Малозаметный тактический ударный самолет F-117A Nighthawk, 1981 год, США, Часть 1
В 1966 году советский математик Петр Уфимцев опубликовал в одном из научных журналов свою работу, в которой описал теорию отражения радиоволн от плоских поверхностей. По мнению ученого, аппараты, изготовленные из плоских панелей, наклоненных под определенными углами, могут очень эффективно отражать излучение РЛС, в связи с чем достигается отличная радиомаскировка. Именно из этой статьи, как впоследствии признавался создатель американских «самолетов-невидимок» Бен Рич, он почерпнул идею конструкции самолета - «невидимки».
Работы по созданию такого невидимого самолет начались на фирме Lockheed Martin в 1975 году, Бен Рич, вместе с Биллом Шроедером, математиком фирмы Lockheed и компьютерным специалистом Денисом Оверхолсером использовали работу Уфимцева. Они разработали компьютерную программу Echo 1, на основе произведенных в ней расчетов в 1975 году была разработана модель The Hopeless Diamond, фюзеляж которой состоял из плоских панелей. Проект стал победителем в конкурсе секретных ("black") проектов экспериментальной технологии "невидимки" (EST - Experimеntal Stealth Technology) 1975-76 гг. В 1977 году были построены две модели Have Blue в 60% величину. Дальнейшим развитием проекта стала разработка по заказу министерства обороны США малозаметного самолета с заданными дальностью полета, точностью бомбометания и величиной ЭПР (эффективной площадью рассеивания).
По сложившейся в ВВС США схеме обозначения литерой “F” обозначались истребители (от Fighter), а цифровой индекс должен быть двухзначным. Новому самолету более подходила литера «B» (Bomber), но из-за обстановки повышенной секретности, окружавшей процесс разработки самолета, он получил обозначение F-117.
Новый самолет предназначался первую очередь для ночных высокоточных атак особо важных целей в ходе автономных одиночных вылетов. Предполагалось его использование для тактической радиоэлектронной разведки районов, прикрытых средствами ПВО противника, а выживаемость в зоне действия ПВО должна обеспечиваться не столько бронированием, сколько скрытостью полета.
Планер самолета, построен по схеме бесхвостка, с плоскими панелями (фасетами, от франц. facette - грань), внесшими основной вклад в достижение малой величины ЭПР (до 90%), благодаря которым радиолокационные лучи отражаются от поверхностей самолета в верх и вниз, а не в направлении на облучающую РЛС. Фасеты крепятся к довольно сложной скелетной раме, большая часть панелей наклонена под углом 30° от вертикали. Если F-117 облучать с разных ракурсов и взглянуть на картину отражения сверху, то окажется, что наиболее сильные «зайчики» от острых кромок корпуса F-117 и мест нарушения непрерывности обшивки сконцентрированы всего в нескольких узких секторах, а не распределены сравнительно равномерно, как в случае обычных самолетов. Провалы между этими секторами трудноотличимы от фонового шума, а сами сектора настолько узки, что РЛС не может извлечь из них достаточной информации. Ориентация основных секторов определяется положениями передней и задней кромок аэродинамических поверхностей самолета, которые являются самыми сильными отражателями. Другие компоненты планера ориентированы таким образом, чтобы отражение от них происходило строго в основных секторах. Все щели по контуру смотровых люков и оптических окон, сочленения фонаря кабины и фюзеляжа и т.д. имеют накладки с пилообразной кромкой, створки отсеков шасси, двигателей и вооружения также имеют пилообразные кромки, причем стороны зубцов ориентированы в направлении желаемого сектора. Предусмотрено, чтобы ни один из секторов интенсивного отражения не был направлен непосредственно вперед.
В качестве основного конструкционного материала применен алюминий с титановыми панелями в районе двигателя и выхлопной системы. Задняя кромка самолета позади сопел двигателя покрыта керамическими плитками, отражающих тепло выхлопных газов. Сложная система выпуска самолета включает в себя элементы скольжения и кварцевые плитки, компенсирующие тепловое расширение элементов системы.
Разработка самолета «невидимки» была связна с огромным техническим риском. Основная задача, преследуемая конструкторами - сведение к минимуму все демаскирующие факторы самолета: способность отражать радиолокационное облучение, самому излучать электромагнитные волны, издавать звук, оставлять дымный и инверсный следы, быть заметным в инфракрасном и видимом диапазонах. Основной акцент был сделан на снижении радиолокационной и инфракрасной заметности, а так же для предотвращения любых собственных излучений. Во время полета самолета в «невидимом» режиме все бортовые устройства связи, ответчик «свой - чужой» и радиовысотомер должны быть выключены. Навигационная система и все оборудование для поиска цели и применения оружия должны работать в пассивном режиме. Единственное исключение сделано для лазерной подсветки цели, которая включается на очень короткое время (примерно 10-15 секунд) в ходе атаки. Все антенны средств связи, систем РЭП и других систем убираются внутрь самолета либо снимаются. Конструкции радиолокационных отражателей, а также бортовые аэронавигационные огни могут крепиться с помощью винтов на внешних поверхностях отсека двигателей. Во время боевых вылетов они снимаются, пустые крепежные отверстия заполняются РПМ, наносимым распылением.
Открывающийся вверх фонарь кабины пилота также имеет фасеточную форму. Он выполнен в виде цельной конструкции, пять панелей его остекления нанесено многослойное электропроводящее золотосодержащее покрытие, предназначенное для предотвращения облучения внутрикабинного оборудования и снаряжения летчика - микрофона, шлема, очков ночного видения и т.д. Например, отражение от одного только шлема может быть намного больше, чем от всего самолета. Воздухозаборники «невидимки» прикрыты специальными решетками с размерами ячеек, близкими к половине длины волны радаров, работающих в сантиметровом диапазоне. Удельное электрическое сопротивление решеток оптимизировано для поглощения радиоволн, причем оно увеличивается по глубине решетки, чтобы предотвратить скачок сопротивления (который увеличивает отражение) на границе с воздухом.. Подобным образом защищены от облучения и выхлопные сопла двигателей, а особенности конструкции связаны с высокой температурой выходящих газов. Радиосвязные антенны и другие излучающие устройства на поверхности планера, например, антенны системы госопознавания, выполнены убирающимися. Весь планер покрыт радиопоглощающими материалами RAM (Radar-Absorbent Material) нескольких типов, нанесенными по «обойной» технологии - путем приклейки с помощью клея на эпоксидной основе изготовленных из них лент и листов. Покрытие состоит по большей части из частиц магнитодиэлектрика (карбонильное железо) и полимеров. Часть энергии рассеивается, часть преобразуется в тепло. Стыки между панелями прокрашивались поглащяющей краской.
Внешние поверхности и внутренние металлические элементы самолета выкрашены ферромагнитной краской. Ее черный цвет не только маскирует «невидимку» в ночном небе, а именно для скрытного преодоления ПВО противника и высокоточного поражения наземных целей в ночное время, но и способствует рассеиванию тепла. Крыло большой стреловидности (67,5°) с четырьмя элевонами, трапециевидное, со скошенными фасеточными законцовками, имеет двухлонжеронную конструкцию. Элевоны отклоняются на 60° вверх и вниз.
Продольную устойчивость и управление самолета обеспечивают два V-образных киля, с углом развала наружу. Горизонтальное оперение F-117A ни как не учувствует в управлении тангажом, в отличие от большинства самолетов подобной конфигурации. Каждый киль состоит из основания и вращающегося вокруг неподвижной оси руля высоты, который отклоняется на 30° влево и вправо. Линия между обеими частями частям киля Z-образная, а сами части имеют фасеточную форму, в соответствии с технологией малозаметности.
На F-117 установили два двухконтурных турбореактивных двигателя General Electric F404-GE-F1D2. Для снижения их теплового излучения выхлопные сопла прикрыли щитками с боков, снизу и сзади. Из-за применения решеток на воздухозаборниках, которые помимо уменьшения ЭПР ограничивают поток воздуха к двигателю, площадь воздухозаборников была увеличена, что было немаловажным при рулежках, взлетах, посадках и полетах с небольшой скоростью, так же избыточный холодный воздух был направлен на смешение с горячими выхлопными газами, чтобы снизить их температуру. Очень узкие сопла формируют практически плоскую форму выхлопной струи, что наилучшим образом способствует ее быстрому охлаждению. Шасси трехопорное, с газово-масляными амортизаторами, топливные баки встроены в конструкцию крыла. Запас топлива около 7000 л, расход (при крейсерских скоростях и высотах полета) составляет 1360 кг/ч. Самолет оборудован системой дозаправки топливом в полете, приемник которой расположен за кабиной летчика. Приемное отверстие при ночной дозаправке подсвечивается.
Для уменьшения стоимости разработки на Stealth перекочевало немало технических решений и проверенных элементов от уже существующих самолетов. Связные радиостанции и навигационная инерциальная система унифицированы с аналогичными системами других самолетов. Так, двигатели и многое из приборного оборудования взяли от F/A-18, систему управления и элементы ряда других систем - от F-16, кое-что перекочевало на F-117 даже с более старых машин - SR-71, Т-33, С-130 и других.
В итоге ЭПР самолета F-117 при облучении с фронтальных и хвостовых ракурсов снижена до 0,1-0,01 м2, что примерно в 100-200 раз меньше, чем у обычного самолета близких размеров, а быть обнаруженным при таком значении ЭПР он может на расстоянии не более 26 км. Правда, с других ракурсов она может достигать 1 м2.
Интересно, что столь революционная машина была разработана за меньшее время, меньшим числом специалистов и с меньшими затратами, чем обычный боевой самолет близкой размерности.
F-117A стал первым в мире серийным самолетом, выполненным по технологии Stealth. Контракт на полномасштабную разработку «невидимки» и производство установочной партии из пяти самолетов (серийные номера от 79-10780 до 79-10784) военные подписали с Lockheed Martin 16 ноября 1978 г. Первый прототип F-117 впервые поднялся в воздух в декабре 1977 г. с базы Грум Лэйк в штате Невада. Строительство началось уже через 8 месяцев, а первую готовую машину передали на испытания 16 января 1981 г., всего через 31 месяц после начала разработки. На вооружение новый самолет принят в октябре 1983 года. Самолеты установочной партии стали называть F-117FSD. От последующих машин, получивших обозначение F-117A, внешне они отличались хвостовым оперением меньших размеров. Несколько позже, при постановке на вооружение, самолету присвоили наименование Nighthawk (ночной ястреб).
Оптимизация формы планера по критерию уменьшения заметности значительно ухудшила аэродинамику машины. В официальной истории Skunk Works (название подразделения перспективных разработок Lockheed Advanced Development Projects) рассказано, что когда ведущему аэродинамику отделения Дику Кэнтрелу впервые показали желаемую конфигурацию будущего F-117A, того хватил удар. Придя в себя и осознав, что он имеет дело с уникальным самолетом, при создании которого первую скрипку играют не специалисты его профиля, а какие-то электрики, он поставил перед своими подчиненными единственно возможную задачу - сделать так, чтобы это чудовище было в состоянии хоть как-нибудь летать. Главные проблемы виделись в достижении достаточного аэродинамического качества в крейсерской конфигурации для обеспечения заданной дальности полета, а также приемлемого уровня искусственной устойчивости и управляемости. Угловатый фюзеляж, острые передние кромки поверхностей, профиль крыла, образованный отрезками прямых - все это весьма плохо подходит для дозвукового полета. В итоге аэродинамическое качество F-117A при заходе на посадку составило всего около 4, что соответствует уровню самолета А.Ф.Можайского и лишь немногим выше, чем у космического корабля Space Shuttle. Достаточно большой оказалась и посадочная скорость самолета, из-за чего пришлось использовать тормозной парашют, раскрывающийся сразу после контакта с ВПП.
Управление самолетом в кабине включает центральную ручку управления и педали, взаимодействующие с дистанционной системой управления, аналогичной системе, установленной на самолете F-16. Такая схема управления обеспечивает искусственную устойчивость самолета, что дает большую свободу при выборе его формы для уменьшения демаскирующих признаков.
Одноместная кабина с обзором только вперед. Оснащена коллиматорным индикатором (HUD) фирмы Kaiser Electronics и панелью контроля хода полета, оснащенную большим двенадцатидюймовым видеомонитором, отображающим тепловизионное изображение с сенсоров самолета. Фирма Harris Corporation разработала полноцветную карту полета. ЭДСУ разработала фирма BAE Systems Aircraft Controls. Для навигации и наведения вооружения на цель самолет оснастили инфракрасной системой обзора в передней (FLIR) и нижней (DLIR) полусфере. ИК датчики переднего и нижнего обзора смонтированы раздельно в переднем отсеке непосредственно перед фонарем кабины и на нижней поверхности самолета и прикрыты материалом, пропускающим ИК излучение. Лазерные устройства целеуказания и сопровождения интегрированы с ИК датчиками. Перед полетом информация о задании загружается в компьютер управления полетом, интегрированный с навигационной системой и системой управления полетом для полной автоматизации системы управления полетом. После взлета пилот может передать управление программе до визуального обнаружения первой цели задания. После пилот берет управления на себя для осуществления бомбометания. Самолет так же оборудовали системой записи на видео результатов бомбометания, для отслеживания в реальном времени урона, нанесенного противнику. Для спасения пилота самолет оборудован катапультным креслом ACES II.
Поскольку Nighthawk создавался статически неустойчивым, то перед началом полетов было необходимо проверить работоспособность алгоритмов, заложенных в его системы повышения устойчивости. Лишь после серии полетов летающей лаборатории NT-33A и внесения исправлений в программы бортовых компьютеров их признали годными.
Тем не менее, первый полет F-117A решено было выполнить с отключенными системами повышения устойчивости, а чтобы самолет можно было при этом пилотировать, его на время сделали статически устойчивым в продольном канале, заложив в носовую часть фюзеляжа балласт. При этом, однако, системы были полностью работоспособны и могли быть легко включены с помощью специально установленных в кабине переключателей. В такой конфигурации 18 июня 1981 г. Nighthawk с хвостовым номером 780 впервые поднялся в воздух под управлением летчика-испытателя Гарольда Фэрли младшего. Это был драматический полет, едва не закончившийся катастрофой. Сразу после отрыва пилот понял, что благодаря наличию балласта продольная устойчивость самолета вполне терпима, но путевая оказалась значительно хуже, чем предполагалось. Будучи не в силах удержать машину, он вынужден был немедленно включить компьютеры, и остаток полета прошел более-менее нормально. Но дальнейшие полеты показали, что даже с работающими системами путевая устойчивость и управляемость все равно никуда не годятся, особенно при открытии створок отсеков вооружения или в случае отключения одного из двигателей. В итоге площадь килей на серийных самолетах пришлось увеличить на 50%.
После снятия балласта в нескольких полетах самолет продемонстрировал полный букет неустойчивости, причем не только по отдельным каналам, но и в многочисленных вариантах их взаимосвязи. Это объясняет, почему на F-117A отсутствует резервная механическая система управления - в случае отказа электроники летчик все равно не сможет управлять самолетом. Постепенно, путем доработки программного обеспечения и наложения ряда ограничений на режимы полета удалось добиться приемлемых пилотажных характеристик, делающих его поведение на малых углах атаки похожим на реакцию обычных самолетов. Одну из самых больших трудностей при отладке автоматики доставил поиск мест установки приемников воздушных сигналов. Причем, требовалось установить 4 комплекта датчиков, поскольку система управления четырехкратно резервирована. Сигналы всех каналов постоянно сравниваются между собой и как только показания одного из них начинают отличаться от остальных он признается аварийным и отключается. Более 60 точек на поверхности планера были исследованы, и везде влияние элементов конструкции на показания приборов было слишком заметным. В итоге все четыре ПВД установили в носу самолета несимметрично относительно продольной оси.
Дальнейшие испытания обнаружили значительный кабрирующий момент, причину которого сначала видели в образовании зоны повышенного давления на верхней поверхности задней части фюзеляжа столь необычной формы. Однако тщательные летные эксперименты показали, что устойчивость самолета нарушает поток реактивных газов, выходящий через плоские сопла и взаимодействующий с пластинами, экранирующими сопла от обзора с нижней полусферы. После выявления этого эффекта систему управления вновь пришлось доработать. В ходе испытаний потребовалось изменить и порядок выработки керосина из баков, в результате разгрузка крыла внутренним топливом уменьшилась, и полеты пришлось прервать до усиления узлов крепления крыла. В этот период особого внимания удостоились решетки воздухозаборников - их подвергали частичным разрушениям, закупорке и обледенению. Для предотвращения обледенения решеток используется система электрического нагрева.
Самолет не имеет внешних подвесок вооружения, оно все размещено внутри фюзеляжа. Отсек вооружения с размером 4,9 х 1,83 м закрывается двумя створками с гидравлическим приводом. Двери бомбового отсека связаны с системой RHAWS (Radar Homing And Warning System), которая препятствует дверям открываться, если самолет отслеживается РЛС противника. Нормальная боевая нагрузка включает две бомбы массой 900 кг. Самолет может нести различные виды тактического вооружения, включая бомбы с лазерным наведением BLU-109B, GBU-10 и GBU-27, бетонобойные бомбы BLU-109, кассеты SUU-20 с учебными боеприпасами, ракеты «воздух-земля» Raytheon AGM-65 Maverick, AIM-130 и AGM-88 HARM.
После того, как F-117A научился сносно летать, а к испытаниям подключили другие машины установочной партии, дело пошло довольно быстро. Первая дозаправка была выполнена уже 18 ноября 1981 г., первый серийный самолет появился в воздухе 15 января 1982 года, первый ночной полет - 22 марта того же года, первый сброс бомбы состоялся 7 июля, а 23 августа 1982 г. ВВС США получили свой первый Nighthawk (хвостовой номер 787).
Самолет успешно прошел большую программу флаттерных испытаний. И уже после их завершения строевой пилот, выполняя один из полетов на проверку совместимости с подвесками, ввел самолет в скольжение, вызвав на левом вертикальном оперении флаттер взрывного характера. Киль мгновенно отвалился, а пилот привел самолет на базу с большими сложностями. Новый, гораздо более жесткий киль изготовили из композитов. Как это ни кажется странным, но F-117A выполнил ряд испытательных полетов на больших углах атаки, в основном, чтобы проверить установленные ограничения. Но была и вторая причина - во время продувок и полетов свободно планирующих моделей были получены противоречивые представления о штопорных свойствах самолета. Выяснение истины заняло множество полетов, в которых углы атаки повышались буквально по полградуса, и если обнаруживались малейшие отклонения от расчетного поведения самолета, тут же начинались новые продувки и эксперименты на пилотажном стенде. Историки Skunk Works с большими подробностями описывают этот процесс - сразу видно, что они гордятся его ходом. Правда, до какого именно угла таким образом дошел F-117A, они так и не написали - наверное, стыдно.
В итоге, в результате упора на «невидимость» самолета, больше всего пострадали летные характеристики F-117A. Несмотря на относительно высокую тяговооруженность, Nighthawk является ограниченно маневренной машиной, обладающей невысокой скоростью, сравнительно малой дальностью и плохими взлетно-посадочными характеристиками. Об этом свидетельствует и ироническое прозвище «хромой карлик», данное ему его же летчиками.
Производство «стелсов» началось в максимальном темпе - 8 машин в год, всего к уже имеющимся 5 предсерийным образцам планировалось построить еще 100 машин. Но начавшееся потепление отношений между СССР и США, а также широкое развертывание в Советском Союзе PHR нового поколения С-300В, способных обстреливать цели с ЭПР до 0,02 м2 привели к снижению интереса ВВС США к F-117A. Стоимость одного серийного самолета, по официальным данным на 1990 г., составила 42,6 млн. USD (примерно в такую же сумму американским налогоплательщикам обходился и F-15). На всю программу к тому времени было потрачено 6,56 млрд. USD. В дальнейшем (после 1992 г.) было израсходовано еще более 400 млн. USD на модернизацию оборудования состоящих на вооружении «стелсов». Весьма накладными оказались и мероприятия по обеспечению режима секретности: на их долю пришлось 10-15% общей стоимости программы. Темп производства упал до 4, потом 3 машин, а последний серийный самолет этого типа был поставлен заказчику 12 июля 1990 г. Всего было построено 59 серийных экземпляров (хвостовые номера 785-843), и 5 прототипов, принадлежащие Lockheed Martin.
Часть 2