Одной из главных проблем, которые встают перед проектировщиками авианосцев, является обеспечение взлетающим самолетам надлежащей скорости, необходимой для безопасного отрыва от палубы.
На сухопутном аэродроме самолет набирает скорость при разбеге по взлетно-посадочной полосе (ВВП), но палуба авианосца во много раз короче, чем ВПП аэродрома. Поэтому в большинстве случаев применяются специальные устройства – катапульты, способные буквально «выстрелить» самолет в воздух. С другой стороны, при посадке на палубу встает обратная задача: погасить скорость садящегося самолета на небольшом отрезке. Для этого применяются аэрофинишеры.
ПЕРВЫЕ ОПЫТЫ
В 1903 году американский изобретатель Сэмюел Лэнгли придумал устройство, которое можно назвать прадедушкой всех авиационных катапульт: самолет устанавливался на тележке, которая катилась по двум деревянным рельсам длиной около 25 м. Разгонялась тележка с помощью троса, прикрепленного к спиральной пружине, снятой с трамвая, и пропущенного через систему полиспастов. Когда тележка доезжала до края взлетной полосы, замок открывался, и тележка двигалась дальше по инерции. Еще более простую конструкцию катапульты предложили братья Райт. В ней источником энергии был полутонный груз, поднятый на высоту 5 м. Трос толщиной с палец шел от груза к полиспасту у основания опорной треноги, а потом вдоль направляющего бруса к самолету. При падении груза полиспаст увеличивал длину пробега в три раза до необходимых 15 метров. Братья Райт, успешно опробовав свое устройство, сочли, что все дальнейшее развитие авиации будет связано именно с катапультным стартом. Но бурный прогресс в самолетостроении очень скоро позволил отказаться от всяческих вспомогательных средств для взлета с сухопутных аэродромов.
НА КОРАБЛЯХ
Пытаясь найти применение своему изобретению, Орвилл Райт в 1912 году предложил использовать катапульту для старта самолетов с небольших кораблей. Естественно, ранняя система с противовесом не годилась для корабельных условий, поэтому моряки разработали пневматическую катапульту, взяв за основу конструкцию торпедного аппарата, в котором торпеда выталкивалась сжатым воздухом. В том же году была предпринята первая попытка катапультного взлета с корабля «Санти», закончившаяся, увы, неудачей. Из-за непродуманной системы крепления на катапульте гидросамолет Кертисс А-1 на разгоне резко встал «на дыбы», а затем рухнул в воду. После этого случая нос самолета стали фиксировать, а подачу воздуха регулировать специальным клапаном. Всего через четыре месяца военные осуществили первый катапультный старт с баржи, а в ноябре 1915 года самолет взлетел с помощью катапульты уже с движущегося корабля. В 1916 году катапульты были установлены на трех крейсерах ВМС США.
Аэрофинишер впервые был опробован на корабле еще раньше, чем катапульта. Когда 18 января 1911 года Юджин Эли впервые осуществил посадку на самолете на палубу крейсера «Пенсильвания», затормозить ему помогли уложенные поперек палубы тросы, привязанные к мешкам с песком.
НОВОЕ ПОКОЛЕНИЕ
Авианосцы, появившиеся во время Первой мировой войны, поначалу вполне обходились без катапульт – низкие взлетные скорости тогдашних самолетов позволяли им взлетать с палубы путем обычного разбега. Авианосцу лишь следовало развить скорость, двигаясь против ветра – это сокращало разбег самолетов. Например, на первом американском авианосце «Лэнгли», вступившем в строй в 1922 году, были установлены пневмокатапульты, но в 1928 году, после нескольких лет бездействия, их демонтировали.
В 1925 году на воду спустили авианосцы «Лексингтон» и «Саратога». Благодаря тому, что скорость их достигала 30 узлов, самолетам для взлета было достаточно всего 120 м. Оставшаяся часть 270-метровой палубы использовалась для парковки и предполетной подготовки самолетов. Оба авианосца были оборудованы катапультами с маховиками. Электродвигатели раскручивали шеститонный маховик, который с помощью конического фрикционного механизма передавал запасенную энергию на разгонную тележку. Установка могла разогнать 4,5-тонный самолет до 90 км/ч, но ее основной проблемой оставалось заклинивание быстро вращающегося колеса. Катапульты на «Лексингтоне» и «Саратоге» редко использовались, и вскоре их тоже демонтировали. А вот аэрофинишеры уже в то время стали неотъемлемым элементом палубного оборудования авианосцев.
НА АРТИЛЛЕРИЙСКИХ КОРАБЛЯХ
Более необходимыми катапульты стали для линкоров и крейсеров, в состав вооружения которых включили разведывательно-корректировочные гидросамолеты. К середине 1920-х годов катапульты стали общепринятым элементом конструкции этих классов кораблей. Их выполняли поворотными, что позволяло запускать самолеты против ветра. Сначала пневматические, а позднее пороховые газогенераторные стартовые установки обслуживали самолеты массой до 3,5 т. Посадку же гидросамолет осуществлял на воду вблизи своего корабля, после чего краном поднимался на борт. Однако уже в ходе Второй мировой войны катапульты начали исчезать с линкоров и крейсеров. Причиной стало развитие радиолокации, сделавшее ненужными сложные в применении корабельные гидросамолеты.
ТЕХНИЧЕСКИЙ ПРОГРЕСС
Появление новых, более тяжелых палубных самолетов, вынудило конструкторов в 1930-е годы вновь обратиться к идее катапультного старта.
В 1931 году ВМС США начали разрабатывать пусковое устройство нового поколения, полностью расположенное под палубой, чтобы не мешать взлету и посадке. Сначала эта катапульта работала на сжатом воздухе, потом были опробованы пороховые патроны-газогенераторы, а в 1934 году решили использовать гидравлику. Через пять лет после этого первые старты самолетов с новеньких авианосцев «Йорктаун» и «Энтерпрайз» доказали успех этой концепции. Гидравлические тормоза начали использовать и в аэрофинишерах. Впервые такое устройство было успешно опробовано в 1931 году на британском авианосце «Корейджес». После Второй мировой войны, когда появились первые реактивные самолеты, не отличавшиеся хорошими взлетно-посадочными характеристиками, гидрокатапульты стали обязательными элементами даже на самых больших авианосцах. Тележки, тросы и полиспасты Лэнгли присутствовали и в этой конструкции. Масса самолетов увеличивалась, возрастали и требования к катапультам, увеличивалась их мощность, размеры и сложность. Они уже могли разгонять шеститонные самолеты до 200 км/ч, а 28-тонные – до 115 км/ч. Однако в начале 1950-х годов палубные самолеты стали настолько тяжелыми, что гидравлические катапульты уже не справлялись с ними.
ПАРОВЫЕ КАТАПУЛЬТЫ
В 1950 году в Великобритании была разработана катапульта, использующая пар. На все последующие десятилетия это устройство стало доминирующим на авианосцах. Главный орган паровой катапульты – два параллельных цилиндра. На американских авианосцах диаметр каждого из них составляет 53 см, а длина – 100 м. Поршни цилиндров соединены между собой и прикреплены к тележке-челноку, которая перемещается по направляющим, расположенным ниже поверхности верхней палубы. Узел крепления, который тянет самолет за переднюю стойку шасси, прикреплен к тележке. Пар, накопленный в баллонах-аккумуляторах, по команде подается в цилиндры, поршни и тележка начинают движение. Прямой привод обеспечивает выигрыш в силе и простоте конструкции – не требуется никаких тросов или блоков. Количество пара в цилиндрах, а, следовательно, и ускорение определяются в зависимости от типа самолета, его взлетного веса, скорости и направления ветра, и даже от температуры воздуха.
ГИДРОПНЕВМАТИЧЕСКИЕ АЭРОФИНИШЕРЫ
Гидропневматические аэрофинишеры современных американских авианосцев обеспечивают полную остановку самолета массой 23 т, садящегося со скоростью 200 км/ч, в течение всего двух секунд. Длина пробега при этом составляет всего 104 м. Аэрофинишер включает несколько рядов поперечных тросов (на американских кораблях – три-четыре), что повышает вероятность захвата одного из них посадочным гаком самолета.
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ БУДУЩЕЕ
Одним из существенных недостатков паровых катапульт является неравномерность нагрузки на самолет и его экипаж. В самом начале старта пилот испытывает перегрузку в 6 g, а затем она быстро снижается до 3-4 g. Более плавный разгон способна обеспечить электромагнитная катапульта, в которой самолет вместо паровых поршней будет разгоняться линейным индукционным двигателем. Этот принцип применяют на монорельсовых дорогах, а также в некоторых скоростных поездах на магнитной подушке, развивающих скорость до 400 км/ч. Основная трудность заключается в том, как получить достаточное количество энергии. Новый «чисто электрический» авианосец «Джеральд Р. Форд», мощность которого втрое больше, чем у любого авианосца типа «Нимиц», просто не может вырабатывать такое количество энергии. Однако ее можно накопить: электрогенераторы будут поставлять энергию в специальные накопители для каждой из катапульт. По команде электроэнергия поступает к линейному индукционному двигателю, в процессе разгона сегменты обмотки позади самолета отключаются, а впереди самолета – подключаются. Это помогает сэкономить энергию, а главное – точнее управлять разгоном. В конце разгона тележку будет останавливать не гидротормоз, как в паровой системе, а электрические силы. Электромагнитная установка имеет производительность на 29 % больше, чем паровая, и она в состоянии разогнать 45-тонный самолет до скорости 250 км/ч. Предполагается, что более «мягкий» режим запуска позволит увеличить ресурс самолета на 30 %. Новинка позволит сделать больше вылетов при меньшем количестве технического персонала.
Аэрофинишер на «Джеральде Р. Форде» также применен принципиально новый – турбоэлектрический. В нем для поглощения энергии используются специальные турбоэлектрические двигатели, что позволяет точно контролировать нагрузку.
