Почему максимальная скорость современных истребителей ниже, чем у самолетов 1960-х и 1970-х годов?

Скорость была жизнью в воздушном бою до эпохи реактивных самолетов. Пилоты, ставшие генералами ВВС в пятидесятых, научились своему ремеслу в тридцатых, когда скорость была самым желанным качеством истребителя. Естественно, способность быть быстрее любого противника была для них очень важна. Когда в пятидесятые годы были написаны требования к новым истребителям, эти генералы позаботились о том, чтобы более высокая максимальная скорость была частью спецификации.

Когда эти сверхзвуковые самолеты использовались в реальных конфликтах, произошло нечто очень удивительное и непредвиденное: они почти никогда не летали на сверхзвуке. Когда ВВС в конце шестидесятых собрали данные о полетах за несколько лет боевых действий во Вьетнаме, они обнаружили, что все самолеты набрали всего минуты на скорости 1,4 Маха и только секунды на скорости 1,6 Маха из более чем 100 000 боевых вылетов¹. Никогда не было даже 1,8 Маха на самолетах, оптимизированных для 2,4 Маха (F-104, F-105, F-106A, F-4D/E и F-111).

Чтобы процитировать из этого исследования, почему скорость оставалась в основном дозвуковой:

Первая из этих причин заключается в форме зависимости скорости разворота от числа Маха для самолета. […] В бою каждый пилот имеет тенденцию управлять своим самолетом, чтобы максимизировать скорость поворота. Таким образом, он получает угловое положение относительно противника, что, в свою очередь, может позволить запустить ракету или выстрелить из орудия. […] Можно видеть, что стремление пилота максимизировать скорость разворота неизменно приводит его число Маха примерно к 0,7. Таким образом, если летчик собирается вступить в бой, […] его скорость неизбежно упадет до дозвуковых. […] Также обратите внимание, что даже если скорость поворота сохраняется постоянной при увеличении скорости, […] радиус поворота и коэффициент нагрузки увеличиваются, что приводит к увеличению проблем с удержанием противника в поле зрения.

Вторая причина, указанная в исследовании, — резко меньший боевой радиус (максимальное расстояние, которое самолет может пройти от своей базы, выполнить задачу и вернуться) после того, как самолет начнет летать на сверхзвуковой скорости. Даже для вылета на боевую арену сверхзвуковая скорость редко была выгодной. Компания Northrop изучила множество случаев перехвата и обнаружила, что скорости выше 1,1 Маха почти никогда не бывают полезными, поскольку сильно сокращают боевой радиус.

Теперь вам нужно знать, что максимальная скорость является важным фактором в конструкции планера. Полеты на скорости 2+ Маха требуют тяжелых и сложных воздухозаборников , жаростойкой конструкции, большой стреловидности крыла и тяжелых двигателей с малой двухконтурностью . Все это ухудшает боевые качества на большой дозвуковой скорости, где эти самолеты применялись чаще всего. Встраивание в них способности к скорости 2+ Маха сделало их хуже для того, для чего они на самом деле использовались.

С конца шестидесятых этот урок был включен в более новые конструкции, такие как F-16 . Скрытность снова уменьшила важность сверхзвуковых возможностей, а максимальная устойчивая скорость F-22 была фактически снижена с 1,8 до 1,6 Маха, чтобы снизить тепловую нагрузку на переднюю кромку композитного крыла.

¹ Источник: тематическое исследование Northrop F-5 в области проектирования самолетов , серия профессиональных исследований AIAA .

Потому что скорость хоть и является одной из важных характеристик, но не единственной важной характеристикой (или сегодня не самой важной) боевого самолета.

Важно отметить, что условия, при которых достигается максимальная скорость, довольно ограничены - большая высота, чистая конфигурация и форсажные камеры - которые редко, если вообще когда-либо доступны вместе в бою.

Эволюция скоростей боевых самолетов в целом и боевых самолетов в частности была прямым результатом многолетнего опыта различных военно-воздушных сил в боевых ситуациях.

• Основная причина упора на скорость боевых самолетов (по крайней мере, в начальных случаях) была связана с уроками, извлеченными во время Второй мировой войны, когда дополнительная скорость может иметь значение между жизнью и смертью.

• После того, как реактивные самолеты стали сверхзвуковыми, основная причина использования высоких скоростей — перехват вражеских самолетов. Скорость была наиболее важным требованием к боевым самолетам (перехватчикам) полвека назад, поскольку перехватчик должен был вывести нарушителя в зону досягаемости (будь то орудия или управляемые ракеты). Однако самолеты (перехватчики) редко летали на сверхзвуке, и по мере усовершенствования радаров и ракет важность скорости уменьшалась.

• Еще одна важная причина заключалась в том, чтобы уйти от ракет, особенно ракет класса «земля-воздух». Идея заключалась в том, что самолет может обогнать ракету, по крайней мере, на высоте. Однако с самого начала это было безнадежным делом, поскольку ракеты летели намного быстрее, чем самолет. Например, ракеты С300 развивают максимальную скорость > 7 Маха, что более чем в 2 раза превышает скорость самолета, для уничтожения которых они предназначены. В то время как боевые самолеты должны находиться на вооружении десятилетиями, ракетные системы могут быть разработаны и развернуты гораздо быстрее, что сведет на нет любой достигнутый прирост скорости. В результате большая часть самолетов, изначально сконфигурированных для высокоскоростных высотных атак, перешла на тактику прорыва на малых высотах.

• По мере того как ВВС США усваивали уроки, извлеченные в шестидесятые годы, стало до боли очевидным, что боевые самолеты проводят все меньше и меньше времени на очень высоких скоростях (> 1,5 Маха), в то время как большая часть боя сводилась к ближним воздушным боям (отчасти из-за правила ведения боя), где важнее маневренность, а не скорость.

• Кроме того, опыт войн во Вьетнаме и Судного дня, когда западная авиация шла против изощренных советских систем ПВО, подтвердила тот факт, что подавление ПВО противника важнее скорости.

• Проектирование самолета для скорости добавляет существенные недостатки в конструкцию самолета - необходимость в сложных воздухозаборниках (что увеличивает вес), высокотемпературных материалах (что увеличивает стоимость и требования к техническому обслуживанию), высокомощных двигателях с малой двухконтурностью (которые обычно не являются экономичными). ). Это ухудшает другие летно-технические характеристики самолета в низкоскоростном (высоком дозвуковом) режиме, на котором происходит большая часть операций.

• Когда стало ясно, что боевые самолеты не смогут победить систему ПВО за счет скорости (или маневренности, если уж на то пошло), стратегия снова изменилась - в первую очередь не быть обнаруженным системой. Этот акцент на малозаметности еще больше снизил важность скорости (вы можете только так сильно нагреть композитный планер, а форсажные камеры для скорости подобны зажжению факела в темноте для ИК-датчиков) и повысил важность авионики и датчиков. Сегодня упор делается на поиск врага до того, как его обнаружат и сделают первый выстрел.

• Еще одна причина высокой скорости в том, что боевые самолеты использовались и для разведки, где важна скорость (опять же, для ухода от ракет). Однако спутники взяли на себя большую часть этих обязанностей, что еще больше снизило потребность в скорости.

Образцом быстрого боевого самолета является советский МиГ-25, который мог развивать скорость свыше 3 Маха. Однако за эту скорость приходилось платить — высокие температуры (~300 °C) означали, что для изготовления самолетов приходилось использовать сталь. планер, требующий сложных систем изоляции и охлаждения для авионики, и самолет редко летал с такой скоростью из-за перегрева двигателя и проблем с управлением.

Пока что результаты (обучения и моделирования), по-видимому, показывают, что современные самолеты (пятого поколения) (например, F-22) в большинстве ситуаций работают лучше, чем их аналоги четвертого поколения (например, F-15), «сбивая» их до того, как даже быть обнаруженным.

Одним из важных факторов является то, что модель угрозы изменилась, когда межконтинентальные баллистические ракеты заменили бомбардировщики в качестве основного механизма доставки ядерного оружия в течение 1960-х годов.

Опоздание на несколько секунд при перехвате бомбардировщика, несущего несколько тонн обычных бомб, нехорошо и может легко привести к нескольким сотням смертей. Есть огромная разница между этим и опозданием на несколько секунд в остановке бомбардировщика с ядерным оружием, когда одна бомба может убить десятки или сотни тысяч людей.

Особое значение для вашего вопроса имеет то, что скорость МиГ-25 3,2 Маха была обусловлена ​​​​угрозой программы бомбардировщиков с ядерным проникновением B-70 со скоростью 3,0 Маха. США отменили планы по массовому производству и развертыванию бомбардировщиков B-70, но Советы сохранили МиГ-25. Хотя МиГ25 был впервые развернут через несколько лет после отмены программы XB70; США продолжали строить два XB-70 и использовали их в исследовательских целях на протяжении 60-х годов. Угрозу будущего сверхзвукового бомбардировщика, основанную на исследованиях, нельзя было сбрасывать со счетов; и перехватчик, значительно более быстрый, чем B58 со скоростью 2 Маха , оставался бы ценной частью их планов ядерной защиты до тех пор, пока B58 не был снят с вооружения в 1970 году.

Максимальная скорость не лучшая скорость для боя. Два основных фактора в истребителе должны быть приняты во внимание:

1. Загрузка крыла .
2. Тяговооружённость (отношение T/W).

Нагрузка на крыло – это вес самолета, распределенный по всей площади крыла. Это говорит о способности самолета совершать устойчивые повороты.

Отношение T/W представляет собой количество тяги, развиваемой двигателем, деленное на вес самолета, и это говорит об ускорении, которое самолет может достичь в горизонтальном полете. Когда обе вещи учтены, вы получаете второй параметр, который представляет собой способность самолета к набору высоты ( скорость набора высоты ).

Когда во время Первой мировой войны развернулась воздушная война , одним из основных правил для пилотов-истребителей было то, что скорость/высота были жизнью . Если вы рассматриваете самолет как физическую систему энергии, в вашем распоряжении есть два вида энергии: кинетическая энергия (фактическая скорость движения самолета) и потенциальная энергия, высота полета самолета. Когда вы ныряете, вы превращаете потенциальную энергию в кинетическую. Когда вы набираете высоту, вы превращаете кинетическую энергию в потенциальную энергию до тех пор, пока ваш двигатель не станет единственным, что вводит энергию в систему (таким образом, вы достигаете стадии, когда мгновенная скорость набора высоты заканчивается, и вы начинаете видеть устойчивую скорость набора высоты самолета). .

Когда ваш самолет поворачивает, он немного замедляется, а увеличение индуктивного сопротивления, создаваемого поворотом, уменьшает вашу скорость. На жаргоне летчиков-истребителей вы сжигаете энергию. Есть два (опять же) вида поворота, мгновенный и устойчивый.

Боевые стили были разделены на два вида: Turn and Burn и Boom and Zoom .

«Повернись и гори» означает, что оба бойца пытаются переиграть каждый приказ, чтобы занять позицию «шесть часов», чтобы стрелять, это горизонтальный бой по кругу. Boom and Zoom - это битва с набором высоты, в которой самолет, расположенный выше, ныряет в другой, чтобы пройти, выстрелить, а затем снова набрать высоту, чтобы не потерять скорость полета (и, следовательно, энергию).

Быстро был принят стиль стрелы и масштабирования. Опытные пилоты вступали в бой только тогда, когда были уверены, что находятся на большей высоте, чем их враги, потому что высота была резервуаром энергии, которую можно было использовать в бою.

Истребитель / пилот в стиле поворота и сжигания быстро замедлялся и не мог ни атаковать, ни убегать от самолета, расположенного выше.

Все идет нормально.

После войны все усилия были направлены на создание еще более быстрых самолетов и самолетов, способных быстро достигать больших высот. Это имеет двойное преимущество: дает лучшую позицию на большой высоте и позволяет таким истребителям атаковать приближающиеся бомбардировщики.

Все изменилось, когда стали доступны более совершенные ракеты и бортовые радары. Не потому, что нынешним истребителям не нужно уметь вести воздушный бой, а потому, что основным боевым элементом стала ракета. На этом этапе мне в голову приходят два вида ракет. ААМ и ЗУР .

Все более мощные радары (даже бортовые) означали, что самолет вполне мог атаковать предметы, находящиеся над ним, а это означало, что тактика стрелы и масштабирования могла пойти не так. Во-вторых, радар позволяет увидеть противника задолго до визуального контакта, давая больше времени для набора такой же высоты и т. д.

Если вы летите очень высоко, вражеские радары будут видеть вас издалека, и ракеты, направленные этими радарами, будут лететь с разных направлений. Чтобы войти в воздушное пространство противника, вам нужно оставаться на низкой высоте, где сопротивление воздуха больше, и большинство самолетов не могут достичь заявленных показателей скорости. (См. , например , F-111 или Су-24 ).

Бомбардировщики больше не будут летать на стратосферных уровнях, как B-29 , по тем же причинам. Им нужно войти в воздушное пространство противника на малой высоте, чтобы иметь шанс выжить. Если они используют дистанционное оружие, оно тоже будет летать низко. Так что, если вы сопровождаете группу бомбардировщиков в миссии или пытаетесь их перехватить, они не будут очень высокими.

Когда бортовой радар пытается зафиксироваться на низколетящем самолете, возникает проблема. Более ранние радары вообще не могли этого сделать. Более современные версии (называемые взглядом вниз / сбитым вниз) могут захватывать цель на фоне местности, но не с такими характеристиками, как при взгляде вверх. Помехи (ложные эхо-сигналы) удаляются с помощью программного обеспечения. Инфракрасные датчики лучше работают на большой высоте (где воздух холоднее и горячий истребитель лучше виден), чем на фоне раскаленной земли внизу и так далее.

Так что в целом бои истребителей на интенсивных ТВД будут вестись на среднем или низком уровне, где скорость ниже из-за большего лобового сопротивления. Даже в этом случае у всех истребителей есть так называемая угловая скорость, при которой самолет способен выдерживать самые крутые повороты, и эти скорости обычно далеки от максимальной скорости.

Еще одним фактором является расход двигателя. Лишь недавно в строй вошли сверхкрейсерские самолеты. Самолеты четвертого поколения не могут преодолеть звуковой барьер без использования форсажа, что увеличивает как заметность самолета (из-за повышенной тепловой сигнатуры), так и расход топлива.

Тот же самый самолет, который может проехать 1000 км без форсажа, вполне может быть не в состоянии преодолеть более 300 км на форсаже.

Принимая во внимание все обстоятельства, самолет с большим количеством ракет, лучшим радаром и более длительным временем ожидания предпочтительнее истребителей, таких как British Lightning или F-104 , которые имели очень высокую скорость и скороподъемность, но были коротконогими и тащили только пара ракет.