Истребитель Т-10 - первоначальный вариант Су-27, который не смог достигнуть достаточных характеристик для конкуренции с F-15, вследствие чего проект был переработан в значительно более совершенный Т-10С, ставший в итоге широко известным Су-27.
Казалось бы, в этой истории все итак понятно - исходный Т-10 не имел маневренной механизации крыла, оживальная форма крыла приводила к сильной тряске на маневре, конструкция и обводы Т-10 были не полностью оптимизированы. Очевидно что можно было создать лучший по всем параметрам вариант самолета, которым и стал Т-10С, и это было абсолютно верным решением.
Но смотря на фотографии Т-10, все же нельзя отделаться от мысли, что и он выглядит как маневренный истребитель на все 100%.
И сравнивая Т-10 с F-15, поневоле задаешься вопросом - неужели столь маневренная на вид машина, как Т-10, не только не превосходила F-15A, но и возможно уступала ему? Как это могло быть?
В этой статье попробуем провести сравнение, используя имеющиеся в открытом доступе данные.
В первую очередь следует рассмотреть F-15A. У этой машины несколько противоречивый облик - огромные воздухозаборники и прямоугольного сечения фюзеляж создают обманчивое впечатление, что машина скорее скоростная, чем маневренная. Но за этим стоит разглядеть, что F-15 имеет огромное крыло с удлинением 3 единицы, расположенное на фюзеляже по схеме высокоплан, а фюзеляж, несмотря на свою "прямоугольность", в значительной степени уплощен. Сама по себе такая схема возможно и не смогла бы конкурировать с полностью механизированным Томкетом или с вихревой аэродинамикой Фалькона и Хорнета, но у F-15 есть еще один "козырь в рукаве" - его масса чрезвычайно мала, для той площади крыла и для тех двигателей, что он имеет. С точки зрения аэродинамики большое немеханизированное крыло без вихрегенерирующих наплывов и уплощенный фюзеляж - это скорее "4 из 5", а не "5 из 5", как у конкурентов среди 4-го поколения, но в сочетании с минимальной удельной нагрузкой на крыло и максимальной тяговооруженностью, все это даёт отличный результат. Поэтому маневренность F-15A действительно находится на очень высоком уровне. F-15 хорошо летает и на больших углах атаки - ему доступны углы 30-40 градусов, на них его большое крыло и уплощенный фюзеляж создают много подъемной силы, самопроизвольно в штопор F-15 не сваливается. В общем конкурент у Т-10 был серьезный.
Переходя к Т-10, с точки зрения ключевых особенностей аэродинамики, можно отметить интегральную схему, в которой фюзеляж уплощен по-максимуму; достаточно большое крыло с наплывами, которые должны ощутимо прибавлять подъемной силы и снижать индуктивное сопротивление; само крыло имеет удлинение 3,63 единицы, что является большим показателем для сверхзвукового истребителя, большое удлинение крыла улучшает аэродинамическое качество самолета на крейсерских и маневренных режимах; отсутствие маневренной механизации, что является конечно же минусом, однако носок передней кромки крыла имеет угол отгиба, оптимизированный для крейсерских режимов полета, что немного улучшает маневренность (хотя и слабо в сравнении с полноценным отклоняемым носком крыла), но ценой дополнительного сопротивления на режимах разгона. Отдельно стоит отметить статическую неустойчивость, которая улучшает маневренность, однако преувеличивать её значение не стоит - она позволяет увеличить угловую скорость виража за счет нивелирования потерь на балансировку, однако стоит учитывать что истребители впринципе делаются как правило не столь устойчивыми, как например бомбардировщики, поэтому у конкурентов вроде F-14 и F-15 потери на балансировку хоть и есть, но не столь значимы, чтобы сильно влиять на маневренность. К тому же вес БРЭО на Т-10/Т-10С постоянно увеличивался, нос самолета становился все более и более тяжелым, что привело в итоге к тому, что серийные Су-27 по сути были статически устойчивыми. Поэтому нельзя быть уверенным и в отношении Т-10, что в штатной комплектации со всем БРЭО он был бы статически неустойчив, а значит, хоть потери на балансировку и были малыми, этот выигрыш перед истребителями-конкурентами сокращался с каждой долей % сдвига центра масс вперед относительно средней аэродинамической хорды.
Крыло у Т-10 нестандартной оживальной формы, и по всей видимости именно эта форма, казавшаяся на этапе проектирования выгодной, привела к проблемам с избыточной тряской на маневренных углах атаки. Тряска в свою очередь свидетельствует о срыве потока и наличию дополнительных потерь подъёмной силы. Поэтому вполне возможно, из-за специфики формы крыла, машина просто не могла выдать те характеристики, которые её компоновка потенциально могла показать при обычном трапециевидном крыле.
Так или иначе, сколь подробно бы мы не рассматривали особенности аэродинамических схем, истинный расклад лучше всего покажут цифры и графики. График аэродинамической поляры показывает, какие коэффициенты сопротивления и подъемной силы создает самолет на разных углах атаки, и сравнивая эти графики для Т-10 и F-15, мы сможем определить, какая компоновка аэродинамически более совершенна. Поляры самолета могут сильно меняться по числу Маха, в данном случае мы рассматриваем дозвук, как основную область маневренного боя. Еще один график - коэффициент подъемной силы Су по углам атаки, по которому можно оценить, насколько велики коэффициенты Су самолета на углах атаки, что косвенно также говорит про аэродинамическое качество. К примеру, если один самолет достигает Су=1 на 15 градусах, а второй достигает Су=1 только на 20, то почти наверняка первый самолет будет обладать меньшим коэффициентом сопротивления Сх, чем второй самолет, т.к. для достижения той же подъёмной силы первому самолету требуется меньший угол относительно воздушного потока.
Для Т-10 поляра приведена в книге "Истребитель Су-27. Рождение легенды".
Нас интересует синяя линия, показывающая Т-10. График поляры следует рассматривать с одной оговоркой - по всей видимости вертикальная шкала ошибочна, числа Су на ней занижены в два раза, поэтому вместо 0.5 и 1 на вертикальной шкале следует читать 1 и 2. Возможно читатель удивиться, почему автор статьи так уверенно говорит об ошибке в шкале графика, но рассматривая поляры других истребителей 2,3 и 4-го поколений, достаточно очевидными становятся пределы, в которых могут лежать их значения. В данном случае если читать график "как есть", аэродинамическое качество Т-10 и Т-10С на любых режимах полета будет ниже, чем к примеру у МиГ-21/23/25, что конечно же абсурдно.
Аналогичные графики рассмотрим для F-15.
Для F-15 нужный нам график поляры для чисел Маха менее 0-0,6 доходит только до 0,6 Су, а график для числа Мах 0,9 доходит примерно до Су=1, но аэродинамическое качество самолета на этой скорости заметно хуже, чем на 0-0,6 Мах и оценивать по нему характеристики F-15 на дозвуковом диапазоне скоростей некорректно. Поэтому придется для Су>0,6 прикидывать на базе графика 0,9 Мах, примерную линию графика 0-0,6 Мах.
При Су=0,6 Сх Т-10 и F-15 схожи, примерно в районе 0,075, возможно Сх Т-10 немного меньше. При Су=0,8 у Т-10 Сх примерно 0,13, для F-15 скорее всего для скорости 0-0,6 Мах должно быть около 0,14. При Су=1, у Т-10 Сх=0,2, а у F-15 на для 0-0,6 Мах можно ожидать Сх примерно 0,28. Как видно, при малых Су разницы между самолетами почти нет, но с увеличением Су разница начинает проявляться в пользу Т-10, и при Су=1 он генерирует на 40% меньше сопротивления в сравнении с F-15. Но к сожалению, из-за неполноты графика поляры 0-0,6 Мах для F-15, точность данного сравнения можно поставить под сомнение.
Поэтому в дополнение сравним и графики Су по углу атаки - как уже было сказано выше, косвенно они могут говорить о том, у какого из самолетов будет меньшее сопротивление.
При угле атаки 10 градусов на Т-10 Су около 0,75, на F-15 около 0,65. При 15 градусах 1 против 0,95. При 20 градусах примерно 1,15 у обоих. Дальше к сожалению линия для Т-10 обрывается, но из текста книги известно, что Су макс Т-10 равен 1,4. У F-15 Су как видно резко повышается к 40 градусам до 1,6 (есть предположение, что кромки воздухозаборников F-15 на этих углах атаки начинают работать как вихрегенераторы), но по имеющимся данным максимальный балансировочный угол F-15 находится в районе 35 градусов, поэтому его Су макс также равен примерно 1,4. Таким образом, при равных Су макс, преимущество в максимальной угловой скорости виража будет у того самолета, у которого будет меньше нагрузка на крыло.
Результаты сравнения Су на углах атаки 10-15 градусов подтверждают, что аэродинамическое качество Т-10 в диапазоне Су 0,7-1 должно быть выше, чем у F-15, но при этом развитие срывов потока на крыле Т-10 на углах атаки более 15 приводит к тому, что на Су=1,1 и более Т-10 уже врядли будет иметь преимущество в аэродинамическом качестве над F-15.
Как мы видим, впринципе с точки зрения аэродинамики Т-10 имел некоторое превосходство над F-15A на маневренных режимах, но не во всем диапазоне углов атаки.
Маневренные характеристики самолета зависят не только от поляры, вычисляя перегрузку на маневре, помимо коэффициентов Су и Сх, нужно учитывать площадь крыла, массу самолета и тягу двигателя. Поэтому легко может получится так, что самолет с худшей полярой имеет лучшие маневренные характеристики. И в случае с Т-10 еще до первого полета стало понятно, что при увеличении массы самолета по ходу проектирования, он может проигрывать F-15A на маневре.
Чтобы прояснить ситуацию с массой Т-10, приведем таблицу из книги "Истребитель Су-27. Начало истории".
В таблице указана нормальная взлетная масса 20800кг, нормальный запас топлива 5350кг, нормальная боевая нагрузка 660кг, нагрузка на крыло 350кг/м2. Пересчет этих данных дает массу самолета без топлива и вооружения 14790кг (по всей видимости в эту массу также входят 4 пилона для ракет) и площадь крыла 59,4м2. В случае с массой пустого снаряженного самолета сложно сказать, какой она могла бы быть в итоге у серийного Т-10, но учитывая что в ходе создания Су-27 проявилась явная тенденция на значительное увеличение массы самолета по сравнению с проектной по всевозможным причинам, резонно было бы предположить что масса серийного Т-10 для ВВС СССР перевалила бы за 15 тонн. Для расчета удельных параметров Т-10 возьмем диапазон масс пустого-снаряженного 14500-15500кг.
В СССР на момент 70-х годов судя по всему сильно ошибались в оценке массы пустого F-15, приводя цифры, близкие к 14 тоннам, что конечно сильно искажало результат любых попыток его сравнения с другими самолетами (в частности в той же книге про Су-27 в таблице на странице 261, приводится масса пустого в 13940 кг для F-15, используемая в моделировании воздушных боев в период середины 70-х).
На самом деле масса пустого-снаряженного F-15A заметно меньше, но имеются некоторые разночтения в источниках. В этом документе от 1976 года https://alternatewars.com/SAC/F-15_Eagle_CS_-_January_1976.pdf указана масса пустого 11735 кг, если добавить к этому примерную массу пилота, масла и несливаемого остатка топлива, то получится масса пустого-снаряженного примерно в диапазоне 11900-12000 кг. В летном мануале для F-15A 1974/1975гг указана масса пустого 12474 кг и пустого-снаряженного 12700 кг. В данной таблице из отечественного справочника 80-х годов указано 12390 кг для пустого-снаряженного.
Так или иначе, мы будем брать в расчет весь возможный диапазон - от 11900кг до 12700кг.
Площадь крыла F-15 составляет 56,5м2. В итоге нагрузка на крыло к весу пустого-снаряженного у F-15A составляет примерно 210-225кг/м2, а у Т-10 245-261кг/м2. Как видно, имеется разница примерно в 16% в пользу F-15A. Интересно будет сравнить оба самолета с МиГ-29А - его масса пустого-снаряженного примерно 11 тонн, а площадь крыла 38м2, что дает нагрузку на крыло 289кг/м2, в этом плане 29-й значительно уступает и Т-10, и F-15A.
Далее учтём тяговооруженность. Двигатель F-15A F100-PW-100 имеет тягу 11,34 тонны, двигатель Т-10 (в варианте с АЛ-31Ф) 12,5 тонн. Тяговооруженность F-15A - 1,79-1,9, тяговооруженность Т-10 - 1,61-1,72, также имеется преимущество около 10% у F-15A. МиГ-29А с двигателями Р-33 с тягой 8,3 тонны имеет тяговооруженность 1,51, также уступая этим истребителям.
Таким образом по удельным параметрам Т-10 уступает F-15A, но превосходит МиГ-29А.
Можем ли мы, суммируя эти данные, определить, какой из самолетов лучше маневрировал? Для проведения качественного расчета требуются полноценные графики тяги, оперируя одной только стендовой тягой двигателя, перегрузку на вираже не посчитаешь. Не хватает для расчета и качественной дозвуковой поляры для F-15. Но провести простой сравнительный расчет в % мы все же можем.
Первым делом, определим примерный расклад по установившемуся виражу. Вычислим еще одну удельную величину - удельную тягу на м2 крыла. Для F-15 это будет 401кгс/м2, а для Т-10 420кгс/м2, таким образом по этому параметру Т-10 имеет 5% преимущество.
Теперь возьмем точку на графике поляры F-15, соответствующую типичному маневренному режиму, например определенную нами ранее для F-15 Су=1 при Сх=0,28. Превосходство в удельной тяге на м2 крыла для Т-10 значит, что при тех же полетных условиях он "потянет" на 5% больший Сх, чем F-15, т.е. 0.294 (в реальности конечно все будет зависеть от тяги на конкретной скорости и высоте, и соотношение тяг на режимах далеко не всегда будет соответствовать соотношению статических тяг). Определяем по поляре Т-10, какому Су соответствует этот Сх. По моим прикидкам Су примерно 1,15. Таким образом Су у F-15 равен 1, а у Т-10 1,15, превосходство на 15% в пользу Т-10. Теперь делим это на на разницу в нагрузке на крыло в 16% (делим, т.к. в случае с нагрузкой на крыло преимущество у F-15). 1,15/1,16=0,99. Т.е. в итоге разница между виражем самолетов 1% в пользу F-15. Результат конечно будет зависеть от того, какие соотношения брать - мы взяли средние, получившиеся при сравнении удельных параметров, т.к. что для Т-10, что для F-15A имеется неопределенность по их минимальным массам. Возьмем "крайние" расклады по массам - если брать для F-15A массу 11900 кг, а для Т-10 15500 кг, то разница достигнет 7% в пользу F-15A. Если брать для F-15A 12700 кг, а для Т-10 14500кг, то Т-10 будет обладать преимуществом в установившемся вираже почти в 6%. Итого, примерный расчетный расклад для установившегося виража лежит в диапазоне от 7% в пользу F-15A до 6% в пользу Т-10.
Соотношение в форсированном вираже с максимальной угловой скоростью определить проще - как мы определили выше, Су макс у Т-10 и F-15 одинаковый, и остается зависимость только от нагрузки на крыло, а она у F-15A при любом раскладе меньше, и итоговое соотношение в пользу F-15A будет от 9% до 24% во всем рассматриваемом диапазоне масс.
В случае с разгоном, нужно рассмотреть графики коэффициента сопротивления при нулевой подъёмной силе Сх0.
Судя по графикам, Сх0 до числа Мах 0,8 дозвуке у Т-10 немного выше, чем у F-15, но это во многом компенсируется на 5% большей удельной тягой на квадратный метр крыла. При скоростях более 0,8 Мах у Т-10 Сх0 значительно больше, чем у F-15A, и 5% преимущества в удельной тяге это не компенсируют. Для маневренного боя прежде всего рассматриваются дозвуковые скорости, поэтому нам в данном сравнении важна область скоростей до 0,8 Мах. Так как в этой области с точки зрения потерь тяги на сопротивление обе машины примерно одинаковы, то в итоге соотношение разгонных характеристик по всей видимости будет примерно таким же, как соотношение тяговооруженности, т.е. в диапазоне от 4% до 18% в пользу F-15A.
Итого, суммарно получается явное преимущество у F-15A - гарантированно лучше форсированный вираж и разгон. Однозначно определить, у кого было преимущество по установившемуся виражу и было ли оно значимым, при данном разбросе возможных масс самолетов нельзя, но все же и в этом показателе цифры таковы, что он был скорее в пользу F-15.
В итоге, Т-10 действительно уступал F-15A, несмотря на более продвинутую аэродинамику. Разница в 2-3 тонны массы безусловно сыграла решающую роль, и несколько лучшее аэродинамическое качество и немного более тяговитые двигатели не могли полностью компенсировать эти тонны. Но при этом расчет показывает, что пожалуй не ошибались мы и в истребительном облике Т-10 - в установившемся вираже он смог составить конкуренцию F-15A.
В следующей части попробуем определить, из-за чего масса Т-10 была больше, чем у F-15A, и порассуждаем, реально ли было "малой кровью" улучшить маневренные характеристики Т-10, чтобы он поступил в части и закрывал потребности ВВС в течении пятилетки, ушедшей на создание и ввод в строй более совершенного Т-10С.
Продолжение следует...
