16 апреля, 2015

О поколениях самолетов-истребителей ПВО

В разных странах этот процесс происходил по-своему: в одних – раньше, в других – позже; одни самолеты быстро уходили с исторической сцены, другие надолго, иногда на десятилетия задерживались на ней, модифицируясь настолько, что первые и последние серии принадлежали по существу к разным поколениям. Вопрос затемняется еще и тем, что смена обозначения самолета не всегда соответствует новизне разработки или глубине модификации. Например, Су-9 и Су-11 – почти один и тот же самолет (Су-11 был модернизирован за счет установки нового радиолокационного прицела и новых ракет). Самолет МиГ-31 любителю трудно отличить от МиГ-25 (кстати, он и назывался поначалу МиГ-25мп), хотя, конечно, это разные самолеты, но не более разные, чем, например, МиГ-21ф и МиГ-21бис.

Основные летно-тактические характеристики самолетов-истребителей претерпели значительную эволюцию, которая в целом может быть охарактеризована переходом от простого количественного роста основных показателей к их глубоким качественным изменениям. На снимке: истребитель Cу-35C. Фото: Игорь Руденко

Таким образом, вопрос о поколениях реактивных самолетов-истребителей требует своего обсуждения и обоснования.

Как известно, первые экспериментальные реактивные самолеты появились еще накануне Второй мировой войны и рассматривались в качестве альтернативы винтомоторным самолетам, приблизившимся к своему потолку технического совершенства и летно-тактических характеристик.

Большинство реактивных машин, построенных в 1939–1945 гг., были опытными, хотя некоторые и выпускались уже серийно (например немецкие истребители Ме-163 и Ме-262, английский истребитель «Метеор»). Небольшой серией был выпущен и первый советский реактивный истребитель-перехватчик с жидкостно-реактивным двигателем (первый полет 15 мая 1942 г.), но по существу это была опытная машина.

Этими работами были заложены основы энергичного развития реактивных истребителей в послевоенные годы.

Временные границы между любыми поколениями вообще достаточно условны, это же относится и к поколениям реактивных истребителей.

За начальную временную границу поколения следует считать начало поступления соответствующих ему серийных самолетов на вооружение строевых частей. Конечная граница поколения более размыта. Как уже отмечалось, отдельные типы самолетов могут находиться в эксплуатации в течение нескольких десятилетий, нередко много лет после того, как другие самолеты этого поколения уже сняты с вооружения и поступают на вооружение самолеты следующих поколений. Возвращаясь, к примеру, к истребителю МиГ-21, принятому на вооружение в нашей стране в 1959 г., заметим, что он находится в эксплуатации в отдельных странах еще и сегодня, в начале XXI века. При этом если первые модификации этого самолета (МиГ-21ф-13, МиГ-21пф) относятся, безусловно, к реактивным истребителям второго поколения, то последняя в нашей стране модификация Миг-21бис значительно ближе к третьему поколению, не говоря уже о МиГ-21-2000. Существуют планы и попытки дальнейшей модернизации этого самолета.

Еще более поразительный пример долговечности демонстрирует американский реактивный истребитель F-80, который относится к первому поколению реактивной авиации и участвовал в этом качестве в корейской войне 1950–1953 гг. В 1948 г. он был выпущен в варианте учебно-тренировочного самолета, который получил обозначение Т-33, и до сих пор существует в авиации некоторых стран в этом назначении.

Компьютерная техника на борту самолета объединяется сегодня в самоорганизующиеся системы, способные принимать определенные решения и берущие на себя существенную часть нагрузки летчика. На снимке: истребители МиГ-29, крайний справа – МиГ-29УБ. Фото: Вадим Савицкий

Таким образом, возраст некоторых самолетов из первого-второго поколений реактивных истребителей как типа превышает полувековой рубеж.

Исследование особенностей самолетов каждого поколения позволяет выделить следующие характерные ступени их технического совершенства.

Конструкция самолетов первых поколений развивалась главным образом под влиянием аэродинамики больших скоростей.

Первые самолеты первого поколения имели традиционную аэродинамическую схему с прямым крылом (например Миг-9, Як-15, F-80, F-94), последующие приобрели стреловидные крыло и хвостовое оперение (например МиГ-15, Ла-150, F-86, «Мистер», «Хантер») для увеличения критического числа М, но все они были дозвуковыми, хотя на некоторых из них и достигалась скорость звука (в 1950 г. на самолете МиГ-17 летчик-испытатель И. Т. Иващенко достиг числа М – 1,03).

Самолеты второго поколения стали сверхзвуковыми. Их характерные аэродинамические черты – треугольное (МиГ-21, Су-9, F-4) или стреловидное (МиГ-19, Су-7, F-100) крыло с большим углом стреловидности по передней кромке, малого удлинения и со значительно уменьшенной относительной толщиной.

Самолеты третьего поколения отличались большим разнообразием аэродинамических форм. Для многих из них было характерно крыло изменяемой геометрии (МиГ-23, F-111), позволяющее при максимальной стреловидности достигать больших чисел М полета, а при минимальной – получать приемлемые взлетно-посадочные характеристики. Основные элементы конструкции планера самолетов первых трех поколений выполнялись из дюралюминия, отдельные – из стали.

Самолеты четвертого поколения выполнены, как правило, по интегральной схеме, при которой крыло и фюзеляж образуют единую несущую поверхность, что позволяет получать хорошие несущие свойства на всех режимах полета (Су-27, МиГ-29, F-15, Rafal и др.). Эта аэродинамическая схема характерна и для самолетов пятого поколения, при этом основное место в конструкции планера занимают титановые и алюминиево-литиевые сплавы и композитные материалы.

Конструкция планера самолетов-истребителей всегда рассчитывалась на эксплуатационную перегрузку 7–8 единиц с коэффициентом запаса прочности 1,5, самолеты четвертого и пятого поколений – на перегрузку 9 единиц и более.

Истребитель 4++ поколения Су-35С Фото: Игорь Руденко

Совершенствовались системы самолета, наибольшие изменения из которых претерпела система управления.

Уже на самолетах первого поколения стали применяться гидроусилители (бустеры) в системе управления элеронами, без чего управление было чрезмерно тяжелым. Для самолетов второго поколения стал характерен, как правило, управляемый стабилизатор с необратимым бустерным управлением, поскольку механическое управление по тангажу стало невозможным. Это привело к тому, что летчики перестали «чувствовать» самолет по характерным усилиям на рулях. Для имитации таких усилий стали применять специальные устройства типа автоматов регулирования усилий или загрузки и механизмов триммерного эффекта. Впервые на самолетах-истребителях стали использоваться автопилоты – вначале в канале управления креном, а затем и по другим каналам, что позволило разгрузить внимание летчика при выдерживании режима полета.

Начиная с самолетов третьего поколения необратимые бустеры используются во всех каналах управления, а вместо автопилотов устанавливаются различные системы автоматического или автоматизированного управления (САУ). При этом САУ вышли за рамки чисто самолетных систем, играя все большую роль в функционировании летательного аппарата в целом. Однако выработка стратегии реализации располагаемых функциональных ресурсов летательного аппарата и его потенциальных возможностей оставалась прерогативой человеческого интеллекта.

На самолетах четвертого поколения появились бортовые комплексы управления на базе электронно-вычислительных машин (ЭВМ), предназначенные для решения широкого круга задач. В подходе к определению роли и назначения таких комплексов на первый план выдвигаются вопросы оптимизации полета, распределения функциональных ресурсов, освобождения летчика от рутинной работы и создания ему условий для сосредоточения на достижении цели полета.

Анализ развития систем управления показывает, что прогресс в этом направлении, очевидно, связывается с повышением уровня интеллектуальности систем управления.

Что касается двигателей, то переход от поршневых к реактивным двигателям был обусловлен тем, что развитие первых уже к середине 1940-х гг. не могло обеспечить дальнейшего роста летно-тактических характеристик самолетов и, таким образом, приход реактивной авиации стал неизбежным.

Наибольший прогресс в развитии турбореактивных двигателей (ТРД) для реактивных истребителей был впервые достигнут в Германии (ТРД с осевыми компрессорами) и Англии (ТРД с центробежными компрессорами).

Трофейные немецкие и лицензионные английские ТРД были использованы и на первом поколении советских и американских реактивных истребителей, хотя были и отечественные заделы (А. М. Люлька).

Второе и последующие поколения использовали уже отечественные разработки ТРД с осевыми компрессорами и форсажными камерами. Для четвертого поколения истребителей стали характерны двухконтурные ТРД с форсажем, не только более мощные, но и значительно более экономичные.

С точки зрения летчика, наибольшее значение всегда имели такие эксплуатационные характеристики ТРД, как тяга, приемистость, часовой расход топлива, степень автоматизации управления двигателем, устойчивость работы двигателя на различных режимах и эксплуатационные ограничения.

Тяга двигателей ощущается летчиком не сама по себе, а в сопоставлении с массой самолета. Наиболее распространенным формализованным выражением такого сопоставления является тяговооруженность.

Тяговооруженность определяет такие важнейшие характеристики самолета, как скороподъемность и время разгона, влияет на максимальную скорость, практический потолок, маневренность и взлетно-посадочные характеристики.

Приемистость, то есть минимальное время, за которое двигатель выходит с оборотов малого газа на максимальный режим, была слабым местом ТРД с момента их появления. Постепенно время приемистости снижалось почти в той же пропорции, как росла тяга. Современные ТРД имеют приемистость, приближающуюся к приемистости лучших поршневых авиационных двигателей конца Второй мировой войны.

Часовой расход топлива – это величина, которой редко пользуются при характеристике ТРД. Обычно говорят об удельном расходе, который является комплексным показателем топливной эффективности двигателя. Часовой расход топлива сильно зависит от режима работы ТРД (так, расход топлива в единицу времени на форсаже в 4–5 раз выше, чем на крейсерском режиме), но именно с ним приходится иметь дело летчику в полете. Первые ТРД были чрезвычайно неэкономичными, современные приближаются по этому показателю к поршневым двигателям.

Автоматизация ТРД, во-первых, делает их более надежными, во-вторых, облегчает управление ими экипажем, что очень существенно для летного состава. Турбореактивные двигатели самолетов первого поколения были ненадежны и сложны в эксплуатации. Современные выгодно отличаются от них по этим показателям. Включение управления двигателями в общую САУ самолета на перспективных летательных аппаратах существенно освобождает внимание летчика для более творческих функций.

Все отмеченное выше в основном относится и к эксплуатационным ограничениям ТРД. Чем больше их учтено автоматикой и чем меньше их остается на долю экипажа, тем выше степень реализации боевых возможностей самолета и безопасность полета. Двигатели самолетов первых трех поколений имели и имеют множество ограничений, которые необходимо было учитывать летчику в их эксплуатации.

Вооружение реактивных самолетов-истребителей также является одним из важнейших показателей, определяющих облик каждого поколения.

Развитие вооружения реактивных истребителей первого поколения продолжалось в основном в направлении увеличения числа огневых точек (авиационных пушек и пулеметов), их калибра и скорострельности, а также совершенствования оптических прицелов.

Однако уже второе поколение истребителей перешло на качественно новый вид вооружения – управляемые ракеты (УР) класса «воздух-воздух», самонаводящиеся на тепловое излучение или управляемые по радиолучу. Дальности применения даже первых УР на порядок и более превышали дальность эффективной стрельбы из пушек, что потребовало создания и установки на самолет также и качественно новых прицельных систем типа бортовых радиолокационных прицелов. Такой революционный скачок в вооружении не мог не вызвать субъективной переоценки его боевых возможностей, что привело, в частности, к отказу от артиллерийского вооружения самолетов-истребителей второго поколения.

Однако опыт локальных войн в Юго-Восточной Азии и на Ближнем Востоке в 1960 и 1970-е гг. показал недостаточную эффективность УР даже при достижении тактической внезапности. В маневренном же воздушном бою применение УР практически исключалось вследствие жестких ограничений по условиям их пуска. Это привело к возвращению на самолеты-истребители третьего поколения авиационных пушек, а также вооружению их УР не только большой, но и малой дальности.

В целом эти направления вооружения сохраняются для истребителей четвертого и, по-видимому, пятого поколений, хотя параметры его боевого применения значительно расширяются.

Совершенствование авиационного оборудования на самолетах-истребителях происходило постепенно, хотя в итоге, а особенно в перспективе, и в этой области были и будут достигнуты революционные изменения.

Авиационное оборудование реактивных истребителей первого поколения незначительно отличалось от соответствующего оборудования самолетов-истребителей конца войны. Истребители второго поколения оснащались новыми образцами авиационного, радиоэлектронного и радиооборудования, однако все эти образцы не были связаны друг с другом ни структурно, ни функционально (например каждый из них имел собственное электропитание током вполне определенных параметров, что требовало применения отдельных преобразователей, шин и т. д.). Впервые задача интеграции оборудования была поставлена и отчасти решена на реактивных истребителях третьего поколения, хотя такая интеграция и осуществлялась только между отдельными элементами оборудования. Единственной технической основой для широкой интеграции авиационного оборудования могла быть и стала компьютерная техника. На современных истребителях для этой цели применяются как многофункциональные, так и специализированные ЭВМ. На их основе осуществляется интегрирование всех бортовых электронных подсистем в единую систему автоматизации полета.

Обязательным условием такой системы является организация архитектуры ее вычислительной части с трех-четырехкратным резервированием. Это достигается благодаря системе взаимного контроля и самоконтроля, реализованной программными средствами.

Типичный комплекс бортового радиоэлектронного оборудования современного самолета-истребителя содержит бортовую цифровую вычислительную систему, систему индикации и управления, обзорные системы, систему управления боевой нагрузкой, средства связи и опознавания, средства радиоэлектронного противодействия, бортовую автоматизированную систему контроля. С таким «хозяйством» без помощи ЭВМ летчику уже не справиться.

Бортовая цифровая вычислительная система включает, как правило, две универсальные ЭВМ. Одна из них решает задачи навигации, а другая осуществляет управление боевой нагрузкой; каждая является резервной по отношению к другой. Кроме того, в систему входит ряд автономных вычислителей. Прогресс авиационного оборудования также связан в первую очередь с совершенствованием ЭВМ и их программного обеспечения.

Современная система индикации и управления базируется на двух основополагающих концепциях: использование многофункциональных индикаторов типа дисплеев, использование для управления только ручки управления самолетом и рычага управления двигателем. Три таких индикатора и пульт управления на приборной доске позволяют заменить весь комплект приборов и более десяти отдельных щитков управления, которые использовались на истребителях предыдущих поколений, в результате площадь приборной доски уменьшается почти в два раза. В перспективе рассматривается возможность замены трех многофункциональных индикаторов одним большим многофункциональным цветным дисплеем. Однако боевому самолету без дублирующих приборов не обойтись.

Обзорные системы, как правило, включают в себя импульсно-допплеровскую РЛС и оптико-электронную систему с дальностью обнаружения цели до 200 и более километров.

В состав навигационного оборудования могут входить инерциальная навигационная система, спутниковая навигационная система, радиотехническая система ближней навигации, система воздушных сигналов с цифровым вычислителем, радиокомпас, радиовысотомер и др.

Средства связи и опознавания включают УКВ- и КВ-радиостанции, приемопередатчик линии передачи данных, запросчик и ответчик системы «свой-чужой», для двухместных самолетов – самолетное переговорное устройство.

Средства радиоэлектронного противодействия включают систему постановки активных помех, станцию предупреждения о радиолокационном обучении и автомат разброса расходуемых средств пассивных помех. Эти и другие средства составляют бортовой комплекс обороны.

В системах отображения информации особенностью является то, что помимо функций обеспечения первичной информацией на них возлагаются функции обработки, комплексирования и обобщения представлений об окружающей среде и состоянии бортовых подсистем. Таким образом, эти системы приобретают черты активного посредника между человеком-оператором и машиной, выполняя рутинную работу в процессе формирования модели текущей ситуации в сознании человека. Это освобождает его время и мыслительные ресурсы для использования в интересах целевой функции полета.

Компьютерная техника на борту самолета объединяется сегодня в самоорганизующиеся системы, способные принимать определенные решения и берущие на себя существенную часть нагрузки летчика. Базой таких систем являются ЭВМ пятого поколения. Это так называемый искусственный интеллект, в частности экспертные системы, которые предназначаются для решения каких-либо специфических проблем путем имитации возможностей человека-эксперта.

Бортовая система, базирующаяся на концепции искусственного интеллекта, является по существу роботизированным помощником летчика, который выполняет функции второго пилота, оператора, штурмана и бортинженера на одноместном самолете как в критических условиях, так и в нормальной обстановке.

В общем русле работ по применению искусственного интеллекта в авиации находятся исследования возможностей речевого интерфейса человека с машиной. Предпосылкой для развертывания таких работ явилась тенденция к нарастанию физиологических перегрузок на двигательную и зрительную функциональные системы летчика. Поэтому внимание было обращено на использование таких резервов человека, как слух и речь.

Прогресс на пути решения этих и других проблем связывается в первую очередь с успехами в развитии бортовой вычислительной техники. Технологическая база нового оборудования – микросхемы высокого уровня интеграции. Большинство перспективных вычислительных средств ориентировано на использование сверхбольших и сверхскоростных интегральных схем, при этом топологическая структура вычислительных средств развивается по пути рассредоточения процессорных элементов по функциональным подсистемам.

Основные летно-тактические характеристики самолетов-истребителей претерпели значительную эволюцию, которая в целом может быть охарактеризована переходом от простого количественного роста основных показателей к их глубоким качественным изменениям.

Анализ высотно-скоростных характеристик показывает, что интенсивный рост максимальных скоростей, наблюдавшийся у первых двух поколений реактивных истребителей, установился относительно стабильным на уровне 2500 км/ч у самолетов последующих поколений. Аналогичная тенденция наблюдается и в изменении практического потолка. Указанные тенденции объясняются несколькими обстоятельствами. Во-первых, дальнейший рост скорости и высоты требует ограничения других важнейших характеристик, таких как боевая нагрузка, дальность и продолжительность полета. Во-вторых, современное всеракурсное вооружение делает менее актуальной задачу догона воздушного противника и выхода на высоту его полета. В-третьих, в развитии авиационных средств воздушного нападения наблюдается тенденция к стабилизации и даже снижению максимальной скорости и высоты полета за счет совершенствования других боевых свойств – роста боевой нагрузки, маневренности, дальности полета, снижения заметности всех видов и пр.

В этих условиях на первый план выступают более сложные показатели, такие, например, как тяговооруженность и нагрузка на крыло самолета-истребителя, а точнее – их взаимосвязь, взаимоотношение.

По-прежнему важнейшей характеристикой самолета-истребителя является его маневренность.

Маневренность реактивных самолетов-истребителей первого поколения была заметно ниже, чем у винтомоторных самолетов. Это объяснялось значительно возросшей нагрузкой на крыло и низкой тяговооруженностью. Хотя тяговооруженность сверхзвуковых истребителей второго поколения несколько возросла, удельная нагрузка на крыло росла еще быстрее. Аэродинамика этих самолетов была рассчитана на большие числа М, вследствие чего некоторые истребители (Су-9, Су-11, Ту-128, Як-28п и пр.) вообще практически неспособны были выполнять сложный пилотаж.

Некоторый рост маневренности обозначился у истребителей третьего поколения.

Значительное улучшение маневренных характеристик достигнуто на реактивных истребителях четвертого поколения, которые по этому показателю приближаются к винтомоторным истребителям периода Второй мировой войны.

Так, минимальное время виража на самолете Су-27 достигает 18 с. (у Як-3 оно составляло 17 с., у Ла-7 – 19 с.).

Большие угловые скорости разворота (до 20 град/сек и более) в сочетании с большой скоростью вызывают значительные перегрузки (8–9 единиц и более), что требует принятия специальных мер для их переносимости летным составом.

Дальность и продолжительность полета также были слабым местом реактивных истребителей первого поколения, рост этих показателей был связан с повышением экономичности реактивных двигателей. Наиболее существенный прогресс достигнут благодаря применению двухконтурных ТРД. Тактический радиус первых реактивных истребителей не превышал 200–300 км, у лучших современных истребителей он достигает 1500–2000 км и более.

Боевая нагрузка первых реактивных истребителей ограничивалась боекомплектом к пушкам. Самолеты второго поколения несли по 2–4 УР класса «воздух-воздух», а в настоящее время число точек подвески ракет (как внешних, так и внутренних) достигает 8–10. При этом происходит эволюция реактивных истребителей в направлении универсальности, то есть придания им возможностей многоцелевых самолетов. Они могут нести ракеты не только класса «воздух-воздух», но и класса «воздух-земля».

Случалось ли воевать между собой реактивным истребителям разных стран? Да, и не раз, начиная с войны в Корее 1950–1953 гг., при этом встреча истребителей разных поколений заканчивалась, как правило, не в пользу «старших». Так, в первом же воздушном бою в Корее советских истребителей МиГ-15 с американскими машинами F-80, состоявшемся 1 ноября 1950 г., лейтенант С. Хоминич сбил самолет противника.

Позже реактивные истребители разных стран встречались в воздушных боях во Вьетнаме, на Ближнем Востоке и многих других военных конфликтах. Результаты боев были разными и определялись они не только авиационной техникой, но и тактикой, подготовкой личного состава и другими факторами.

История развития и смены поколений реактивных самолетов-истребителей проходила в реальных политических и экономических условиях, и если первые из этих условий эволюционировали в направлении снижения глобального военно-политического противостояния, то вторые становились преобладающими. Это приводит к замедлению темпов смены поколений и уменьшению числа новых типов самолетов внутри поколения. Иллюстрацией этой тенденции служит пятое поколение реактивных самолетов-истребителей.

Самолет-истребитель пятого поколения в настоящее время принят на вооружение только в США (F-22), испытания таких самолетов проходят в России и Китае, на очереди Индия и некоторые другие страны с развитым авиастроением.

Ведутся концептуальные оценки возможного облика самолета-истребителя шестого поколения, при этом оценивается целесообразность создания его в пилотируемом либо беспилотном варианте. Возможность последнего варианта обусловливается логикой все большей передачи функций от человека на борту к бортовым интеллектуальным системам.

Таким образом, поколение реактивных самолетов – это не просто явление, относящееся к определенному периоду. Оно характеризуется целым комплексом сравнительно стабильных показателей, каждый из которых при переходе к следующему поколению претерпевает значительную эволюцию, а нередко и революционный скачок.