Разгром 1941
А теперь сравним весовые характеристики «Мессершмитта» серии Е (один из самых легких истребителей начала войны) с весом самого тяжелого одномоторного истребителя конца войны.
История создания и боевого применения американского «Тандерболта» (вес пустого 4452 кг, нормальный взлетный вес 5961 кг) может послужить отличной иллюстрацией сразу нескольких основополагающих правил самолетостроения. Высокая удельная нагрузка (214 кг на кв. м) позволила самому тяжелому истребителю Второй мировой стать одновременно и рекордсменом скорости. Четвертая часть от 6 тонн взлетного веса американского истребителя составляет 1500 кг, но летчик, пилотирующий 6-тонный самолет, ничуть не толще и не тяжелее других. Вместе с парашютом он весит не более 100 кг. В результате на вооружение, приборное оборудование и топливо в «Тандерболте» остается 1400 кг – в три раза больше, чему «мессера» серии Е.
Вот поэтому на борту «Тандерболта» мы и обнаруживаем 6 или 8 крупнокалиберных пулеметов с огромным боекомплектом (в перегрузочном варианте – до 3400 патронов); в кабине летчика – полный комплект всевозможного оборудования (от писсуара до автопилота и средств радионавигации); за спиной пилота – мощное бронирование, под ногами – совершенно уникальная стальная «лыжа», сберегающая жизнь летчика при вынужденной посадке на фюзеляж. Для штурмовки наземных целей «Тандерболт» мог поднять 900 кг бомб и 10 ракет калибра 127 мм (это соответствует боевой нагрузке двух наших штурмовиков «Ил-2»). Максимальная дальность полета в 3780 км (с подвесными баками) позволяла сопровождать любой бомбардировщик, даже тот, который в Германии или СССР назывался бы «дальним».
Таким образом, огромные усилия американских ученых и инженеров, создавших для «Тандерболта» двигатель с турбонаддувом единичной мощностью в 2300 л.с., были потрачены не зря. Они позволили создать одноместный одномоторный самолет, который при вполне приемлемых летных характеристиках (и даже рекордной скорости) имел взлетный вес в 6 тонн. Большой взлетный вес (а значит, и большой вес полезной нагрузки) позволил создать на базе этого самолета высокоэффективную многоцелевую систему вооружения, способную на огромных пространствах выполнять самые разнообразные боевые задачи.
Шеститонный самолет и двигатель мощностью в 2300 л.с. – это не только огромное достижение конструкторской мысли. Это еще и огромные финансовые затраты, огромный расход топлива на каждый вылет. Нельзя ли решить задачу проще и дешевле? «Уравнение существования» подсказывает несколько возможных путей. Во-первых, всегда можно «купить» рост одних характеристик ценой снижения других. Вернемся к примеру с установкой дополнительной третьей пушки на легкий истребитель весом в 2,5 тонны. Совсем необязательно запускать «цепную реакцию» роста абсолютного веса всех агрегатов самолета. Самый простой и быстрый способ – залить в топливный бак на 50 кг бензина меньше. При этом сохранятся все летные характеристики исходного самолета. Кроме одной – дальности полета. Приемлемая ли это цена за увеличение огневой мощи вооружения? В ряде случаев – да. А если далеко летать не надо, то можно и часть приборного оборудования снять, а за счет экономии веса «купить» дополнительный боекомплект.
Есть и гораздо лучший способ разумного использования «уравнения существования». Совсем необязательно улучшать одни параметры ценой ухудшения других. Можно (и нужно) пойти другим путем. 50 и более кг веса можно сэкономить за счет снижения веса конструкции. Так как вес планера (фюзеляж, крыло, хвостовое оперение) составлял для истребителей эпохи Второй мировой войны порядка 35–40 % веса пустого самолета, то даже самое скромное облегчение конструкции позволяло найти «лишние» 2–3 % веса, позволяющие очень заметно увеличить полезную нагрузку.
«Самое главное глазами не увидишь». Эти слова знаменитого летчика, писателя и философа А. Экзюпери очень точно отражают главные проблемы и возможности в проектировании самолета. Выбор оптимальной конструктивно-силовой схемы, тщательная проработка конструкции каждого узла и детали, создание высокопрочных материалов – вот те невидимые постороннему глазу усилия, которые в конечном итоге и определяют летные характеристики самолета. Удивительно, но факт: скучный сопромат (занудное учение о прочности гаек, болтов, стержней и оболочек) оказался по меньшей мере столь же важен, как и все красоты аэродинамики.
Приведем еще один показательный пример. На рубеже 30 – 40-х годов разрабатывался и поступал на вооружение ВВС ведущих стран мира ряд истребителей с двигателями мощностью 1050–1100 л.с. При почти одинаковых мощности двигателя и максимальной скорости вес этих самолетов оказался очень даже разным (см. Таблица 1).
Таблица 1
Причем нельзя сказать, что малый вес конструкции лидеров был «куплен» ценой снижения мощности вооружения. По такому параметру, как «вес секундного залпа», поликарповский «И-180» был равен «Томахоуку» (1,86 кг/сек и 1,84 кг/сек) и превосходил «Спитфайр» (1,86 против 1,52 у английского «огневержца»). Что же касается тихоходного французского «Блоха», то на нем было установлено самое мощное и поэтому самое тяжелое среди всех вышеперечисленных истребителей вооружение (две пушки «Испано-Сюиза» 20 мм и два пулемета 7,7 мм, вес секундного залпа 3,2 кг/сек).
Приведенную выше таблицу не стоит рассматривать как «рейтинг квалификации конструкторов», хотя, конечно же, вес конструкции пресловутых «истребителей новых типов» («ЛаГГ-3» и «Як-1») впечатляет. Самое главное глазами не увидишь. Избыточный вес конструкции «ЛаГГа» – это, скорее всего, результат прискорбной торопливости в стремлении выполнить «задание Партии и Правительства» на технологиях и оборудовании мебельной фабрики (к сожалению, это не шутка). Низкий вес конструкции «И-180» и «Блоха» свидетельствует не только о высокой квалификации разработчиков, но и о несомненных преимуществах легкого двигателя воздушного охлаждения. Большой вес конструкции «Томахоука», возможно, объяснялся не ошибками весового проектирования, а большими запасами прочности планера. Такое предположение (точный ответ требует серьезного анализа, выходящего за рамки задач данной главы) может объяснить факт превращения тяжелого и маломаневренного «топора» в истребитель-бомбардировщик, который по весу бомбовой нагрузки (450 кг) и дальности полета (1127 км) почти не уступал советскому двухмоторному фронтовому бомбардировщику «Пе-2».
2.5. Стальные руки-крылья
Вышеизложенное представляет собой тот minimum minimorum, разобравшись в котором даже неспециалист сможет в дальнейшем осмысленно читать и понимать популярную книжку по истории авиации. Большее для таких целей и не требуется. В любом случае – обсуждение сугубо специальных производственно-технологических вопросов является в данном случае излишним. И я не стал бы утомлять читателей очередной порцией неудобоваримой технической терминологии, если бы несмолкаемый хор агрессивно-невежественных разглагольствований на тему «фанерных советских самолетов» не делал необходимыми некоторые дополнительные пояснения.
Даже на фоне многих других заведомо ложных измышлений про «техническую отсталость» сталинской империи бредовые рассуждения про «фанерные самолеты, горевшие, как свечи» поражают своей редкостной абсурдностью. Начнем с того, что именно Советская Россия (хотя она и не была родиной слонов) является пионером цельнометаллического самолетостроения. В августе 1922 года в СССР была выпущена первая партия отечественного дюралюминия. 24 мая 1924 года совершил первый полет первый советский цельнометаллический самолет «АНТ-2».
В следующем, 1925 году конструкторское бюро А.Н. Туполева создает тяжелый бомбардировщик «ТБ -1». Не говоря уже о множестве новаторских конструктивных решений, определивших магистральный путь развития военной авиации на многие годы вперед, «ТБ-1» по своим размерам был больше любого металлического самолета своего времени. Наконец, 22 декабря 1930 года совершил свой первый полет первый в мире тяжелый четырехмоторный бомбардировщик – цельнометаллический «ТБ-3» («АНТ-6»). По взлетному весу (20 т) и весу бомбовой нагрузки (5 т) этот самолет 1930 года превосходил основные типы серийных бомбардировщиков Германии конца Второй мировой войны. Цельнометаллический гигант выпускался большой серией (всего было построено 819 «ТБ-3»), и на его базе в СССР (опять-таки впервые в мире) была создана стратегическая авиация как особый вид вооруженных сил.
Разумеется, без воровства западных (немецких в данном случае) технологий дело не обошлось. А.Н. Туполев не был первым. Первым был все-таки Г. Юнкере. Но в разгромленной и разграбленной по Версальскому договору Германии развернуться Юнкерсу не дали. Зато руководство Советской России предложило гениальному немецкому инженеру щедрый контракт и огромный завод в Филях (будущий авиазавод № 22). Чертежи и техдокументацию с концессионного завода «тайно изъяли» (такой термин использован в донесении чекистов на имя наркома обороны Ворошилова), потом переманили на работу в Союзе ведущих специалистов фирмы Юнкерса, после этого и договор с Юнкерсом досрочно разорвали. Он даже пытался судиться – но это смешно. Большевики и без решения продажного буржуазного суда знают, что они всегда правы… Да, методы, при помощи которых сталинская империя заняла лидирующие позиции в мировом авиастроении, не были правовыми. Но мы в этой главе обсуждаем не методы, а результаты. Результаты были следующие:
– истребитель «И-16» Фюзеляж цельнодеревянный: оболочка, выклеенная из березового шпона («шпон» – это тонкий деревянный лист; иногда шпон называют «однослойной фанерой»), общей толщиной 2,5–4 мм, подкрепленная деревянными рамными шпангоутами, лонжеронами и стрингерами из сосновых реек. Центроплан крыла: лонжероны ферменные, сваренные из стальных труб; нервюры ферменные из дюралевых профилей; обшивка – дюралевый лист. Отъемные части (консоли) крыла: лонжероны балочные со стальными полками и дюралевой стенкой; обшивка – полотно;
– истребитель «И-153». Фюзеляж: сварная пространственная ферма из стальных труб с дюралевыми поперечными шпангоутами; обшивка – полотно. Силовые элементы крыльев (это был самолет схемы биплан) цельнодеревянные; обшивка крыла – фанера или полотно, расчалки между крыльями – стальная лента;
– истребитель «МиГ-3». Фюзеляж разъемный. Передний отсек: пространственная ферма, сваренная из стальных труб; обшивка – съемные дюралевые панели. Хвостовой отсек: оболочка, выклеенная из пяти слоев березового шпона, подкрепленная стрингерами из соснового бруса и шпангоутами коробчатого сечения из бакелитовой фанеры. Центроплан крыла цельнометаллический, полки главного лонжерона стальные, все остальные силовые элементы дюралевые. Консоли крыла цельнодеревянные: главный лонжерон из «дельта-древесины» (разновидность многослойной высокопрочной фанеры), стенки нервюр из бакелитовой фанеры, обшивка – пять слоев березового шпона;
– ближний бомбардировщик «Су-2». Фюзеляж деревянный: оболочка из бакелитовой фанеры, подкрепленная деревянными шпангоутами и стрингерами. Крыло цельнометаллическое: лонжероны балочные со стальными полками и дюралевой стенкой; обшивка из дюралевого листа;
– фронтовой бомбардировщик «СБ». Фюзеляж цельнометаллический: оболочка из дюралевых листов толщиной 0,5–1,0 мм, подкрепленная штампованными из дюраля шпангоутами. Крыло цельнометаллическое: лонжероны центроплана ферменные, сваренные из стальных труб, лонжероны консолей крыла – балочные; обшивка из дюралевого листа;
– дальний бомбардировщик «ДБ-Зф» Фюзеляж цельнометаллический: оболочка из дюралевых листов толщиной 0,6 мм, подкрепленная дюралевыми шпангоутами коробчатого сечения и стрингерами U-образного сечения. Крыло цельнометаллическое: лонжероны балочные со стальными полками и дюралевой стенкой, обшивка из дюралевого листа толщиной 0,6 мм;
– скоростной бомбардировщик «Пе-2» Фюзеляж цельнометаллический: толстая оболочка из дюралевого листа толщиной 1,5–2 мм, подкрепленная штампованными дюралевыми шпангоутами, стрингеров нет. Крыло цельнометаллическое: лонжероны балочные со стальными полками и дюралевой стенкой; нервюры штампованные из дюралевого листа; обшивка из дюралевого листа 0,6 мм;
Уважаемый читатель, если Вы это прочитали, то я восхищаюсь Вашим терпением и прошу Вас еще раз перечитать весь список внимательно. В нем перечислены практически все основные типы боевых самолетов советских ВВС, вступившие в войну утром 22 июня. Где же здесь фанерные самолеты? Все двухмоторные бомбардировщики цельнометаллические; легкий одномоторный бомбардировщик «Су-2» и все истребители – смешанной конструкции (хотя фанера, наряду с дюралем, деревом и сталью, в них тоже встречается).
Уяснив фактическое положение дел, постараемся теперь разобраться в его причинах и последствиях. Для начала – пару слов про «горящие свечи». Попробуйте зажечь кусок фанеры. Проявите настойчивость. Если Вам удастся добиться результата, пробегитесь с этим «факелом» со скоростью 100 метров в секунду. Это очень скромно – бомбардировщики Второй мировой войны имели крейсерскую (не максимальную!) скорость в 300–350 км/час (т. е. 83–97 м/сек). На таком «ветру» никакая фанера, никакое дерево гореть не будут. Горит в горящем самолете топливо – сотни (а то и тысячи) литров авиационного бензина. При скорости набегающего потока воздуха в 500–700 км/час горящий бензобак падающего самолета превращается в некое подобие «паяльной лампы», в факеле которой горит даже дюраль (к слову говоря, алюминий является великолепным горючим, входящим, как основной компонент, в боевые зажигательные смеси: пирогель и термит). Способность самолета преодолеть ПВО противника и при этом не сгореть зависит от множества причин (некоторые из них мы обсудим в следующих главах), но уж никак не от материала обшивки.
Далее. Никакой защиты для самолетных «внутренностей» дюралевая обшивка не создает. Самое малое, с чем приходится встретиться самолету в воздушном бою, это пуля из пулемета винтовочного (7,62-мм) калибра. Бронебойная пуля такого калибра пробивает 5–7 мм обычной (не броневой) стали. Тонкую (1–2 мм) дюралевую обшивку она просто «не заметит». Крупнокалиберный (12,7-мм) авиационный пулемет «БС» – стандартное вооружение советских истребителей и бомбардировщиков времен войны – на дистанции 200 м пробивал броневой лист толщиной 15 мм. Крупнокалиберный пулемет – это еще далеко не «вершина» авиационных вооружений; бывали и пушки, и хорошо еще, если «всего лишь» 20-миллиметровые… Фанера, полотно, дюралевый лист, лист папиросной бумаги, тонкий стальной лист в равной мере не создавали никакой преграды для поражающих элементов авиационного и/или зенитного вооружения. Самая минимальная защита (способная остановить мелкие осколки зенитных снарядов и пули ружейного калибра) требовала применения броневой стали толщиной 8—10 мм.
С обшивкой такого веса ни один самолет той эпохи не смог бы подняться в небо…
Невероятную живучесть невежественного бреда про «убогие фанерные самолеты» объяснить доводами разума трудно. Может быть, она поддерживается «практическим опытом» – каждый знает, что стальная труба крепче деревянного черенка лопаты, каменный забор прочнее деревянного штакетника… Все это чистая правда, но применительно к авиации сравнивать можно только силовые элементы РАВНОГО ВЕСА. Т. е. стальной рельс надо сравнить не с доской от забора, а с качественным (без единого сучка) деревянным брусом такого сечения, при котором вес бруса станет равен весу рельса. Вот это бревно и желательно попробовать сломать ударом кулака или ноги. А еще лучше-головы… После этого навсегда запомнится то, что по удельной прочности качественная авиационная сосна превосходит углеродистую сталь, примерно равна дюралю и уступает только высокопрочной легированной стали.
Если же говорить серьезно, то выбор материала является вторичным по отношению к выбору конструктивно-силовой схемы. Это очень интересная тема, но объяснить ее «на пальцах», без формул и чертежей, достаточно сложно. Для некоторого представления приведем два примера: байдарка и яйцо. Байдарка представляет собой каркас из легких дюралевых трубок, на который надевается тканевая обшивка. Обшивка отделяет воду от туриста, прочность же конструкции обеспечивается каркасом. Ткань можно и вовсе снять – каркас от этого не станет менее прочным; на нем можно будет сидеть или использовать его в качестве мостика через ручей. По науке это называется «пространственная ферма с неработающей обшивкой».
В яйце нет никакого каркаса. Прочность – причем весьма высокую – обеспечивает одна только скорлупа. Главным условием сохранения прочности является устойчивость (неизменность формы) оболочки. Пока внутри скорлупы есть содержимое («подкрепленная тонкостенная оболочка») сломать яйцо в кулаке сможет только очень сильный человек. Пустую скорлупу («неподкрепленная оболочка») сломает даже ребенок.
«Москито»
Яйцо и байдарка – два диаметрально противоположных полюса; реальные конструктивно-силовые схемы фюзеляжа и крыла самолета могли быть и ферменными (каркас из тонких труб, обтянутых полотном), и оболочечными (толстая «работающая» обшивка с небольшим числом подкрепляющих шпангоутов), и смешанными (относительно тонкая обшивка с большим числом продольных лонжеронов/стрингеров и поперечных шпангоутов). Выбор конструктивно-силовой схемы предопределяет и оптимальный набор материалов. Жесткую ферму удобнее всего сварить из стальных труб и обтянуть полотном. Работающую оболочку с минимальным числом подкрепляющих элементов лучше выклеить из древесного шпона (тонкая дюралевая, тем паче – стальная, оболочка равного веса окажется настолько тонкой, что произойдет местная потеря устойчивости). Смешанная конструкция крыла предполагает использование высокопрочных стальных продольных элементов (полки лонжеронов) в сочетании с подкрепленной нервюрами относительно тонкой дюралевой оболочкой.
Есть и множество других, порой – весьма неожиданных, конструктивных схем. Известным каждому специалисту примером такой необычной схемы является конструкция английского (строго говоря, делали его в Канаде) бомбардировщика «Москито». Самый скоростной бомбардировщик Второй мировой войны (максимальная скорость 670 км/час на высоте 8,5 км) был цельнодеревянным. Фюзеляж этого изумительно красивого двухмоторного самолета по своей конструктивно-силовой схеме максимально приближался к яйцу, только «скорлупа» его была не простая, а трехслойная: между двумя слоями тонкой фанеры был вклеен толстый слой бальзы. Бальза – это что-то вроде пробки, только прочнее и легче. В конечном итоге цельнодеревянный самолет отличился самым низким уровнем потерь в Королевских ВВС – в 26 255 боевых самолето-вылетах от огня немецких зениток и истребителей было безвозвратно потеряно всего 196 самолетов, т. е. вероятность благополучного возвращения на родной аэродром составляла для экипажа «Москито» 99,25 %. Остается только добавить, что такая фантастическая живучесть была достигнута на самолете, лишенном всякого оборонительного вооружения!
Ярким, ослепительно ярким и оглушительно громким примером использования дерева в конструкции боевого самолета стал немецкий ракетный истребитель «Мессершмитт» «Ме-163». Эта чудо-машина благодаря использованию ракетного двигателя с тягой 1700 кгс обладала совершенно феноменальной скоростью (955 км/час) и скороподъемностью (80 м/сек). При этом крыло и вертикальное оперение (горизонтального не было вовсе) самого быстрого истребителя Второй мировой войны были цельнодеревянными…
И тем не менее в конце 40-х годов дерево навсегда ушло из конструкции боевых самолетов.
Но вовсе не потому, что дюралевые самолеты горели менее ярким пламенем. Можно назвать три основные причины этого явления. Первая – технологическая. Работать с деревом невероятно сложно. Стальной рельс можно изготовить литьем, прокаткой, ковкой. Дюралевый профиль такого сечения (по науке он называется «двутавр») получают прокаткой или прессованием. Достаточно один раз отладить технологию и изготовить соответствующую оснастку – и профиль можно «гнать» миллионами метров. А как сделать деревянный двутавр? Вырезать из бруса, отправив при этом 90 % дерева в стружку? Собрать из трех частей? Как и чем их соединить? Склейка занимает много времени и не слишком надежна; сборка на шурупах крайне трудоемка; шуруп является концентратором напряжений и приводит к растрескиванию дерева…
Невозможно даже сравнить сложность, длительность и трудоемкость выклейки многослойной фанерной скорлупы и формовку дюралевого листа (одно движение плунжера гидропресса). Склейка требует строжайшего соблюдения требований по температурному режиму, влажности и запыленности помещения, подготовке поверхностей; наконец, склейка и сушка требуют времени. Клеи (смолы), используемые при изготовлении фанеры, дороги, являются продуктом сложного химического производства, а в условиях войны и блокады они могут оказаться недоступными (именно эта беда и произошла в СССР с производством дельта-древесины).
Неустранимым недостатком дерева как конструкционного материала является нестабильность и непредсказуемость его физико-механических свойств. Прессованный профиль, изготовленный по одной технологии из алюминия одной плавки, будет иметь неизменную прочность. Для большей уверенности можно провести выборочный контроль нескольких образцов из большой партии. Ста одинаковых деревьев в природе не бывает, хуже того, не бывает даже двух одинаковых сосен, хотя бы они и росли на одной делянке. При работе с деревом надо учесть и возраст, и место произрастания, и влажность, и направленность волокон – причем по каждой отдельной заготовке…
Вторая причина отказа от дерева в самолетостроении – экономическая. Долговечность деревянного самолета в условиях российского климата исчисляется, строго говоря, одним сезонным переходом от зимы к лету. После этого его уже надо сушить, проверять, вымерять все возможные деформации крыла и оперения (не будем забывать о том, что, например, изменение установочного угла горизонтального оперения всего на 2–3 градуса приведет к полному изменению всех параметров устойчивости и управляемости). В ту эпоху, когда смена типов истребителей происходила каждые год-два, с этим еще как-то мирились. Но истребитель типа «Тандерболта» стоил уже 80 тысяч долларов (дорогих долларов 1944 года!), и выбрасывать каждый год столь дорогостоящую технику не мог себе позволить никто.
Последнюю точку в истории деревянных самолетов поставил размер. Да, габариты тоже имеют значение. Где найти такую сосну, из которой можно было бы выпилить лонжерон крыла бомбардировщика «В-29» (размах крыла 43 метра)? Мертвый металл окончательно вытеснил живое дерево из конструкции самолетов, но старые мастера еще долго помнили то время, когда в заводском цеху благоухали запахи хвойного леса…
Глава 3. Самая главная авиация
В предыдущей главе мы кратко и весьма упрощенно рассмотрели некоторые вопросы, возникающие при проектировании самолета. В этой главе мы, столь же кратко и бегло, рассмотрим несравненно более сложный вопрос: какими тактико-техническими характеристиками должен обладать самолет, на базе которого строится некая боевая система? Этот вопрос не только самый сложный, но и самый важный. История авиации переполнена примерами того, как ошибка в формулировании требований технического задания приводила к появлению великолепного самолета, который никому и ни за чем не нужен. А для того, чтобы правильно сформулировать требования к боевому самолету, необходимо максимально точно спрогнозировать характер боевых действий будущей войны, «увидеть» поле боя и понять, какие задачи на нем (над ним) может решить проектируемая система вооружений.
Обзор проблем и решений, которые возникли на рубеже 30-х – 40-х годов, мы начнем с рассмотрения задач самой главной составляющей Военно-воздушных сил. Это, конечно же, бомбардировочная и штурмовая (сейчас их объединяют под общим названием «ударная авиация»). Именно тяжелый, часто неуклюжий и неповоротливый бомбовоз выполняет основную задачу войны – уничтожает живую силу, боевую технику, центры управления и связи противника, разрушает его экономику и транспортную систему, подрывает моральный дух населения. Именно бомбардировщик делает то главное дело, для которого и созданы Военно-воздушные силы. И хотя истребителям досталась (по крайней мере – в СССР) большая часть славы, фильмов, песен и орденов, хотя именно к грациозному и стремительному истребителю по сей день прикован неослабевающий интерес любителей военной истории, истина заключается в том, что истребитель – это всего лишь только один из инструментов противодействия бомбардировщикам противника.
С самого начала (т. е. с конца Первой мировой войны) начался долгий и трудноразрешимый спор о том, что именно должно стать главным объектом, по которому наносятся бомбардировочные удары: промышленные предприятия и политические центры в глубоком тылу противника, или: