Авиация и космонавтика 2003 12

Катастрофа прототипа F-111A
Не стоит забывать – F-111 являлся первым в мире сверхзвуковым самолетом, оснащенным двухконтурными двигателями. Как будет работать система воздухозаборник-ТРДДФ на больших скоростях тогда толком никто не представлял. Один из конструкторов самолета вспоминал, что установка ТРДДФ считалась даже более технически рискованным мероприятием, чем использование крыла изменяемой стреловидности. При проектировании самолета основным критерием выбора того или иного решения являлось максимально возможное снижение лобового сопротивления в полете на сверхзвуковой скорости у земли (этот режим полета считался основным для тактического ядерного бомбардировщика). Смещение воздухозаборника под крыло ближе к двигателям позволяло уменьшить смачиваемую поверхность планера, но одновременно «обещало» высокую вероятность возникновения турбулентности потока внутри канала, как следствие воздействия потока, обтекающего крыло. Повышалась также вероятность «заглатывания» воздухозаборником пограничного слоя воздуха, "прилипшего" к нижней поверхности крыла. Все это вместе взятое приводило к росту радиальных флуктуаций давления вдоль диаметра компрессора двигателя. Представители фирмы Дженерал Дайнемикс в свое время обратили внимание на этот факт инженеров с фирмы Пратт энд Уитни. Двигателисты успокоили самолетчиков – флуктуации укладывались в существовавшие на тот момент допуски. Как выяснилось, допуски были справедливы для обычных, не двухконтурных, турбореактивных двигателей. На момент создания ТРДДФ TF-30 конструкторы не обладали достаточной информацией об особенностях двухконтурных турбин В документации, переданной разработчикам планера, вообще не содержалось конкретных числовых требований к вариациям давления воздушного потока перед компрессором.
Летом 1964 г. фирма Пратт энд Уитни получила данные о радиальных флуктуациях давления на основе продувок самолета в аэродинамических трубах. К ноябрю, за месяц до первого полета F-111, двигателисты завершили испытания турбины с имитацией перепада давления. Фирма Пратт энд Уитни по результатам испытаний дала официальное заключение о допустимости полученного самолетчиками разброса величин давления потока.
Скандал разразился после приостановки полетов первого прототипа по причине срыва компрессора. Выяснилось, что нормально летать на сверхзвуке самолет не способен. Самолет начинили дополнительной измерительной аппаратурой для замера параметров потока в воздухозаборниках и после двухнедельной задержки продолжили полеты. Неполадки с форсажными камерами и компрессорами ждать себя не заставили. Среди причин назывались дефект системы регулирования тяги на форсаже и несовершенство конструкции воздухозаборника. Двигатель TF-30-P-l являлся первым ТРДД с регулируемой на форсаже тягой. В форсажной камере имелось пять форсуночных колец, автоматически включавшихся при увеличении тяги, причем при включении очередного кольца выключалась часть работающих форсунок. Выключение отдельных форсунок иногда приводило к выключению форсажа вообще, в результате из резкого скачка давления обратного потока воздуха от форсажной камеры к компрессору происходил срыв работы последнего. Самое главное – полеты оснащенного дополнительной аппаратурой самолета привели к пересмотру допусков на флуктуации давления. К изменению давления по радиусу компрессора ТРДДФ оказался гораздо более чувствительным, чем просто ТРД. Подтвердилась предсказанная особенность компоновки самолета – воздухозаборник в полете на больших углах атаки или на больших высотах и сверхзвуке «глотал» пограничный слой.
Вообще, исследования влияния изменения давления на работу двигателя TF-30 начались только после очевидных неудач в испытательных полетах. Появились средства на оснащение прототипа датчиками и проведение серии полетов. Флот изучал работу турбины в высотной камере. В 1965 г. был проведен большой объем исследовательских работ, включая натурные продувки системы воздухозаборник- двигатель-сопло в аэродинамической трубе НИЦ им. Арнольда. По результатам исследования на самолете были установлены генераторы вихрей (тур- булизаторы), оптимизирующие поток в каналах подвода воздуха к двигателю.
В принципе, все эти работы следовало проводить, как минимум на год раньше. Но ранних этапах проектирования самолета TFX никто не обратился в НАСА с просьбой проведения исследований по вопросу согласования двигателя и воздухозаборника. Усилия НАСА были направлены исключительно на поиск путей снижения сопротивления самолета в маловысотном сверхзвуковом полете. Впрочем, эти исследования НАСА трудно назвать успешными – сопротивление реальной машины оказалось на 30-40% больше расчетного. В конце 50-х – начале 60-х годов самые светлые головы НАСА занимались совсем не авиацией, на первом плане стояли баллистические ракеты и космические аппараты.
Причины выяснили, осталось их устранить. Тут началась обычная история типа «Иван кивает на Петра». Двигателисты валили все на плохую конструкцию воздухозаборника. Парни с Дженерал Дайнемикс аргументированно возражали: «Величина флуктуаций давления не оговаривалась, а те значения, которые мы получили, вас в свое время устроили. Какие проблемы? Доводите до ума свою турбину». Под но- жимом высокого начальства спорящие пришли к компромиссу: фирма Дженерал Дайнемикс проводит комплекс мероприятий по снижения уровня флуктуаций давления, фирма Пратт энд Уитни увеличивает запасы устойчивости двигателя.
В августе 1966 г. министр обороны обязал фирмы Дженерал Дайнемикс и Пратт энд Уитни проводить совместные совещания. Совещания получили кодовое наименование «Икарус» и собирались еженедельно. В обязательном порядке в каждом (!) совещании принимали участие лично министр обороны, президент фирмы Дженерал Дайнемикс и президент фирмы Пратт энд Уитни В зависимости от повестки дня состав «гостей» менялся. «Усадить за один стол людей из Пратт энд Уитни и Дженерал Дайнемикс – единственный способ заставить их работать вместе», – сказал как-то в сердцах один из помощников Макнамары.
Уже но первом совещании «Икарус» Макнамара жестко заявил: «Спецификация 1963 г. пересмотру не подлежит… самолета с более низкими характеристиками не будет».
К 1966 г. стало ясно – надо или менять требования, или вносить серьезные изменения в конструкцию. На страже ТЗ стоял министр обороны, а менять конструкцию – означало заново готовить серийное производство. С целью сокращения сроков поступления «эпохального» самолета в войска, подготовку производства развернули в полном объеме еще в апреле 1965 г. Даже несмотря на огромные деньги, вбуханные в оснастку, Макнамара стоял на своем: «Контракт не будет подписан до разрешения всех технических проблем при сохранении характеристик на уровне спецификации 1963 г.». Пока же порешили поэтапно улучшать характеристики системы воздухозаборник-двигатель.
На первом этапе в воздухозаборнике установили турбулизаторы, на дозвуковых скоростях мера сработала. Затем появился так называемый воздухозаборник Triple Plow I с более тонкой верхней губой и увеличенной на 4 дюйма за счет изгиба щитка щелью для слива пограничного слоя. Внедрение воздухозаборника Triple Plow I позволило поднять ограничение по числу М с М=2 до М=2,35. Еще более радикальным решением стал воздухозаборник Triple Plow II. Сечение входного канала увеличили на 90 см² , щиток для слива пограничного слоя отодвинули еще но 4 дюйма. Теперь ограничение по максимальной скорости на большой высоте уже составляло М=2,4. С другой стороны изменение сечения воздухзаборника потребовало переделки конструкции фюзеляжа, а рост лобового сопротивления привел к снижению характеристик в маловысотном полете. Фирма Пратт энд Уитни внесла изменения в конструкцию форсажной камеры, компрессора и системы регулирования сопла.
Отработка дозаправки в воздухе
Уже после окончания программы испытаний F-l 11, один из конструкторов заметил: «Самолет научил скорее тому, чего не нужно делать, чем тому, что нужно». Урок пошел впрок: исследования совместимости двигателей и воздухозаборников самолетов F-15 и F-14 проводились задолго до первых полетов опытных машин.