У машин и механизмов (вообще у технических объектов) есть несколько важнейших показателей, характеризующих степень их совершенства: вес, габариты, мощность, надёжность и др. Между этими показателями существуют определённые взаимозависимости. Конструктор, учитывая конкретные условия, выбирает наиболее благоприятное сочетание характеристик: что-то выигрывает, а что-то проигрывает. Нетрудно создать новую машину, игнорируя технические противоречия. Но тогда машина окажется неработоспособной и нежизненной.
Техническое противоречие — попытка улучшить какое-либо свойство машины вступает в конфликт с другим её свойством /Генрих Альтшуллер/
Возрождение Ту-22М — наглядный пример разрешимого противоречия.
Самолётом с крылом изменяемой стреловидности (СКИС) называют самолёт, крыло которого изменяет в полёте угол стреловидности передней кромки
Ту-22М представляет собой цельнометаллический низкоплан с КИС. Крыло самолёта состоит из неразъёмной неподвижной центральной части (центроплан плюс левая и правая средние части крыла — ЦЧК) и двух поворотных частей (ПЧК) — консолей, имеющих пять фиксированных положений по углу стреловидности передней кромки: 20°, 30°, 50°, 60° и 65°. Стреловидность средней части крыла по передней кромке — 56°. ПЧК крепятся к ЦЧК с помощью шарнирных узлов. Механизация крыла состоит из трёхсекционных предкрылков и двухщелевых закрылков на ПЧК (угол выпуска 23° — взлётный, 40° — посадочный) и внутренних закрылков на ЦЧК. Выпуск закрылков и предкрылков блокируется при углах стреловидности более 20°. Для управления по крену консоли оснащены трёхсекционными интерцепторами.
Разработка сверхзвуковых самолётов предполагает решение двух основных проблем: увеличение максимальной скорости полёта и ограничение роста скоростей взлёта и посадки
Широкий диапазон задач и соответствующих им конфигураций самолёта Ту-22М обусловил выбор четырёх фиксированных значений стреловидности крыла: 20° — взлёт и посадка; 30° — набор высоты и продолжительный крейсерский полёт с дозвуковой скоростью; 50° — полёт с околозвуковой скоростью на малых высотах; 60° — сверхзвуковой полёт с максимальным скоростным напором.
Рост скорости полёта достигается уменьшением площади и относительной толщины крыла самолёта, увеличением угла стреловидности. Такое крыло имеет малое сопротивление, но небольшую подъёмную силу. Применение КИС позволяет увеличить подъёмную силу самолёта при малых скоростях и уменьшить сопротивление при больших скоростях, особенно на малых высотах.
Наиболее важным параметром, отражающим аэродинамические характеристики самолёта, является качество (отношение подъёмной силы к лобовому сопротивлению). Аэродинамическое качество зависит от удлинения крыла, его угла стреловидности и толщины профиля. В дозвуковом диапазоне скоростей качество возрастает при увеличении удлинения крыла и толщины профиля, а также уменьшении угла стреловидности. У СКИС аэродинамическое качество оптимально во всём диапазоне скоростей полёта.
Уменьшение угла стреловидности крыла приводит к росту несущей способности вследствие увеличения его удлинения и толщины профиля
При изменении угла стреловидности изменяются размах и отчасти площадь, а также положение сечений крыла относительно направления потока. В результате изменяется удлинение крыла, относительная толщина профиля, качество. При наименьшем угле стреловидности ПЧК крыло имеет наибольшую площадь, размах, удлинение и наибольшую толщину профиля. Вследствие поворота крыла часть его входит в неподвижный отсек крыла, т.е. площадь крыла уменьшается. В то же время уменьшается удлинение крыла, уменьшается относительная толщина крыла по потоку, а угол стреловидности крыла возрастает. При изменении стреловидности крыла Ту-22М с 60° до 20° относительная толщина консоли возрастает с 6% до 12%, площадь увеличивается на 22 кв.м и почти втрое — удлинение крыла. Это улучшает несущие свойства крыла, благоприятствует безотрывному обтеканию на больших углах атаки и повышает эффективность взлётно-посадочной механизации.
Уменьшение стреловидности приводит к уменьшению длины разбега/ увеличению полезной нагрузки, а при посадке — к сокращению пробега самолёта. Благодаря хорошим взлётно-посадочным характеристикам (ВПХ) СКИС имеют малую скорость отрыва и посадки. Уменьшение длины разбега/ торможения, а также вертикальной составляющей скорости снижения при заходе на посадку с включённым двигателем упрощает технику пилотирования, а также позволяет использовать самолёт на аэродромах с укороченной взлётно-посадочной полосой (ВПП). При этом сверхзвуковой СКИС имеет характеристики дозвукового самолёта.
Таким образом, Ту-22М сочетает достоинства самолётов с прямым крылом большого удлинения и самолётов с крылом большой стреловидности малого удлинения.
Максимальная скорость горизонтального полёта зависит от тяги двигателя и лобового сопротивления самолёта, а посадочная скорость — от подъёмной силы и массы самолёта
Среднее за полёт значение аэродинамического качества СКИС существенно возрастает в связи с ростом аэродинамического качества на дозвуковом режиме при умеренной стреловидности крыла — увеличивается дальность полёта; взлёт и посадка при минимальной стреловидности крыла — улучшаются ВПХ; большие углы стреловидности — оптимизация для полётов на больших сверхзвуковых скоростях; максимальная стреловидность крыла — меньшее время разгона и прохода через трансзвуковой участок, меньшие перегрузки в вертикальной плоскости вблизи земли — выполнение полётов на малых высотах.
ОКБ Н.Д. Кузнецова в начале 70-х годов создало двухконтурный турбореактивный двигатель с форсажной камерой (ТРДДФ) НК-25, выполненный по трёхвальной схеме и оборудованный системами электронной автоматики, позволявшими оптимизировать работу двигателя на различных режимах. Максимальная взлётная тяга НК-25, по сравнению с НК-22, увеличилась на 20% и достигла 25000 кгс, а удельный расход топлива на дозвуковом режиме уменьшился до 0,76 кг/кгс·ч.
Оснащение Ту-22М новыми двигателями потребовало установки новых боковых воздухозаборников (ВЗ). Выдвинутая вперёд верхняя кромка ВЗ создаёт дополнительную подъёмную силу и увеличивает входное сечение при полёте на больших углах атаки (скорость мала, требуется бóльший расход воздуха). ВЗ с горизонтальным клином оказались эффективными и обеспечили устойчивую работу двигателей.
Тактическое преимущество применения КИС влечёт за собой увеличение массы пустого самолёта — введение в конструкцию планера дополнительных элементов поворотного узла
Общее увеличение массы составило 3%–4%. Поворот консолей осуществляется двумя гидромоторами, для повышения надёжности работающими от двух независимых гидросистем. Отказ одной из гидросистем не приведёт к потере работоспособности.
Использование КИС приводит к определённым трудностям в обеспечении устойчивости и управляемости самолёта
Перемещение крыла приводит к резко выраженной передней центровке. Для решения проблемы ось поворота крыла разместили несколько сзади, вне контура фюзеляжа — уменьшилась величина поверхности подвижных частей крыла при сохранении того же размаха — уменьшилось перемещение центра давления; неподвижные, относительно большие околофюзеляжные части крыла сохранили стреловидность, допустимую при полёте на больших скоростях. С введением корневого наплыва, реализован эффект сохранения неизменным фокуса КИС. Комплексное решение привело к тому, что изменение стреловидности крыла смещает центр давления/ центровки самолёта не более чем на 2%, с сохранением запаса устойчивости на всех режимах полёта.
Другая проблема, возникающая при изменении стреловидности крыла, связана с ухудшением поперечной управляемости. Особенности СКИС заставили по-новому подойти к использованию и размещению органов управления Ту-22М: отказались от размещения элеронов на крыле, внедрили интерцепторы и дифференциально отклоняемый стабилизатор, для улучшения ВПХ на крыле установили предкрылки.
Размещение двигателей в фюзеляже упрощает их обслуживание и замену, однако усложняет устройство воздушных каналов, требует перекомпоновки агрегатов систем и оборудования внутри фюзеляжа
Ту-22М является мировым рекордсменом по длине каналов. Для обеспечения достаточного расхода воздуха через двигатель на земле и малых скоростях полёта по бокам фюзеляжа предусмотрены окна дополнительного забора воздуха, закрываемые в полёте створками.
Особенности установки двигателей и компоновки самолёта снизили эффективность вертикального оперения — на больших углах атаки оно затенялось широким фюзеляжем и центропланом. Для решения проблемы установили форкиль, внутренние объёмы которого были использованы для размещения агрегатов и оборудования. При проектировании Ту-22М дальности полёта придавалось первостепенное значение. Была предусмотрена возможность дозаправки самолёта в воздухе. Серийные самолёты отличались от прототипов. В ходе производства отказались от раздвижной пары колёс. Сняли контейнер тормозного парашюта вместе с гаком, практичность которого на машине весом более 100 т после испытаний была сочтена сомнительной. Место контейнера в основании киля заняла универсальная артиллерийская кормовая установка, предназначенная для защиты самолёта от атак сзади. Тормозной парашют перенесли в специальный отсек хвостовой части фюзеляжа.
Модернизация самолёта сопровождается борьбой за облегчение конструкции
В сочетании с более мощными двигателями бомбовая нагрузка возросла до 24000 кг. Для повышения максимальной скорости стреловидность ПЧК довели до 65°. В ходе производства в конструкцию Ту-22М продолжали вносить изменения: сняли неэффективные интерцепторы на центроплане, упростили кормовую пушечную установку, оставив одну пушку вместо двух и лишив её наведения по горизонту, установили два дополнительных узла внешней подвески на крыле, доработали навигационное оборудование. Модернизации подверглось и вооружение самолёта. В доработанном бомбоотсеке Ту-22М3 на барабанной установке разместили шесть ракет Х-15, имеющих гиперзвуковую скорость. Ещё четыре ракеты самолёт может нести на подкрыльевых узлах, пригодных для подвески бомбодержателей.
По мере приближения огня к охранной полосе, появляется и постепенно возрастает тяга воздуха от полосы к пожару... этой минутой пользуются для пускания встречного огня... Появившееся пламя направляется тягой к пожару... при встрече с пожаром ослабляет его силу и останавливает дальнейшее распространение огня… /Брокгауз и Эфрон/
Самолёт однозначно идентифицируется западными специалистами как дальний бомбардировщик, имеющий КИС и два двигателя. Ему присвоили наименование Backfire, что переводится как “встречный огонь”. Здесь нет чего-либо иносказательного. В соответствии с принятой в НАТО классификацией отечественные самолёты получают на Западе кодовые имена, упрощающие их опознавание. Название бомбардировщика должно начинаться на букву “В” — Bomber. Названием “Бэкфайр” часто пользуемся и мы…
С февраля 2011 года Москва придерживается условий СНВ-3. Модернизация Ту-22М3 не нарушает действующего договора о сокращении наступательных вооружений. В 70-е годы прошлого века американцы были серьёзно обеспокоены тем, что на советских бомбардировщиках семейства Ту-22(М) были установлены штанги дозаправки топливом в воздухе. Тогда мы уступили, но теперь, вернув оборудование на Ту-22М3, ничего не нарушаем.
Решение об установке штанги — лишь способ отрезвить оппонентов… Ослабить пожар, а лучше остановить распространение огня...