Мясищев М-53. Сверхзвуковой пассажирский
Бурное развитие мировой экономики в 50-е годы прошлого века требовало расширения и упорядочивания связей между удаленными регионами. С 1958 года открываются регулярные пассажирские трансатлантические рейсы реактивных дальнемагистральных лайнеров «Боинг-707» между США и Европой.
Первенцы реактивной гражданской авиации имели крейсерскую скорость полета около 800 км/ч. Устойчивая тенденция роста скорости воздушного транспорта делала неизбежным переход на сверхзвуковые скорости. Учитывая это и опираясь на опыт создания сверхзвуковых стратегических бомбардировщиков М-50 и М-52, в ОКБ-23 впервые в СССР в 1958 году приступили к проектным изысканиям по сверхзвуковому пассажирскому самолету (СПС).
Веской причиной этой инициативы явилось, по всей вероятности, осознание В.М. Мясищевым того факта, что сверхзвуковые М-50, М-52 и М-56 останутся в разряде опытных, хотя первый из них успешно проходил летные испытания. Безразличное и даже предвзятое отношение военно-политического руководства к разработкам ОКБ-23 чувствовалось и во время визита партийно-правительственной делегации, возглавляемой Н.С. Хрущевым, на предприятие в августе 1958 года и при работе макетной комиссии по М-52 в мае-июне 1959 года.
Разработка СПС была попыткой использовать уникальный опыт разработки дальних сверхзвуковых самолетов в новой для ОКБ сфере гражданской авиации. Проект СПС получил шифр "55". В 1958 году рассмотрели четыре варианта самолета, отличающиеся размерностью и аэродинамической схемой. Среди них три варианта, выполненные по схеме "утка".
Первый из них "55А", с треугольным крылом и двумя ТРД М16-17П, рассчитывался на перевозку до 60 пассажиров на расстояние до 2500 км. Проект самолета "55Б", с крылом тройной стреловидности и четырьмя ТРД М16-17П, вмещал до 110 пассажиров и имел дальность до 6000 км. Вариант «55В», с треугольным крылом и шестью ТРД ВК-15М, мог бы перевозить до 120 пассажиров на расстояние 6500 км. Проект «55Д» имел классическую схему, напоминавшую М-50А с треугольным крылом и четырьмя ТРД М16-17П. Он вмещал до 110 пассажиров, а дальность полёта достигала 5500 км.
Расчетная крейсерская скорость полета вариантов "А", "Б" и "Д" составляла 2000 км/ч, варианта "В" — 2600 км/ч. В 1959 году работа по СПС продолжалась. На первом этапе предполагалась разработка пассажирской модификации бомбардировщика М-50А, на втором — нового лайнера со скоростью, соответствующей числу М=3. Проект первого получил шифр "53", второго — "59". В дальнейшем использовался только шифр "53", так как шифр "59" получила сверхзвуковая стратегическая система с турборакетными двигателями.
Ведущим конструктором по теме назначили В.Г. Григорьева, а по проекту "53" — В.М. Максимова. Руководство ГВФ поддержало эту инициативу и выдало предварительные требования к СПС. В конце 1959 года вышло соответствующее постановление Совмина СССР. Тогда же по предложению ГВФ к рассмотрению приняли проект пассажирского самолета М-29 на базе бомбардировщика ЗМ, работы по которому прекратились в 1955 году.
Главное внимание уделяли выбору и обоснованию характеристик и схемы СПС. При выборе облика СПС в ОКБ руководствовались следующими соображениями.
Выбранная компоновка должна была обеспечить в первую очередь максимально высокое аэродинамическое качество на крейсерском режиме полета и наибольшую весовую отдачу по топливу. Кроме того, требовалось "смягчить" скачкообразное смещение аэродинамического фокуса при переходе через звуковой барьер. При выборе схемы СПС требовалось обеспечить максимальные удобства пассажирам, низкий уровень шума в салоне, противопожарную безопасность самолета при аварийных посадках и приемлемые взлетно-посадочные характеристики.
Были рассмотрены четыре возможные компоновки СПС одной размерности: М-53А — нормальная схема с треугольным крылом и хвостовым оперением с двигателями, установленными на пилонах под крылом (по типу М-50А); М-53Б — по схеме "утка" с двигателями на пилонах под крылом; М-53В — по схеме "утка" с несущими крыльевыми мотогондолами и М-53Г — "утка" с пакетным расположением двигателей в хвостовой части фюзеляжа.
Классическая схема самолета имела определенные преимущества, главным из которых — ее освоенность, что позволяло создать СПС в кратчайшие сроки, но ее аэродинамическое качество на сверхзвуке низкое. Кроме того, при переходе на сверхзвуковые режимы полета резко смещался аэродинамический фокус. Из-за этого для обеспечения центровки самолета требовалось размещать часть топлива в передних отсеках фюзеляжа и применять систему его перекачки в полете в хвостовую часть фюзеляжа.
Это требовало применения автоматов центровки и продольной устойчивости, что усложняло самолет и понижало степень его безопасности. Кроме того, из-за низкого аэродинамического качества и малой весовой отдачи по топливу классическая схема не обеспечивала требуемой дальности полета.
Отмеченные недостатки в значительной мере устранялись при выборе аэродинамической схемы "утка" с крылом переменной стреловидности и "плавающим" передним оперением. У самолетов этой схемы смещение аэродинамического фокуса при переходе на сверхзвуковые режимы полета сводились к минимуму, что позволяло обойтись без перекачки топлива.
К тому же большие корневые хорды крыла позволяли увеличить строительную высоту и снизить его массу, что, в совокупности с другими техническими решениями, снижало нагрузки и повышало весовую отдачу самолета по топливу. Эти основные преимущества "утки" имели решающий характер, несмотря на худшую аэродинамику на дозвуковой скорости и снижение взлетно-посадочных характеристик. Что касается сравнения трех рассмотренных вариантов схемы "утка" между собой, то они сводились к следующему: установка двигателей на пилонах снижает аэродинамическое качество на крейсерском режиме полета; установка двигателей в несущих мотогондолах "пакетом" в общей гондоле дает значения качества, более высокие, чем в предыдущей компоновке.
Проведенные исследования показали, что наиболее приемлемым является пакетное расположение двигателей. Это снижало уровень шума в салоне, облегчало парирование моментов крена и скольжения при отказе в полете части двигателей. Однако ввиду новизны этой схемы требовалось ее более глубокое исследование. Необходимо отметить, что в основу схемного решения М-53 положили результаты исследований облика бомбардировщика-разведчика М-56Р.
Двигатели для СПС, в частности, должны были оборудованы устройствами реверса тяги, шумоглушения и иметь ресурс не менее 1000 часов при минимальном соотношении веса и взлетной тяги. Этим требованиям в известной степени удовлетворяли бесфорсажные ТРД. Готовых двигателей, как всегда, не было. К рассмотрению приняли серийный ВД-7К, РД16-17 (главный конструктор П.Ф. Зубец), создававшийся для М-52 и М-56, и проект ТРД ВК-15 ОКБ-11 7 В.Я. Климова, планируемый также для использования в силовой установке бомбардировщика-разведчика M-56Р.
Большое внимание уделили выбору и обоснованию крейсерской скорости. СПС не должен выполнять весь полет на сверхзвуковой скорости, так как создаваемые на небольшой высоте ударные волны вызывают на поверхности земли резкие импульсы увеличения давления, приводящие к разрушению или повреждению зданий и сооружений. Поэтому полеты со сверхзвуковой скоростью планировались на высотах свыше 10000 м.
Таким образом, часть проходимого самолетом пути должна затрачиваться на набор высоты, на разгон до сверхзвуковой скорости и на торможение перед снижением. Чем меньше дальность, тем большая доля пути приходилась на дозвуковые этапы полета и тем меньше сказывалось преимущество большой скорости крейсерского полета.
Исходя из этого, сделали вывод, что для СПС с дальностью 4500 км крейсерская скорость не должна превышать число М=2, а для дальности 6500 км — более чем втрое превосходить звуковую. При заданных рейсовой дальности и коммерческой нагрузке крейсерскую скорость выбирали из условия наименьшей стоимости перевозок. При дальности 4500 км наивыгоднейшей являлась скорость, соответствующая числу М=1,9-2,1. Помимо этого, на выбор скорости существенно влияла работоспособность конструкционных материалов при интенсивном аэродинамическом нагреве и изменение характеристик двигателей в зависимости от числа «М».
На первом этапе создания СПС решили максимально использовать опыт постройки дозвуковых самолетов, применив бесфорсажные ТРД и типовые конструкции из алюминиевых сплавов Д-16 и В-95, прочностные характеристики которых сохраняются до температур, имеющих место при полете со скоростью, соответствующей числам М=2-2,2. В противном случае пришлось бы применить жаропрочные стали и титановые сплавы, конструкции из которых еще не прорабатывались.
В результате сделали вывод, что оптимальная скорость крейсерского полета самолета с дальностью 4500 км должна соответствовать числам М=1,8-2. В итоге достигался значительный экономический эффект в результате уменьшения стоимости парка самолетов при заданном объеме воздушных перевозок, сокращались время пребывания пассажиров в пути и летный и обслуживающий персонал.
Себестоимость перевозки тонны груза на километр пути в ценах 1960 года для самолета нормальной схемы не превышала 2,2 руб., для "утки" с двигателями на пилонах — 2,16 руб., а с несущими мотогондолами или пакетным расположением двигателей — 2,14 руб.
В результате проработки возможного облика перспективного СПС пришли к выводу, что выполнение требований ГВФ (особенно по дальности) возможно только при аэродинамическом качестве не ниже 6, весовой отдачи по топливу — 48-55% и создания двигателя с высокими удельными характеристиками.
Высокое аэродинамическое качество достигалось только при применении принципиально новых аэродинамических схем и компоновки двигателей. В частности, схемы "утка" с плавающим оперением, крылом переменной стреловидности и пакетным расположением двигателей под крылом или в виде несущих мотогондол.
Ни один из построенных и разрабатывавшихся в то время двигателей не удовлетворял предъявлявшимся к нему требованиям. На основании компоновочных, конструктивных и макетных проработок совместно с ГВФ уточнили проект требований к СПС.
Построили два частичных макета самолета с отсеками пассажирского салона диаметром 3,2 м и длиной 9 м, буфета-кухни диаметром 3,2 м и длиной 2,5 м.
Макеты предназначались для определения минимального диаметра фюзеляжа при размещении в ряду шести пассажирских кресел, определения оптимальных размеров пассажирского кресла и бытовых помещений, рационального размещения оборудования буфета и кухни из расчета на 120 пассажиров, выбора освещения, вентиляции и внешнего оформления салона.
Во исполнение майского 1960 года постановления правительства в августе представили в ГКАТ аванпроект 100-130 местного СПС "М-53" с крейсерской скоростью 1800-2000 км/ч и дальностью до 6500 км. Через два месяца ОКБ-23 прекратило свое существование, а еще через три года ОКБ-51 А.Н. Туполева приступило к проектированию СПС Ту-144. Необходимо отметить, что большинство построенных вскоре дальних сверхзвуковых военных или гражданских самолетов использовали схему с крылом переменной стреловидности, управляемым ПГО и "пакетным" размещением двигателей. Только Ту-144 имел схему "бесхвостка", но на серийных образцах появилось выдвижное на взлете-посадке переднее горизонтальное оперение.
Специалисты ОКБ-23 впервые в СССР столкнулись с трудностями, сопутствующими сверхзвуковому длительному полету, и смогли дать рекомендации по их преодолению. Кроме того, размерность СПС и его основные летно-технические характеристики, спрогнозированные в ОКБ-23, были реализованы в упомянутых машинах, что делает честь проектантам ОКБ-23 как первопроходцам сверхзвуковой дальней авиации.
Источники:
Лавров В., Якубович Н. Самолеты В.М. Мясищева. М.: Русавиа, 1999. С. 144, 149.
Артемьев А. Крылья сверхдержавы. М.: Яуза, ЭКСМО, 2009. С. 222-225.
Ильин В., Левин М. Бомбардировщики. Т.2. М.: Виктория, АСТ, 1996. С. 24-26.
Совенко А. М-50: избавление от иллюзий // Авиация и время. 2005. №1. С. 13, 16.
Брук А. Смирнов С. Сверхзвуковой пассажирский самолет // Крылья Родины. 2002. №7. С. 6-7.
Смирнов К. История утраченной победы // Газета «Авиаград Жуковский». 2014. 21 октября.
Информация