[На главную] [Библиотека] [Динамика основных характеристик, ч.2.]

Динамика основных характеристик одномоторных поршневых самолетов- истребителей периода Второй мировой войны.

1.Введение

2.Постановка задачи методика и охват

3.Динамика основных характеристики

3.2Скорость максимальная

3.3Вооружение

3.4Удельные нагрузки

3.5Мощность двигателя

3.6Взлетный вес

3.7Практический потолок

3.8Дальность полета

4.Заключение  

5.Приложение (Таблица 1, Таблица 2)

6.Список литературы

1.Введение

К концу Второй мировой войны поршневые истребители достигли максимально возможной степени совершенства. Тип одномоторного поршневого  самолета-истребителя, сформировавшийся к началу войны- свободнонесущий моноплан, с убирающимся шасси,  высокой нагрузкой на крыло, совершенной аэродинамикой  не только утвердился окончательно, но и достиг вершины своего развития . Об этом, в частности, красноречиво свидетельствует сходство внешнего вида  истребителей различных моделей и даже стран на   завершающем этапе войны, особенно заметное у самолетов с двигателем жидкостного охлаждения. Авиаконструкторы основных авиационных держав (СССР, Германия, Великобритания, США и Япония), начали совершенствование своих истребителей в разных начальных условиях,  производили его в разной обстановке, по разным направлениям, но результаты, в конечном итоге, получились близкие по сути- предельные для данного класса самолетов.  Дальнейшее развитие истребительной авиации определялось уже успехами реактивного самолетостроения.

Удовлетворение насущных потребностей воздушной войны, стремление получить качественное и количественное преимущество над противником привело к непрерывному, продолжавшемуся всю войну, усовершенствованию конструкций самолетов, улучшению их тактико-технических характеристик, увеличению объемов производства. Все основные характеристики истребителей в ходе войны в большей или меньшей степени изменялись, причем, за некоторыми локальными исключениями, в сторону улучшения. Пожелания  военных при очередной модернизации истребителей различались, и довольно значительно, в зависимости от принятой тактики применения истребительной авиации и концепции использования ВВС в целом, особенностей ТВД, стратегической обстановки на фронтах, реальных возможностей авиационной промышленности , но, как правило, сводились к пожеланиям увеличению максимальной скорости и мощности вооружения.  

Создание любой технической системы, особенно столь сложной, находящейся на грани возможностей науки, техники, промышленности,  как боевой самолет есть процесс поиска компромисса, баланса между значительным количеством противоречивых требований, причем зачастую не только технического характера. Таким образом, улучшение одних характеристик неизбежно приводит нарушению существующего баланса и некоторому, более или менее значительному, ухудшению других, пусть даже не имеющих отношения непосредственно к ТТХ самолета, но не менее важных при стратегическом планировании (увеличение сложности и стоимости конструкции, трудности со снабжением промышленности и армии и т.д.). Если при очередной модернизации самолета улучшение заданных характеристик привело к резкому, неприемлемому ухудшению одной или нескольких других значимых характеристик, то можно считать, что возможности дальнейшей модернизации данной  модели полностью исчерпаны.

Совершенствование ТТХ характеристик истребителей осуществлялось путем создания их новых модификаций, т.е. внесением более или менее существенных изменений в конструкцию, направленных на достижение заданных характеристик. Цели и задачи создания новых модификаций могут быть различными: расширение сферы тактического применения самолета; завоевание преимущества над техникой противника или ликвидация своего отставания; "спасение" устаревающей или неудачной модели путем придания ей новых качеств; приспособление к условиям массового производства и т.д. Строгого формального определения модификации по критерию количества внесенных в конструкцию изменений, для разграничения, с одной стороны, с созданием новой модели и неизбежными в ходе массового производства различиями между сериями с другой, не существует. Тут открывается большой простор для толкований.

Однако далеко не все типы истребителей, созданных накануне и в ходе войны, даже с учетом глубоких модернизаций и изменения роли , дожили до окончания боевых действий. Ниже предпринята попытка выяснить, какие именно характеристики, их сочетания и изменения способствовали выживанию самолета как типа. Задачи сравнения и ранжирования различных моделей истребителей в какой либо форме и по какому либо показателю выходит за рамки этой статьи и не ставится. 

Упрощенно, но с достаточной для целей данной статьи точностью,  Вторую мировую войну можно разделить  на три периода: 

При всем различии исхода, характера, масштабов и задач воздушной войны, количественных и качественных характеристик техники и  тактики ее применения на различных этапах, можно выделить общий существенный для целей этой статьи момент . Истребители, стоящие на вооружении противоборствующих сторон во всех периодах войны можно разделить на три группы по стадии жизненного цикла (далее по тексту- группа) :   

1.Новые модели, возможно, не в полной мере изжившие детские болезни, но построенные с учетом опыта боевого применения предшественников, с использованием последних достижений науки и техники,    обладающие лучшими характеристиками и большими ресурсами для последующей модернизации.

2. Самолеты, прошедшие через несколько модернизаций, в большей или меньшей степени избавившиеся от болезней роста, хорошо освоенные промышленностью и войсками, находящиеся на высшей стадии своего развития и составляющие основу боевой мощи соответствующих ВВС.    

3. Устаревшие модели и модификации, полностью исчерпавшие возможности дальнейшей модернизации (в эту группу, по видимому, можно отнести и изначально неудачные модели, производство  которых по тем или иным причинам все же велось ).

Не всегда просто однозначно отнести ту или иную модель к одной из вышеперечисленных групп, слишком много факторов- технических, политических, военных, экономических приходится учитывать при подобной классификации. С целью удержания объема данной работы в рамках, характерных для статьи, ниже используются исключительно технические показатели. Очевидно, что в ходе войны, по мере появления новых, более совершенных модификаций, происходила плавная миграция  , переход истребителей из одной группы в другую. Самолеты, еще совсем недавно находившиеся на вершине авиационной мысли, не выдерживали конкуренции с новыми моделями и модификациями истребителей, как своих , так и противника и- становились устаревшими. Но история знает и другие примеры. Самолеты, не удовлетворявшие предъявляемым к ним требованиям изначально, несовершенства конструкции, или  же переставшие соответствовать им в ходе изменения характера боевых действий, концепции применения авиации, общего технического уровня противоборствующих сторон, тем не менее оставались основной силой своих ВВС вследствие отсутствия, по тем или иным причинам адекватной замены (наиболее яркий пример- "Зеро"). Если в первом варианте все достаточно очевидно, то во втором возможны несколько вариантов классификации.  Зачастую, при переходе самолета в низшую группу, происходит создание его ударные и разведывательных модификаций, как попытка продлить жизнь модели в новом качестве. Иногда такие попытки оказываются удачными. Однако считать, что создание таких модификаций свидетельствует о устарелости модели в целом - неправильно, яркий пример- P-51 и Fw.190. 

2. Постановка задачи, Методика и охват

Для  описания тактико-технических характеристик истребителей используется огромное количество показателей: скорость, маневренность, вооружение, дальность полета, потолок, надежность, эксплуатационная и боевая живучесть  и т.д... Одни характеристики являются количественными, хорошо формализуются и исчерпывающе описываются одним или несколькими цифровыми значениями, другие же, качественные, имеют достаточно субъективную природу и весьма плохо поддаются формальному представлению и оценке. Здесь для выявления динамики характеристик в целом, их взаимосвязи, влияние на них внешних факторов, как технического так и военного характера,  оценки принадлежности самолета к той или иной группе,  изменений этой принадлежности  используются исключительно количественные, объективные, формальные, не требующие предварительной обработки и приведения к общему знаменателю, достаточно подробно описанные в общедоступной литературе характеристики. А именно:

Выбор столь скромного набора показателей, на котором будут строиться дальнейшие рассуждения объясняется как желанием избежать попыток объять необъятное, так и более объективными причинами. Числовые показатели, характеризующие маневренность истребителя формальны и объективны, но их конкретные значения сильно зависят от методики измерения и стандартных условий. Так, время и радиус виража, скороподъемность, набор высоты за боевой разворот  сильно зависят от скорости и высоты выполнения маневра.  Выбор высоты, время набора которой оценивается, определяется высотными характеристиками двигателя. Определение этих и других характеристик в одинаковых условиях достаточно затруднительно, если вообще возможно. Линейная интерполяция вряд ли способна дать удовлетворительный результат, поскольку высотные характеристики двигателей и самолетов в целом нелинейные и , как правило,  имеют один или несколько изломов на границах высотности.   Более того, сам выбор начальных условий во многом предопределит и, следовательно, исказит результаты вычислений, поскольку наиболее выгодные с точки зрения маневренности диапазоны высот у разных моделей могут быть весьма отличными. В некоторой степени удельная нагрузка на крыло и удельная нагрузка на мощность косвенно определяют маневренные свойства истребителя и, в том числе и по этой причине, включены в обзор.

Другие, не менее значимые характеристики, такие как маневренность в целом,  боевая и эксплуатационная живучесть, удобство в обслуживании и эксплуатации, доступность в освоении летным составом, гибкость тактического применения, приспособленность к массовому производству являются, безусловно, объективными, но с трудом поддаются формальному описанию и численному представлению. При оценке этих показателей приходится использовать метод  экспертных оценок, что, во- первых, вносит элемент субъективизма и предвзятости, и, кроме того, как и в предыдущем примере, затрудняет приведение величин этих показателей к единому знаменателю. Конструктивные отличия- наличие и степень механизации крыла, оборудование  кабины пилота,     

Геометрические размеры самолетов (длина самолета, размах и площадь крыла, колея шасси, противокапотажный угол и т.д.), подробные весовые характеристики (вес масла, горючего, боекомплекта, брони и т.д.) опущены, поскольку, хотя по ним можно судить о некоторых свойствах самолета,  их использование для целей данной стати без дополнительного обширного материала субъективного характера невозможно. Аэродинамическое совершенство является, безусловно, важной характеристикой самолета. Эта характеристика, в неявном виде, содержится в величине максимальной скорости самолета.

Абсолютное значение нормального полетного веса представляет интерес как разве что как демонстрация различия концепций проектирования, принятых в разных странах. Представление на одном графике столь разных по весу самолетов как, например, Як-3 и P-47N может вызвать определенные сомнения, но, поскольку задачи сравнения самолетов здесь не ставятся, использование этого показателя представляется достаточно правомерным. Кроме того, представляет интерес изменение полетного веса в рамках модификаций базовой модели; резкое его увеличение может свидетельствовать о исчерпании возможностей дальнейшей модернизации самолета, хотя однозначно делать такой вывод только на основании весовых характеристик, без учета динамики прочих,  объективных и субъективных, параметров безусловно, нельзя.

Максимальная скорость является одной из важнейших характеристик истребителя. На протяжении всей войны фронт требовал все более скоростных самолетов. Удовлетворение этих требований привело, к концу войны, к достижению отдельными модификациями скоростей, близких к предельно возможным для  самолетов с поршневым двигателем. Для боевых поршневых самолетов  скорости, достигнутые к концу войны наиболее скоростными истребителями, по видимому, являются предельными не только по историческим, но и по техническим причинам- аэродинамика  истребителя неизбежно хуже аэродинамики рекордного самолета, кроме того, военный самолет неизбежно тяжелее, к нему предъявляются  жесткие требования по живучести в боевых условиях. С другой стороны, несмотря на то, что к началу Второй мировой войны разделение истребителей на скоростные и маневренные окончательно изжило себя, диапазон максимальных скоростей моделей, даже относящихся к одной группе и одному периоду, достаточно широк. Следовательно, относить конкретную модель к той или иной группе только исходя из максимальной скорости также некорректно. Среди них - тактическое и функциональное назначение самолета, принятая в данной стране в данное концепция использования истребительной авиации, ее цели и задачи, общая стратегическая обстановка.

Значимость дальности полета определяется как особенностями конкретного ТВД, так и тактическим предназначением истребителя. Очевидно, что требования к дальности полета для  истребителя сопровождения и фронтового истребителя будут резко различаться, равно как и для истребителей восточного фронта и Тихоокеанского ТВД.  Кроме того, поскольку дальность полета самолета прямо пропорциональна запасу горючего, то принципиальная возможности использования на многих моделях подвесных топливных баков значительно усложняет картину. Таким образом, анализ этого показателя позволит наиболее явно показать все многообразие целей и задач, решаемых истребителями в ходе войны. 

 Требования к высоте полета  зависят, главным образом, общим характером воздушной войны на конкретном ТВД,  и, в меньшей степени, функциональным назначением истребителя. 

Мощность двигателя- одна из важнейших характеристик самолета, во многом определяющая многие другие : максимальную скорость, скороподъемность, приемистость и, косвенно, - вооружение, бронирование. Недостаток мощности вынуждает ограничивать взлетный вес самолета путем отказа от усиления вооружения, защиты, прочности конструкции планера, увеличения запаса топлива, что неизбежно снижает эффективность истребителя. И, напротив,  установка более мощного двигателя позволяет улучшить летные качества самолета, и, зачастую, положительно решить вопрос выживаемости модели. Тем не менее, только по мощности двигателя, равно как и по любой другой отдельно взятой  характеристике нельзя судить о принадлежности самолета к той или иной группе.  Наиболее яркий пример- "Спитфайр" и "Харрикейн" ранних модификаций. Мощность двигателя указывается взлетная или максимальная, безотносительно к высоте, на которой эта мощность достигается. Если конструкцией двигателя предусмотрена возможность  кратковременного увеличения мощности (системы MW-50  и т.п.), приводится мощность с учетом действия этих систем. При наличии у некоторых модификаций   нескольких вариантов двигателей без введения дополнительного обозначения или отдельной модификации- учитывается самый мощный двигатель.

По величине удельной нагрузки на крыло можно косвенно оценить горизонтальную маневренность самолета, его пилотажные свойства, сложность управления. Индуктивное сопротивление крыла, вносящее основной вклад в аэродинамическое сопротивление самолета в целом, зависит от размаха и площади крыла, и, следовательно, косвенно- от нагрузки на крыло.  Упрощенно можно сказать, что при прочих равных условиях,  самолет с меньшей удельной нагрузкой на крыло будет более маневренным, менее скоростным и более простым в управлении, чем  самолет с большей нагрузкой. 

Летные характеристики истребителя, его скорость, маневренность, дальность полета , безусловно, являются важными критериями оценки общего  качества самолета, степени соответствия предъявляемым требованиям.   Но истребитель- все же не спортивный самолет. По большому счету, совокупность летных характеристик,  выбор наиболее приоритетных показателей, определение путей  их совершенствования, имеют ценность лишь в той степени, в которой способствует выполнению основной задачи истребителя, да, пожалуй, и любого другого класса боевых самолетов: доставке бортового вооружения самолета в точку его применения. С другой стороны, истребитель, обладающий мощным вооружением, но недостаточными летными качествами, не обеспечивающими выход на позицию атаки типичной для данного класса самолетов цели следует считать непригодным для решения поставленных задач и/или устаревшим. Рано как и самолет с превосходными летными характеристиками, но вооружение которого не позволяет эффективно поразить цель. На этом примере наиболее ярко видна противоречивость требований, предъявляемых к истребителю. Направления поиска компромисса, степень приоритетности одного из противоречивых требований сильно различались для разных стран и разных периодов войны. 

Для пушечно- пулеметного вооружения истребителей рассматриваемого периода характерно  большое разнообразие схем размещения, количества и калибра стволов, характеристик оружия. С целью приведения численных характеристик вооружения различных моделей и модификаций к общему знаменателю здесь вводятся интегральные характеристики, вычисляемые на основе количества и номенклатуры установленного на истребителе оружия и его баллистических характеристик, позволяющие не только, в некоторой степени, оценить эффективность вооружения, но и выявить различия в  подходах к вооружению истребителей. Такими характеристиками являются  вес секундного залпа (2.1), суммарная дульная энергия(2.2) и  суммарная дульная мощность (2.3)

   (2.1)       (2.2)   (2.3) 

где m- вес снаряда (пули), v- начальная скорость снаряда (пули), r- скорострельность, n- общее число стволов.

Вес секундного залпа (2.1.) - простейшая и наиболее понятная характеристика. Однако  этот показатель не учитывает внешней баллистики снаряда/пули. Оружие, обладающее большой скорострельностью, но малой начальной скоростью будет иметь большой вес секундного залпа, но низкую боевую эффективность вследствие недостаточной кинетической энергии боеприпаса.  Величина дульной энергии позволяет оценить разрушительное воздействие кинетической энергии единичного снаряда или пули на цель (без учета действия заряда взрывчатого вещества, если таковой имеется). Соответственно, суммарная дульная энергия характеризует разрушительное воздействие единичного (по одному выстрелу из каждого ствола) залпа всего бортового оружия истребителя. С другой стороны, воздушный бой, особенно против истребителей, весьма скоротечен, время на прицеливание ограничено, энергично маневрирующая цель находится в зоне поражения  очень недолго. С учетом этого, для обеспечения попадания в цель и ее поражения необходимо за ограниченное время произвести максимальное число выстрелов. Таким образом, оружие, обладающее большой начальной скоростью, но малой скорострельностью, несмотря на большую величину дульной энергии, будет малопригодно для воздушного боя. Две выше приведенные интегральные характеристики учитываю каждая только по две из трех основных баллистических характеристик оружия. Для ликвидации этого недостатка здесь введена (суммарная) дульная мощность (2.3), учитывающая скорострельность, начальную скорость и вес снаряда и определяемая как дульная энергия, произведенная за единицу времени.

Субъективная оценка эффективности различных схем вооружения не производилась, но ее следует иметь в виду при анализе результатов численного анализа вооружения.

Из вышесказанного следует, что выбранный набор характеристик не позволяет, без привлечения других,  качественных критериев распределить множество модификаций по группам. Такими критериями, прежде всего, являются особенности ТВД, на котором, в основном, применялся тот или иной самолет и вытекающие из этих особенностей и принятой концепции использования как истребительной авиации, так и ВВС в целом специфические требования к отдельным характеристикам. Ряд моделей боле или менее успешно использовался в боевых действиях на нескольких ТВД. Здесь учитывается основной для данной модели.

В данный обзор включены массовые модели и модификации одномоторных одноместных поршневых  самолетов- истребителей совершившие первый полет, принятые на вооружение,  или серийно выпускавшиеся в годы Второй мировой войны (1.09.1939-2.09.1945). Для каждой модели и модификации в качестве расчетной даты  принята дата начала серийного производства или дата первого полета эталона. Во время войны эти даты, как правило, различались не более чем на несколько месяцев. Для самолетов, выпуск которых начат до войны, указывается 1.09.1939. Несмотря на то, что США и  Италия официально вступили в войну после 1 сентября 1939 г., самолеты  этих стран рассматриваются с начала войны. 

Разделение по функциональному и тактическому предназначению не производилось, ударные и разведывательные модификации учтены,  учебные и поплавковые варианты не рассматриваются, немецкие полевые переделочные комплекты исключены.  Разделение  результатов модернизации самолетов на создание новой модели и модификацию существующей модели производится исключительно по формальному признаку, а именно по системе наименований, на основании его синтаксического анализа. Ели по результатам модернизации самолету присвоен индекс, в котором изменилась неизменяемая при предыдущих модернизациях часть, то считаем результатом модернизации создание новой модели. Если изменилась только изменяемая часть индекса, то это модификация. При анализе используется система наименования, используемая в стране- производителе. Исключение сделано только для Як-1, список модификаций которого взят из [3]

Если при выпуске самолетов различными фирмами по лицензии им присваивалось отдельное наименование, то они включаются в обзор только при наличии существенных изменений в конструкции по сравнению с эталоном. Так, включен FM-2, исключены FM-1 и "Харрикейн XII".

В качестве критерия массовости произвольно и субъективно принята цифра в сто выпущенных экземпляров оцениваемой модификации. Подобное ограничение исключает из рассмотрения ряд интересных машин (Ta-152, Як-9К, CR-714 и др.), но, поскольку введение критерия массовости неизбежно в рамках данной статьи и  вызвано желанием выявить значимые тенденции, и любое, даже меньшее его значение обязательно приведет к отсеву интересных мелкосерийных самолетов, то принятая цифра представляется ничуть не хуже любой другой. 

Также за рамками данного обзора осталось огромное количество малотиражных моделей заведомо устаревших самолетов, находящихся на вооружении, прежде всего, ВВС второстепенных в военном отношении стран, и истребители, состоящие на вооружении и удовлетворяющие критерию массовости, но  серийный выпуск которых на момент начала войны был прекращен. Далеко неполный список проигнорированных моделей: Ди-6;И-15, И-16 ранних типов; Bf.109 ранних модификаций; Ренард R-37, R-38; Глостер  "Гантлет"; Бристоль "Бульдог"; Канадиан Кар энд Фаундри FDB-1; Арадо Ar-68; Хейнкель He-51, He-112, He-113; Авиа B.135; Кертис "Хаук"; Северски P-35; Фоккер C.V.D., D.XXI; Фиат Cr.32; PZL P-XXIV, P-XI; Бреда 65; Луар-32; Девуатин D-27, D-500, D-510; Потез-63; Моран-Сольнье MS-225 ; Koolhoven F.K.58, Ta-152,  И-185, A7M, Многие из вышеперечисленных самолетов оставили заметный след в истории авиации, некоторые успели показать себя в конфликтах второй половины 30-х гг., но к началу Второй мировой их время уже ушло, и в боях начального периода войны они, как правило, становились легкой добычей более совершенных истребителей и были быстро уничтожены или выведены из строевых частей.

Таким образом, дальнейшие рассуждения строятся на анализе характеристик следующих моделей истребителей:

Полный список рассмотренных модификаций и их ТТХ приведен в Таблице 1.(она очень большая), ТТХ вооружения -Таблице 2

(2.4)
(2.5)
(2.6)

Для перечисленных выше показателей приведен ряд графиков, набор которых определяется индивидуально для каждого. Общим для всех показателей является  график зависимости величины текущей характеристики от времени, построенный на всей выборке модификаций, для которых эта величина имеется в таблице. Каждой паре "расчетная дата- характеристика" соответствует точка на графике, цвет точки определяется национальной принадлежностью самолета.  К сожалению, из соображений читабельности графика, подписи к точкам данных опущены. Следует заметить, что точки на диаграммах показывают начало выпуска (службы) новой модификации самолета, дата прекращение прекращения серийного производства и, тем более, дата снятия с вооружения не показаны. Т.е. параллельный выпуск и боевая служба устаревших, устаревающих и современных модификаций, являющийся обычной практикой для всех воюющих стран графически никак не отображен.  Это необходимо учитывать при распределении модификаций по группам.

На этом типе графика толстой красной линией показано среднее значение характеристики за всю войну, тонкие красные линии- среднее значение характеристики за соответствующий период. Усреднение, здесь и далее,  производится по количеству модификаций, представленных в настоящем обзоре (2.4), и для которых имеется значение рассматриваемого показателя, без учета количества как  выпущенных машин в целом, так и находящихся в строю. Т.е. в настоящем обзоре используются не средние значения по конкретному ТВД или ВВС, но, скорее, по конструкторским бюро. Такой подход представляется достаточно оправданным, хотя и не бесспорным, поскольку основной предмет данной статьи- ТТХ самолетов, причины и характер их изменений, а не мобилизационные возможности экономики и особенности тактики конкретных ВВС. 

Кроме того, толстой зеленой линией показана линия тренда (тенденция), построенная для всей выборки моделей за всю войну, без разделения по национальной принадлежности. Тонкие зеленые линии- аналогичный  тренд за соответствующий период. В настоящей работе используется линейный тренд  вида y = mx + b (2.4), (2.6), что обеспечивает хорошую наглядность в сочетании с приемлемой для целей и задач статьи   адекватностью.

В отдельный график, из соображений читабельности, выделены линии тренда, построенные на выборке модификаций за всю войну, но уже с разделением по национальной  принадлежности самолетов. Более мелкое дробление выборки (по странам и периодам ) не производилось, поскольку полученные в результате подобного разделения выборки трудно назвать представительными. На этом и следующем  графике линии для второстепенных в авиационном отношении стран не приводятся.  

 Для большинства характеристик приведен график динамики средних по годам значений с разделением по странам. График средних по периодам значений характеристик отсутствует, по причине резкого различия в продолжительности периодов (среднее по периоду значение на основном графике приведено, скорее, для справки) . Для некоторых показателей приведены гистограммы распределения их величины по некоторому, произвольно определенному, набору диапазонов, раздельно для первого периода, второй половины войны (второй и третий периоды) и за  всю войну в целом.

[На главную] [Библиотека] [Динамика основных характеристик, ч.2.]

Hosted by uCoz