Как F-35 вписывается в общие принципы авиации
13 сентября 1931 года, Кэлшот Спит, Великобритания. Солнце в холодной воде, фонтаны брызг и рёв авиационных моторов! Взгляды тысяч зевак устремлены на крошечные точки, мчащиеся с ужасающей быстротой над зеркальной гладью залива. Впереди фавориты воздушной гонки — "Супермарины" модели S.6B. Синий и серебристый. За ними мчатся итальянские "Макки" М.67. Кому же достанется главный приз?
Кубок Шнайдера достался британцам. Летающая лодка Supermarine S.6B прошла маршрут со скоростью 547 км/ч. Спустя 17 дней гидроплан установил абсолютный мировой рекорд, разогнавшись до 655 км/ч! За это достижение авиаконструктор Рэджинальд Митчелл (будущий создатель "Спитфайра") был удостоен ордена Британской империи.
Рекорд продержался недолго: уязвленные поражением, итальянцы спешно доработали свой "Макки". 23 октября 1934 года летчик Аджелло преодолел планку в 700 км/ч. Его рекорд (709,2 км/ч) продержался до 1939-го года.
Сейчас, по прошествии 80 лет, кажется невероятным, как эти расчалочные монопланы с поршневыми моторами развивали столь громадные скорости. Но еще более удивителен тот факт, что все рекорды скорости тех лет принадлежали гидросамолетам с большими нелепыми поплавками, летавшими на уровне моря. В то время как лучшие "сухопутные" истребители, летавшие в разряженных слоях атмосферы, не могли преодолеть планку в 500 км/ч.
Маcchi M.67
Секретами успеха гидропланов были: а) высокая удельная нагрузка на крыло; б) высокая мощность двигателя. Если с моторами все понятно, то первый пункт требует дополнительных пояснений.
Не секрет, что самолет летает, опираясь крыльями на воздух. Необходимое условие для создания подъемной силы крыла — разница между направлением набегающего потока воздуха и хордой крыла. Эта разница есть угол атаки: угол между хордой крыла и проекцией скорости ЛА в связанной системе координат. В горизонтальном пролете самолет в буквальном смысле "наваливается" крылом на воздух, за счет чего на нижней поверхности крыла образуется область повышенного давления, "воздушная подушка", что и позволяет самолету держаться в воздухе.
Значение подъемной силы зависит от площади крыла, его профиля, угла установки по отношению к воздушному потоку, а также плотности воздушной среды и скорости ЛА. На высоких скоростях самолету уже не требуется крыло большой площади. Наоборот, оно создает излишнее лобовое сопротивление, препятствуя скоростному полету. Взгляните на маленькие крылышки крылатых ракет, чтобы понять, насколько все серьезно. Увы, в отличие от КР, самолет должен уметь совершать мягкую посадку. И тут начинаются проблемы.
Чем меньше крыло, тем больше килограммов массы ЛА приходится на каждый квадратный метр его поверхности. При уменьшении скорости в какой-то момент значение подъемной силы становится меньше нагрузки на крыло. Потеря устойчивости, сваливание, катастрофа. В нормальных условиях самолет должен снижаться плавно, до самого касания сохраняя достаточный запас подъемной силы. Чем больше крыло, тем мягче и безопаснее посадка. Посадочная скорость не может быть слишком высока — в противном случае от удара при касании подломятся стойки шасси.
Авиаконструкторы 1930-х годов быстро смекнули, что крыло наименьшей площади (и как следствие — высокие максимальные и посадочные скорости) лучше всего реализуются в конструкции гидросамолета. Фактически гидроплан имеет взлетно-посадочную полосу неограниченной длины, а сам процесс посадки может быть совершен на недопустимо высокой скорости.
В результате "Супермарин"S.6B и "Макки" M.67 имели очень маленькое крыло (13,3 — 13,4 кв. м). При взлетной массе свыше двух тонн! И даже огромные уродливые поплавки не могли нивелировать скоростные качества гидропланов, достигнутые за счет крыла малой площади…
Замечательный пример, показывающий насколько обманчивой бывает внешность и какие возможности могут быть достигнуты за счет знания аэродинамики.
Ликующая набережная Портсмута скрывается в тумане времени, а мы переносимся на 80 лет вперед, в ангар авиабазы Эглин (Eglin Air Force Base). Где в тусклом свете ламп распластала крылья серая тень — малозаметный истребитель-бомбардировщик F-35 "Лайтнинг II". Самый обсуждаемый на сегодня тип боевого самолета, со своей скандальной историей и огромным количеством посвященных ему материалов. Как восторженного, так и откровенно нелестного характера.
Провести полную оценку возможностей F-35 в рамках данной статьи не представляется возможным. Отметим вскользь основные моменты: заметность "Лайтнига" в силу объективных причин должна быть ниже, чем у любого его аналога, за исключением F-22. Бортовой прицельно-навигационный комплекс также вне конкуренции — чего стоит одна РЛС (http://topwar.ru/63227-nobelevskaya-premiya-za-radar-dlya-f-35.html). В настоящий момент основная дискуссия сосредоточена вокруг летно-технических характеристик нового самолета. Понятно, что на большой дистанции "Молния-2" представляет смертельную угрозу для любого противника. Но каковы её качества в ближнем бою? На первый взгляд, ничего выдающегося: один, пусть и очень тяговитый двигатель. Высокая удельная нагрузка на крыло (об этом чуть ниже). Кто-то твердит о неэффективности аэродинамической схемы F-35, обезображенной элементами технологии "стелс". Однако, в отличие от обычных истребителей, F-35 не приходится носить вооружение и прицельные станции на внешних узлах подвески — у него пара внутренних бомбоотсеков. Немалый аргумент в споре об аэродинамике новой машины.
Суждения о плохой аэродинамике F-35 затрагивают еще один интересный момент. Новый американский самолет полностью негоден ввиду неустранимого недостатка: очень широкого миделя, создающего "просто невыносимое сопротивление при полете на высоких скоростях".
Уважаемый читатель уже уловил аналогию между "Супермарин" S.6B и современным F-35. Законы аэродинамики неизменны. Как и 80 лет назад, основное сопротивление ЛА в горизонтальном полете создаёт не фюзеляж, а его крыло. Десятки квадратных метров поверхности (у мод. F-35A и 35B площадь крыла составляет 42,7 кв. м), с учетом синуса угла атаки, непрерывно "наваливающиеся" на воздух!
Поэтому все разговоры о "слишком большой площади лобовой проекции" у F-35 носят ненаучный характер. Даже в горизонтальном полете, без совершения маневров, именно крыло является основным фактором индуктивного (лобового) сопротивления. Понятно, как возрастает сопротивление при наборе высоты, когда угол установки крыла принимает значение в десятки градусов. Или на закритических углах атаки (для F-35 это значение превышает 50 градусов).
На этом месте мы вновь сделаем небольшую ремарку, посвященную базовым принципам авиации.
Крыло ответственно не только за подъемную силу и лобовое сопротивление, но и является основным органом управления самолетом. Вопреки распространенному убеждению, ЛА меняет направление полета отнюдь не за счет вертикального руля на киле. Руль — лишь вспомогательный инструмент (в то время, как сам киль обеспечивает стабилизацию в полете). Поворот осуществляется креном в ту сторону, куда следует направить самолет. В результате на "опущенной" плоскости крыла значение подъемной силы уменьшается, на верхней — возрастает. Появившийся момент сил (а он немал!) разворачивает самолет. Поэтому важность имеет параметр "удельная нагрузка на крыло": чем меньше килограммов массы приходится на каждый кв. метр крыла, тем активнее маневрирует самолет.
Площадь крыла основных модификаций F-35 составляет 42,7 кв. м (у палубной версии — 58,3 кв. м), при этом макс. взлетная масса может достигать 30 тонн! Согласно официальным источникам, удельная нагрузка на крыло у F-35A при взлетной массе 24 тонны составляет 569 кг/кв. м. Для сравнения: норм. взлетная масса Су-35 составляет 25 тонн (уд. нагрузка на крыло 410 кг/кв. м).
Очевидно, что ни одна из приведенных цифр не имеет большого смысла. Значение удельной нагрузки целиком и полностью определяется конкретной конфигурацией самолета (боекомплект/запас топлива). В воздушный бой вступают с ограниченным запасом топлива (менее 50% от полной емкости баков) при наличии нескольких, относительно легких, УР "воздух-воздух" (официальная "боевая масса" F-35 около 20 тонн). В ударных миссиях машины заправлены "по самую горловину" и увешаны гроздьями бомб. Легко представить, какова будет в данном случае "удельная нагрузка на крыло". Впрочем, маневренность в данном случае перестает иметь важное значение. Бомбардировщику несподручно вступать в ближний воздушный бой.
Стоит заметить, что масса пустого F-35A составляет около 13 тонн. Отечественная "Сушка" заметно крупнее — 19 тонн. Сколько будут весить обе машины при выполнении конкретного задания? Вариантов ответов чрезвычайно много. И все они будет верными!
Что ж, теперь, когда расставлены все точки над "i", стоит обратить внимание на несколько любопытных схем. Сравнение лобовых проекций F-35 с его ближайшими аналогами — истребителями-бомбардировщиками легкой весовой категории.
Малышу Ф-16 вечно не хватает топлива: приходится носить на спине безобразный "горб" из конформных топливных баков. Однако, несмотря на курьезную внешность, сомнений его в боевой эффективности не возникает
МиГ-29. С огромными корневыми наплывами крыла, где расположены "жабры" дополнительных воздухозаборников. Огромный "клюв" носовой части, гондолы двигателей и вооружение на внешней подвеске. Но внешний вид обманчив! МиГ — один из лидеров по маневренности среди боевой авиации конца ХХ века
"Молния" — один из самых маленьких истребителей нашего времени. Размахом его крыла — чуть более 10 метров, общая длина 15,5 м
Информация