Douglas D-558 Skystreak и Skyrocket: путь к двум Махам

После Второй мировой войны авиация подошла к рубежу, за которым привычные представления об устойчивости, нагрузках и управляемости переставали работать. Экспериментальные машины того времени должны были не просто летать быстрее предшественников, а буквально измерять, что происходит с самолётом при приближении к скорости звука и за её пределами. Для этого ВМС США и Национальный консультативный комитет по аэронавтике (NACA) развернули программу Douglas D-558 — от околозвукового Skystreak до ракетного Skyrocket, который в итоге вышел на два Маха.

От «малиновой пробирки» до мировых рекордов

Douglas D-558-1 Skystreak разрабатывался с 1945 года компанией Douglas Aircraft для Бюро аэронавтики ВМС США и NACA. Прямое крыло и один турбореактивный двигатель делали машину сравнительно простой: самолёт самостоятельно взлетал с аэродрома, что выгодно отличало его от ракетных аппаратов с ограниченным запасом топлива. Первоначальный план программы включал три этапа — турбореактивный исследовательский самолёт, машина со смешанной силовой установкой и проект боевой машины с учётом накопленного опыта. 22 июня 1945 года ВМС заказали шесть D-558-1, но построили лишь три — второй этап потребовал совершенно нового самолёта.

Строительство первого Skystreak началось в 1946 году и завершилось в январе 1947-го. Для фюзеляжа широко использовали магниевый сплав HK31, для крыла — алюминиевые сплавы. Не зная заранее величины нагрузок в околозвуковой области, конструкторы заложили разрушающую нагрузку, соответствовавшую перегрузке 18 g — это был запас прочности, а не разрешённая пилоту эксплуатационная перегрузка. Расчётный диапазон исследований составлял М=0,75–0,85 на высотах до 40 000 футов (около 12 200 м). Аэродинамические трубы того времени не давали надёжных сведений о таких режимах, поэтому Skystreak нёс не менее 500 фунтов (около 227 кг) приборов: акселерометры, тензометрические датчики и систему измерения давления через 400 отверстий в крыле. К осени 1947 года на втором самолёте масса аппаратуры достигла около 634 фунтов (288 кг).

Самолёт представлял собой свободнонесущий низкоплан с тонким круглым фюзеляжем, большим килем и горизонтальным оперением примерно на трети его высоты. Шасси — убирающееся, трёхопорное. Для спасения лётчика предусмотрели отделяемую носовую часть вместе с кабиной: после её торможения пилот покидал капсулу и раскрывал парашют. На машины ставили турбореактивный Allison J35-A-11, восходивший к разработанному General Electric двигателю TG-180: осевой компрессор, тяга 5000 фунтов-сил (около 22,2 кН), баки на 230 американских галлонов (примерно 871 л) керосина.

Теснота кабины оказалась не менее заметной особенностью машины, чем её скорость. Первоначальный закруглённый козырёк фонаря позднее заменили более обтекаемым V-образным, и места стало ещё меньше: лётчики надевали мягкие шлемофоны или замшевые накладки, чтобы не поцарапать остекление. Первые два Skystreak были алыми — отсюда прозвище «малиновая пробирка». Позднее машины NACA перекрасили в белый цвет, более удобный для оптического слежения и съёмки на чёрно-белую плёнку.

Первый из трёх построенных D-558-1 (номер 37970) поднялся в воздух 14 апреля 1947 года под управлением лётчика-испытателя Douglas Юджина Ф. Мэя на аэродроме Мюрок, впоследствии ставшем авиабазой Эдвардс. Уже 20 августа 1947 года коммандер ВМС США Тернер Колдуэлл установил на нём официальный мировой рекорд скорости: средняя скорость четырёх проходов по мерной трассе составила 640,663 мили/ч (около 1031,05 км/ч). Рекорд измеряли на высоте всего 75 футов — около 23 м. Пять дней спустя майор морской пехоты Мэрион Карл на втором D-558-1 поднял планку до 650,796 мили/ч (1047,35 км/ч). На отдельных участках высота не превышала 25 футов (7,6 м).

Здесь важно различать достигнутую скорость и официально зарегистрированный рекорд. 2 октября 1941 года Хейни Дитмар на Me 163A Komet преодолел рубеж 1000 км/ч — польский музей авиации и музей Messerschmitt приводят 1003,67 км/ч. Полёт не проходил процедуру регистрации Международной авиационной федерации (FAI), поэтому официальным рекордом не считался. Сообщалось и о более высоких скоростях немецких опытных машин: около 1004 км/ч у Me 262 S2 с Хайнцем Херлициусом в пикировании в 1944 году и 1130 км/ч, приписываемых полёту Дитмара на Me 163B V18 6 июля того же года. Датировка и условия этих попыток требуют уточнения, а максимальная скорость в пикировании и средняя скорость на мерной трассе — принципиально разные показатели.

Чуть позже внимание переключилось на ракетный Bell X-1: 14 октября 1947 года капитан ВВС Чак Йегер выполнил первый подтверждённый сверхзвуковой полёт на высоте около 13 км. Исследования высоких скоростей шли и в СССР: согласно сведениям Музея Победы, опытный СИ-01 — прототип МиГ-17 — впервые полетел 14 января 1950 года, а 1 февраля на заводских испытаниях достиг 1114 км/ч на высоте 2200 м. В США 19 ноября 1952 года капитан Дж. Слэйд Нэш на F-86D Sabre установил официальный рекорд примерно 1124,1 км/ч, а 16 июля 1953-го подполковник Уильям Барнс на той же модели довёл его до 1151,8 км/ч.

Рекордная история не отменяла опасности испытаний. 3 мая 1948 года после взлёта на втором Skystreak разрушился компрессор двигателя. Обломки повредили тросы управления рулём высоты и рулём направления; на малой высоте лётчик NACA Говард К. Лилли не смог спасти машину и погиб. До передачи NACA самолёт выполнил 27 полётов под управлением испытателей Douglas, ВМС и морской пехоты, а после передачи в ноябре 1947 года — ещё 19. Всего он налетал 46 раз, включая пять исследовательских полётов Лилли весной 1948 года.

Основную часть последующих исследований выполнил третий D-558-1 (номер 37972). К 10 июня 1953 года он совершил 82 полёта, из них 78 исследовательских; с 1949 по 1953 год на нём работали семь лётчиков NACA. Первый самолёт (NACA 140) самой NACA для полётов не использовался и служил источником запчастей для третьего — NACA 142. Два Skystreak сохранились: первый находится в Национальном музее морской авиации в Пенсаколе, третий — в музее авиации имени Салленбергера в Шарлотте. Главным результатом серии стали данные об устойчивом полёте в околозвуковой области: турбореактивная машина могла выполнять исследования дольше, чем ракетный самолёт с ограниченным запасом топлива.

Стреловидное крыло, два двигателя и опасный pitch-up

Douglas D-558-2 Skyrocket проектировали уже для выхода на сверхзвуковые скорости. От прямого крыла отказались в пользу стреловидного, а к турбореактивному двигателю добавили жидкостный ракетный. Главный конструктор Эд Хейнеманн счёл переделку фюзеляжа Skystreak слишком сложной: для двух двигателей требовались более вместительный корпус и другая компоновка. 27 января 1947 года контракт изменили — вместо трёх последних D-558-1 заказали три D-558-2. Так второй этап первоначальной программы превратился в отдельный проект.

Крыло и оперение Skyrocket делали из алюминиевых сплавов, обшивку фюзеляжа — преимущественно из магниевых. Турбореактивный Westinghouse J34-WE-40 со статической тягой 3000 фунтов-сил (около 13,3 кН) обеспечивал взлёт, набор высоты и посадку. Для ускорения на больших высотах служил четырёхкамерный жидкостный ракетный двигатель Reaction Motors LR8 — родственник XLR11, стоявшего на Bell X-1. Его номинальная статическая тяга достигала 6000 фунтов-сил (около 26,7 кН).

Новый самолёт имел длину 42 фута (около 12,8 м). Крыло со стреловидностью 35 градусов и размахом 25 футов (7,6 м) располагалось по схеме среднеплана; стреловидность горизонтального оперения составляла 40 градусов. Как и у Skystreak, предусматривались отделяемая носовая капсула и убирающееся трёхопорное шасси. Кабину изменили: вместо фонаря, вписанного в обводы фюзеляжа, установили приподнятый с угловатым остеклением — обзор стал лучше, но выросла боковая площадь. Для компенсации высоту киля увеличили на 14 дюймов (примерно 35,6 см).

Первый Skyrocket поднялся в воздух 4 февраля 1948 года: лётчик-испытатель Douglas Джон Ф. Мартин взлетел в Мюроке на машине, оснащённой тогда только турбореактивным двигателем. Особое внимание уделяли pitch-up — самопроизвольному кабрированию стреловидного самолёта, а также бафтингу, сопротивлению, нагрузкам на крыло и оперение. Исследовали взаимодействие крена, рыскания и тангажа, распределение давления и влияние струи ракетного двигателя на поперечную устойчивость. Испытания проводило подразделение NACA в Мюроке, получившее в 1949 году название High-Speed Flight Research Station (HSFRS). В 1954 году его переименовали; после создания NASA оно стало Центром лётных исследований имени Драйдена, а с 2014 года носит имя Нила Армстронга.

Три Skyrocket постепенно получили разные задачи и компоновки:

• NACA 143 (номер ВМС 37973) — 123 полёта, из них 122 в программе Douglas. Сначала летал с турбореактивным двигателем, позднее — со смешанной силовой установкой. В турбореактивном варианте баки вмещали 260 американских галлонов бензина (984 л), взлётная масса составляла 10 572 фунта (4795 кг). Испытания в основном подтвердили расчёты аэродинамических труб, хотя выше М=0,85 сопротивление оказалось меньше ожидаемого.
• NACA 144 (37974) — Роберт А. Чампин и Джон Х. Гриффит выполнили 21 полёт, проверяя измерение воздушной скорости, устойчивость и управляемость. В августе 1949 года они столкнулись с опасным самопроизвольным кабрированием. В 1950-м инженеры Douglas заменили турбореактивный двигатель ракетным LR8: теперь для старта требовался самолёт-носитель.
• NACA 145 (37975) — сохранял оба двигателя. К ноябрю 1950 года лётчики Douglas Юджин Ф. Мэй и Бриджмен выполнили на нём 21 испытательный полёт. Затем Скотт Кроссфилд и Уолтер Джонс до лета 1953 года исследовали способы борьбы с кабрированием: меняли аэродинамические гребни, предкрылки и форму передней кромки крыла.

В семи полётах на NACA 144 лётчик Douglas Уильям «Билл» Бриджмен развил скорость М=1,88 7 августа 1951 года, а 15 августа поднялся на неофициальную рекордную высоту 79 494 фута — около 24 230 м. В ракетной версии самолёт подвешивали под фюзеляжем носителя P2B-1S — переоборудованного военно-морского варианта Boeing B-29. Носитель (учётный номер 84029) носил прозвище Fertile Myrtle и обозначение NACA 137. Для подвески Skyrocket под переделанным бомбовым отсеком носитель поднимали на домкратах, затем P2B набирал около 30 000 футов (9100 м); исследовательский самолёт отделялся, и его пилот, убедившись в безопасном расхождении с носителем, запускал ракетный двигатель.

На сверхзвуковых скоростях Бриджмен столкнулся с резкими самопроизвольными кренами. Особенно выраженной поперечная неустойчивость была во время июньского полёта до М=1,85, когда машина переходила из набора высоты к полёту с малым углом атаки. При достижении М=1,88 7 августа колебания оказались слабее, но проблему сочли достаточно серьёзной для отдельной программы NACA, начавшейся в сентябре 1951 года.

Гребни облегчали выход из опасного режима, удлинение передней кромки — нет, вопреки прогнозам аэродинамических труб. Полностью выпущенные предкрылки устраняли склонность к кабрированию за исключением диапазона примерно М=0,8–0,85. На третьей машине также проверяли влияние макетов бомб и подвесных баков при М=0,7–1,3. Различались и запасы компонентов топлива: ракетный NACA 144, а после переоборудования в 1955 году и NACA 143, имели LR8-RM-6 и баки на 345 американских галлонов жидкого кислорода (1306 л) и 378 галлонов разбавленного этилового спирта (1431 л); стартовая масса этой конфигурации достигала 15 787 фунтов (7161 кг). На NACA 145 стояли LR8-RM-5 и J34-WE-40; его баки вмещали 170 галлонов кислорода (644 л), 192 галлона спиртового горючего (727 л) и 260 галлонов бензина (984 л). Стартовая масса смешанной конфигурации составляла 15 266 фунтов (6925 кг).

Семь секунд, которые дали два Маха

К 1953 году лётчик NACA Альберт «Скотт» Кроссфилд успел совершить примерно 20 полётов на Skyrocket за два года. Он исследовал продольную и поперечную устойчивость, нагрузки, управляемость и бафтинг на скоростях до М=1,878. Но для получения данных в районе двух Махов требовался следующий шаг. 21 августа 1953 года подполковник морской пехоты Мэрион Карл достиг на NACA 144 неофициальной рекордной высоты 83 235 футов — около 25 370 м при максимальной скорости М=1,728. Из-за воздушного старта результат не зарегистрировали как официальный рекорд высоты. После этих полётов инженеры установили удлинители сопел LR8, снизив воздействие ракетной струи на руль направления. По данным NASA, они также добавили 6,5 % тяги при М=1,7 и на высоте 70 000 футов (около 21 300 м).

Руководитель HSFRS Уолтер К. Уильямс давно добивался разрешения исследовать режим двух Махов, но руководство NACA не хотело превращать программу в погоню за рекордами. Кроссфилд получил согласие Бюро аэронавтики ВМС США, и директор NACA Хью Л. Драйден в конце концов разрешил попытку. Теперь требовалось выиграть хотя бы несколько секунд работы двигателя. Фюзеляж Skyrocket покрыли воском, щели заклеили лентой, а спиртовое горючее охлаждали и заправляли заранее, чтобы после охлаждения компонентов и баков дополнить его запас. Выступавшие стальные трубки сброса компонентов топлива заменили более лёгкими алюминиевыми и изогнули так, чтобы после запуска двигателя их концы попадали в ракетную струю, обгорали и отпадали. Баки и форсунки камер сгорания при этой доработке не меняли.

Инженер проекта Герман О. Анкенбрук рассчитал профиль полёта: подъём примерно до 72 000 футов (21 900 м), затем пологое пикирование. Ожидалось, что 200 секунд работы ракетного двигателя хватит, чтобы превысить два Маха. Утром 20 ноября 1953 года в пустыне было холодно и ветрено. Ослабленный гриппом Кроссфилд подошёл к P2B, под которым уже закрепили Skyrocket. В предрассветных сумерках механики, кутавшиеся от холода, проверяли шланги, кабели и наземное оборудование.

При заправке перекисью водорода едва не произошла беда. Она служила не основным ракетным топливом, а приводила турбонасос; двигатель работал на спиртовом горючем и жидком кислороде. Один вентиляционный канал обледенел, и при заполнении бака перекись выбросило через другой выход системы прямо в лицо механику. Сослуживец немедленно облил пострадавшего водой и отправил в медицинский пункт. Кроссфилд вспоминал о белых пятнах от перекиси и на коже человека, оказавшего помощь. Заправку и подготовку продолжили.

На высоте около 10 000 футов (3050 м) Кроссфилд перебрался из носителя в кабину D-558-2. Система поднимала давление в кабине очень быстро, что из-за гриппа могло вызвать боль в носовых пазухах. Пилот воспользовался простой пробкой в трубке подачи воздуха и, постепенно вынимая её, плавно поднял давление до рабочего. После отделения Skyrocket от носителя солнечный свет ударил Кроссфилду в глаза, самолёт накренился вправо. Пилот поочерёдно включил камеры ракетного двигателя, выдерживая паузу после каждого запуска. Машина ускорилась, горизонт исчез из виду, а P2B быстро отстал.

На высоте примерно 72 000 футов (21 900 м) Кроссфилд перевёл самолёт в пологое пикирование с работающим двигателем и следил за указателем числа Маха. Вместо расчётных 200 секунд двигатель проработал 207 секунд. Перед выработкой топлива стрелка перешла отметку два и достигла М=2,005 — около 1291 мили/ч, или 2078 км/ч, по уточнённым данным. В этот момент самолёт находился на высоте примерно 62 000 футов (18 900 м). Бортовая аппаратура зафиксировала первый полёт человека со скоростью более двух Махов. Охлаждение горючего позволило получить семь дополнительных секунд работы двигателя — они пришлись как раз на завершающую часть разгона.

После выключения двигателя Skyrocket вошёл в более плотные слои воздуха и резко замедлился — Кроссфилда бросило на плечевые ремни. При снижении скорости с М=1,8 до М=1,0 машину ненадолго сильно затрясло. Теперь предстояла посадка без работающего двигателя. Подходя к высохшему озеру на высоте около 15 000 футов (4570 м), Кроссфилд выполнил победную бочку. Самолёты сопровождения заняли места у его крыла. Skyrocket коснулся поверхности между двумя чёрными линиями в намеченной точке и остановился через 12 минут после отделения от носителя. Это был единственный полёт D-558-2, в котором удалось достичь двух Махов.

Результат продержался меньше месяца. Уже 12 декабря 1953 года Чак Йегер на Bell X-1A разогнался до М=2,44 на высоте 74 200 футов (около 22 620 м). NASA приводит скорость порядка 1612 миль/ч, или 2594 км/ч. Затем самолёт потерял устойчивость и начал неуправляемое вращение, из которого Йегеру удалось выйти. Соперничество с командой NACA он называл «Operation NACA Weep». И этот полёт был экспериментальным достижением, а не официальным рекордом FAI на мерной трассе.

Официальные рекорды турбореактивных самолётов с наземным стартом развивались отдельно. 16 мая 1958 года капитан Уолтер Уэйн Ирвин на Lockheed YF-104A зарегистрировал 2259,538 км/ч (1404,012 мили/ч) на прямой базе 15–25 км. Однако двух Махов самолёты семейства F-104 достигали уже с апреля 1956 года: NASA называет дату 24 апреля. Число Маха зависит от местной скорости звука, поэтому не переводится в км/ч одним постоянным коэффициентом. В СССР 31 октября 1959 года испытатель ОКБ Артёма Микояна Георгий Константинович Мосолов на Е-66, рекордной модификации МиГ-21, установил официальный рекорд на прямой базе 15–25 км — 2388 км/ч. В реестре FAI указан именно 1959 год.

Наследие: от Century Series до музеев

Рекорд не завершил работу Skyrocket. Кроссфилд, Джозеф А. Уокер и Джон Б. Маккей продолжили исследования распределения давления, нагрузок на конструкцию и её нагрева. Первый Skyrocket, NACA 143, после передачи NACA хранили до 1954 года, а в 1954–1955 годах переоборудовали в ракетную машину с воздушным стартом; Маккей совершил на нём единственный полёт NACA 17 сентября 1956 года. Последний вылет всей программы состоялся 20 декабря 1956 года: Маккей изучал динамическую устойчивость и уровни звукового давления на околозвуковых и сверхзвуковых скоростях.

Всего три D-558-2 выполнили 313 полётов: 123 на NACA 143, 103 на NACA 144 и 87 на NACA 145. Накопленные данные помогли разобраться с проблемами стреловидного крыла и пригодились при создании следующих поколений самолётов, включая истребители американской Century Series — F-100, F-101, F-102, F-104, F-105 и F-106.

Компания Douglas рассматривала и гиперзвуковые проекты. Один из них, известный в популярной литературе как D-558-3 Skyflash, связывают с расчётной скоростью до М=9, но самолёт так и не построили. В материалах NASA по предыстории X-15 фигурирует также проект Douglas Model 671 с исходной целью полёта примерно на 1 000 000 футов (305 км); обозначение D-558-3 в официальных отчётах об этом исследовании не использовалось. Практическую программу сверхскоростных высотных полётов продолжил North American X-15.

Все три Skyrocket сохранились. Первый, NACA 143, выставлен в музее Planes of Fame в Чино, Калифорния. Второй, NACA 144, на котором Кроссфилд преодолел два Маха, входит в коллекцию Смитсоновского национального музея авиации и космонавтики; по карточке музея, в открытой экспозиции он не представлен. Третий, NACA 145, установлен на пилоне колледжа Антилоп-Вэлли в Ланкастере, Калифорния.

История D-558 — это редкий пример того, как экспериментальная программа, задуманная как инструмент для сбора данных, а не как гоночный проект, всё равно вошла в историю рекордом. Skystreak доказал, что турбореактивный самолёт способен методично исследовать околозвуковую зону дольше любого ракетного аппарата. Skyrocket пошёл дальше и на 207 секундах работы двигателя перешагнул рубеж двух Махов — причём решающими оказались не только тяга и стреловидное крыло, но и воск на фюзеляже, охлаждённый спирт и обгорающие алюминиевые трубки. Именно эта смесь инженерной точности и импровизации превратила машину, изначально задуманную как ступень к боевому самолёту, в один из ключевых источников знаний о сверхзвуке для всего следующего поколения истребителей.