Экспериментальный самолёт-невидимка "Have Blue"

Введение

Экспериментальный самолет-невидимка

Lockheed Have Blue был кодовым названием демонстратора концепции, разработанного компанией Lockheed для истребителя-невидимки. Have Blue был спроектирован подразделением Lockheed Skunk Works и испытан на полигоне Groom Lake в штате Невада. Have Blue стал первым самолетом с фиксированным крылом, внешняя форма которого определялась не аэрокосмической инженерией, а принципами радиолокационной техники. Фасетчатая форма самолета была разработана для отражения электромагнитных волн в направлениях, отличных от направления источника радиолокационного излучения, что значительно уменьшало его эффективную площадь рассеяния радиолокационного сигнала (ЭПР). При проектировании самолета команда Skunk Works использовала математические разработки советского физика и математика Петра Уфимцева, касающиеся отражения электромагнитных волн. Инженер Lockheed, специализирующийся на технологиях невидимости, Денис Оверхолсер, ознакомился с публикацией Уфимцева и понял, что тот создал математическую теорию и инструменты для проведения численного анализа отражения радиолокационных волн. Окончательный проект отличался фасетчатой поверхностью, предназначенной для отклонения радиолокационных волн от приемника. Самолет имел сильно стреловидные крылья и вертикальные стабилизаторы, наклоненные внутрь, что послужило причиной его прозвища "Безнадежный алмаз" – игра слов, основанная на названии бриллианта "Hope Diamond". Первый серийный самолет совершил свой первый полет 1 декабря 1977 года. Было построено два летных экземпляра. Оба были потеряны из-за механических неисправностей. Тем не менее, Have Blue был признан успешным и подготовил почву для создания первого серийного самолета-невидимки Senior Trend, также известного как Lockheed F 117A Nighthawk.

Предыстория

В 1970-х годах американским планировщикам становилось все более очевидным, что в военном столкновении с силами Варшавского договора самолеты НАТО быстро понесут тяжелые потери. Это было обусловлено развитыми советскими системами ПВО, которые использовали радиолокационные станции обнаружения, зенитные ракетные комплексы (SAM) с радиолокационным наведением и зенитную артиллерию (AAA) для обнаружения и уничтожения вражеских самолетов. В связи с этим, Агентство перспективных исследовательских проектов Министерства обороны (DARPA) приступило к изучению самолетов с пониженной заметностью, с целью разработки и производства опытного образца самолета-стелс. Первоначально пригласили пять компаний, три из которых вскоре отказались от участия. К оставшимся двум позже присоединилась компания Lockheed.

Происхождение

"Локхид Хев Блю" появился в ответ на необходимость уклонения от радиолокационного обнаружения. Во время войны во Вьетнаме зенитно-ракетные комплексы (ЗРК) и зенитная артиллерия (ЗАА) представляли серьезную угрозу для американской авиации. По этой причине ударным самолетам в ходе войны часто требовалась поддержка самолетов для ведения боевого воздушного патрулирования и подавления противовоздушной обороны противника (SEAD). Война Судного дня 1973 года вновь продемонстрировала уязвимость авиации перед ЗРК – ВВС Израиля потеряли 109 самолетов за 18 дней.

Опыт проектирования и ранние испытания

Lockheed, отсутствовавшая на рынке истребителей в течение 10 лет, не была привлечена DARPA в 1974 году. Эд Мартин, директор по науке и технике Lockheed California Companies, узнал об исследованиях в области малозаметности во время работы в Пентагоне и на авиабазе Райт-Паттерсон. Мартин и Бен Рич, недавно назначенный президентом Skunk Works, проинформировали Клэрэнса "Келли" Джонсона о программе. Центральное разведывательное управление (ЦРУ) дало Skunk Works разрешение обсудить с DARPA характеристики малозаметности самолетов A-12, M-21 и D-21, которые рекомендовали самолет с плоскими поверхностями. Оверхолсер позже вспоминал свой разговор с Шеррером: "Когда Дик Шеррер спросил меня, я ответил: "Ну, это просто: вы делаете его из плоских поверхностей и наклоняете их, отклоняя края от угла обзора радара, чтобы энергия отражалась от радара". Шеррер впоследствии набросал предварительный проект самолета с низким ЭПР (эффективной площадью рассеяния) и гранями. (В 1962 году Уфимцев, будучи главным научным сотрудником Московского института радиотехники, опубликовал основополагающую работу под названием "Метод краевых волн в физической теории дифракции". Эта работа была переведена Отделом иностранных технологий Командования систем ВВС США.) ECHO 1 позволил команде быстро определить оптимальную конструкцию из 20 возможных вариантов, в конечном итоге остановившись на дельта-крыле с гранями. Однако многие в подразделении скептически относились к этой форме, что привело к прозвищу "Безнадежный алмаз". Келли Джонсон сказал Ричу: "Наш старый беспилотник D-21 имеет меньшее ЭПР, чем этот проклятый алмаз". В ходе разработки было создано несколько деревянных моделей. Модель длиной 24 дюйма, изготовленная из бальзы, демонстрировала расположение внутренней структуры и сервисных люков. В статье журнала Air & Space отмечалось: "Модельной мастерской было почти невозможно соединить все плоские поверхности в одной точке в одном углу. Инженеры столкнулись с той же проблемой при изготовлении прототипа на заводе". Для первых испытаний конструкции были построены два макета в масштабе 1/3. Одна модель, покрытая металлической фольгой, использовалась для проверки расчетов ЭПР ECHO 1, а другая – для испытаний в аэродинамической трубе. Затем модель была перевезена на полигон радиолокационных испытаний Grey Butte Range в пустыне Мохаве недалеко от Палмдейла, что позволило провести более точные измерения ЭПР самолета. Уровень ЭПР самолета в итоге подтвердил прогнозы ECHO 1. McDonnell Douglas, определив пороговые значения, при которых самолет считался незаметным, не смогла разработать и построить такой самолет. На первом этапе XST Lockheed и Northrop должны были построить полномасштабные модели для испытания ЭПР, создать летательные аппараты и испытать свои конструкции в аэродинамической трубе. По завершении первого этапа будет выбран единственный подрядчик для продолжения строительства и летных испытаний двух демонстраторов в рамках второго этапа. 1 ноября 1975 года Lockheed и Northrop получили контракты на 1,5 миллиона долларов на выполнение первого этапа XST. В течение четырех месяцев обе компании должны были построить полномасштабные деревянные макеты, которые затем будут оценены на испытательном комплексе RATSCAT (Radar Target Scatter) ВВС США в Уайт-Сэндс, штат Нью-Мексико, поскольку Northrop XST имел значительно более высокое ЭПР в боковом полушарии. DARPA, осознав прогресс, достигнутый в ходе исследования, призвала команду Northrop остаться вместе. Агентство позже инициировало программу создания экспериментального самолета наблюдения за полем боя (BSAX), которая в конечном итоге привела к созданию Tacit Blue и, в конечном счете, бомбардировщика B-2.

Lockheed, having been absent from the fighter aircraft industry for 10 years, was not approached by DARPA in 1974. Ed Martin, Lockheed California Companies director of science and engineering, became aware of the research into stealth during his work at the Pentagon and Wright Patterson AFB. Martin and Ben Rich, who at that time had recently become Skunk Works' president, briefed Clarence "Kelly" Johnson on the program. The Central Intelligence Agency (CIA) gave Skunk Works permission to discuss with DARPA the stealth characteristics of the A 12, M 21 and D 21. who recommended an aircraft with flat surfaces. Overholser later recounted his discussion with Sherrer: "When Dick Scherrer asked me I said 'Well, it's simple, you just make it out of flat surfaces, and tilt those flat surfaces over, sweeping the edges away from the radar view angle, and that way you basically cause the energy to reflect away from the radar.'" Scherrer subsequently drew a preliminary low RCS aircraft with faceted surfaces. (In 1962, Ufimtsev, as chief scientist of the Moscow Institute for Radio Engineering, published a seminal paper titled Method of Edge Waves in the Physical Theory of Diffraction. The work had been translated by the US Air Force Systems Command's Foreign Technology Division.) ECHO 1 allowed the team to quickly decide which of the 20 possible designs were optimal, finally settling on the faceted delta wing design. However, many within the division were skeptical of the shape, giving rise to the name "Hopeless Diamond" – Kelly Johnson said to Rich, "Our old D 21 drone has a lower radar cross section than that goddamn diamond". The design effort produced a number of wooden models. A 24 inch long model, made of balsa wood, demonstrated placement of internal structure and access doors. An Air & Space article noted "The model shop found it nearly impossible to make all the flat surfaces come to a single point in one corner. Engineers later encountered the same difficulty fabricating the prototype on the factory floor." For early tests of the design, two ⅓ scale wooden mock ups were constructed. One model, coated in metal foil, was used to verify ECHO 1's RCS calculations, while the other was earmarked for wind tunnel tests. Afterwards, a model was moved to the Grey Butte Range radar testing facility in the Mojave Desert near Palmdale, which allowed more accurate tests of the aircraft's RCS. In the event, the aircraft's RCS level confirmed ECHO 1's predictions. McDonnell Douglas, having identified the thresholds at which aircraft were deemed undetectable, was unable to design and produce such an aircraft. Phase 1 of XST would see both Lockheed and Northrop build full scale models to test their RCS, construct flyable vehicles, and wind tunnel test their designs. Following Phase 1, a sole contractor would be selected to continue with the construction and flight testing of two demonstrators as part of Phase 2. On 1 November 1975, Lockheed and Northrop were each awarded $1.5 million contracts to proceed with Phase 1 of XST. During a four month period, the two companies were each required to construct full scale wooden mock ups, which would then be evaluated at the USAF's Radar Target Scatter (RATSCAT) test facility at White Sands, New Mexico. because the Northrop XST had a much higher side hemisphere RCS. DARPA, having realized the progress accumulated throughout the study, urged the Northrop team to remain together. The agency would later initiate the Battlefield Surveillance Aircraft Experimental (BSAX), which evolved into the Tacit Blue and, ultimately, the B 2 bomber.

Конструкция и дальнейшие испытания

Skunk Works теперь должен был спроектировать, построить и провести лётные испытания двух пилотируемых демонстраторов в рамках Фазы 2, или Have Blue. Чтобы построить демонстраторы, Бен Рич должен был привлечь 10,4 миллиона долларов от руководства Lockheed, что было обеспечено к июню. Фаза 2 охватывала три основные цели: подтверждение сниженной заметности в радиоволновом, инфракрасном и визуальном спектрах, а также сниженной акустической обнаруживаемости; приемлемых лётных характеристик; и "возможностей моделирования, точно предсказывающих малозаметные характеристики самолёта в полёте". Однако 1 сентября, когда HB1001 был частично завершён, машинисты Lockheed начали четырёхмесячную забастовку. Группа менеджеров взяла на себя задачу сборки, которая была завершена за шесть недель, а наземные испытания начались 17 октября. Хотя прототипы Have Blue были поверхностно похожи на более поздние F-117, они были меньше по размеру, примерно в четыре раза легче F-117, с углом стреловидности крыла 72,5° и внутренне наклоненными вертикальными оперениями (обратным V-образным хвостовым оперением). Радиопоглощающий материал (RAM), разработанный в лаборатории Lockheed, был нанесён на плоские поверхности самолёта – для ветрового стекла применялись специальные покрытия, придающие им металлические свойства. Собственный вес самолёта в 4173–5669 кг позволял использовать шасси истребителя Northrop F-5. Поскольку скрытность была приоритетом номер один, самолёт был по своей сути неустойчив. В результате в конструкцию самолёта была интегрирована четырёхкратно резервированная система управления полётом с электродистанционным управлением (FBW), обеспечивающая нормальные лётные характеристики. Система управления полётом была заимствована у F-16. Входное устройство двигателя над крылом было закрыто малоотражающей решёткой (low RCS grid); в верхней части фюзеляжа были предусмотрены воздухозаборники для обеспечения дополнительного потока воздуха при взлёте, когда требуется больше воздуха. В течение полутора месяцев после начала наземных испытаний HB1001, первый из двух демонстраторов, проходил испытания в рамках подготовки к первому полёту. Сначала проверялась лётная аппаратура, затем проводилась тщательная обкатка самолёта. В начале ноября два полуприцепа были припаркованы параллельно друг другу возле здания 82; сверху был наброшен камуфляжный тент, чтобы скрыть демонстратор во время работы двигателя на открытом воздухе. Во время двигательных испытаний местный житель пожаловался на шум, но секретность Have Blue была сохранена. После четырёх пробежек по взлётной полосе HB1001 был готов к испытательным полётам.

Skunk Works now had to design, construct and flight test two crewed demonstrators as part of Phase 2, or Have Blue. To build the demonstrators, Ben Rich had to raise $10.4 million from the Lockheed management, which was secured by June. Phase 2 encompassed three main objectives, which were the validation of: reduced visibility in the radio wave, infrared, and visual spectrums and reduced acoustical observability; acceptable flying qualities; and the "modeling capabilities that accurately predict low observable characteristics of an aircraft in flight". On 1 September, however, with HB1001 partially complete, Lockheed machinists went on a four month strike. A group of managers took over the job of assembly, which was completed in six weeks, with ground tests beginning on 17 October. While superficially similar to the later F 117, the Have Blue prototypes were smaller aircraft, about one quarter the weight of the F 117, with a wing sweep of 72.5° and inward canted vertical tails (inverse V tail). Radar absorbent material (RAM), developed in a Lockheed laboratory, was applied to the aircraft's flat surfaces – for the windscreen, special coatings were applied to give them metallic characteristics. The aircraft's gross weight of 9,200–12,500 lb (4,173–5,669 kg) enabled the aircraft to use the landing gear from the Northrop F 5 fighter. Because stealth took precedence above all else, the aircraft was inherently unstable. As a result, a quadruple redundant fly by wire (FBW) flight control system was integrated into the aircraft to give it normal flying characteristics. The flight control system was borrowed from the F 16. The overwing engine inlet was covered by a low RCS grid; blow in doors were constructed at the upper fuselage to admit additional airflow during takeoffs, when more air is needed. Throughout the one and a half months after the start of ground tests, HB1001, the first of two demonstrators, underwent tests in preparations for the first flight. Flight instrumentation was checked first, followed by a thorough shakedown of the aircraft. In early November, two semi trailers were parked parallel to each other outside Building 82; a camouflage net was thrown over the top to cover the demonstrator during outdoor engine runs. During the engine tests, a local resident complained about the noise, but Have Blue retained its secrecy. After four taxi tests, HB1001 was ready for test flights.

HB1001

HB1001 совершил свой первый полет 1 декабря 1977 года под управлением летчика-испытателя Lockheed Билла Парка. Он выполнил следующие четыре вылета, все из которых сопровождались самолетом T-38, пилотируемым майором (впоследствии подполковником) Кеном Дайсоном. Результаты летных испытаний позволили инженерам доработать систему FBW. Одновременно с этим была подтверждена верность прогнозов, ранее сделанных аэродинамиками относительно поведения самолета. Парк выжил, но получил сотрясение мозга, что вынудило его завершить карьеру летчика-испытателя. Дайсон, находившийся в самолете сопровождения, вспоминал: "Непосредственно перед касанием самолет резко поднял нос. Казалось, он сильно ударился о землю. Парк выпустил шасси в полете и, когда попытался выпустить их на посадке, опустились только одна основная стойка и носовое колесо. Все это время расходовалось топливо. Я предложил ему набрать высоту 10 000 футов для катапультирования. Он начал набирать высоту, но двигатель начал глохнуть из-за нехватки топлива, и он катапультировался". HB1002 был потерян 11 июля 1979 года во время 52-го полета. Утечка гидравлической жидкости вызвала пожар двигателя, что привело к потере гидравлического давления и, как следствие, к сильным колебаниям по тангажу. Пилот успешно катапультировался, а самолет был уничтожен. Позже выяснилось, что ослабла хомута выхлопной трубы двигателя, что позволило горячим выхлопным газам попасть в правый отсек двигателя. Там температура повысилась, что привело к разрушению гидравлических линий. Обломки обоих самолетов были тайно захоронены где-то на территории комплекса авиабазы Неллис.

Старший тренд

В октябре 1977 года, непосредственно перед вторым этапом конкурса XST, компания Lockheed получила задание изучить возможные варианты оперативных самолетов. Всего через месяц, в день транспортировки HB1001 в Грум-Лейк, ВВС заключили с компанией контракт под кодовым названием "Senior Trend". Результаты этих исследований оказались достаточно перспективными, что привело к выдаче контракта на разработку 16 ноября 1977 года под названием "Senior Trend". Тактическое авиационное командование заказало пять полномасштабных образцов для разработки и двадцать серийных самолетов.