Beriew R-1 – radziecki eksperymentalny wodnosamolot o napędzie odrzutowym

Beriew R-1 to pierwszy radziecki eksperymentalny wodnosamolot z napędem turboodrzutowym, którego rozwój zainicjowano pod koniec lat 40. XX wieku w biurze konstrukcyjnym OKB-49. Konstrukcja powstała jako bezpośrednia odpowiedź Marynarki Wojennej ZSRR na rosnącą dominację amerykańskich lotniskowców u progu zimnej wojny. Zespół Gieorgija Beriewa stanął przed zadaniem bezprecedensowym, próbując zintegrować wrażliwe na słoną wodę silniki turboodrzutowe z wodnosamolotem.

Geneza

Pod koniec lat 40. XX wieku radzieckie lotnictwo morskie opierało się wyłącznie na powolnych maszynach o napędzie tłokowym należących do różnych typów, w większości zaprojektowanych przed wojną, oraz pewnej liczbie amerykańskich Consolidated PBY Catalina (zarówno dostarczonych w ramach Lend-Lease, jak i złożonych w ZSRR). Gdy po zakończeniu II wojny światowej stosunki między Związkiem Radzieckim a dawnymi, zachodnimi sojusznikami uległy pogorszeniu, radziecka armia stanęła przed sporym problemem.

Radziecka flota, odpowiedzialna za ochronę bardzo długiej linii brzegowej ZSRR była zbyt mała w stosunku do potencjału samej US Navy. Brakowało odpowiedniej liczby jednostek patrolowych, do ochrony zwłaszcza północnego i wschodniego wybrzeża kraju. Jedynym sposobem na zniwelowanie tej przewagi było wykorzystanie wodnosamolotów. Mogące operować z wody samoloty nie potrzebowały rozbudowanych baz lądowych, lotnisk i dużej infrastruktury, dzięki czemu idealnie nadawały się do patrolowania rozległych obszarów przybrzeżnych.

Pojawił się jednak inny problem. Rosnąca dominacja amerykańskich lotniskowców oraz szybki rozwój myśliwców o napędzie odrzutowym wymusiły na radzieckim dowództwie rewizję dotychczasowych założeń taktycznych. Wodnosamoloty o napędzie tłokowym stawały się bezbronne wobec nowoczesnych systemów przeciwlotniczych i myśliwców przechwytujących, co redukowało ich przydatność operacyjną na akwenach o wysokim nasyceniu siłami wroga. Wymogi nowego pola walki zdefiniowały konieczność stworzenia nowej maszyny rozpoznawczo-patrolowej, zdolnej do operowania z dala od macierzystych baz lądowych, przy jednoczesnym zachowaniu prędkości przelotowej i pułapu maszyn odrzutowych. Do podobnych wniosków doszli również amerykańscy wojskowi, co doprowadziło do rozpoczęcia w tym samym czasie prac koncepcyjnych a później projektowych nad takimi samolotami jak Convair F2Y Sea Dart czy Martin P6M SeaMaster.

W zaistniałej sytuacji rozpoczęto dwa równoległe programy. Pierwszy miał doprowadzić do powstania łodzi latającej Beriew Be-6, napędzanej silnikami tłokowymi, która miała być podstawowym samolotem rozpoznawczym radzieckiego lotnictwa morskiego. Drugim projektem był oparty na zbliżonych założeniach konstrukcyjnych wodnosamolot napędzany silnikami turboodrzutowymi. Obie maszyny miały powstawać równolegle, korzystając wzajemnie z doświadczeń z prac. Z racji braku doświadczenia radzieckich konstruktorów z napędem turboodrzutowym, zakładano, że Be-6 będzie bezpieczną alternatywą na wypadek niepowodzenia drugiego projektu.

Beriew R-1

Początek prac

Głównym wykonawcą projektu zostało biuro konstrukcyjne OKB-49 zlokalizowane w Taganrogu, na czele którego stał gen. mjr inż. Gieorgij Beriew. Prace nad maszyną, zakodowaną w dokumentacji wewnętrznej jako „Wyrób R” (ros. Izdielije R), prowadzono w warunkach surowego reżimu technologicznego. Co ciekawe, rozpoczęto je w maju 1947 roku, zanim do zakładów dotarły wytyczne rządowe, precyzujące wymagania dla nowego samolotu – te dotarły dopiero w czerwcu 1948 roku.

Budżetowanie programu miało charakter priorytetowy – Ministerstwo Przemysłu Lotniczego ZSRR alokowało olbrzymie środki na budowę nowych tuneli aerodynamicznych i basenów hydrodynamicznych. Ze względu na eksperymentalny charakter konstrukcji, koszty jednostkowe testów materiałowych przekraczały standardowe wydatki dla maszyn operujących z lądu lub konwencjonalnych wodnosamolotów o 40%, głównie z powodu konieczności opracowania nowych stopów duraluminium odpornych na korozję naprężeniową w środowisku zasolonym.

Przejście z silników tłokowych na napęd turboodrzutowy w środowisku morskim generowało bezprecedensowe problemy inżynieryjne. Silniki te wymagały dostarczania ogromnych ilości powietrza, a zassanie mgły wodnej lub drobin soli powodowało drastyczny spadek ciągu lub zjawisko pompażu sprężarki. To z kolei prowadziło do uszkodzenia łopatek sprężarki oraz zgaśnięcia płomienia w komorze spalania. Z tego względu tradycyjna architektura samolotów o napędzie turboodrzutowym, w której silniki umieszczano nisko, musiała ulec całkowitej rekonfiguracji. Konieczne stało się wyniesienie wlotów powietrza poza strefę intensywnych rozbryzgów wody, co determinowało nowy układ aerodynamiczny całego płatowca. Dodatkowym wyzwaniem była niska wydajność wczesnych silników odrzutowych przy małych prędkościach, co wymuszało wydłużenie rozbiegu na wodzie. Wymagało to przeprojektowania sekcji dolnej części kadłuba, aby zminimalizować opór hydrodynamiczny i przełamać siły ssące wody przy prędkościach rzędu 150-200 km/h.

Proces projektowania wymagał ścisłej koordynacji między inżynierami hydrodynamiki a specjalistami od aerodynamiki wysokich prędkości. Zespół Gieorgija Beriewa musiał pogodzić sprzeczne wymagania: kadłub musiał posiadać smukłość ułatwiającą osiąganie prędkości okołodźwiękowych w powietrzu, a jednocześnie wymagał szerokiego dna z odpowiednim kątem podniesienia, aby zapewnić stabilność poprzeczną podczas kołowania na wzburzonym morzu. 10 czerwca 1950 roku ukończono makietę , a budowę pierwszego prototypu zakończono w listopadzie 1951 roku, co zamknęło fazę prac koncepcyjnych i otworzyło etap weryfikacji poligonowej. Samolot otrzymał oznaczenie Beriew R-1.

Konstrukcja i dane taktyczno-techniczne

Wymagania taktyczno-techniczne sformułowane przez dowództwo lotnictwa floty zakładały osiągnięcie prędkości maksymalnej na poziomie 800 km/h oraz zasięgu operacyjnego rzędu 2000 km. Parametry te miały umożliwić szybkie przechwytywanie jednostek nawodnych przeciwnika oraz realizację misji zwiadowczych z ominięciem stref rażenia ówczesnych systemów obrony przeciwlotniczej floty. Aby spełnić te rygorystyczne normy, do napędu wybrano dwa turboodrzutowe silniki Klimow WK-1, będące rozwinięciem brytyjskiej konstrukcji Rolls-Royce Nene.

Każda z jednostek generowała ciąg 26,5 kN. Wybór silników ze sprężarką odśrodkową wynikał z ich wyższej tolerancji na zanieczyszczenia i przypadkowe zassanie wody w porównaniu do nowocześniejszych układów ze sprężarką osiową. Aby chronić wloty powietrza, inżynierowie zdecydowali się na zamontowanie gondoli silnikowych nad płatem głównym, u nasady skrzydeł. Taka konfiguracja, choć korzystna z punktu widzenia ochrony przed wodą, podnosiła środek ciężkości maszyny. Co więcej, wysokie położenie osi silników generowało silny moment pochylający podczas gwałtownych zmian wartości ciągu, co wymagało skomplikowanej kompensacji za pomocą trymerów steru wysokości.

Silniki Klimow WK-1 wymagały specjalistycznej aparatury rozruchowej i dostaw paliwa lotniczego (nafty), którego magazynowanie w portach wojennych wymusiło przebudowę rurociągów. Maksymalna masa startowa maszyny wynosząca 20 300 kg wymagała budowy nowych, wzmocnionych slipów betonowych o nachyleniu nieprzekraczającym 5 stopni. Jeśli w bazach nie było odpowiednich ramp, potrzebne były również potężne dźwigi portowe o udźwigu minimum 25 ton do wyciągania maszyny na brzeg w celu przeprowadzania inspekcji i złożonych prac serwisowych.

Beriew R-1 został zaprojektowany w układzie wolnonośnego górnopłata z charakterystycznym mewim płatem. Inżynierowie Beriewa postanowili zaprojektować nową maszynę w oparciu o podzespoły równocześnie budowanego Beriewa Be-6, co pozwoliło na przyśpieszenie prac. Model R-1 w porównaniu do Be-6 miał podobny układ konstrukcyjny i kadłub, przy czym był nieco mniejszy i posiadał standardowy, pojedynczy statecznik pionowy. Zastosowano profil aerodynamiczny NACA 23009, który zapewniał optymalny stosunek siły nośnej do oporu przy wysokich prędkościach przelotowych. Skrzydła o rozpiętości 20 m wyposażono w stałe pływaki stabilizujące zamocowane na pylonach. Sam kadłub o długości 19,9 m wykonano z duraluminium w konstrukcji półskorupowej, z wodoszczelnymi grodziami dzielącymi dolną sekcję na niezależne przedziały.

Kluczowym elementem odpowiadającym za parametry startowe był redan – profilowany uskok w dolnej części kadłuba. W R-1 zastosowano redan o zmiennym kącie, co miało na celu redukcję powierzchni stykającej się z wodą podczas rozbiegu. Hydrodynamika kadłuba musiała jednak radzić sobie ze zjawiskiem kawitacji. Przy prędkościach powyżej 100 km/h na opływanym kadłubie powstawały i gwałtownie zapadały się pęcherzyki powietrza, które prowadziły do niszczenia powłok antykorozyjnych. Z kolei aerodynamikę maszyny zoptymalizowano tak, aby pomagała w starcie: kąt zaklinowania skrzydła względem kadłuba dobrano w ten sposób, aby w fazie wejścia na redan (przejścia w ślizg) maszyna automatycznie przyjmowała optymalny kąt natarcia. Dzięki temu zminimalizowano konieczność ostrego operowania sterami przez pilota w najbardziej krytycznym momencie startu z wody.

Z racji planowanych dla R-1 zadań, należało odpowiednio dopasować uzbrojenie i konfigurację załogi. W skład załogi wchodziły 3 osób – pilot, nawigator i radiooperator obsługującego ponadto tylne stanowisko strzeleckie. Stałe uzbrojenie strzeleckie składało się z dwóch stałych, strzelających do przodu działek Nudelman-Richter NR-23 kalibru 23 mm oraz dwóch ruchomych działek NS-23 kalibru 23 mm w zdalnie sterowanej wieżyczce ogonowej. Komora uzbrojenia, zlokalizowana w środkowej części kadłuba, mogła pomieścić do 1000 kg bomb głębinowych, min morskich lub torped. W nosie maszyny umieszczono stację radiolokacyjną, której antena została zabezpieczona specjalną osłoną, chroniącą przed uderzeniami fal.

Dane taktyczno-techniczne Beriewa R-1

Problematyczne próby

Oblot prototypu Beriewa R-1 odbył się 30 maja 1952 roku. Za sterami maszyny zasiadł doświadczony oblatywacz, płk Iwan Suchomlin. Lot trwał 23 minuty ale już podczas pierwszych prób kołowania ujawniła się krytyczna wada hydrodynamiczna kadłuba – zjawisko wzdłużnego kołysania, znane w żargonie inżynieryjnym jako porpoising. Przy osiągnięciu prędkości 165 km/h maszyna wpadała w gwałtowne, niesterowalne rezonanse wzdłużne, naprzemiennie wbijając dziób w wodę i odrywając się od niej. Amplituda tych drgań generowała przeciążenia rzędu 3G, bezpośrednio zagrażając integralności strukturalnej wręg i poszycia.

Konieczność usunięcia tej wady pociągnęła za sobą wdrożenie intensywnego programu modyfikacyjnego. Inżynierowie zmienili geometrię redanu i wydłużyli przednią sekcję dna. Modyfikacje te generowały olbrzymie koszty. Mimo wprowadzonych korekt wodnosamolot pozostawał wysoce nieprzewidywalny. Podczas próbnego lądowania 3 października 1953 roku prototyp uległ poważnemu uszkodzeniu po twardym zderzeniu z falą, co wymusiło długotrwałą odbudowę kadłuba w fabryce w Taganrogu. Do 1956 roku R-1 wykorzystywany był jako maszyna testowa, na której analizowano zachowanie wodnosamolotów wyposażonych w silniki odrzutowe przy lotach z dużymi prędkościami. Ostateczny cios programowi zadał wypadek z lutego 1956 roku, kiedy po kolejnym twardym lądowaniu struktura nośna centropłata uległa pęknięciom zmęczeniowym. W tej sytuacji wydano oficjalną decyzję o zaniechaniu napraw i przekazaniu maszyny na złom.

Podsumowanie

Problemy techniczne Beriewa R-1 zbiegły się w czasie z głębokimi przeobrażeniami radzieckiej doktryny wojennej. W służbie znajdowały się już udane wodnosamoloty Beriew Be-6, a kwestią czasu było opracowanie ich bardziej ulepszonej wersji Be-12. Samoloty te, chociaż posiadały silniki tłokowe (turbośmigłowe w Be-12) i nie dysponowały aż tak dobrymi osiągami jak samoloty odrzutowe, był tańsze w eksploatacji i budowie, oraz spokojnie wypełniały powierzone im zadania. Dodatkowo do służby zaczęły wchodzić nowe ciężkie bombowce bazujące na lądzie, takie jak Iljuszyn Ił-28, Tupolew Tu-14 oraz Tupolew Tu-16, które dysponowały olbrzymim zasięgiem i mogły zabierać znacznie więcej uzbrojenia niż R-1. Tym samym zmniejszyło się zapotrzebowanie na wodnosamoloty rozpoznawcze o napędzie turboodrzutowym. Dodatkowo radziecka flota wprowadziła do uzbrojenia olbrzymią liczbę nowych okrętów patrolowych, a w kolejnych latach również kutrów rakietowych, zwłaszcza projektu 205, które idealnie nadawały się do obrony wybrzeża i nie potrzebowały olbrzymich baz.

Beriew R-1 nigdy nie osiągnął statusu gotowości operacyjnej, ale program dostarczył twardych danych z zakresu hydrodynamiki płatowców odrzutowych, które bezpośrednio zasiliły prace nad kolejnymi modelami w OKB-49. Analiza zjawiska porpoisingu przy prędkościach zbliżonych do 200 km/h pozwoliła inżynierom na weryfikację równań matematycznych i całkowitą zmianę podejścia do projektowania kątów natarcia dolnych sekcji kadłuba. Wyniki badań zniszczonego prototypu wykorzystano z kolei do zaostrzenia norm wytrzymałościowych dotyczących nitowania stopów lotniczych. Zdobyte doświadczenie wykorzystano do opracowania znacznie bardziej dopracowanego Beriewa Be-10, który dysponował większymi możliwościami i został oblatany już 20 czerwca 1956 roku.

W tej konstrukcji zrezygnowano z prostych skrzydeł na rzecz profilu skośnego, znacząco wydłużono linie kadłuba, a jako jednostki napędowe wykorzystano mocniejsze silniki Lulka AL-7PB. Model Be-10, będący bezpośrednim beneficjentem błędów popełnionych przy R-1, ustanowił następnie 12 rekordów świata Międzynarodowej Federacji Lotniczej (FAI) dla wodnosamolotów, udowadniając wprost poprawność obranej przez biuro Gieorgija Beriewa ścieżki technologicznej.