Сравнение самолетов 4-го и 5-го поколения. Часть 2. Ближний воздушный бой

Су-35с является развитием легендарного Су-27. В чем уникальность его предка, думаю, помнят все. До 1985 года девять лет в воздухе безраздельно властвовал F-15. Но настроение за океаном резко упало, когда на вооружение начинают принимать первые серийные Су-27. Истребитель, обладающий сверхманевренностью, способный выходить на ранее не достижимые углы атаки, в 1989 г. впервые публично демонстрирующий прием «Кобра Пугачева», не досягаем западным конкурентам. Естественно, его новая «тридцать пятая» модификация вобрала все преимущества предка и добавила ряд своих особенностей, доведя конструкцию «двадцать седьмого» до идеала.

Яркой особенностью Су-35с, а также остальных наших самолетов поколения 4+, является отклоняемый вектор тяги. По непонятным причинам, он распространен только в нашей стране. Является ли этот элемент настолько уникальным, что его никто не может повторить? Технология отклоняемого вектора тяги была опробована и на американских самолетах четвертого поколения. Компанией General Electric было разработано сопло AVEN, установленное и испытанное на самолете F-16VISTA в 1993 г. Рис. №1. Компанией Pratt Whitney было разработано сопло PYBBN (Более удачной конструкции, чем у GE), установленное и испытанное на самолете F-15ACTIVE в 1996 г. Рис. №2. В 1998 г. проходили испытания отклоняемого сопла TVN для «Еврофайтера». Однако не один западный самолет четвертого поколения не получил ОВТ в серии, несмотря на то, что модернизация и производство продолжается по сей день.

Имея соответствующие технологии по отклонению вектора тяги, в 1993 г. (AVEN) на F-22 их решили не применять. Там пошли в другую сторону, создав прямоугольные сопла для уменьшения радиолокационной и тепловой заметности. Бонусом стало отклонение этих сопел только вверх-вниз.

В чем причина такой не любви запада к отклоняемому вектору тяги? Для этого попробуем разобраться, на чем основан ближний воздушный бой, и как в нем можно применить отклоняемый вектор тяги.

Маневренность самолета определяется перегрузками. Они, в свою очередь, ограничены прочностью самолета, физиологическими способностями человека и придельными углами атаки. Также важна тяговооруженность самолета. При маневрировании – основная задача — это максимально быстро изменить направление вектора скорости или углового положения самолета в пространстве. Именно поэтому ключевым вопросом в маневрировании является установившийся вираж или форсированный. При установившемся вираже самолет максимально быстро меняет направление вектора движения, при этом, не теряя скорость. Форсированный вираж – обусловлен более быстрым изменением углового положения самолета в пространстве, но он сопровождается активными потерями скорости.

А.Н. Лапчинский в своих книгах о Первой мировой войне приводил слова нескольких западных пилотов асов: немецкий ас Ниммельман писал: «Я безоружен пока я ниже»; Белке говорил: «Главное в воздушном бою – вертикальная скорость». Ну и как не вспомнить формулу знаменитого А. Покрышкина: «Высота – скорость – маневр – огонь».

Структурировав эти высказывания с предыдущим абзацем, мы можем понять, что скорость, высота и тяговооруженность будут являться определяющими в воздушном бою. Объединить эти явления можно понятием энергетической высоты полета. Она рассчитывается по формуле, указанной на рисунке №3. Где Hэ-уровень энергии самолета, H – высота полета, V2/2g – кинетическая высота. Изменение кинетической высоты по времени – называют энергетической скороподъемностью. Практическая суть уровня энергии заключается в возможности ее перераспределения пилотом между высотой и скоростью, в зависимости от ситуации. Обладая запасом по скорости, но дефицитом высоты, пилот может выполнить горку, как и завещал Ниммельман, и получить тактическое преимущество. Умение летчика грамотно распоряжаться имеющимся запасом энергии – является одним из определяющих в воздушном бою.

Теперь мы понимаем, что при маневрировании на установившихся виражах самолет не теряет своей энергии. Аэродинамика и тяга двигателей уравновешивают сопротивление. При форсированном развороте происходит потеря энергии самолета, и продолжительность таких маневров не только ограничена минимальной эволюционной скоростью ЛА, но и расходованием энергетического преимущества.

Из формулы на рисунке №3 мы можем посчитать параметр скороподъемности самолета, как я и говорил выше. Но теперь становится понятна абсурдность данных по скороподъемности, которые приводятся в открытых источниках по тем или иным самолетам, так как это динамично изменяемый параметр, зависящий от высоты, скорости полета и перегрузки. Но одновременно с этим, он является важнейшим составляющим уровня энергии самолета. Исходя из вышесказанного, потенциал самолета по набору энергии можно условно определить по его аэродинамическому качеству и тяговооруженности. Т.е. уровнять потенциал самолета с худшей аэродинамикой можно увеличением тяги двигателей и наоборот.

Естественно, одной энергией бой выиграть невозможно. Не менее важным является характеристика поворотливости самолета. Для нее справедлива формула, указанная на рисунке №4. Видно, что характеристики поворотливости самолета напрямую зависят от перегрузок Ny. Соответственно, для установившегося разворота (без потери энергии) важна Nyр — располагаемая или нормальная перегрузка, а для форсированного разворота Nyпр – предельная по тяге перегрузка. Прежде всего, важно, что бы эти параметры не выходили за границы эксплуатационной перегрузки самолета Nyэ, т.е. предела по прочности. Если это условие выполняется, то самой важной задачей при проектировании самолета будет являться максимальное приближение Nyр к Nyэ. Говоря проще – способность самолета в большем диапазоне выполнять маневры без потери скорости (энергии). Что влияет на Nyр? Естественно, аэродинамика самолета, чем больше аэродинамическое качество – тем выше возможная величина Nyр, в свою очередь на улучшение аэродинамики влияет показатель нагрузки на крыло. Чем он меньше – тем выше поворотливость самолета. Также на Nyр влияет и тяговооруженность самолета, принцип, о котором мы говорили выше (в энергетике), справедлив и для поворотливости самолета.

Упрощая вышесказанное и пока не касаясь отклонения вектора тяги, справедливо заметим, что важнейшими параметрами для маневренного самолета будут являться тяговооруженность и нагрузка на крыло. Ограничить их улучшения могут только стоимость и технические способности производителя. В этой связи любопытен график, представленный на рисунке №5, он дает понимание – почему F-15 до 1985 г. был хозяином положения.

Чтобы сравнить Су-35с с F-22 в ближнем бою, сначала нам необходимо обратиться к их предкам, а именно Су-27 и F-15. Сопоставим доступные нам важнейшие характеристики, такие, как тяговооруженность и нагрузка на крыло. Однако встает вопрос, для какой массы? В РЛЭ нормальная взлетная масса рассчитывается, исходя из 50% топлива в баках, двух ракет средней дальности, двух ракет малой дальности и боекомплекта пушки. Но максимальная масса топлива у Су-27 гораздо больше, чем у F-15 (9400 кг против 6109 кг), следовательно, и 50% запас разный. Значит, F-15 заранее получит преимущество по меньшей массе. Дабы сравнение было более честным, за образец предлагаю взять массу 50% топлива Су-27, поэтому для «Орла» получим два результата. В качестве вооружения Су-27 принимаем две ракеты Р-27 на АПУ-470 и две ракеты Р-73 на п-72-1. Для F-15C вооружение AIM-7 на LAU-106a и AIM-9 на LAU-7D/A. Для указанных масс посчитаем тяговооруженность и нагрузку на крыло. Данные представлены в таблице на рисунке №6.

Если сравнивать F-15 с расчетным для него топливом, то показатели весьма впечатляющие, однако, если взять топливо, равное по массе 50% топлива Су-27, то преимущество практически минимальное. В тяговооруженности отличие на сотые доли, но по нагрузке на крыло F-15, все же, прилично впереди. Исходя из расчетных данных, «Орел» должен иметь преимущество в ближнем воздушном бою. Но на практике учебные бои между F-15 и Су-27, как правило, оставались за нашими. Технологически ОКБ Сухого не смогло создать самолет, столь же легкий, как у конкурентов, не секрет, что по весу БРЭО мы всегда немного уступали. Однако наши конструкторы пошли по другому пути. В учебных состязаниях никто не применял «Кобр Пугачева» и не использовал ОВТ (его еще не было). Именно совершенная аэродинамика «Сухого» дала ему значимое преимущество. Интегральная компоновка фюзеляжа и аэродинамическое качество в 11,6 (у F-15c 10) нивелировали преимущество в нагрузке на крыло у F-15.

Однако преимущество Су-27 никогда не было подавляющим. Во многих ситуациях и при разных режимах полета F-15c все же может составить конкуренцию, так как большинство по-прежнему зависит от квалификации пилота. Это вполне можно отследить из графиков маневренности, о которых поговорим ниже.

Вернувшись к сравнению самолетов четвертого поколения с пятым, составим аналогичную таблицу с характеристиками тяговооруженности и нагрузки на крыло. Теперь за основу по количеству топлива возьмем данные о Су-35с, так как у F-22 баки меньше (Рис.№7). В качестве вооружения «Сушки» две ракеты РВВ-СД на АКУ-170 и две ракеты РВВ-МД на П-72-1. Вооружение «Раптора» — две AIM-120 на LAU-142 и две AIM-9 на LAU-141/A. Для общей картины также приведены расчеты по Т-50 и F-35A. К параметрам Т-50 стоит относиться скептически, так как они оценочные, и производитель не давал официальных данных.

Из таблицы на рисунке №7 отчетливо видны основные преимущества самолета пятого поколения над четвертым. Отрыв в нагрузке на крыло и тяговооруженности гораздо существеннее, чем было у F-15 и Су-27. Потенциал по энергетике и увеличению Nyр у пятого поколения гораздо выше. Одна из проблем современной авиации – многофункциональность, коснулась и Су-35с. Если с тяговооруженностью на форсаже он смотрится неплохо, то нагрузка на крыло уступает даже Су-27. Это явно показывает, что конструкция планера самолетов четвертого поколения не может с учетом модернизации достигнуть показателей пятого.

Следует отметить аэродинамику F-22. Официальных данных по аэродинамическому качеству нет, однако по заявлениям производителя — оно выше, чем у F-15c, фюзеляж имеет интегральную компоновку, нагрузка на крыло даже меньше, чем у «Орла».

Отдельно нужно отметить двигатели. Так как только «Раптор» обладает двигателями пятого поколения, это особенно заметно в тяговооруженности на режиме «максимал». Удельный расход на режиме «форсаж», как правило, более чем в два раза превышает расход на режиме «максимал». Время работы двигателя на «форсаже» существенно ограничено запасами топлива самолета. К примеру, Су-27 на «форсаже» съедает более 800 кг керосина в минуту, следовательно, самолет, обладающий лучшей тяговооруженностью, на «максимале» будет иметь преимущества по тяге гораздо более существенное время. Именно поэтому изд 117с не является двигателем пятого поколения, и ни Су-35с, ни Т-50 не обладают преимуществами по тяговооруженности над F-22. Следовательно, для Т-50 очень важен разрабатываемый двигатель пятого поколения «тип 30».

Где из всего вышесказанного все же можно применить отклоняемый вектор тяги? Для этого обратимся к графику на рисунке №8. Эти данные получены для горизонтального маневра истребителей Су-27 и F-15c. К сожалению, аналогичных данных для Су-35с пока нет в открытом доступе. Обратите внимание на границы установившегося разворота для высот 200 м и 3000 м. По оси ординат мы можем видеть, что в диапазоне 800 – 900 км/ч для указанных высот достигается наибольшая угловая скорость, которая составляет 15 и 21 град/сек, соответственно. Ограниченна она только перегрузкой самолета в диапазоне от 7,5 до 9. Именно такая скорость считается наивыгоднейшей для ведения ближнего воздушного боя, так как на ней максимально быстро меняется угловое положение самолета в пространстве. Возвращаясь к двигателям пятого поколения, самолет обладающей большей тяговооруженностью и способный двигаться на сверхзвуке без использования форсажа, получает энергетическое преимущество, так как он может израсходовать скорость на набор высоты, пока она не упадет в диапазон наивыгоднейших для БВБ.

Если экстраполировать график на рисунке №8 на Су-35с с отклоняемым вектором тяги, как можно изменить ситуацию? Ответ прекрасно виден из графика – никак! Так как граница по предельному углу атаки (αдоп) находится гораздо выше предела по прочности самолета. Т.е. аэродинамические средства управления не используются в полной мере.

Рассмотрим график горизонтального маневра для высот 5000 м – 7000 м, представленный на рисунке №9. Наибольшая угловая скорость составляет 10-12 град/сек, и достигается в диапазоне скоростей 900 – 1000 км/ч. Приятно отметить, что именно в этом диапазоне Су-27 и Су-35с имеют решающие преимущества. Однако эти высоты не являются наивыгоднейшими для ведения БВБ, ввиду падения угловых скоростей. Как в этом случае нам поможет отклоняемый вектор тяги? Ответ прекрасно виден из графика – никак! Так как граница по предельному углу атаки (αдоп) находится гораздо выше предела по прочности самолета.

Так где же можно реализовать преимущество отклоняемого вектора тяги? На высотах, выше наивыгоднейших, и на скоростях, ниже оптимальных для БВБ. При этом глубоко за границами установившегося разворота, т.е. при форсированном развороте, при котором и так расходуется энергетика самолета. Следовательно, ОВТ применим только в особых случаях и при запасе энергии. Такие режимы не так популярны в БВБ, но, конечно, лучше, когда возможность отклонения вектора есть.

Теперь обратимся немного к истории. На учениях Red Flag F-22 постоянно одерживал победы над самолетами четвертого поколения. Есть только единичные случаи проигрыша. Он никогда не встречался на Red Flag с машинами Су-27/30/35 (по крайней мере, нет таких данных). Однако Су-30МКИ принимали участие в Red Flag. В сети доступны отчеты по состязаниям за 2008 год. Безусловно, Су-30МКИ имел преимущество над американскими машинами, как и Су-27 (но отнюдь не за счет ОВТ и не подавляющее). Из отчетов мы можем увидеть, что Су-30мки на Red Flag показывал максимальную угловую скорость в районе 22 град/сек (скорее всего, на скоростях в районе 800 км/час, см график), в свою очередь F-15c выходил на угловую скорость в 21 град/сек (аналогичные скорости). Любопытно, что F-22 на тех же учениях показал угловую скорость в 28 град/сек. Теперь мы понимаем, чем это можно объяснить. Во-первых, перегрузка на определенных режимах у F-22 не ограничена 7, а составляет 9 (см. РЛЭ Су-27 и F-15). Во-вторых, благодаря меньшей нагрузке на крыло и большей тяговооруженности, границы установившегося разворота на наших графиках для F-22 будут смещаться вверх.

Отдельно следует отметить неповторимые фигуры высшего пилотажа, которые могут демонстрировать самолеты Су-35с. Так ли они применимы в ближнем воздушном бою? С применением отклоняемого вектора тяги выполняются такие фигуры, как «Чакра Флорова» или «Блинчики». Что объединяет эти фигуры? Они выполняются на малых скоростях, дабы попасть в эксплуатационную перегрузку, далеких от наивыгоднейших в БВБ. Самолет резко меняет свое положение относительно центра масс, так как вектор скорости, хоть и смещается, но кардинально не изменяется. Угловое положение в пространстве остается неизменным! Какая разница ракете или РЛС, что самолет кружится вокруг своей оси? Совершенно никакой, при этом он еще и теряет свою энергию полета. Быть может, такими кульбитами мы сможем дать ответный огонь по противнику? Тут важно понимать, что перед пуском ракеты самолету нужно провести захват цели, после чего пилот должен дать «согласие», нажав кнопку «ввод», после чего данные передаются на ракету и осуществляется пуск. Сколько на это уйдет времени? Явно больше, чем доли секунды, которые тратятся при «блинчиках» или «чакре», или еще чем-то. При этом все это еще и в заведомо проигрышных скоростях, и с потерей энергии. Но можно пустить ракеты малой дальности с тепловыми головками без захвата. При этом мы надеемся, что ГСН ракеты сама захватит цель. Следовательно, направление вектора скорости атакующего должно примерно совпадать с вектором противника, иначе ракета по инерции, полученной от носителя, уйдет из зоны возможного захвата своей ГСН. Одна проблема — такое условие не выполняется, так как вектор скорости кардинально при таких фигурах высшего пилотажа не изменяется.

Рассмотрим «кобру Пугачева». Для ее выполнения необходимо отключить автоматику, что уже является спорным условием для воздушного боя. Как минимум, квалификация строевых пилотов существенно ниже, чем у асов-пилотажников, да еще это нужно выполнить ювелирно в предельно стрессовых условиях. Но это меньшее из зол. Кобра выполняется на высотах в районе 1000 м и скоростях в пределах 500 км/ч. Т.е. самолет изначально должен оказаться на скоростях, ниже рекомендуемых для БВБ! Следовательно, выйти на них он не может, пока противник не растеряет столько же энергии, дабы не потерять свое тактическое преимущество. После выполнения «кобры» скорость самолета падает в пределы 300 км/ч (моментальная потеря энергии!) и находится в диапазоне минимальной эволюционной. Следовательно, «Сушка» должна уйти в пикирование для набора скорости, при этом противник не только сохраняет преимущество по скорости, но и по высоте.

Однако может ли такой маневр обеспечить необходимые преимущества? Есть мнение, что таким торможением мы можем пропустить соперника вперед. Во-первых, у Су-35с и так есть возможность воздушного торможения без необходимости отключения автоматики. Во-вторых, как известно из формулы энергии полета, тормозить надо набором высоты, а не как-то иначе. В-третьих, что в современном бое соперник должен делать вплотную в хвосте, при этом не атакуя? Увидев перед собой «Сушку», выполняющую кобру, насколько проще будет прицелиться в увеличенную площадь противника? В-четвертых, как мы и говорили выше, захватить цель таким маневром не получится, а пущенная без захвата ракета уйдет в молоко полученной инерцией. Схематично такое событие представлено на рисунке №17. В-пятых, снова хочется спросить, как противник оказался так близко, не будучи атакован ранее, и зачем «Кобра», когда можно сделать «Горку», сохранив энергию?

На самом деле, ответ на многие вопросы по фигурам высшего пилотажа предельно прост. Показательные выступления и шоу не имеют ничего общего с реальными приемами в ближнем воздушном бою, так как выполняются на заведомо не применимых в БВБ режимах полета.

На этом каждый сам для себя должен сделать вывод, насколько самолет поколения 4++ способен противостоять самолету пятого поколения.

В третьей части подробнее поговорим о F-35 и Т-50 в сравнении с конкурентами.

Продолжение следует…

Автор: Соколов Кирилл (Фалкон)