Турбореактивная авиация зародилась в годы Второй мировой войны, когда в постоянной погоне за скоростью потребовалось принципиально новое техническое решение, поскольку винтомоторная авиация достигла предела своих возможностей – скорости около 850 км в час.
Первым серийным турбореактивным самолетом был немецкий истребитель «Мессершмитт». Дальнейшее развитие этого типа истребителей привело к появлению в Советском Союзе МиГов, а в США – «сейбров». С появлением МиГ-15 турбореактивные истребители приблизились к звуковому барьеру.
Одновременно реактивные двигатели пришли в гражданскую авиацию. Их массовое применение существенно сократило время перелета между городами, странами и континентами. Мир стал еще меньше, если судить о расстоянии по времени, затрачиваемом на дорогу. Сверхзвуковые лайнеры Ту-144 и «Конкорд» были способны (если бы могли нести требуемый запас топлива) облететь земной шар за 16 часов. Впрочем, судя по тому, что дорогие «конкорды» не прижились, человечество устраивают околозвуковые скорости.
В реактивных МиГах, Яках, «лавочкиных», «глостерах» и «локхидах» конца войны и первых послевоенных лет еще сохранялись многие черты поршневых самолетов. Облик будущих сверхзвуковых машин в них можно было увидеть, только обладая достаточно богатым воображением и конструкторским чутьем.
Для английского истребителя-перехватчика Глостер G.41 «Метеор» его создатели выбрали классическую схему с двумя двигателями на крыле – тогда еще не было турбореактивного двигателя (ТРД) достаточной мощности. Фактически по аэродинамической схеме он был идентичен созданному на год ранее немецкому перехватчику Ме-262. Создатели обеих машин не избежали традиционной инерции мышления и разместили ТРД на консолях крыла так, как будто это были обычные поршневые двигатели. Последние нельзя было расположить ближе к фюзеляжу – мешали их воздушные винты. Такая компоновка практически избавляет конструкторов от забот, связанных с разработкой нестандартного воздухозаборника и подводом большой воздушной массы к компрессору ТРД, но создает большие проблемы летчикам в полете при отказе одного из двигателей. Им и так на первых порах хватало трудностей с управлением этими принципиально новыми и необычными машинами, а тут еще надо было бороться с большим разворачивающим моментом, который создавался тягой одного двигателя и лобовым сопротивлением отказавшего. Надо добавить, что надежностью первые ТРД явно не отличались. Пожары и отказы для них были довольно обычным явлением (ресурс немецкого двигателя ЮМО-004, стоявшего на Ме-262, не превышал 2 часов). К тому же два таких массивных «нароста» на крыле снижали его так называемое критическое число М (см. ниже).
Более прогрессивное решение выбрали американцы. На своем Р-59 «Эйркомет» они расположили двигатели под крылом, но вплотную к фюзеляжу.
24 апреля 1946 г. в воздух поднялись два первых советских истребителя с турбореактивными двигателями – МиГ-9 и Як-15. Первый некоторое время состоял на вооружении советских ВВС, а второй использовался в основном в качестве учебно-тренировочного самолета.
В отличие от своих зарубежных коллег Артем Иванович Микоян предложил совершенно оригинальную компоновку, которая впоследствии стала классической. Оба двигателя расположили в фюзеляже, вплотную друг к другу. Соответственно оба воздухозаборника устроили в носовой части фюзеляжа, а выхлопные сопла под его хвостовой балкой. При таком решении крыло получалось аэродинамически чистым и «работало» наиболее эффективно. К тому же на его задней кромке, помимо элеронов, установили щитки и закрылки. Это позволило добиться хороших взлетно-посадочных характеристик при высокой для того времени удельной нагрузке.
Первым испытателем реактивного МиГа (И-300) стал известный летчик А.Н. Гринчик. Он погиб в одном из последующих полетов. Его истребитель неожиданно перевернулся на высоте несколько сот метров и устремился к земле. Причины катастрофы точно установить не удалось. Продолжил испытания М.Л. Галлай, позже к нему присоединился Г.М. Шиянов. Оценка, которую дал новому истребителю его испытатель М. Галлай, была более чем отличной для принципиально новой машины, какой и был МиГ-9: «…надежный, хорошо управляемый, доступный для летчика средней квалификации».
Судьба МиГ-9 и Як-15 довольно типична для боевых реактивных самолетов первого поколения. Созданные в чрезвычайно сжатые сроки, эти машины быстро пошли в серийное производство и поступили на вооружение. И хотя уже в 1947–1948 гг. появились новые МиГ-15 и Ла-15 со стреловидными крыльями, «прямокрылые» МиГ-9 и Як-15 успели сказать свое слово в истории авиации.
Новая техника – новые проблемы. И у рядовых летчиков, и у испытателей первые реактивные машины не вызвали сначала никакого доверия. Слишком уж непривычными казались эти стремительные безвинтовые самолеты. Положение усугубляли нередкие, без видимых причин, отказы двигателей и катастрофы, в которых гибли летчики и машины. Особенно скверной репутацией у них пользовался немецкий истребитель-перехватчик Ме-262. Нашими войсками в конце войны были захвачены образцы секретной немецкой техники, документы, кино– и фотоматериалы. Документальные кадры кинохроники зафиксировали не только испытания самолетов и ракет, но и многочисленные случаи аварий и катастроф. Ме-262, например, неожиданно переходили в пикирование и со страшным воем врезались в землю. Летчики, имевшие в своем распоряжении радиосвязь, ни разу не смогли при этом передать, что случилось. Облет трофейных реактивных самолетов советскими летчиками лишь подтвердил это. А.Г. Кочеткову, например, испытание Ме-262 на высоте 11 000 м на предельную скорость также едва не стоило жизни. Только недюжинная сила помогла ему, удерживая колоссальным напряжением ручку управления одной рукой, перенести левую на сектора управления двигателями и убрать обороты. Кстати, там же находилась и кнопка включения передатчика радиостанции. Возможно, немецким пилотам действительно просто не хватало силы и выдержки, чтобы укротить свои вышедшие из повиновения машины?
В самом конце государственных испытаний Кочеткову преподнес один из «сюрпризов» и отечественный МиГ-9. Вылетев на отстрел пушек в воздухе, летчик-испытатель вернулся на аэродром сразу с двумя остановившимися движками. Они заглохли после первых выстрелов пушек. Сначала конструкторы грешили на пороховые газы, которые могли вызвать недостаток кислорода для «воздухолюбивых» ТРД. Но потом выяснилось, что причина кроется не в химии, а в аэродинамике. Горячие струи пороховых газов, возникавшие перед воздухозаборниками осевых компрессоров, меняли картину обтекания их передних лопаток. В результате на них срывался воздушный поток, начиналась сильная вибрация, и двигатель «захлебывался» из-за так называемого помпажа. Но и с ним вскоре удалось справиться. МиГ-9, несмотря на пока еще подмоченную репутацию всех реактивных машин, поступил на вооружение советских военно-воздушных сил.
Непривычность первых реактивных истребителей, их «склонность» к сюрпризам заставили конструкторов ввести для них серьезные ограничения. Запрещалось превышать скорость, составляющую более 75–85% от скорости звука, выполнять высший пилотаж. Поэтому истребители, став скоростными, как бы лишились одного из своих основных боевых качеств – маневренности. Летчики выполняли лишь простые фигуры: виражи, восьмерки, боевые развороты, горку, спирали. Не было надежды и на двигатели. На первых опытных машинах устанавливались трофейные ЮМО, которые в дальнейшем (на серийных истребителях) сменили более надежные отечественные РД-10 и РД-20. Наши двигателисты сумели устранить часть недостатков, с которыми немецкие конструкторы просто не успели разобраться в условиях жесткого лимита военного времени.
Но так долго продолжаться не могло, и 25 февраля 1947 г. П. Стефановский впервые выполнил высший пилотаж на реактивном Як-15. Этот самолет выбрал сам испытатель. По сути, это был хорошо знакомый всем и испытанный в боях истребитель Як-3, только вместо поршневого на нем установили турбореактивный двигатель. До 19 февраля П. Стефановский выполнил 16 полетов – никаких замечаний. Вслед за Як-15 по той же программе и с тем же успехом он «прогнал» МиГ-9. За эти полеты его наградили орденом Красного Знамени.
Вслед за испытателями высший пилотаж на реактивных истребителях начали осваивать и строевые летчики. Реактивные машины были «реабилитированы», но лишь наполовину. Ограничения по скорости для них остались.
Преодолев 700-километровый скоростной рубеж, летчики столкнулись с непонятным, а потому тем более опасным явлением. Истребители последних модификаций на больших скоростях вдруг выходили из-под контроля. Нос машины внезапно «тяжелел», и, вопреки усилиям пилотов, истребители переходили в неуправляемое пикирование, сопровождавшееся сильной вибрацией. Испытатели первых моделей «Лайтнингов» докладывали об аналогичных явлениях, возникавших при пикировании на высоте 7500 метров и скорости, превышающей 560 км/ч. Так продолжалось, пока не уменьшалась высота полета.
Все это свидетельствовало, что авиация уже вплотную подошла к так называемому «звуковому барьеру», возникающему при отношении скорости полета к скорости звука (число Маха – М), близкому к 1. Причем на высоте, где звук распространяется существенно медленнее (в стратосфере 295 м/с, а в более плотных слоях атмосферы 340 м/с), летчики столкнулись с грозным явлением раньше. Но в любом случае, начиная с М = 0,7–0,75, в зависимости от профиля крыла и формы других частей машины, появляются местные потоки воздуха, скорость которых превышает скорость звука на данной высоте. Число М, при котором наблюдается это явление, называется критическим. В месте, где скорость потока начинает превышать звуковую, возникает скачок (волна) уплотнения воздуха, который приводит к появлению дополнительного сопротивления – волнового.
К 1947 г. конструкторы уже знали о сжимаемости воздуха на околозвуковых скоростях, смещении «центра давления» к задней кромке и одном из способов борьбы с этими явлениями – использовании крыльев с более тонким относительным профилем. Однако таким образом можно было лишь оттянуть «волновой кризис», а не преодолеть его. Каким бы тонким ни делали крыло конструкторы, все равно наступал момент, когда самолет начинала затягивать в пикирование неудержимая сила. Чтобы справиться с этим явлением, ученые и конструкторы вновь взялись за эксперименты в аэродинамических трубах и испытания новых летательных аппаратов с необычными крыльями.
Интересно, что еще задолго до конца сороковых годов многие конструкторы разрабатывали проекты сверхзвуковых самолетов. В них они предвосхитили решения, которые еще только предстояло найти создателям реальных реактивных машин.
Так, в 1934 г. А.С. Москалев предложил эскизный проект истребителя «Сигма» со скоростью полета 1000 км/ч. Самолет имел схему чистого треугольного летающего крыла малого удлинения. Была даже построена его уменьшенная копия, которая успешно летала. Правда, двигатель был маломощным (140 л. с.), и наблюдалось необычное поведение машины при посадке и взлете. Летчикам приходилось переводить самолет на непривычно большие углы атаки – 22°. Лишь спустя годы такая особенность скоростных машин стала привычной и уже не вызывала у летчиков неприятных чувств…