Проект.

Я глубоко убежден, что все в самолете, начиная от заклепок и кончая двигателем, должно быть изобретено с нуля. Кларенс «Келли» Джонсон (из выступления).

Сказать, что Blackbird результат труда одного гениального конструктора – значит погрешить против истины. Blackbird –результат труда коллектива гениальных конструкторов фирмы Локхид, знаменитой группы перспективных разработок «Skunk Works», которая создала, среди прочих, такие известные самолеты, как U-2 и F-104. Несмотря на заслуженную репутацию, эта группа не получила и половины той славы, что причиталась им за Blackbird, изза секретности, окружавшей его разработку и дальнейшее применение.

Сегодня, в век мощных суперкомпьютеров, иногда забывают, что Blackbird приходилось создавать с помощью… логарифмической линейки. Это был длительный, дорогой и иногда изнурительный метод работы. Тот факт, что Blackbird до сих пор остается единственным в мире самолетом, способным выдерживать скорости больше 3М на высотах выше 85000 футов, является данью упорству и творческому гению Келли Джонсона и его отборной команды «Skunk Works».

По конструктивному расположению Blackbird представляет собой модифицированное бесхвостое дельтавидное крыло, плавно переходящее в носовую несущую конструкцию. Эта жесткая конструкция – так называемый «хребет» – работает как крыло-утка и создает на крейсерской скорости подъемную силу, которая вдвое уменьшает изгибающий момент, действующий на фюзеляж, а также уменьшает лобовое сопротивление. При различных модификациях проекта требуется эффективная интеграция добавляемых деталей с зализанным фюзеляжем Blackbird. Например, установка обтекателя РЛС управления огнем ASG-18 на YF-12, для чего пришлось укоротить «хребет», вызвала необходимость добавления трех продольных стабилизаторов на днище для обеспечения курсовой устойчивости на высоких скоростях. Второй, приподнятый над первым, кокпит на тренировочном SR-71B потребовал установки двух таких же стабилизаторов.

Высокие температуры на скоростях более ЗМ, которые требовалось выдерживать длительное время, были большим камнем преткновения при проектировании. Первоначально предполагалось, что для уменьшения лобового сопротивления требуется максимально гладкая поверхность. Но при высоких температурах такие гладкие крылья ведут себя как картофельные чипсы. После этого поверхности стали делать с рифлением вдоль хорды, что стало также отличительной особенностью Blackbird. Рифление придает не только жесткость и устойчивость крылу, оно также помогает лучше отводить тепло, правда ценой незначительного увеличения лобового сопротивления.

Коническая выпуклость на передней кромке внешней секции крыла служит для уменьшения крутящего и изгибающего моментов. Вертикальные стабилизаторы цельноповоротные. Предполагалось использовать обычные рули направления, но их возможностей оказалось недостаточно для управления в ситуациях с одним работающим двигателем. Цельноповоротные рули в два с половиной раза эффективнее обычных рулей направления и требуют отклонения на меньший угол, что в свою очередь уменьшает лобовое сопротивление. Они наклонены внутрь на 15 градусов и имеют максимальный угол поворота +/-20 градусов. Преимущество наклоненных внутрь вертикальных плоскостей состоит в уменьшении вращающего момента при скольжении. Это преимущество очевидно для любых скоростей полета. Эффективность этих рулей доказана способностью Blackbird справляться с боковым ветром до 35 узлов под углом 90 градусов в взлетной полосе.

Продувки в аэродинамической трубе не выявили ощутимых преимуществ от установки закрылков или от механизации передней кромки крыла. Большая площадь крыла создает полноценный эффект воздушной подушки вблизи земли, делая ровную посадку легкой. Четыре управляющих поверхности – две снаружи мотогондол и две внутри – работают как рули высоты и элероны. Угол отклонения элеронов +/-12 градусов. На скоростях около 3М, неосторожные движения органов управления могут привести к резким, и возможно катастрофическим, изменениям высоты. Но на рабочей высоте полета Blackbird плотность воздуха составляет лишь 2% плотности на уровне моря, из-за чего рули управления требуется отклонять на большие углы. Сидящий в пятидесяти футах впереди центра тяжести пилот будет последним, кто узнает, что рули были отклонены на правильный угол. Поэтому управление доверили системе искусственного увеличения стабильности SAS, которая освобождает пилота от необходимости балансировать на «качелях», несущихся со скоростью 2000 миль/час. Эта система фирмы Ханиуэлл оказалась одной из самых надежных систем самолета, имея среднее время наработки на отказ 130000 часов!

Фирма Ханиуэлл также разработала вычислитель параметров полета, компенсирующий влияние большого числа М, и выдающий точные показания высоты, вертикальной скорости и числа М на цифровой индикатор. (Из-за низкой плотности воздуха на рабочей высоте полета стандартные приборы не надежны) Поскольку обшивка на крейсерской скорости нагревается до 450-1200 градусов по Фаренгейту, а планер в целом подвергается нагреву в течение длительного времени, пришлось разработать новое топливо, жидкости для гидросистем, масло, герметики, изоляционные материалы и целое множество сопутствующих вещей. Из-за высоких температур сразу пришлось отказаться от большинства общепринятых конструкционных материалов и технологий.

Подходящими оказались только самые стойкие титановые сплавы, из которых сделаны 93% основной конструкции самолета. На скорости 3М обшивка достигает максимальной температуры за 11 минут, тогда как для достижения температурного баланса всего самолета может потребоваться до 35 минут. Охлаждение реализовано за счет излучения, вот почему «Черный дрозд» – черный. Эта специальная краска обладает излучающей способностью почти втрое большей, чем металл, на который она нанесена. Топливо JP-7 также является средством охлаждения, хотя по мере его расходования фюзеляж подвергается неравномерному нагреву и, как следствие, возникает изгиб вниз. Топливо используется для охлаждения наиболее важных узлов, в частности шасси. Камеры колес заполнены азотом для поддержания стабильного давления на всех режимах полета. Топливо JP-7 имеет такую высокую температуру воспламенения, что для этого требуется специальное вещество триэтилборан (ТЕВ).

На Blackbird нет мягких топливных баков. Обшивка самолета образует верхние и нижние стенки шести топливных баков и, хотя через каждые 200 часов летного времени герметизация баков заменяется, расширение и сжатие корпуса при нагреве и охлаждении приводят в заметной течи баков. Правда, поскольку JP-7 не испаряется, то лужи топлива, образующиеся под самолетом на стоянке, не представляют большой пожарной опасности. Но даже такое трудно воспламеняемое топливо, как JP-7, может не выдержать высокую температуру, до которой разогреваются топливные баки при продолжительном полете на скорости ЗМ. Температура достигает 600 градусов и для целей безопасности топливные баки во время полета наддуваются азотом.

Масло, используемое в двигателе J-58, практически твердое при температуре ниже 86 градусов по Фаренгейту. Перед полетом его требуется разогревать, со скоростью 10 градусов в час, до достижения температуры 86 градусов. В приборных датчиках, требующих смазки, используется специальная силиконовая смазка.

Была разработана специальная жидкость для гидросистем, способная выдерживать температуры до 650 градусов. Для предотвращения воспламенения этой жидкости, что могло бы привести к отказам сервомеханизмов и клапанов, должен быть исключен ее контакт с кислородом как в гидросистемах, так и в емкостях. Для этого гидросистема находится под давлением, а в качестве инертной среды используется азот. Вместо обычных прокладок используются металлические прокладки или уплотнения «металл-металл».

Электрические разъемы позолочены. Серебряно-цинковые батареи, используемые для аварийного питания, после каждого полета снимаются для перезарядки, длящейся двое суток. Эти батареи также заполнены азотом под давлением для предотвращения взрыва при высоких температурах.

Кокпит Blackbird в семь раз труднее охлаждать, чем кокпит самолета Х15. Для этого используется топливо, а кондиционер поддерживает температуру воздуха внутри кокпита около 60 градусов, при температуре наружной поверхности до 400 градусов. Проблемы высоких температур возникли при изготовлении парашютов, которые нужно было либо защитить от нагрева либо сделать термостойкими, при выборе метательных взрывчатых веществ для катапульты (они не должны были «поджариться»), а также при изготовлении тросов управления, которые должны были сохранять прочность при нагреве. Последнюю проблему решили, использовав элгилой – стойкий к растяжению сплав, применяемый в часовых пружинах. Для радиопрозрачного обтекателя радара на YF-12А пришлось создать специальный пластик, а разработка разведывательных систем, способных «видеть» через раскаленные иллюминаторы и воздух вокруг, была крупной проблемой на А-12 и SR-71..

Для спасения экипажа на скорости 3М и высоте 80000 футов предусматривался специальный скафандр с избыточным давлением, который обеспечивал достаточную защиту при катапультировании на такой скорости и высоте. Каждый такой скафандр изготовляется индивидуально под конкретного летчика и стоит 100000 долларов. (Перчатки изготавливаются наборами по три пары, $6000 за набор). Система катапультирования была опробована несколько раз, хотя ни один из этих случаев не был публично и официально документирован. Сообщалось, что первая потеря Blackbird произошла во время испытательного полета на скорости 3М, когда передний топливный бак оказался пустым из-за сильной течи. В момент начала поворота на скорости 3М из-за слишком задней центровки произошел резкий рывок вверх по тангажу, что привело к разрушению планера. Летчик-испытатель оказался вне самолета, развалившегося на части, и остался жив только благодаря своему скафандру.

Стоимость и сложность освоения машинной обработки высокопрочного титанового сплава В-120 были потрясающими для того времени. В начале шестидесятых фирма Локхид платила по 119 долларов за фунт получаемых методом экструзии титановых деталей, а их машинная обработка обходилась по 19 долларов за дюйм. Например, в течение месяца были изготовлены 40000 пробных деталей, из которых 95% были забракованы.

Двигатели JT1 ID-20 для Blackbird были изготовлены фирмой Пратт энд Уитни и имели военное обозначение J-58. На скорости 3М J-58 представлял собой практически вечный двигатель, в котором работала только форсажная камера, при этом достаточно низкий удельный расход топлива обеспечивал дальность полета почти 3000 миль! Такое возможно только если воздухозаборник и сопло двигателя спроектированы так, чтобы обеспечить большую часть тяги. Для достижения этой цели, конструкторы вынесли двигатели из фюзеляжа и из возмущенного воздушного потока вокруг него. Правда, при потере тяги на большой скорости это приводит к резкому рысканию, но система SAS автоматически компенсирует это рыскание, причем настолько быстро, что пилот часто даже не знает, какой из двигателей «выключился». Такая потеря тяги происходит, когда воздухозаборник выходит из настроенного режима.

Поскольку реактивные двигатели не работают в сверхзвуковом потоке воздуха, необходимо замедлить его перед компрессором. Это достигается с помощью движущегося конуса воздухозаборника и нескольких перепускных отверстий позади среза воздухозаборника. Ударная волна на скорости 3М за счет изменения положения конуса попадает в «ловушку» внутри воздухозаборника. Если по какой-либо причине она смещается, возникает состояние, подобное остановке компрессора, что приводит к значительной потере тяги. Система автоматического управления полетом немедленно реагирует на это, предпринимая необходимые действия для перемещения ударной волны.

Аэродинамика была не единственной проблемой, с которой столкнулись конструкторы Blackbird. Температуры свыше 800 градусов в воздухозаборнике, 350 на топливных форсунках, 600 в форсажных камерах, а температура смазки до 1000 градусов – с такими проблемами пришлось иметь дело инженерам из Пратт энд Уитни. Такие рабочие температуры двигателя J-58 диктовали необходимость его изготовления из новых деталей, вплоть до последнего винтика.

Большая часть работы конструкторов двигателя была проверена в аэродинамической трубе, однако немало можно было проверить только в полете. Проблема температур создала другу проблему – регистрирующего оборудования, способного работать в таких условиях. Только для того, чтобы получить результаты испытаний, пришлось сконструировать и изготовить специальную систему водяного охлаждения!

Отладка системы воздухозаборника была самой объемной частью испытаний двигателя. Автоматическое позиционирование конуса и управление перепускными отверстиями оказалось абсолютно необходимым для достижения максимальной тяги при минимальном лобовом сопротивлении. Давление на конус в полете достигает 14 тонн, поэтому его гидропривод должен быть мощным и одновременно чутким для поддержания точного баланса.

Двигатели, а точнее их уменьшающееся количество, могут в конце концов привести к снятию с эксплуатации самолетов Blackbird. Двигатели J-58 не производятся с конца шестидесятых, и, даже не смотря на то, что их полностью разбирают и проверяют через каждые 200 часов, они постепенно изнашиваются. Запасные части все труднее найти и проходят месяцы в ожидании нужной детали, прежде чем двигатель снова можно будет вернуть в эксплуатацию. ВВС не сообщают количество исправных SR-71, но можно смело утверждать, что их всегда было менее дюжины, а с учетом дефицита запчастей это число будет только постоянно уменьшаться.