иное конструктивное решение. Подписывая чертежи все с большим отвращением, я, наконец, не выдержал и отправился к Сухому с повинной головой…»

В своей беседе с Сухим Адлер предложил существенно переработать проект. Демократичный и спокойный Сухой одобрил «революцию». Свои соображения по изменению проекта Адлер представил коллективу через несколько дней. Главные изменения коснулись расположения основных опор шасси — с фюзеляжа их предстояло перенести на крыло, а освободившееся место занять топливными баками. Переставное горизонтальное оперение с рулями высоты следовало заменить цельноповоротным стабилизатором. Его нужно было перенести с киля на хвостовую часть фюзеляжа, ибо в киле не помещались мощные бустеры.

Поначалу новшества Е.Г. Адлера не вызвали отторжения, и бригады стали отрабатывать новую задачу. Но перестановка шасси потребовала изменения силового набора крыла и кинематической схемы самого шасси. Возникли нюансы в системе управления и т. д. Работа затормозилась. Сам Адлер потратил массу времени не только на решение возникших проблем, но и на убеждение сотрудников в своей правоте, чем, собственно, и нажил себе массу недоброжелателей. Конфликт нарастал, и Е.Г. Адлер был вынужден уйти от Сухого в ОКБ Яковлева... По итогам этой истории Адлер написал: «Из сравнительного расчета весов одновременно спроектированных двух вариантов конструкции Су- 7 было установлено, что общая экономия веса в новом варианте составила 665 кг… Не скрою, что приятно было услышать, когда однажды скупой на похвалы Сухой все же бросил на одном из совещаний фразу: «По схемам Адлера конструкции легче получаются».

Законченный проект С-1 имел незатейливый цилиндрический фюзеляж с большим удлинением, лобовой воздухозаборник с центральным конусом, среднерасположенное стреловидное крыло и однокилевое хвостовое оперение. Все эти конструкторские решения были направлены на уменьшение аэродинамического сопротивления и достижение больших скоростей, тем более, что такая схема была максимально изучена ЦАГИ. И если планер С-1 был привычным и даже классическим для отечественных самолетов , то силовая установка была на тот момент уникальна. Разрабатывая свой новый турбореактивный двигатель АЛ-7, Архип Михайлович Люлька решил добиться увеличения тяги путем повышения степени сжатия воздуха в компрессоре. Эту задачу можно было решить простым добавлением ступеней, но при этом росли вес и габариты двигателя. А можно было применить так называемый сверхзвуковой компрессор. В нем, благодаря специальному профилю лопаток, воздушный поток между ними движется быстрее скорости звука. Ступеней у него меньше, но напор воздуха больше. Соответственно, меньше вес и больше тяга.

Однако от сверхзвукового компрессора очень трудно добиться устойчивой работы. Кроме этого, лопатки подвергаются сильным нагрузкам, и даже небольшие забоины на поверхности могут привести к их разрушению. Ввиду этих недостатков обычно сверхзвуковыми делают не все ступени, а только несколько, тогда заставить их работать проще. Люлька решил сделать сверхзвуковой только первую ступень. По своей эффективности она заменяла 3-4 дозвуковые.

Для повышения напорности диаметр колеса новой ступени был увеличен, а диаметр старых ступеней остался прежним, из-за этого в воздушном тракте образовался характерный горб. На испытаниях двигатель заработал и показал расчетные характеристики, но вот его горб не давал покоя коллективу конструкторов. Но все их попытки выправить «уродство» так и не увенчались успехом. Ровный компрессор упрямо работать не хотел. В конце концов его оставили в покое, и необычная форма проточной части компрессора АЛ-7 стала его визитной карточкой.

Люлька даже шутил по этому поводу. Однажды его ОКБ посетила американская делегация из General Electric. Ведущий специалист фирмы, увидев компрессор «семерки», удивленно спросил Люльку: «Почему у вашего двигателя компрессор горбатый?» На что тот шутя ответил: «Он от рождения такой!»

Сверхзвуковая ступень подняла степень сжатия компрессора у АЛ-7 до 9,1. В то время как на предыдущем АЛ-5 с обычным компрессором она равнялась всего 4,5. Максимальная тяга по сравнению с «пятеркой» увеличилась на 1340 кгс.

Двигатель-конкурент АМ-11 (РИФ- 300), разработанный для самолетов Микояна в ОКБ Микулина, имел полностью сверхзвуковой шестиступенчатый компрессор. А вот General Electric для своего двигателя предназначенного для американского фронтового истребителя F-104 (который при проектировании советских машин рассматривался основным противником) пошла простым путем увеличения числа ступеней. Конструкторы нагородили их в J79 аж 17 штук (Следует напомнить, что стоимость одной лопатки реактивного двигателя составляет несколько десятков долларов, и стоимость двигателя растет пропорционально количеству ступеней. Кроме того, растут габариты и вес двигателя.)

Совершенно разными путями пошли конструкторы и в обеспечении устойчивости работы двигателя, и в борьбе с помпажом. Люлька применил перепуск воздуха из проточной части. «Лишний» воздух отводился от четвертой и пятой ступеней, и выбрасывался в атмосферу через отверстия в корпусе двигателя, которые совмещались с двумя вырезами в верхней части фюзеляжа самолета. В нормальном состоянии отверстия на двигателе закрывались стальными лентами. Перепуск являлся самой простой и в то же время самой неэкономичной системой. В момент открытия отверстий в корпусе у ТРД снижалась тяга и увеличивался расход топлива.

У General Electric для устойчивости работы двигателя применялись поворотные направляющие лопатки компрессора. Эта система практически не имела побочных эффектов, но она на порядок сложнее и дороже перепуска. На двигателе Микулина был применен двухкаскадный компрессор, который вообще ничего не требовал, все регулирование обеспечивало вращение роторов низкого и высокого давления с разными скоростями.

Сравнивая двигатели, нужно знать, что более совершенным ТРД считается тот, у которого заданная заказчиком тяга достигается при минимальных массе, габаритах и расходах топлива. Причем каждый лишний килограмм массы двигателя вызывает увеличение массы самолета примерно на три килограмма.

Конструктивный уровень совершенства двигателя можно определить по его удельной массе — отношению массы к максимальной тяге. Чем она меньше, тем лучше: тем более рационально выбрана его конструктивная схема.

Как видно из анализа таблицы, лучшим из трех ТРД можно по праву назвать двигатель АМ-11 (Р11Ф-300) А.А. Микулина. Люльковские двигатели АЛ-7 не были лучшими из лучших в своем классе, но их тяга не имела равных, и Сухой сделал ставку на нее. Однако разместить весьма габаритный двигатель, его системы и топливо можно было только в достаточно объемном фюзеляже. Вследствие этого С-1 на фоне отечественных и зарубежных конкурентов выглядел очень внушительно.

Также внушительно Су-7 выглядел и на фоне истребителей предыдущего поколения.

Эскизный проект фронтового истребителя со стреловидным крылом (вариант «С-1») был защищен в ноябре 1953-го, а в феврале 1954-го прошла макетная комиссия. Приказом по МАП № 135 от 26 октября 1953 года ОКБ-1 был передан в качестве производственной базы филиал завода № 51 МАП.

1 июня 1955 года в ЛИИ в г. Жуковский открылась летно-испытательная станция (ЛИС) завода №51 — до завершения постройки С-1 оставалась всего пара недель. После опробования агрегатов и систем самолет в ночь с 15 на 16 июля 1955 года под чехлами с соблюдением всех режимных норм и милицейским эскортом на мотоциклах перевезли из Москвы на ЛИС. Испытательную бригаду возглавил ведущий инженер В.П. Балуев. Поскольку у ОКБ-51 еще не было своих летчиков-испытателей, для первых полетов на С-1 на время по договоренности с ВВС был приглашен А.Г. Кочетков из Государственного Краснознаменного научно-испытательного института военно-воздушных сил (ГК НИИ ВВС), ранее уже испытывавший первый реактивный самолет П.О. Сухого Су-9. 27 июля А.Г. Кочетков на С-1 выполнил первую рулежку. Затем последовали новые пробеги уже с отрывом носового колеса, но, несмотря на отсутствие замечаний по машине, дата первого полета все откладывалась. 6 сентября П.О. Сухой направил в МАП заявку на первый полет С-1, но события следующего дня внесли свои коррективы. 7 сентября планировалась очередная рулежка и небольшой подлет, но как только машина оторвалась от полосы, она неожиданно взмыла на 15 метров. Длины полосы для посадки впереди уже явно не хватало. Летчику ничего не оставалось делать, как помочь оказавшейся очень "летучей" машине. Увеличив до максимальных оборотов тягу ТРД, А.Г. Кочетков продолжил полет. Сделав полет по кругу, С-1 совершил посадку. За спасение опытной машины летчику была объявлена благодарность и выдана премия в размере месячного оклада. Настроение Главного не портило даже то, что конкурентам удалось его опередить — их машины встали на крыло в 1954 г. Первым отличился Микоян — его Е-2 под управлением Е.К. Мосолова взлетел 14 февраля, а через две с половиной недели оторвался от заводской полосы истребитель XF-104А Джонсона.

Первый этап заводских испытаний С-1, оснащенного бесфорсажным ТРД АЛ-7, был завершен 23 января 1956 года. К этому времени машина выполнила 11 полетов и налетала четыре часа и пять минут. При этом удалось перейти звуковой барьер в горизонтальном полете и определить основные характеристики устойчивости и управляемости самолета. Тем временем моторостроители подготовили летный экземпляр двигателя АЛ-7Ф с форсажной камерой и регулируемым двухпозиционным соплом. Тяга двигателя на максимале составляла 6850 кг, а на форсаже 8800 кг. После небольшой доработки он был установлен на С-1, и в марте 1956 года начался второй этап испытаний машины. Уже в первых полетах после включения форсажа самолет легко разогнался до скорости М=1,3-1,4. Еще один шаг, и был взят барьер в М=1,7. Теперь испытатели замахнулись на две скорости звука!

В каждом новом полете для уменьшения риска потерять единственную опытную машину скорость увеличивали на 0,1 Маха. 9 июня самолет достиг скорости в 2070 км/ч (М=1,96), но неожиданно начался помпаж воздухозаборника, сопровождавшийся тряской носовой части фюзеляжа, хлопками и "бубнением" в канале воздухозаборника, а также периодическими изменениями тяги двигателя. Махалин, выключив форсаж, сбросил скорость. Помпаж прекратился. Следующий вылет закончился тем же. Стало ясно, что полеты на достижение максимальной скорости придется прекратить до выяснения причин, вызывающих помпаж, и разработки средств его преодоления. Но уже тогда достигнутая скорость превосходила требуемую ТТТ ВВС, что вызвало воодушевление заказчика и руководства МАП, поскольку обещало резкий прирост максимальной скорости по сравнению с самым скоростным на то время советским истребителем МиГ-19… Причиной негативных явлений в воздушном тракте стала неравномерность воздушного потока на входе в двигатель и срывные явления на лопатках сверхзвуковой ступени. Тогда конструкторы изменили форму носового конуса, что позволило Махалину разогнаться до 2,03М (2170 км/ч) и наконец-то взять «второй звук».

Примечание Владимира Зыкова.  Лётчик-испытатель, а позже - космонавт Г.Т. Береговой вспоминает это не совсем так:

Помпаж двигателя, о котором шла речь, - штука серьезная, если не сказать крайне опасная. До поры до времени считалось, что при определенных условиях избежать помпажа практически невозможно. И вот однажды испытывали мы реактивный двигатель конструктора Люльки. И самолет новый, и двигатель на нем новый. Причем двигатель хоть куда - последнее слово авиационной мысли и техники! Одна беда: запас по оборотам у него оказался маловат. Да в придачу и сам прибор, с помощью которого контролировалось это качество двигателя, тоже оставлял желать лучшего.

Цена деления, соответствовавшая пятидесяти оборотам, занимала на его циферблате всего три миллиметра, из которых больше половины приходилось на толщину стрелки. Вот и попробуй уследи: есть у тебя запас по оборотам или это тебе только кажется. Морока, да и только.

 Мучились мы долго. Возможность помпажа повисла у нас над головой как дамоклов меч. Связь между помпажем и запасом по оборотам хотя и косвенная, но нерасторжимая. Турбореактивный двигатель способен устойчиво работать только в том случае, если выдерживается необходимый диапазон оборотов. Если, конечно, на нем нет специальной регулировки компрессора. На нашем двигателе такой регулировки не было. Поэтому при отклонении числа оборотов в ту или иную сторону от рабочего диапазона возникали ножницы: количество воздуха, проходящего через компрессор, не соответствовало количеству воздуха, поступающего в двигатель через воздухозаборник. Лопатки турбины в этом случае начинают вибрировать, а пилот чувствует себя так, будто уселся на лафет скорострельной пушки - не то что зуб на зуб не попадает - каждый позвонок в позвоночнике на слух можно пересчитать. Это и есть помпаж. Точнее, его упреждающее начало. Дальше - хуже. От нарастающих резких, ударных колебаний воздуха может оборвать лопатки компрессора, а там уже рукой подать до пожара двигателя.

 Чтобы этого не случилось, и существует запас двигателя по оборотам. Когда он достаточно велик, летчику волноваться нечего.

Иное дело, если его чуть-чуть - тут уж держи ухо востро! И мы в конце концов выдвинули четкое требование: увеличить запас двигателя по оборотам. Тогда, дескать, пилоту о секторе газа постоянно думать не придется, а то не работа получается - одна нервотрепка.

 Главный конструктор Люлька с нашими доводами согласился.

 - Движок должен машину тянуть, а не душу из летчика! - выслушав одного из нас, провозгласил он своим раскатистым, с легким хохлацким акцентом басом. Уговорили, черти! Будем увеличивать! За чем дило стало?..

 "Дило", как выяснилось, стало за пятью месяцами напряженной работы. Зато двигатель вернулся к нам с необходимым запасом оборотов. А заодно возникла идея создать автоматику регулировки подачи воздуха. Стали набирать статистику. Один полетал, другой, третий... Выявили закономерность. За дело вновь принялись конструкторы. В результате появилась та самая ЭСУВ - электросистема управления воздухозаборника, которая раз и навсегда сняла все проблемы. Так из борьбы с чепуховой стрелкой на циферблате прибора завязалась большая и серьезная работа, которая в конечном счете освободила летчиков от помпажа.

И если конус на МиГ-21 имеет три фиксированных положения, регулируя поступление воздуха в двигатель, то на АЛ-7Ф конус всережимный, движется плавно...

Самолет С-1 в период испытаний на максимальную скорость

Продолжение следует…

Использованная литература:
Адлер Е.Г. Земля и небо. Записки авиаконструктора.
Марковский В.Ю., Приходченко И.В. Первый сверхзвуковой истребитель-бомбардировщик Су-7Б. "Выйти из тени!"
Авиация и время // 2011. №5. «Самолет эпохи реактивного классицизма».
АвиО. Антология Су-7.
Крылья Родины // Адлер Е.Г. Как зарождался Су-7.
Цихош Э. Сверхзвуковые самолеты.
Крылья Родины // Агеев В. На пороге "второго звука".
Астахов Р. Фронтовой истребитель Су-7.
История конструкций самолетов в СССР 1951-1965 гг. Автор Эдуард Решетников