Создатель первых прямоточных
Игорь Алексеевич Меркулов принадлежит к замечательной плеяде энтузиастов, которые под руководством С.П. Королева были зачинателями ракетной техники. Люди постарше помнят его по выступлениям на Всесоюзных конкурсах «Космос», где он рассказывал о мечтах К.Э. Циолковского и Ф.А. Цандера, пропитанных романтикой межпланетных полетов, о работе коллектива ГИРДа. Игорь Алексеевич и сам внес заметный вклад в авиационную и ракетно-космическую технику: в частности он был конструктором первой в мире ракеты с воздушно-реактивным двигателем (она же стала и первой советской двухступенчатой ракетой), и первых в мире авиационных прямоточных двигателей.
Меркулов целеустремленно шел к своей цели почти пять лет. После окончания техникума, работая в ЦАГИ конструктором, узнает, что создана Группа изучения реактивного движения - ГИРД. Пишет письмо в ЦС Осоавиахим: «Интересуюсь звездоплаванием. Прошу принять в ГИРД». Меркулова принимают, и он становится слушателем специальных инженерно-конструкторских курсов. А вскоре Игоря Алексеевича назначают руководителем секции научно-технической литературы и по заданию начальника ГИРДа - двадцатипятилетнего С.П. Королева - Меркулов организует издание сборников «Реактивное движение».
В годы учебы на спецкурсах Меркулов приходит к мысли, что интересней всего заниматься воздушно-реактивными двигателями и устраивается на опытный завод ГИРДа в бригаду Победоносцева. Здесь он участвует в первых в мире экспериментальных исследованиях моделей прямоточных двигателей. Победоносцев размещал их в корпусе трехдюймовых артиллерийских снарядов, которые выстреливались из полевой пушки.
Когда эта работа стала сворачиваться, Меркулов уволился. Уверенный в перспективах, которые открывали для авиации и ракетной техники прямоточные воздушно-реактивные двигатели (ПВРД), Игорь Алексеевич продолжает над ними работать на общественных началах.
Когда ГИРД из общественной организации при Осоавиахиме переходит в состав Реактивного научно-исследовательского института, при Военно-научном комитете организуется Ракетная группа (чтобы не потерять общественный актив ГИРДа). Ее руководителем назначают двадцатилетнего Игоря Меркулова. После создания Стратосферного комитета эта группа станет именоваться Реактивной секцией. Организуя ее работу, он тут же налаживает переписку с К.Э. Циолковским, продолжавшуюся около полутора лет до самых последних дней жизни ученого. Как память об основоположнике космонавтики останутся двенадцать писем. Именно в третьей бригаде Реактивной секции, которую также возглавил Меркулов, он занялся теоретическими исследованиями ПВРД.
История знает немало примеров, когда новые теории при экспериментальной проверке оказывались несостоятельными. В те годы все опасались, что это может случиться и с теорией прямоточных воздушно-реактивных двигателей. Уже появились научные работы, в которых доказывалось, что максимальное сечение камеры сгорания, следовательно, и самого двигателя, должно возрасти в сорок и даже в девяносто раз по сравнению с входным сечением двигателя. В итоге получался не компактный двигатель, а чуть ли не дирижабль. Словом, тупик.
Заслуга Меркулова была в том, что мнение авторитетов не смутили его. Он пришел к убеждению, что сначала задачу надо решить в принципе. Методом математического анализа он владел и раньше, мехмат университета, на котором он одновременно учился, дал более серьезные знания.
Работа была трудоемкая: три года поисков, непрестанных расчетов. Как ни посчитает - тяга мала. Увеличит ее - катастрофически увеличиваются размеры двигателя. Наконец теоретические поиски увенчались успехом. Меркулов приходит к выводу, что если допустить потерю незначительной части КПД термодинамического цикла, то можно выиграть на размерах поперечного сечения камеры.
Так как в те годы к реактивным двигателям относились как к опасным силовым установкам, конструктор решает, что проще и безопаснее испытывать его на ракете. Она летает без человека, поэтому риск меньше. Сначала это был проект одноступенчатой ракеты с комбинированным двигателем, потом двухступенчатой с разными типами двигателей - твердотопливным и прямоточным. Создать такую ракету оказалось проще. После хлопот, хождения по инстанциям, а также благодаря поддержке ученых, в частности профессора В.П. Ветчинкина, Меркулову на заводе «Авиахим» удается построить такую ракету, а затем на аэродроме Осоавиахима неподалеку от станции Планерная впервые в истории ракетной техники 19 мая 1939 года провести испытания. Он становится обладателем сразу двух приоритетов - мирового и отечественного. Только после этого Меркулов приступил к созданию авиационного прямоточного двигателя.
В июле 1939 года в Наркомате авиационной промышленности состоялось заседание Технического совета. На нем был заслушан доклад Меркулова о результатах экспериментов с ПВРД на ракетах и планах дальнейших работ по их исследованию, усовершенствованию конструкции и использованию в авиации. Игорь Алексеевич выдвинул идею применять ПВРД в качестве дополнительных двигателей, смонтированных под крыльями истребителей, увеличив тем самым их максимальную скорость. Эти двигатели должны были бы включаться в работу при необходимости догнать противника или для набора большой высоты.
На том заседании присутствовали ведущие специалисты авиационной и оборонной промышленности. Многие из них знали и одобряли эксперименты Меркулова. Техническое управление Наркомата авиационной промышленности тоже относилось к ним положительно. Но нашлись и недоброжелатели. Игорь Алексеевич вспоминал, что работа, которой он решил посвятить жизнь, была бы «на корню» загублена, если бы не директор завода «Авиахим» П.А. Воронин. На свой страх и риск он дал возможность продолжать эти разработки.
В короткий срок в августе 1939 года были разработаны и изготовлены для стендовых испытаний первые авиационные воздушно-реактивные двигатели. Их назвали дополнительными моторами - ДМ-1. Меркулов понимал, раз он создает двигатель, не имевший аналогов в мировой практике, следует провести его всесторонние испытания. Но где испытывать двигатель, из которого вылетает мощная огненная струя? Как создать скоростной напор воздуха, без которого двигатель не может работать?
Напрашивалась мысль - испытывать в аэродинамической трубе. Но в то время они были деревянными, так как не предполагали работу в них с открытым огнем. Меркулов решил для испытаний двигателя использовать инжектор. Схожую идею в свое время он предлагал еще Ю.А. Победоносцеву. Заключалась она в том, чтобы для инжектирования воздуха в прямоточные двигатели применять жидкостный ракетный двигатель. Но Победоносцев охладил его, так как надежно работающих ракетных двигателей тогда еще не было. И вот сейчас, несколько лет спустя, Меркулов вновь вспомнил об идее инжектирования. На этот раз воздушный поток он предложил создавать с помощью сжатого воздуха из баллона. Сделать такую установку было намного легче и быстрее. Двигатель был небольшой - длиной полтора метра, диаметром двести сорок миллиметров.
Самым сложным, оказалось, добиться устойчивого горения и наиболее полного сгорания бензина. Над этим бились больше месяца. Зато конструкция охлаждения камеры сгорания удалась сразу. Меркулов применил систему охлаждения с помощью топлива, поступающего в двигатель. Хоть и была здесь отдаленная аналогия с жидкостными ракетными двигателями, в авиации это было новшеством. А предложенную конструкцию выполнил довольно изобретательно.
Испытания ДМ-1 прошли успешно. В сентябре, то есть через два месяца после памятного заседания в Наркомате авиационной промышленности, на котором скептики предрекали невозможность создания долго работающего ПВРД, ДМ-1 на стенде в Планерной без прогаров работал по полчаса (именно на это время хватало запаса сжатого воздуха для инжектирования).
Вскоре был создан ДМ-2 (диаметром 400 мм, массой 12 кг), предназначавшийся для установки на самолет и проведения летных испытаний. Но прежде нужно было провести всесторонние наземные испытания.
Без аэродинамической трубы на этот раз было не обойтись. Требовалось убедиться в надежности и безопасности работы двигателя. А для этого был необходим полный его обдув, проверка работы в воздушном потоке. Но о том, чтобы исследователей пустили в какую-нибудь аэродинамическую лабораторию (а их в Москве было всего три) нечего было и думать. Тогда даже крупные авиационные КБ не имели своих аэродинамических труб.
Решили построить такую трубу на своем заводе. Руководство поддержало инженеров. Меркулов спроектировал ее вместе со своим другом Александром Масловым. Это была стальная, довольно внушительных размеров труба. Диаметры входных и выходных сечений диффузора и сопла составляли три метра, диаметр рабочей части - один метр, при длине два с половиной метра. Общая длина трубы равнялась 12,5 метра.
Спустя месяц после окончания испытаний первого двигателя более мощный ДМ-2 в аэродинамической трубе «продержался» уже два часа. Его стабильная работа позволила провести официальные испытания. Они состоялись 22 октября. Только после такой тщательной проверки Меркулов решает, что можно установить двигатели на самолете. Директор Воронин выделил Меркулову для испытаний прямоточных двигателей истребитель И-15бис.
В начале декабря приступили к летным испытаниям. Накануне первого вылета Воронин направил заместителя главного инженера Ю.Н. Карпова проконсультироваться у А.А. Микулина - одного из лидеров советского авиадвигателестроения. Микулин сказал: «Самолет у вас взорвется и сгорит. Вы будете счастливы, если летчик спустится на несгоревшем парашюте». После этого Воронин вызвал заводского летчика-испытателя П.Е. Логинова и ознакомил его с мнением известного моторостроителя. Логинов имел право отказаться, и его никто не осудил бы за это. «Я верю в эти моторы и готов лететь», - сказал он.
Первый полет оказался неудачным. Двигатели не запустились. Поток воздуха в полете был в три раза сильнее, чем рассчитывали, и пламя сдувало. Кроме того, стояла лютая зима. Отработать зажигание в морозном потоке воздуха - было очень трудно. Меркулов совершенствует зажигание. Новые испытания, доработки.
Успех пришел 13 декабря 1939 года. С этого дня двигатели работали устойчиво. А 25 января 1940 года прошли официальные летные испытания. Собралась солидная комиссия: представители Наркомата авиационной промышленности во главе с заместителем наркома П.А. Ворониным, все руководство завода вместе с директором П.В. Дементьевым (будущим министром авиационной промышленности СССР), представители парткома, завкома.
Логинов на истребителе И-15бис сделал несколько кругов над аэродромом. Неоднократно запускал и выключал прямоточные двигатели, увеличивая и уменьшая их тягу. Члены комиссии со смешанным чувством любопытства и опасения наблюдали, как с увеличением тяги из реактивных двигателей вырывались тугие огненные струи. На максимальной тяге они даже превышали длину фюзеляжа. Самолет же, как ни в чем не бывало, совершал виражи, и летчик, судя по всему, спокойно управлял им.
В акте комиссии, составленном в подтверждение этого знаменательного события, говорилось: «работами завода «Авиахим» создан авиационный воздушно-ракетный двигатель, устойчиво работающий на самолете и увеличивающий скорость полета. Безопасность эксплуатации, огнепрочность и долговечность двигателя проверены продолжительными испытаниями».
Только по прошествии двух с половиной лет, первые зарубежные прямоточные двигатели были испытаны в Германии профессором Е. Зенгером на самолете «Дорнье». Так, благодаря работам Меркулова, наша страна завоевала приоритет в развитии прямоточных реактивных двигателей.
В 1940 году Меркулов создает более мощный ПВРД ДМ-4 диаметром пятьсот миллиметров. Истребитель И-153 «Чайка» с этими дополнительными моторами летал быстрее в среднем на сорок километров в час.
Успешные летные испытания воздушно-реактивных двигателей привлекли внимание к ним авиационных разработчиков. В трех конструкторских коллективах Л.П. Курбалы - А.А. Боровкова, И.Ф. Флорова и А.Я. Щербакова приступили к проектированию поршневых самолетов, в которых предусматривались одновременно и установка ПВРД. Они замышлялись не как подвесные, а вписывались в конструкцию, составляя неотъемлемую часть крыла или фюзеляжа. Для этих самолетов Меркулов делает расчеты прямоточных двигателей.
В это время Щербаков (начальник отдела специальных конструкций завода «Авиахим»), который успешно провел работы по высотной буксировке планеров в стратосфере с помощью так называемого «аэропоезда», а также создал первые в стране герметические кабины, предложил Меркулову объединиться и добиваться получения завода. Щербаков планировал заняться высотно-скоростными истребителями с герметичными кабинами, Меркулов - прямоточными двигателями для них.
В марте 1941 года руководство страны одобрило решение о создании такого завода. Щербакова назначили главным конструктором, Меркулова - его заместителем. Но завод так и не развернули - грянула война. Меркулов получает задание создать прямоточные двигатели для истребителя А.С. Яковлева - Як-7. Он назначается руководителем небольшого СКБ.
Работать приходилось в трудных условиях. Эвакуация. Новосибирск, потом Ташкент. Всюду неустроенность. С весны 1942 года, когда немцы были отброшены, вернулся в Москву. Производственной базы не было. Промышленность переключилась на обеспечение нужд фронта. Испытания и доводка нового ПВРД ДМ-4с диаметром пятьсот миллиметров продвигались медленно.
Наконец Як-7 был оборудован дополнительными моторами. Меркулов намеревался провести широкомасштабные исследования. В одном из полетов с прямоточными двигателями было получено увеличение скорости - более пятидесяти километров в час. Руководство летно-испытательной станции для более точных измерений решило оттарировать указатель скорости самолета. Но при полете на мерной базе (без прямоточных двигателей) в истребителе возникает неисправность, и летчик-испытатель С.Н. Анохин был вынужден посадить его «на брюхо» на перепаханное картофельное поле. В результате машина оказалась разбита, а многотрудная работа группы двигателистов уничтожена.
Новый истребитель Меркулову не выделили. Испытания, ссылаясь на небольшой прирост скорости, который давали прямоточные двигатели, снижение скорости с выключенными ПВРД, а также на большой расход бензина Наркомат авиационной промышленности решил прекратить.
В конце 1945 года появилось еще одно интересное предложение И.А. Меркулова - первая форсажная камера. Лавочкин создавал тогда первый в стране самолет со стреловидным крылом - Ла-160. Но он оказался несколько тяжеловат для трофейного турбореактивного двигателя ЮМО-004, а с форсированным двигателем, предложенным И.А. Меркуловым, он успешно взлетел.
У Меркулова была напряженная, насыщенная драматическими событиями жизнь, когда не все его идеи принимались и находили поддержку. Так, в середине пятидесятых годов, будучи руководителем отдела ПВРД ЦИАМа, Меркулов теоретически разрабатывает новый тип силовой установки, работающий по совершенно необычному термодинамическому циклу - с переменной массой рабочего тела и переменными свойствами газа. Но эта идея до сих пор не нашла своего воплощения.
В начале шестидесятых годов в Институте двигателей Академии наук Меркулов заканчивает работу еще над одним интересным типом двигателей. Это был газотурбинный воздушно-реактивный двигатель. Но, как и в прошлый раз, построить его не удалось.
В конце 1960 года Меркулов получил авторское свидетельство на ионный двигатель. Затем участвовал в подготовке и проведении испытаний подобного двигателя на спутнике «Метеор-18».
С середины семидесятых годов, как только был организован институт ВНИИПИтранспрогресс для разработки нетрадиционных видов транспорта, Меркулов в нем - ведущий конструктор. Он участвует в создании ряда проектов сверхскоростных наземных транспортных систем. Вносит существенные усовершенствования в их турбореактивные двигатели.
До самых последних дней своей жизни И.А. Меркулов был полон творческих замыслов. В его голове постоянно рождались новые проекты, вплоть до гиперзвуковых самолетов. Но далеко не всем замыслам конструктора удалось осуществиться.
Источники:
Боев Д. Юбилей первого в СССР полета прямоточного воздушно-реактивного двигателя // Двигатель. 2009. № 3(63). С. 32-34.
Холодный В. Конструктор первых прямоточных. // Моделист-конструктор. 1990. №12. С. 11-13.
Холодный В. Пионер прямоточных двигателей. // Гражданская авиация. 1993. №3. С. 20-21.
Козырев М., Козырев В. Реактивная авиация Второй мировой войны. М.: ЦЕНТРПОЛИГРАФ. 2012. С. 55-58.
Серов Г. В начале реактивной эры. // Самолеты мира. 1997. №3-4. С.2.
Информация