ХР-39
Учитывая требования USAAC, которые предполагали, что новый истребитель будет представлять собой качественный скачок, Вудс создал по настоящему революционный самолет. Как и у Модели № 3 двигатель располагался в районе крыльев самолета, но кабина пилота располагалась не за мотором, а перед ним. Ведущий вал проходил через кабину между ногами летчика. Размеры и масса самолета отвечали двум главным целям: максимальной скороподъемности и максимальной скорости на предельных высотах. Подобная схема самолета позволяла оснастить его наиболее мощным вооружением, какое вообще только можно было разместить в фюзеляже. То, что двигатель и кабина пилота размещались в районе центра тяжести машины, очень благоприятно сказывалось на маневренности истребителя. Первые эскизы Модели № 4 появились в июне 1936 года. Многие технические решения были позаимствованы у Модели № 3. В частности: размещение двигателя в районе крыльев, передача в носу фюзеляжа, размещение антенны в киле хвоста, использование винта без обтекателя втулки.
Чтобы сохранить объективность, надо заметить, что подобная схема компоновки самолета был изобретена не Беллом и Вудсом. Еще в марте 1934 года в Великобритании облетали самолет Westland F 7/30. У самолета двигатель располагался в районе крыльев с выраженной стреловидностью. Шасси не убирались, а имели обтекатель. Самолет прошел испытания, но не смог удовлетворить возлагаемые на него надежды. Программу свернули на стадии прототипа. Другой предшественник Модели № 4, имевший аналогичную конструкцию, назывался Koolhoven F.K. 55. Самолет свободно-несущий среднеплан был построен по схеме «тяни-толкай». Как и английская машина, F.K. 55 остался на стадии прототипа, который провел в воздухе всего две минуты.
На Модель № 4 установили в соответствии с требованиями двигатель Allison V-1710-C7. Предварительные расчеты предполагали, что на самолете будет стоять двигатель, развивающий мощность 1150 л.с. при 2950 оборотах в минуту. Такая мощность позволила бы самолету развить скорость 645 км/ч на высоте 6100 метров. Время набора высоты 6100 метров составляло 5 минут. У земли самолет должен был развивать не менее 530 км/ч. Длительность полета на максимальной скорости составляла один час. Все эти характеристики соответствовали сухой массе 1948 кг и взлетной массе 2517 кг. Топливные баки располагались в крыльях. Емкость баков составляла 435 л (115 галлонов). Вооружение было тем же, что и у Модели № 3 - одна 25-мм пушка и два 12.7-мм пулемета.
Тут следует заметить следующее. Известный миф о том, что Модель № 4 разрабатывали под 37-мм пушку Т-9 фирмы American Armament Corp. не соответствует истине. Многие источники утверждают, что Роберт Вудс находился под сильным впечатлением от презентации этой пушки, состоявшейся в 1935 году. Несомненно, он «держал в уме» эту пушку, работая над своими самолетами. Однако нет никаких фактов, подтверждавших, что эта пушка изначально предназначалась на роль главного вооружения самолета.
Представляя проект, Вудс предложил использовать еще одно необычное техническое решение. Он предложил установить на самолет два жидкотопливных реактивных ускорителя. Ускорители предполагалось включать в воздухе, когда самолета разовьет скорость 480 км/ч (300 миль/ч). Время работы ускорителей две минуты, тяга 159 кг. С помощью ускорителей самолет мог достичь высоты 4250 метров со скоростью 2133 м/мин. Комиссия отклонила эту деталь, высоко оценив проект в целом. Итогом работы оценочной комиссии стало подписание 7 октября 1937 года контракта между USAAC и Bell Aircraft Corporation на постройку прототипа ХР-39.
Белл незамедлительно приступил к постройке прототипа. Работами в этой области руководил инженер Фрэнк «Сэл» Сэлсбери. Задачи Роберта Вудса в тот период были ограничены.
Работы начались со сборки модели самолета и обдувки ее в аэродинамической трубе. В ходе обдувки выяснилось, что принятый для оконечностей крыльев профиль не отвечает предъявляемым требованиям. Во время полета с большим углом атаки крыла возникала чрезмерная разность подъемной силы между основанием и концом крыла. Это приводило к неэффективности элеронов в некоторых режимах полета. Проблему удалось решить, сменив профиль конца крыла на профиль NACA 23009, который позднее применялся на всех серийных Р-39. После подписания контракта конструкция самолета претерпела заметные изменения. Пришлось электрифицировать спуск оружия и механизм уборки шасси. Ручной механизм уборки оставили в качестве аварийного. Площадь крыльев увеличили до 19,82 м2. Одновременно с планером изменялась и двигательная установка. Прежде всего изменился сам двигатель. Уже в начале 1938 года фирма Allison предложила установить на ХР-39 двигатель, разработанный по заказу ВМФ США. Этот двигатель, принадлежавший к серии «Е», получил обозначение V-1710-E2 или V-1710-17. Двигатель был оснащен турбонаддувом В-1 фирмы General Electric. Новый турбонаддув представлял собой значительно усовершенствованный наддув Form F-10, применявшийся на двигателе раньше. Однако это был еще не конец изменений. В декабре 1938 года на прототип установили новый турбонаддув В-5. Этот узел был спроектирован специально для ХР-39. Его особенностью было такое подключение выхлопных патрубков, что одновременно в один из четырех контуров наддува поступали газы только из одного цилиндра. Новый узел, имеющий несколько большие размеры, разместили под двигателем. Это потребовало убрать закрылки с центроплана. Одновременно в днище фюзеляжа появились четыре характерные выхлопные трубы для эвакуации выхлопных газов из турбины. Двигатель вращал трехлопастный воздушный винт фирмы Curtiss Electric. Крутящий момент на конечную передачу передавался валом длиной около 3 метров.
В декабре 1938 года произошло еще одно событие. В этом месяце USAAC окончательно определился с вооружением для нового истребителя. Было решено заменить 25-мм пушку 37-мм пушкой Browning образца 1924 года.
Прототип получил серийный номер 38-326 и был готов к полетам в январе 1939 года. Самолет имел цельнометаллическую конструкцию, лишь поверхности рулей были обтянуты полотном. Во время наземных испытаний кабина самолета имела фонарь, который почти не имел рам. Единственной деталью, ограничивающей обзор, была рама входных дверей. Сами входные двери представляли собой еще одно, совершенно неожиданное для истребителя техническое решение. Двери располагались в левом и правом борту кабины. Двери имели опускаемые с помощью ручки стекла и оснащались карманами для топографических карт. Колеса главного шасси не имели щитков. Переднее колесо целиком в фюзеляж не убиралось. Его небольшая часть выступала наружу через специальную прорезь в створках люка. Но наиболее заметной внешней деталью прототипа ХР-39 были выступающие по бортам фюзеляжа воздухозаборники. Воздухозаборники располагались за двигателем. Слева в фюзеляже помещался воздухозаборник для дополнительного радиатора (intercooler). Справа находился маслорадиатор и воздухозаборник турбонаддува. У основания левого крыла на передней его кромке находился воздухозаборник радиатора. Систему охлаждения заправляли антифризом под торговой маркой Prestone.
В первый раз двигатель ХР-39 запустили 4 декабря 1938 года в Баффало. При этом выяснилось, что двигатель быстро перегревается и сильно вибрирует, что, в свою очередь, вызывает сбои в работе двигателя. Вибрацию, вызываемую длинным валом, предвидели, однако она оказалась гораздо сильнее предполагаемой. Чтобы исправить ситуацию, инженеры фирмы Allison предложили заменить механический глушитель вибрации вала на гидравлический. С новым глушителем вибрация стала меньше. Вскоре выяснилось, что сам вал нуждается в усилении. Прочность вала увеличили, увеличив толщину его стенок. Это окончательно устранило проблему, причем устранило ее радикально. В результате «Аэрокобры» заслужили справедливую репутацию самолетов с самыми ровно работающими двигателями. Но все эти изменения были внесены в конструкцию самолета уже в 1939 году. А пока Bell начал постепенно терять запас отрыва от конкурента. Конкурентом же была фирма Lockheed с прототипом ХР-38. Следует иметь в виду, что прототипы ХР-38 и ХР-39 в соответствии с требованиями USAAC должны были пройти сравнительную оценку. По результатам оценки в серию планировалось пустить лучший самолет. 11 февраля Бил Келси провел перелет с западного на восточное побережье США. Он сидел за рулями ХР-38. Келси собирался побить рекорд, поставленный Говардом Хьюзом. Несмотря на то, что самолет разбился при посадке на аэродроме Митчелфилд, новый рекорд был поставлен. Lockheed поспешил раздуть этот факт. Тем паче, что во время промежуточной посадки на аэродроме Райт-Филд Келси получил официальное одобрение со стороны нового начальника USAAC, генерала Хэпа Арнольда.
В этой ситуации следовало сделать все, чтобы ускорить работы над ХР-39. С 29 декабря 1938 года самолет находился на аэродроме Райт-Филд. Туда машину доставили по железной дороге в разобранном виде. При транспортировке были повреждены оба крыла. Этим происшествием только началась серия неудач. После ремонта и сборки самолет подвергли осмотру. По его результатам специалисты USAAC предложили сделать несколько переделок, прежде чем самолет поднимется в воздух. Одним из изменений было установить на самолет фонарь с более массивной рамой. Переделку прототипа закончили к 8 февраля, когда двигатель самолета запустили. Тут же всплыла другая проблема - слабость системы охлаждения. Многочисленные переделки не давали положительного результата. Специалисты фирмы Allison были вынуждены демонтировать двигатель. Двигатель сняли сразу после первой рулежки, состоявшейся 1 марта 1939 года. Назад двигатель установили 25 марта, после чего испытания самолета немедленно возобновились. Результаты новых испытаний не внушали оптимизма. Двигатель по-прежнему перегревался, кроме того, выявилась уже упоминавшаяся выше вибрация, которая особенно явственно ощущалась при работе двигателя на максимальных оборотах. При режиме работы более 2700 об./мин. двигатель входил в резонанс. Время утекало как песок сквозь пальцы. Не решив всех проблем, Белл все же дал санкцию на пробный полет, который состоялся 6 апреля 1939 года. За штурвалом сидел Джеймс Тейлор, старый морской пилот, работавший по временному контракту с Bell, поскольку фирма до сих пор не обзавелась собственным летчиком-испытателем. Первый полет продлился 20 минут. В своем дневнике
Тейлор записал: «Сегодня я летал на самолете. В воздухе все обошлось. Проблемы доставил радиатор масла». Следует признать, что это не слишком исчерпывающее описание полета. Однако из него следует, что проблемы с охлаждением масла были очень серьезными. Второй пробный полет произвели уже на следующий день. На этот раз на аэродроме присутствовал сам генерал Арнольд. И снова двигатель перегрелся. Тейлору пришлось сократить время полета. На протяжении следующих пятнадцати дней все усилия были направлены на то, чтобы устранить перегрев двигателя. На 22 апреля назначили третий полет. Переделки системы охлаждения не дали ожидаемых результатов. Тем не менее, пробные полеты показали, что машина имеет огромный потенциал. Многие источники сообщают, что в ходе первых полетов удалось разогнать самолет до 628 км/ч (390 миль/ч), а высоту 6100 метров самолет набирал за 5 минут. Однако к подобным результатам следовало относиться осторожно. Во-первых, самолет взвесили перед первым вылетом. Выяснилось, что его взлетная масса составляла 2768 кг, т.е. на 251 кг больше расчетной величины. Во-вторых, двигатель не мог работать в полную мощность, так как при больших оборотах вибрация приводила к резонансу. В-третьих, над самолетом как дамоклов меч висела проблема перегрева двигателя. Наконец, генерал Арнольд приказал передать прототип ХР-39 в Лэнгли, Вирджиния, для испытания его в аэродинамической трубе NACA. Учитывая все перечисленное выше, мы склоняемся к утверждению, высказанному Берчем Мэтьюзом. Мэтьюз сообщил, что на испытаниях ХР-39 развил всего лишь 603 км/ч (375 миль/ч). Несмотря на то, что не удалось достичь заданной скорости 645 км/ч, результаты испытаний были признаны в целом удовлетворительными. Чтобы максимально ускорить доводку машины, 13 апреля US А АС и Bell Aircraft Corporation заключили контракт на выпуск тринадцати нульсерийных экземпляров YP-39. Двенадцать машин должны были получить двигатель V-1710-17 с турбонаддувом, т.е. как у ХР-39, а на тринадцатый, обозначенный как YP-39A, было решено установить мотор V-1710-31, оснащенный механическим компрессором со степенью сжатия 8,8:1. Самолеты следовало привести в соответствие со спецификацией С-616. Новые требования прежде всего касались высотных характеристик самолета. Если раньше от истребителя требовалось, чтобы он показывал максимальные летные характеристики на высоте 6100 метров, то теперь максимальные характеристики машина должна была показывать на высотах от 4600 до 6100 метров. Одновременно, максимальная скорость в данном диапазоне высот должна была достигать 676 км/ч (420 миль/ ч). В спецификации также разрешалось не ставить на двигатель турбонаддув при условии, если самолет сможет достичь высоты 6100 метров менее чем за шесть минут.
Однако прежде чем Белл приступил к выполнению контракта, прототип ХР-39 подвергли всесторонним испытаниям в аэродинамической трубе NACA. Генерал Арнольд поручил привести аэродинамику истребителя в соответствие с лучшими мировыми образцами. В сопроводительных документах Арнольд писал:
«а) Фюзеляж самолета должен иметь минимальное аэродинамическое сопротивление. В кабине следует предусмотреть место для пилота ростом не более 1,72 м и массой не более 73 кг.
б) Номинальный потолок истребителя определить в 4600 метров (15000 футов). Такой потолок принят для большинства иностранных образцов. Следует иметь в виду, что наш истребитель должен показывать лучшие летные характеристики на высотах, характерных для бомбардировщиков потенциального противника.
в) Не следует увеличивать массу самолета, если это как-то скажется на его аэродинамике.
г) Проектный запас топлива должен обеспечить один час полета на номинальном потолке с полностью открытым дросселем...
Далее, следует предпринять все усилия для того, чтобы самолет на высоте 15000 футов развил скорость более 400 миль/ч. С этой целью отправить самолет в исследовательский центр NACA в Лэнгли, Вирджиния, сразу же после завершения предварительных испытаний. Ход предварительных испытаний необходимо ускорить».
Уже 6 июня 1939 года ХР-39 был в Лэнгли. Специалисты из NACA для начала определили текущее аэродинамическое сопротивление самолета. Затем определили сопротивление, устранив все нарушающие аэродинамику элементы: фонарь, воздухозаборники, щели. Выяснилось, что аэродинамическое сопротивление прототипа равно 0,0329, в то время как гладкий самолет имел сопротивление 0,0150, то есть более чем в два раза меньше. Далее определялся вклад в аэродинамическое сопротивление каждого из одиннадцати элементов: кабины, турбонаддува, шасси, промежуточного радиатора. Выяснилось, что наибольшие проблемы создает турбонаддув, добавляющий к аэродинамическому сопротивлению 0,0033. Вместе с системой выхлопа наддув добавлял к сопротивлению 0,0047. Это составляло 15% от общего сопротивления всего самолета! Используя полицейскую терминологию, первый подозреваемый был определен. Далее работы шли по совершенствованию обтекаемости остальных элементов самолета. Анализ показал, что бортовые воздухозаборники и воздуховоды создают сильные турбулентности. Особенно сильное влияние оказывал воздухозаборник у основания правого крыла. На этом исследования не закончились. Чтобы обеспечить адекватное охлаждение требовалось пропускать достаточный воздушный поток через радиатор. В случае ХР-39 при наборе высоты со скоростью 258 км/ч (160 миль/ч) поток через радиатор составлял всего 77% от необходимого. А при полете на предельной высоте со скоростью 563 км/ч (350 миль/ч) поток и вовсе сокращался до 65%. Несомненно, именно эта особенность и вызывала известные проблемы с перегревом. Одновременно, тщательным исследованиям подвергли конструкцию турбонаддува. Из-за размеров и важности промежуточного радиатора, специалисты NACA проверили и его функциональность. Выяснилось, что промежуточный радиатор также не справляется с возлагаемыми на него задачами. Основной причиной в данном случае был недостаточный размер радиатора и недостаточный воздушный поток. Выяснилось, что воздушный поток через промежуточный радиатор составляет всего от 12 до 25% от необходимого. Из-за этого возрастал риск возникновения детонации в двигателе. Кроме того, недостаточное охлаждение не давало двигателю развить полную мощность. По оценкам аэродинамиков почти все воздухозаборники нуждались в коренной переделке. Это был не тот результат, какой ожидали в Баффало. Следует иметь в виду, что ХР-39 создавался с учетом того уровня инженерных познаний, какой существовал в то время. Выяснилось, что на больших скоростях конфигурацию воздухозаборников можно проработать только опытным путем. В середине 30-х годов авиаконструкторы вступили в неизведанные до той поры области.
Специалисты из Лэнгли рассчитали максимальную скорость самолета при мощности двигателя 1150 л.с. Оказалось, что ХР-39 в настоящем виде способен развить скорость не более 547 км/ч (340 миль/ч). После учета всех замечаний, сделанных аэродинамиками, самолет должен был развить уже 631 км/ч (392 миль/ч). Обе скорости приведены для высоты 6100 метров.
Рекомендации NACA по результатам испытаний были следующими:
Улучшить обтекатели шасси;
Уменьшить высоту фонаря кабины;
Убрать турбонаддув;
Перенести воздухозаборник карбюратора за кабину пилота;
Установить на самолет высотную модификацию двигателя Allison-1710;
Перепроектировать воздуховоды масляного и водяного радиаторов.
Эти выводы Ларри Белл получил 10 августа 1939 года во время своего визита в Лэнгли. В конце августа удалось договориться с представителями USAAC на Райт-Филд, а вначале сентября начались работы над машиной. Переделке подвергся прототип «38-326», который получил заводское обозначение Модель №4В. В соответствии с рекомендациями, на самолет планировали установить двигатель мощностью 1350 л.с., который по расчетам позволил бы самолету развить скорость 690 км/ч (429 миль/ч). Оптимизма прибавляло то, что двигатель V-1710-19 развивал максимальную мощность именно на высоте 15000 футов. Но пока двигателя не было, ХР-39В остался с прежним 1150-сильным мотором V-1710-31. С двигателя следовало снять турбонаддув, что позволило также убрать промежуточный радиатор. Воздухозаборники и воздуховоды переделали в соответствии с требованиями аэродинамиков. Кабину пилота сделали ниже, что советовал еще генерал Арнольд. Это изменение породило множество едких шуток относительно физических данных пилотов для ХР-39. Если рост летчика превышал 1,72 м, то сидеть в кабине он мог лишь сгорбившись. Вообще, объем кабины сократился, кабина стала не только ниже, но заметно уже и немного короче. Это должно было вызвать благосклонную реакцию со стороны командующего USAAC. Изменения затронули и шасси самолета. Шасси получило створки, которые сочетали надежность при выпуске и уборке шасси с хорошей аэродинамикой. Диаметр колес главного шасси уменьшили. Переднее колесо стало целиком убираться в фюзеляж. Другой деталью, по которой можно легко отличить переработанный самолет, был воздухозаборник карбюратора. В соответствии с рекомендациями NACA его переместили за фонарь кабины пилота. Изменились и габариты планера. Размах крыльев уменьшили на 55,88 см до 10,36 м. Одновременно фюзеляж удлинили на 33,02 см до 9,07 м. Масса самолета увеличилась до 2922 кг (6450 фунтов). Переделку успели закончить на неделю раньше намеченного срока, 17 ноября 1939 года. К сожалению, на самолет не удалось поставить планируемый двигатель. Это было вызвано тем, что на фирме Allison возникли проблемы в ходе доводочных работ. Поэтому пришлось установить мотор V-1710-37(E5) мощностью 1090 л.с. Ларри Белл перед началом новых испытаний излучал оптимизм. Благодушием полно его письмо генералу Джорджу X. Бретту, начальнику Департамента материально-технического обеспечения. В письме Белл уверяет генерала, что несмотря на менее мощный двигатель самолет сможет показать гораздо лучшие результаты. После установки запланированного двигателя самолет должен был развить скорость более 645 км/ч. Первый полет состоялся 25 ноября 1939 года. Самолет пробыл в воздухе пятнадцать минут. В ходе полета выявились недостатки в конструкции винта и шасси. Однако никаких проблем с охлаждением двигателя не возникло. Таким было начало. После того, как выявленные в первом полете недостатки устранили, приступили к интенсивным испытаниям. Однако результаты оказались далеки от ожидаемых. Снова начались переделки. Сначала воздушный винт оснастили оковками вокруг каждой лопасти. Испытали несколько типов оковок, после чего от них отказались вообще, так как они вызывали отрицательную тягу. Пробовали изменить выхлопную систему так, чтобы она создавала тягу. Для этого на самолет установили выхлопные трубы специальной формы. Форма и геометрия впускного канала также подверглась тщательному анализу. Чтобы облагородить аэродинамику самолета, герметизировали все щели на его поверхности, а поверхность отполировали. Однако принципиально характеристики ХР-39В не улучшились. Главную причину неудач видели в двигателе, который во время испытаний сумел развить едва ли 1040 л.с., и это несмотря на то, что самолет оснастили конечной передачей с числом 9,6:1 вместо запланированной 8,8:1. Максимальная скорость составила 604 км/ч (375 миль/ч) на высоте 4600 метров. По сравнению с ХР-39 маневренность ХР-39В заметно улучшилась, но скороподъемность оказалась ниже всякой критики. На высоту 6100 метров самолет «забирался» семь с половиной минут.
За штурвалом самолета сидели как испытатели, нанятые фирмой Bell, так и летчики с Райт-Филд. Один из полетов едва не закончился катастрофой. Все произошло 6 января 1940 года, чуть больше месяца после начала испытаний. В тот день самолет пилотировал капитан Джордж Прайс, офицер из Департамента материально-технического обеспечения. К тому времени Прайс налетал почти 3800 часов, в том числе ему довелось в свое время пилотировать «Аэрокуду». С диспетчерской башни за полетами наблюдал сам Ларри Белл. Оторвавшись от земли, Прайс включил электрический механизм уборки шасси. Переднее колесо убралось внутрь, а главные колеса до конца не убрались. В этом положении колеса заклинило - их было нельзя ни убрать, ни выпустить. Ситуация была сложной. Проблемы с шасси возникали и раньше. Прайс попросил разрешения пролететь рядом с диспетчерской, чтобы определить состояние шасси. Внезапно вышел из строя передатчик бортовой радиостанции. Пилот мог только принимать команды с земли, но не мог ответить. Оценив ситуацию, из диспетчерской приказали Прайсу проделать серию резких маневров, которые могли бы освободить шасси. Пилот подтверждал получение приказа покачиванием крыльев. К сожалению, маневры результата не принесли. Даже резкий выход из крутого пике ни к чему не привел. Диспетчер приказал капитану покинуть машину. С этим решением согласился и Ларри Белл. Пилот понимая, что гибель машины на ранней стадии испытаний означала бы серьезный удар по всему проекту, решил садиться с выпущенным не до конца шасси. Прайс выставил на винте небольшой шаг и начал снижаться с большим углом атаки. Оказавшись над полосой, Прайс заглушил двигатель, чиркнул по земле хвостом и положил фюзеляж на две лопасти винта. Дальше, скользя на лопастях как на полозьях, капитан закончил пробег. Пилот не получил никаких травм. Самолет был слегка поврежден и после небольшого ремонта снова смог подняться в воздух. Драматически закончился другой полет ХР-39В, состоявшийся 6 августа 1940 года. В ходе этого полета определялся разбег и пробег самолета, с учетом подъема на 50 футов. За штурвалом сидел капитан Эрнест Уорбертон, офицер USAAC, налетавший 4800 часов, пилотировавший почти все типы американских самолетов. Происшествие случилось в ходе третьего захода на посадку. Самолет шел со скоростью 171 км/ч (106 миль/ч). У земли пилот резко убавил обороты двигателя. Самолет вдруг клюнул носом и стукнулся об ВПП. В результате сильно пострадали крылья: разрушились узлы крепления стоек шасси и разгерметизировались топливные баки. Повреждения были столь сильны, что самолет решили не ремонтировать, поскольку испытания уже в целом были завершены. Так закончилась история прототипа ХР-39В «38-326». Самолет отправили на слом. Руководство USAAC предложило продолжить испытания на нульсерийных YP-39, первый из которых поднялся в воздух уже 13 сентября 1940 года.
