В 30-е годы в массовом серийном производстве находились самолеты, созданные в 20-х годах: тяжелый бомбардировщик ТБ-3, средний бомбардировщик ТБ-1, многоцелевой «воздушный крейсер» Р-6 (в современном понимании — фронтовой бомбардировщик), разведчик (легкий бомбардировщик) Р-5, истребитель И-5. Военные теоретики 20-х и начала 30-х годов считали основой ВВС бомбардировочную авиацию, поэтому главные усилия конструкторов, ученых и технологов были сосредоточены на развитии тяжелых самолетов, внедрении металлов в самолетостроение, повышении грузоподъемности. Наибольший прогресс в аэродинамике и компоновке был достигнут при проектировании бомбардировщиков. Теперь это были свободнонесущие монопланы, не имеющие почти ничего общего (кроме нормальной аэродинамической схемы) со своими предшественниками — бипланами 1914—1918 гг. Их характерное отличие — монопланное крыло большой площади многолонжеронной ферменной конструкции с гофрированной обшивкой, работающей на кручение, и фюзеляж четырехгранной формы с носовой частью сложной конфигурации. Разведчики и истребители строились в компоновках, близких к тем, которые установились в конце первой мировой войны — бипланы и полуторапланы деревянной и смешанной конструкции. Увеличение скорости этих самолетов было достигнуто за счет увеличения в полтора раза энерговооруженности и уменьшения сопротивления бипланной коробки, фюзеляжа и шасси. Увеличение энерговооруженности стало возможным благодаря прогрессу в моторостроении: за 1917 — 1932 гт. удельный вес поршневых моторов удалось снизить в два раза (от 1,1 — 1,2 до 0,6 — 0,65 кгс/л.с). Форму фюзеляжа стали выбирать исходя из минимума аэродинамического сопротивления и площади омываемой поверхности при возможно меньшей массе единицы этой поверхности. Была применена гладкая обшивка вместо гофрированной, существенно улучшены аэродинамические формы выступающих в поток элементов конструкции самолета и вооружения. Дальнейшее существенное уменьшение сопротивления было обеспечено внедрением убирающегося шасси, кольцевых капотов, закрывающих цилиндры моторов воздушного охлаждения, и размещением радиаторов моторов водяного охлаждения в специальных гондолах с протоком воздуха. Снижение массы конструкции фюзеляжа и массы крыла с увеличенной нагрузкой, приходящейся на 1 м2 его площади, было достигнуто применением жесткой обшивки, воспринимающей напряжения при изгибе и сдвиге. В ЦАГИ был разработан метод расчета свободнонесущего крыла с работающей обшивкой. Основным силовым элементом крыла стала панель, состоящая из стрингерного набора и обшивки. Становлению авиационной конструкции нового типа предшествовала разработка теории тонкостенных конструкций. Переход к большим скоростным напорам и увеличение нагрузок на элементы самолета потребовали изучения проблем взаимодействия упругой поверхности с потоком, анализа динамической устойчивости конструкции самолета. Была разработана теория флаттера— автоколебаний конструкции крыла под воздействием аэродинамических, упругих и массовых сил, предложены способы расчетного определения критической скорости флаттера, разработаны мероприятия, позволившие полностью исключить возможность возникновения флаттера во всем диапазоне скоростей полета. На базе теоретического анализа, летного эксперимента и специальных исследований в аэродинамических трубах ЦАГИ в 1936 — 1937 гг. были коренным образом пересмотрены нормы прочности. Нашли отражение в виде особых расчетных случаев воздействие на самолет возмущений в атмосфере, маневр самолета с отклоненной механизацией. В нормы были введены методы расчета аэродинамической нагрузки, в них нашли отражение требования по флаттеру и реверсу. Важную роль в реализации возможностей, заложенных в аэродинамической компоновке самолета, и возможностей мотора сыграли рациональный выбор и возможность изменения в полете угла установки лопастей воздушного винта для обеспечения достаточно высокого и мало изменяющегося по скорости КПД. Работы ЦАГИ и ОКБ в этой области привели к созданию винтов изменяемого в полете шага (ВИШ), применение которых дало возможность увеличить максимальную скорость и потолок боевых самолетов при неизменной мощности мотора. Дальнейшее увеличение нагрузки на крыло, необходимое для повышения максимальных скоростей полета, оказалось возможным только после разработки новых несущих профилей и эффективной механизации крыла — щитков, закрылков и предкрылков. Внедрение механизации позволило существенно увеличить располагаемые коэффициенты подъемной силы несущих поверхностей и обеспечить приемлемые взлетно-посадочные характеристики боевых самолетов с повышенной нагрузкой на крыло. Необходимость повышения маневренных возможностей самолета с увеличенной нагрузкой на крыло потребовала дальнейшего увеличения располагаемых углов атаки. Была широко развернута работа по созданию новых несущих профилей и принципов компоновки крыла из набора профилей. С организацией нового ЦАГИ была получена возможность испытывать натурные самолеты или их макеты при числах Рейнольдса, близких к натурным. Оборудование аэродинамических труб Т-101 и Т-104 позволило проводить исследования самолетов с работающей винтомоторной группой. Обобщение и анализ экспериментальных данных на базе передовой по тому времени теории позволили создать ряд действенных практических методов расчета аэродинамических характеристик самолета и его элементов, например сетки для расчета сопротивления, учитывающие влияние числа Re, геометрию профиля, состояние поверхности и степень турбулентности набегающего потока. Были выполнены специальные теоретические и экспериментальные работы, позволившие строить самолеты с заданными характеристиками устойчивости и управляемости, которые обеспечивали безопасность полета. Следует отметить, что к этому времени создание самолета стало существенно более сложным, чем в годы первой мировой войны. Если постройка военного самолета в 1918 г. требовала 2000 рабочих часов, то в 1939 г. ее продолжительность возросла до 20 000 — 80 000 рабочих часов. Существенно вырос и потребный уровень квалификации рабочих. В середине 30-х годов развитие аэродинамики, моторострения и уровня технологии производства обеспечило качественный скачок: создание боевого самолета нового типа — скоростного бомбардировщика (Vmax = 400 км/ч). Бригадой А.А. Архангельского под общим руководством А. Н. Туполева был построен и в 1934 г. выпущен на летные испытания первый отечественный скоростной бомбардировщик СБ (АНТ-40) — свободнонесущий цельнометаллический моноплан хороших аэродинамических форм с гладкой обшивкой и убирающимся шасси, что позволило существенно уменьшить коэффициент сопротивления. В 1936 г. вышел на летные испытания первый боевой самолет ОКБ С. В. Ильюшина — дальний бомбардировщик (в терминологии тех лет) ДБ-3, построенный в идеологии СБ, но под большую максимальную бомбовую нагрузку (до 2,5 т). Развитие истребителей в 30-е годы проходило по двум направлениям: дальнейшее совершенствование истребителей-бипланов как продолжение маневренных истребителей первой мировой войны, основное достоинство которых — отличная маневренность благодаря малой нагрузке на крыло и достаточно высокой энерговооруженности, в те годы казалось определяющим. Расплатой была не слишком высокая максимальная скорость полета. Создание истребителей-монопланов — новая схема, обеспечившая резкое увеличение максимальной скорости полета в результате улучшения аэродинамики и главным образом увеличения отношения мощности к площади крыла (т. е. уменьшения так называемого баллистического коэффициента) при практически одинаковой с истребителем-бипланом энерговооруженности. Маневренные характеристики стали хуже — нагрузка на крыло увеличилась. В течение ряда лет (вплоть до лета 1939 г.) эти два типа истребителей успешно развивались, дополняя друг друга, — «маневренный» и «скоростной» истребители действовали совместно. Так продолжалось до тех пор, пока за рубежом в массовом производстве не появились скоростные бомбардировщики (например, Бристоль «Бленхейм» в Великобритании, Хенкель-70К в Германии), которые, как и советский СБ, вследствие совершенной аэродинамики и повышенной нагрузки на крыло (т.е. значительно меньшего баллистического коэффициента) даже при заметно меньшей энерговооруженности превзошли истребители-бипланы по максимальной скорости и потолку, причем никакое реально возможное увеличение взлетной энерговооруженности и уменьшение сопротивления истребителей-бипланов не могло изменить положение. Очевидно, что даже исключительные характеристики маневренности не могут компенсировать истребителю невозможность навязать бой бомбардировщику. В результате на первое место среди характеристик, определяющих уровень совершенствования истребителя, вышла его максимальная скорость. Развитие истребителей-монопланов во второй половине 30-х годов шло по линии непрерывного интенсивного увеличения максимальной скорости. В компоновках начала 30-х годов это достигалось в основном за счет увеличения мощности мотора, т.е. увеличением энерговооруженности, что приводило к дополнительному увеличению массы истребителя, увеличению нагрузки на крыло и тем самым ухудшало маневренные характеристики. С этим мирились, поскольку основной задачей было превзойти по скорости новые фронтовые бомбардировщики. Таким образом, с появлением скоростных бомбардировщиков оказались устаревшими не только бипланы-разведчики, которых они заменили, но и бипланы-истребители. Уже в 1934 г. (практически одновременно с началом проектирования СБ) было начато создание тяжелых скоростных самолетов. Зимой 1936 — 1937 гг. вышел на летные испытания скоростной тяжелый бомбардировщик АНТ-42, максимальная скорость его порядка 400 км/ч была достигнута за счет существенного уменьшения сопротивления (гладкая поверхность вместо гофрированной обшивки, убрано шасси), увеличения нагрузки на крыло при энерговооруженности, выбранной из условий оптимизации крейсерского полета. Взлетно-посадочные характеристики должны были обеспечиваться за счет механизации крыла, т.е. повышения его несущих свойств на взлете и посадке. В первой половине 30-х годов было построено несколько уникальных самолетов, которые серийно не выпускались, но вошли в историю авиации как предельно возможные в своем классе. Одним из таких самолетов был рекордный АНТ-25, на котором экипажи В. П. Чкалова и М. М. Громова совершили в 1937 г. перелеты из Москвы в США, через Северный полюс. Краткая история создания АНТ-25 такова: в конце 1931 г. Реввоенсовет поручил ЦАГИ построить самолет с проектной дальностью 13 000 км. Такой самолет, созданный бригадой П. О. Сухого (при участии теоретической группы В. П. Ветчинкина) под общим руководством А. Н. Туполева, совершил первый полет в июне 1933 г. При его создании основной задачей конструкторов и аэродинамиков было снижение индуктивного сопротивления. Это было достигнуто благодаря применению крыла исключительно высокого удлинения при достаточно малой массе, которая была обеспечена разгрузкой крыла топливом, размещенным в баках по всему размаху. Самолет АНТ-25 имел полу убирающееся шасси, гофр был покрыт полотном с последующей окраской и полировкой. Все вместе взятое обеспечило высокое аэродинамическое качество (max =17) и исключительно высокую весовую отдачу по топливу и полной нагрузке. Необычен был вид самолета — размах крыла в 2,5 раза превышал длину фюзеляжа. Мощность двигателя, выбранная из условий крейсерского полета, не обеспечивала отрыв от земли с максимальным взлетным весом при приемлемой длине разбега. Для того чтобы исключить риск при взлете, пришлось соорудить стартовую горку. На самолете АНТ-25 были установлены два мировых рекорда дальности полета — по замкнутому маршруту 12 411км и по прямой 10 148 км (это около 11 500 км по маршруту). При полете через Северный полюс М. М. Громов совершил посадку у мексиканской границы, поскольку визы на ее перелет не было. Топлива оставалось еще на 1500 км, т.е. задание Реввоенсовета формально было выполнено. Однако АНТ-25 не имел необходимой для боевого самолета энерговооруженности и грузоподъемности. Он предназначался только для установления рекорда дальности. Была сделана попытка на базе самолета АНТ-25 создать бомбардировщик дальнего действия с двумя моторами М-86 (АНТ-37). Значительная дальность полета была достигнута и на этом самолете, но за счет потери других важных свойств — не были обеспечены возросшие к тому времени требования по максимальной скорости, грузоподъемности и условиям базирования, поэтому и самолет АНТ-37 как дальний бомбардировщик к 1936 г. заказчика уже не удовлетворял — наступило время скоростной авиации. В эти же годы был построен бомбардировщик АНТ-16 (семейства ТБ-1 — ТБ-3) с взлетной массой, увеличенной до 33 т, и началось проектирование сверхтяжелого бомбардировщика АНТ-26 с взлетной массой до 70 т и площадью крыла до 800 м2. Плодотворная идея цельнометаллического моноплана со свободнонесущим крылом многолонжеронной ферменной конструкции с гофрированной обшивкой и максимальной скоростью порядка 250 км/ч доводилась до предела. Еще один бомбовоз с взлетной массой 38 т и площадью крыла более 450 м2 был построен в Харькове под руководством конструктора К. А. Калинина, аналогичный гигант проектировался в ВВА им. Н. Е. Жуковского (G = 40 тс, S = 600 м2). Работы в этом направлении уже не могли привести к созданию боевого самолета с большой дальностью и грузоподъемностью и закончились постройкой двух пассажирских самолетов-гигантов АНТ-20 («Максим Горький») и АНТ-20бис (ПС-124). Следует отметить, что в США в эти годы был построен и запущен в серийное производство четырехмоторный скоростной бомбардировщик В-15 (Vя- 400 км/ч, Z, = 4000km), а летом 1935 г. в США начались летные испытания стратегического бомбардировщика ХВ-17 («Летающая крепость»). На советских серийных истребителях и бомбардировщиках второй половины 30-х годов (И-15, И-16, С£, ДБ-3) уже был реализован ряд достижений аэродинамики (механизация крыла, несущие профили, винты изменяемого шага, новые средства обеспечения пилотажных характеристик)-, прочности и моторостроения, но относительные размеры элементов самолета и нагрузка на крыло не были еще оптимизированы и не позволяли внедрить все достижения авиационных наук. Размеры самолетов, выбранные в начале 30-х годов, уже не позволяли разместить необходимые оружие, оборудование и снаряжение. В 30-е годы, богатые локальными войнами и пограничными конфликтами, были широко развернуты поиски рационального вооружения самолетов и обеспечения их живучести в условиях непрерывно увеличивающегося калибра стрелкового оружия. Для защиты летчика от пуль стандартного калибра 7,62 мм при атаках с хвоста потребовалось установить бронеспинку толщиной 6 — 8 мм, а в дальнейшем заголовник и бронесиденье. Защита стальными плитами экипажей боевых самолетов, а затем и основных уязвимых мест силовой установки и конструкции привела к необходимости увеличить калибр стрелкового оружия, а следовательно, его размеры и массу. Снаряд пушки калибром 20 мм пробивал стальную плиту толщиной 20 мм, а одного-двух попаданий снарядов калибра 37 мм было достаточно, чтобы вывести самолет из строя, т.е. появилось оружие, защита от прямого попадания снаряда которого стала практически невозможной. Для обороны бомбардировщика потребовалось усилить стрелковое оружие и разнести его по самолету — обеспечить круговой обстрел с перекрытием зон. Только в этом случае можно было не уступить атакующему истребителю в мощности огня при атаках с любых направлений. Потребовалось увеличить экипаж бомбардировщика для обслуживания дополнительных огневых точек. Для истребителя при его скоротечных атаках особое значение приобрели точность стрельбы и масса секундного залпа. Для повышения точности стрельбы было признано целесообразным все стрелковое оружие собрать вблизи продольной оси самолета. На моторе водяного охлаждения оказалось наиболее удобным разместить пушку в развале блоков цилиндров с выводом ствола через полый вал редуктора («мотор — пушка»). Размещение скорострельных пушек или пулеметов в фюзеляже (или на моторе) истребителя потребовало точной синхронизации темпа стрельбы с частотой вращения винта для возможности стрельбы через круг, ометаемый его лопастями. Это несколько снижало темп стрельбы и, следовательно, массу секундного залпа, однако установка оружия большого калибра на консолях тонкого крыла истребителя приводила к уменьшению точности стрельбы и увеличению аэродинамического сопротивления за счет выступающих из носка крыла стволов или наличия под крылом гондол, в которых размещались оружие и боекомплект. Советские конструкторы стрелкового оружия в довоенные годы создали самые совершенные пушки и пулеметы — турельные и синхронные пулеметы калибра 7,62 и 12,7 мм, пушки калибра 20 мм, мотор-пушки калибра 20 и 37 мм, крыльевые пушки калибра 23 и 37 мм. Для защиты экипажей боевых самолетов ВИАМом была разработана высокопрочная броневая сталь, сочетающая стойкость против пуль калибра 7,62 и 12,7 мм и высокую технологичность, что позволило включить броню в силовую конструкцию самолета и избежать значительного увеличения ее массы. Была создана прозрачная броня для остекления кабин (лобовое стекло и заголовники). Повышению боевой живучести способствовало создание протектиро-ванных топливных баков, внедрение системы заполнения их нейтральным газом от выхлопа мотора. Существенно усложнились снаряжение и оборудование самолетов. На борту всех боевых самолетов появились приемные и передающие радиостанции, было введено электродистанционное управление оружием. Потребовалось часть мощности мотора затрачивать на обеспечение энергией систем оборудования и вооружения. Все сказанное выше привело к увеличению массы оборудования, вооружения и источников питания на борту боевых самолетов, усложнению и утяжелению их конструкции. Размеры и взлетную массу самолетов необходимо было увеличить. Потребовались моторы увеличенной мощности. Во второй половине 30-х годов в результате повышения антидетонационных качеств авиационных топлив, обеспечивающих возможность повышения степени сжатия, применения нагнетателей и турбокомпрессоров, создания новых термостойких и прочных сплавов оказалось возможным реализовать интенсивный рост мощностей и высотности авиационных моторов при одновременном снижении их удельной массы, относительных размеров и удельного расхода топлива. Было создано несколько базовых двигателей большой мощности, которые стали родоначальниками ряда семейств серийных моторов. Успехи аэродинамики и моторостроения, достижения в создании нового оружия и освоении новых материалов обеспечили конструкторам возможность выполнить требования заказчика и приступить к созданию принципиально нового поколения боевых самолетов. Оно было создано в кратчайшие сроки — за полтора-два года. Толчком к существенному ускорению перевооружения послужили боевые действия в Испании, в которых принимали активное участие самолеты Р-5, СБ, И-15 и И-16. В 1938 г. в Испании проходили войсковые испытания новые германские самолеты: истребитель Me-109B и пикирующий бомбардировщик Ju-87. Произошли первые воздушные бои истребителей И-16 и Ме-109В, которые показали преимущество советских самолетов (рис. 15). Однако самолет Me-109В был еще далек от совершенства, а истребитель И-16, созданный в 1932 — 1933 гг., к этому времени уже исчерпал все возможности улучшения. Самолеты Me-109 новой модификации с мотором существенно увеличенной мощности показали заметное преимущество над И-16. Потребовалось срочно создать боевые самолеты, способные противостоять новым истребителям германских ВВС. Задачу удалось выполнить благодаря высокому уровню отечественной авиационной науки и опыту, накопленному за годы становления авиации. К сожалению, перевооружение авиации к началу Великой Отечественной войны полностью не было завершено. Самолеты доводились в ходе серийного производства. Подводя итоги, можно сказать, что в 30-е годы было создано два поколения боевых самолетов, новое поколение экономичных двигателей большой мощности, завершено создание современной экспериментальной базы и отработки методики испытаний моделей и натурных самолетов, созданы теоретические и инженерные методы расчета аэродинамических характеристик и прочности самолетов и их элементов, разработаны основные принципы формирования облика боевых самолетов различного назначения под заданные требования ВВС и, что самое главное, были определены основные тенденции развития всех родов авиации, отработаны аэродинамические компоновки и положено начало созданию семейств передовых по тому времени истребителей, штурмовиков и бомбардировщиков. Однако несмотря на высокий потенциал авиационной науки и опытного производства промышленность запоздала с созданием и вводом в строй новых образцов, предпочитая развивать удачные идеи и модернизировать самолеты конца 20-х — начала 30-х годов, а заказчик опоздал с постановкой новых задач. Даже уникальный штурмовик СВ. Ильюшина Ил-2 был создан по инициативе ОКБ в ходе споров с заказчиком. Отставание советской военной авиации в полной мере было осознано только в начале 1939 г, хотя уже в 1938 г. немцы завершили отработку самолета поля боя — пикирующего бомбардировщика Ju-87 (известного участникам Великой Отечественной войны как «лаптежник») и были продемонстрированы возможности нового истребителя Люфтваффе (ВВС Германии) Me-109. Новые советские истребители, способные противостоять «мессерам», штурмовики и фронтовые бомбардировщики появились в опытных образцах лишь в 1940 г. Советские тяжелые бомбардировщики были слишком тихоходными, и дальность их полета была недостаточна. «Самолет ТБ-7 (АНТ-42) создавался и входил в жизнь в трудных условиях неполной ясности вопроса о том, в какой мере необходим тяжелый стратегический бомбардировщик...».

Великая отечественная война. Новое поколение боевых самолетов

В самый канун войны (конец 1939 — 1940 гг.) на государственные испытания вышли представители нового поколения поршневых самолетов (им было суждено пройти еще и испытания в Великой Отечественной войне):
тяжелые бомбардировщики Пе-8 (ТБ-7), в серийном производстве с 1940 г.;
средние бомбардировщики Ил-4 (ДБ-ЗФ), в серийном производстве с 1938 г.;
фронтовые бомбардировщики Пе-2, Ту-2;
штурмовики Ил-2;
истребители ЛаГГ-3, Як-1, МиГ-3.
Самолеты ТБ-7 и ДБ-ЗФ образца 1940 г. заметно отличались от своих прототипов конца 30-х годов. Обращает на себя внимание существенное (в 2 — 4 раза) уменьшение баллистического коэффициента у всех самолетов этого поколения по сравнению с предшествующим. Были реализованы все достижения аэродинамики:
винты изменяемого шага с высоким КПД (7 = 0,8-5-0,84);
радиаторы в туннелях с протоками, скорость в которых существенно меньше скорости полета;
отсеки фюзеляжа и крыла герметизированы — нет перетекания воздуха внутри;
закрывающиеся фонари кабины летчиков;
аэродинамически гладкая поверхность без заметно выступающих в поток деталей;
тонкое крыло и минимально возможная площадь миделя фюзеляжа, зализы несущих поверхностей;
реактивные патрубки моторов.
Максимальные скорости возросли даже при уменьшенной энерговооруженности (она увеличилась во время войны). В годы Великой Отечественной войны ВВС и советская промышленность прошли суровое испытание. В первые дни войны советская авиация понесла тяжелые потери в людях и материальной части. Новые самолеты МиГ-3, Як-1, ЛаГГ-3, Ил-2, Пе-2 только начинали поступать на вооружение и еще не были освоены летчиками строевых частей. Основными боевыми самолетами ВВС оставались И-153, Й-16, СБ и ДБ-3 первых вариантов. Увеличивать выпуск новых боевых самолетов пришлось в условиях перебазирования практически всей авиационной промышленности на Восток, в условиях нехватки металла (особенно алюминия), энергетических мощностей, помещений и квалифицированных кадров. Потребовалась работа по упрощению конструкций самолетов, по замене дефицитных материалов и упрощению технологии производства. Из-за нехватки алюминия и сложности производства в 1942 г. были временно сняты с производства фронтовой бомбардировщик Ту-2 (был запущен в производство истребитель Як-9) и самый скоростной и высотный истребитель того времени МиГ-3. В 1941 — 1942 гг. в массовом производстве были бронированные штурмовики Ил-2 с деревянным фюзеляжем, деревянный истребитель ЛаГГ-3, истребители Як-1 и Як-7Б с деревянными крыльями предельно простой конструкции и ферменным фюзеляжем, обшитым полотном и фанерой. Истребители и бомбардировщики Люфтваффе вступили в войну доведенными, прошедшими боевую проверку на фронтах Испании и в течение двух лет войны в Европе. Советские самолеты, как правило, запускались в серийное производство еще до завершения летных испытаний и доводились уже в ходе войны. К началу войны основной истребитель Люфтваффе Ме-109Е был серийным и тщательно отработанным. Однако по сумме летно-технических характеристик, эффективности оружия и живучести он уступал новым советским истребителям. Это вынудило противника прибегнуть к срочной модификации Ме-109Е и перейти к серийному выпуску новой модели Me-109F с заметно увеличенной максимальной скоростью полета, лучшими маневренными возможностями и усиленным оружием (увеличена мощность мотора, улучшена аэродинамика, введено автоматическое управление заслонками радиаторов). Советские истребители были «моложе», их проектировали с учетом возможных крупных модификаций без остановки производства. Замена дерева металлом в основных силовых элементах позволила получить заметные выигрыши в объеме крыла, массе конструкции и прочности самолетов. Возможности модификации цельнометаллических истребителей Люфтваффе были практически исчерпаны уже в 1943 г., и во второй половине войны советские истребители имели превосходство по основным параметрам, из суммы которых складывается боевая эффективность. На долю ЦАГИ в предвоенные годы и во время войны выпала задача доработки аэродинамических компоновок самолетов и несущих поверхностей, доводка устойчивости и управляемости опытных и серийных самолетов, изыскание способов уменьшения сопротивления, повышения несущих свойств. Так, в больших аэродинамических трубах ЦАГИ в 1942 г. были проведены всесторонние испытания самолета Ла-5. Бригадой ЦАГИ и ОКБ была выполнена герметизация капотов мотора уменьшены щели между несущими поверхностями и органами управления, разработаны улучшенные формы всасывающего патрубка карбюратора и туннеля маслорадиатора, разработаны новые выхлопные патрубки увеличенного сечения. Летные испытания серийных самолетов Ла-5 с доработками, выполненными по рекомендациям ЦАГИ, обеспечили достижение у земли максимальной скорости 560 км/ч (вместо 510 км/ч). Уменьшение щелей у шарниров элеронов путем установки накладок позволило повысить эффективность компенсации элеронов и снизить нагрузки на ручке управления. В конце 1943 г. ОКБ С. А. Лавочкина выпустило на летные испытания новую модификацию с улучшенной аэродинамикой — самолет Ла-7, который при той же мощности мотора (АШ-82ФН), что и на Ла-5ФН, на расчетной высоте развивал максимальную скорость 680 км/ч вместо 650 км/ч у самолета Ла-5ФН. Этот самолет превосходил последние варианты основного истребителя Люфтваффе Me-109G. В результате работы ЦАГИ была увеличена максимальная скорость истребителей Як, а самолет Як-3 с более мощным мотором ВК-107А показал в летных испытаниях максимальную скорость 720 км/ч благодаря тщательно отработанной и доведенной до совершенства аэродинамической компоновке. Конструкторы моторов в тесном содружестве с ЦИАМ работали над увеличением мощности силовых установок боевых самолетов. Взлетная мощность моторов семейства ВК за годы войны увеличилась с 1100 до 1650 л.с. Весовое совершенство поршневых моторов приблизилось к предельно достижимому на том уровне развития техники — их удельная масса достигала 0,45 — 0,5кг/л.с. В результате максимальная скорость и боевая эффективность отечественных истребителей во время Великой Отечественной войны непрерывно возрастали. Данные истребителей С. А. Лавочкина 1941 — 1944 гг. в сравнении с данными истребителя И-16 последней модификации. Сравнение показывает, что благодаря совершенной аэродинамике истребитель Ла-7 (1944 г.) при одинаковой с истребителем И-16 (1939 г.) взлетной энерговооруженности (оба самолета с моторами воздушного охлаждения) имел на 190 км/ч большую максимальную скорость у земли и на 180 км/ч на расчетной высоте (т.е. практически в полтора раза) при одинаковом времени виража. Увеличение взлетной массы Ла-7 по сравнению с массой самолета И-16 в полтора раза потребовалось для размещения на борту существенно усложненного оборудования, вооружения и снаряжения. Аналогичным был процесс совершенствования истребителей Як-1 и Як-3, Як-7 и Як-9. Истребители Як-9Д и Як-9Т отличались увеличенным запасом топлива 0,15 (для всех истребителей того времени относительная масса топлива была практически одинаковой и составляла 0,09 — 0,1). Это обстоятельство необходимо учитывать при сравнении маневренных и боевых возможностей самолетов. Особенностью развития истребителей во время войны было увеличение максимальной скорости при сохранении маневренных возможностей в горизонтальной плоскости и заметного их улучшения в вертикальной. Это достигнуто «культурой веса» и повышением несущих свойств крыла истребителя в дополнение к непрерывному увеличению мощности моторов и уменьшению лобового сопротивления. В течение всей войны усиливалось вооружение боевых самолетов, непрерывно возрастала масса секундного залпа, причем, как правило, без заметного ущерба для их маневренных возможностей и летно-технических характеристик. Задача обеспечения синхронной стрельбы крупнокалиберного оружия была успешно решена советскими конструкторами, скорострельность оружия была исключительно высокой, поэтому на серийных истребителях число стволов не превышало трех при обеспечении достаточной массы секундного залпа. На вооружении истребителей Люфтваффе всю войну оставались пулеметы обычного калибра (7,92 мм) и пушки калибра 20 мм. Только модификации Me-109G5 и Me-109G6 имели крупнокалиберные пулеметы (13 мм). Дополнительное оружие, которое они использовали для усиления огневой мощи, например две пушки калибра 20 мм в гондолах под крылом истребителей Me-109G, снижало максимальную скорость, а главное, маневренные возможности этих самолетов. Советские бомбардировщики имели хорошую огневую защиту задней полусферы и бронированную защиту членов экипажа. Все были вооружены крупнокалиберными пулеметами, а самолеты Ту-2 и Пе-8 — пушками калибра 20 мм. Штурмовик Ил-2 по стрелковому оружию и бронированию не имел равных в мире. Попытка Люфтваффе создать подобный противотанковый самолет (Хеншель 129) была безуспешной. Попытка установить пушку калибра 30 мм на пикирующий бомбардировщик Ju-87 привела к снижению на 50 — 60 км/ч и без того небольшой скорости этого самолета и значительному ухудшению его маневренности, что делало самолет еще более уязвимым. Бомбардировщики ВВС Германии были, как правило, вооружены пулеметами обычного калибра: крупнокалиберное оружие использовалось только в неподвижных или ограниченно подвижных установках для стрельбы вперед. Таким образом, в результате напряженной работы авиационной промышленности основные боевые советские самолеты имели преимущество в боевой эффективности перед противником. В первые послевоенные годы в ОКБ, ЦАГИ и ЦИАМ продолжались работы по дальнейшему совершенствованию самолетов с поршневыми двигателями. На базе истребителя Ла-7 были созданы последние истребители с поршневыми моторами Ла-9 и Ла-11, в массовой серии строились бомбардировщики Ту-2 и штурмовики Ил-10, было развернуто производство дальнего бомбардировщика Ту-4, построен последний дальний бомбардировщик с поршневыми моторами Ту-85. Возможности боевых самолетов с поршневыми моторами к 1947 г. были исчерпаны.

Критерии подобия. Роль аэродинамики и энергетики в развитии авиации

Однако мощность обычного мотора с увеличением высоты падает, поэтому для полета на больших высотах потребовались моторы с нагнетателями, поддерживающими давление на всасывании до расчетной высоты. Крейсерский полет на заданной высоте реализуется на тем большей скорости, чем больше нагрузка на крыло и больше расчетная высота мотора. Таким образом, высота, скорость и дальность полета бомбардировщиков увеличивались не только с помощью существенного улучшения аэродинамики и создания компоновок с увеличенным аэродинамическим качеством, но и выбором увеличенной нагрузки на крыло при использовании высотных моторов. Для истребителей увеличение максимальной скорости с помощью увеличения нагрузки на крыло даже при условии использования механизации оказалось неприемлемым. Потребовалось удержать нагрузку на крыло в пределах 180 — 200 кгс/м2 для обеспечения необходимых маневренных характеристик. В заключение следует отметить, что переход от тихоходных тяжелых самолетов с гофрированной дюралевой обшивкой, от легких бипланов с матерчатой и фанерной обшивкой к скоростным бомбардировщикам и истребителям-монопланам совершенных аэродинамических форм со скоростями, превысившими 350 — 400 км/ч, потребовал коренного изменения компоновки самолета, улучшения обтекания всех ее элементов, внедрения убирающихся шасси и механизации крыла, отказа от простых выдвижных радиаторов в пользу радиаторов в профилированных туннелях с автоматически регулируемой площадью выхода, создания и внедрения высотных моторов с одно-, двух- и трехступенчатыми нагнетателями (или с турбомуфтами), создания и внедрения винтов, автоматически изменяемого в полете шага. Только существенным вкладом в конструкцию и технологию производства можно объяснить сохранение удельного веса высотных моторов и относительного веса конструкции самолетов при столь существенном усложнении мотора и самолета. На самолете появился ряд сложных механизмов, каждый из которых потребовал периодической регулировки и технического обслуживания:
винт с поворотными лопастями и система автоматического управления ими;
убирающееся шасси и системы его уборки и выпуска (основная и аварийная);
механизация крыла и соответствующая система управления;
система автоматического управления положением створок радиаторов охлаждения;
автоматизированная система управления оружием и др.
Развитие самолетостроения и прогресс в авиационной технике всегда были тесно связаны с достижениями авиационной науки. Каждое новое поколение самолетов создавалось на основе результатов научных исследований и реализации новых идей, что и обеспечило непрерывное повышение летно-технических характеристик самолетов от поколения к поколению. Вместе с тем заказчик непрерывно повышал уровень своих требований к самолету по основным параметрам, определяющим его целевое назначение, на основе научного анализа боевого применения и эксплуатации самолетов предыдущего поколения. В результате компромисса между противоречивыми требованиями и создавался каждый новый самолет. После создания, доводки и запуска в серийное производство конструктор продолжал непрерывно совершенствовать самолет по линии улучшения экономичности, увеличения грузоподъемности или повышения боевой эффективности. Это происходило за счет улучшения аэродинамики, увеличения тяговооруженности и совершенствования конструкции до тех пор, пока не оказывались исчерпанными все возможности компоновки. Только после этого (иногда слишком поздно) конструктор приступал к созданию нового самолета на базе новой аэродинамической компоновки, подготовленной к тому времени авиационной наукой опытных и серийных самолетов. Создание сам силу только развитым странам, обладающим мошной ной расчетной и экспериментальной базой.

Зарождение реактивной авиации в СССР

Во время Великой Отечественной войны, в особенности в конце ее, широкое распространение получили новые виды вооружения, в основу которых было положено использование принципа реактивного движения: неуправляемые и управляемые ракетные снаряды, дистанционно-управляемые самолеты-снаряды, пилотируемые реактивные самолеты различного назначения. Их появление было обусловлено главным образом теми боевыми преимуществами, которыми они обладали по сравнению с предшествующими образцами военной техники. В частности, самолеты с реактивными двигателями развивали значительно большую скорость полета, чем обычные самолеты того времени, имевшие поршневой двигатель с воздушным винтом. Хотя принцип реактивного движения и опыт его практического использования в виде пороховой ракеты известны с глубокой древности, а первый взлет самолета с реактивным двигателем состоялся еще в 1910 г., потребовались многие годы напряженного труда научно-исследовательских коллективов для внедрения реактивного двигателя в авиацию и достижения тех преимуществ, которые он обеспечивал. Это связано прежде всего с тем, что преимущества самолета с реактивным двигателем прямой реакции в то время наиболее полно могли проявиться при достижении больших скоростей полета, когда силовая установка с поршневым двигателем и воздушным винтом становилась неэффективной. В Советском Союзе уже с начала 30-х годов развернулись работы практически по всем видам авиационных реактивных двигателей: жидкостным, твердотопливным и воздушно-реактивным (прямоточным, пульсирующим, мотокомпрессорным, турбокомпрессорным). Постепенное совершенствование этих двигателей наряду с общим прогрессом авиационной техники позволило Советскому Союзу несмотря на тяжелейшие условия войны иметь ко времени ее окончания научно-конструкторский задел и промышленную базу, на основе которых в послевоенные годы началось бурное развитие двух основных направлений реактивной техники в СССР: реактивной авиации и ракетно-космической техники. В основе развития этих двух направлений лежали работы, связанные с созданием и последующим совершенствованием самолетов с жидкостными и воздушно-реактивными двигателями. Работы над этими самолетами велись в тесной взаимосвязи друг с другом. Однако для более четкого представления технических особенностей их развития и большей стройности изложения целесообразно рассматривать отдельно историю становления отечественных реактивных самолетов с жидкостными реактивными двигателями (ЖРД) и с воздушно-реактивными двигателями (ВРД).