Применение монопланной схемы с одновременным уменьшением площади крыла и применением более тонких аэродинамических профилей позволяло резко снизить сопротивление. Одновременно были применены убирающиеся в полете шасси и гладкая жесткая обшивка планера. Площадь крыла при заданной массе была уменьшена в 2–2,5 раза. Это привело к возрастанию удельной нагрузки на крыло с 70–100 кг/кв. м у тяжелых монопланов начала 1930-х годов до 140–170 кг/кв. м у скоростных монопланов. В результате полное сопротивление снижалось в 1,5–2 раза, скорость полета возрастала на 20–30 % при неизменной мощности двигателя и высоте полета. Переход на скоростной моноплан стал возможен и благодаря применению новых материалов и технологий. В самолетостроении стали широко применяться плакированный дюралюминий, высокопрочные стали, легкие сплавы повышенной прочности облагороженная древесина и др.
Негативным фактом перехода на схему скоростного моноплана стало сваливание на крыло на больших углах атаки, рост взлетной и посадочной скоростей в связи с возрастанием удельной нагрузки на крыло, увеличение времени выполнения виража. С другой стороны, достигнутые к 1932–1933 годам мощности авиационных двигателей не давали первым скоростным истребителям никаких преимуществ в вертикальных скоростях и в скоростях набора высоты перед маневренными бипланами.
Поэтому некоторое время два вида истребителей развивались параллельно.
В октябре 1933 года начались летные испытания новой машины Поликарпова (сумевшего заинтересовать ею Якова Алксниса и получить под свое начало персональную бригаду) — одностоечного полутораплана смешанной конструкции ЦКБ-3 (крылья — деревянные с полотняной обшивкой, фюзеляж — сварной из хромомолибденовых труб, оперение — дюралевое), именовавшегося впоследствии И-15. Верхнее крыло было выполнено по схеме «чайка». Нововведение не только улучшило обзор из кабины летчика, уменьшило лобовое сопротивление, но и резко увеличило маневренность. Примыкавший к фюзеляжу центроплан создавал столь значительную боковую поверхность, что самолет мог лететь буквально «на боку», с креном 90 градусов. В замысле предполагалось также внедрить убираемое шасси и закрытый фонарь кабины, но реализовать эти идеи на практике не удалось.
С закупленным в США двигателем Райт «Циклон» истребитель, весивший 1370 кг, на высоте 3000 м развивал скорость 360 км/ч. По маневренности на горизонтали он не имел себе равных: время выполнения виража — 8,5 секунды — рекордно малое для истребителя. Вооружение состояло из двух-четырех пулеметов ПВ-1. Правда, легкость конструкции в какой-то мере оказалась достигнутой в ущерб качеству, а заказчик выражал сомнения в оправданности крыла типа «чайка», которое, по его мнению, недопустимо затрудняло обзор при взлете и прицеливании, вело к ухудшению путевой устойчивости. Но летчики сразу полюбили самолет именно за его устойчивость на всех режимах, простоту пилотирования, легкость выполнения фигур и отличные взлетно-посадочные качества. Показателен отзыв знаменитого испытателя M.JT. Галлая: «Это был очень легкий по весу, исключительно хорошо управляемый самолет, обладавший поразительной способностью устойчиво держаться в воздухе едва ли не в любом положении».
С 1934 года на заводах №-39 и №-1 началась серийная постройка И-15, который за два года был выпущен в количестве 384 экземпляра, а затем, из-за отрицательного отношения руководства ВВС, все-таки снят с производства, а уже с 1937 года начал сниматься с вооружения.
Маневренные истребители строились в это время и в других странах.
Летом 1933 года поднялся в воздух первый истребитель уже фактически гитлеровской Германии — классический биплан Не-51 с мотором BMW-VI, являвшийся дальнейшим развитием истребителя Хейнкель HD-37, (который с 1931 по 1934 год производили в СССР под маркой И-7). Самолет серийно строился с апреля 1935 года, был вооружен парой синхронных 7,92-мм пулеметов MG-17 с 500 патронами на ствол, обладал целым рядом достоинств: его взлетно-посадочные свойства, устойчивость, пикирующие качества могли служить примером. На истребителе была установлена приемо-передающая радиостанция, чего советской промышленности не удалось добиться и десять лет спустя. В то же время по скорости (315 км/ч), скороподъемности и маневренности Не-51 заметно уступал И-15.
Практически идентичной, с таким же вооружением, но более маневренной и высотной машиной был самый массовый предвоенный германский истребитель Аг-68 с двигателем жидкостного охлаждения «Юнкере» Jumo 210Е, поступивший на вооружение Люфтваффе в конце лета 1936 года.
В 1933 году совершил первый полет итальянский биплан «Фиат» CR-32. На нем был установлен рядный мотор жидкостного охлаждения в 600 «лошадей», разгонявший двухтонную машину до 354 км/ч. Вооружение состояло из двух 7,69-мм синхронных пулеметов. На модификации CR-32bis, сошедшей с конвейера весной 1936-го, добавили еще два пулемета, установленных поверх нижнего крыла за пределами диска винта. Летом 1937 года в ущерб максимальной скорости и скороподъемности вооружение истребителя еще раз усилили, смонтировав в носовой части фюзеляжа два пулемета Бреда-SAFAT калибра 12,7 мм.
В конце 1933 года бригада H.H. Поликарпова представила новый инициативный проект — свободнонесущий низкоплан смешанной конструкции (на этот раз деревянным был фюзеляж, а каркас центроплана — металлическим). Он имел три принципиальные особенности: необычайно малые размеры, небольшой запас продольной статистической устойчивости и очень малую взлетную массу. Серийный истребитель И-16 тип 5 с двигателем М-25 (обрусевший «Райт-Циклон» F-3) весил 1508 кг и на высоте 4000 м развивал скорость 445 км/ч. На нем была установлена бронеспинка летчика толщиной 8 мм и убирающиеся шасси. Вооружение состояло из двух крыльевых пулеметов ШКАС с 900 патронами на каждый.
И здесь не обошлось без критиков. Интенданты возмущались слишком большой длиной разбега самолета, которая достигала 250 м (у биплана И-15–70 м, у тяжелого бомбардировщика ТБ-3–300 м), что требовало удлинения аэродромных полос. Летчикам, особенно средней квалификации, не нравилась большая посадочная скорость, сложная техника пилотирования по сравнению с бипланами — недостаточно устойчивый самолет был строг в управлении, энергично реагировал на малейшее движение ручки и не прощал ошибок. Впрочем, и М.М. Громов, и М.Л. Галлай в мемуарах тоже отмечали, что И-16 «был неустойчив и с плохим обзором», «даже при не очень грубых неточностях в действиях пилота охотно срывался в штопор», а их трудно назвать летчиками средней квалификации. Эта неустойчивость была сознательно задана конструктором, совместившим в одной точке центр тяжести и аэродинамический фокус самолета — все ради достижения, наряду с высокой скоростью, максимальной маневренности в бою. Не устраивал военных также сдвижной фонарь кабины. Пилоты утверждали, что он ограничивает свободу движений и стесняет обзор, а главное — может заесть при необходимости покинуть самолет в критической ситуации. В результате закрывающийся фонарь был упразднен, и кабина стала открытой, что несколько снизило летные качества машины. Тем не менее это был лучший и самый массовый довоенный советский истребитель, находившийся в производстве на протяжении семи лет.
Самолеты И-15 и И-16, ознаменовавшие собой начало качественно нового этапа развития советской авиации, принесли H.H. Поликарпову славу «короля истребителей». Эти машины постоянно улучшались, модернизировались и состояли на вооружении советских ВВС до 1943 года включительно.
Одновременно велись активные работы по созданию пушечного и двухместного истребителей. Последним, предназначавшимся для сопровождения тяжелых бомбардировщиков, уделялось заметное место. При бипланной схеме существенной разницы в скоростях между одноместными и двухместными истребителями не было, в воздушном бою они считались практически равноценными, а наличие второго члена экипажа обеспечивало большую универсальность боевого применения машины как разведчика, легкого бомбардировщика или штурмовика. Однако ничего путного в этом классе создать не удалось. Проекты ДИ-3 и ДИ-4 были осуществлены в единичных экземплярах. В конце 1934 года бригадой С.А. Кочеригина и В.П. Яценко был выпущен двухместный полутораплан ДИ-6 с убирающимися шасси и двигателем М-25, развивавший 370 км/ч и вооруженный тремя пулеметами. Самолет обладал хорошей скоростью и маневренностью.
В общем и целом, он был неплох на момент создания. Но вряд ли стоило запускать его в серию в 1937 году сразу на трех заводах, чтобы в итоге произвести 220 морально устаревших машин. С переходом на монопланную свободнонесущую схему истребителя с убираемыми шасси, двухместные одномоторные аппараты уже не могли конкурировать с одноместными и утратили свое значение.
Оригинальное решение проблемы предложил инженер B.C. Вахмистров. Суть идеи состояла в том, что свое «сопровождение», имевшее недостаточный радиус действия ввиду малого запаса топлива, тяжелые бомбардировщики должны были нести с собой. В 30-е годы Вахмистров под условным наименованием «Звено» разработал несколько летающих авианосцев — носителей истребителей — на базе ТБ-1 и ТБ-3. В различных вариантах «составного самолета» от двух до пяти одноместных истребителей типа И-5, И-Z, И-16 крепились на крыльях, фюзеляже и под ними. Взлет и полет происходили с работающими двигателями всех самолетов. У цели истребители отцеплялись и осуществляли прикрытие бомбардировщиков. Было также отработано соединение с самолетом-носителем прямо в воздухе. Наиболее удачным оказалось «Звено-6», появившееся в 1934 году, — ТБ-3 с двумя истребителями И-16 под крыльями. Работы над «Звеном» велись на протяжении семи лет. Было признано, что система вполне жизнеспособна, но в 1938 году финансирование темы, получившей прозвище «Цирк Вахмистрова», прекратили.
Идею авиационной сцепки подхватили инженеры Третьего рейха, создавшие в 1943 году систему «Мистель». Только у немцев все было наоборот: пилот истребителя, установленного на фюзеляже набитого взрывчаткой беспилотного бомбардировщика, осуществлял управление в полете, расцепку и наведение «воздушной торпеды» на цель. Система имела радиус действия около 4000 км и предназначалась для нанесения ударов по военно-морским базам и крупным промышленным объектам в глубоком тылу противника.
Появление цельнометаллических бомбардировщиков с бронированием рабочих мест экипажа, протестированными бензобаками, малоуязвимых для обычных пуль трехлинейных пулеметов, потребовало повышения огневой мощи «ястребков». Передовая советская военная мысль своевременно и правильно поставила вопрос об установке на них чего-нибудь более крупнокалиберного и разрушительного, желательно пушки. Беда в том, что своих авиационных пушек в стране не имелось, да и купить их было негде. Возникла мысль вооружить истребитель отечественным сверхсекретным оружием — динамореактивными (безоткатными) орудиями Л.B. Курчевского, в которых сила отдачи компенсировалась силой реакции отбрасываемых назад газов. Теоретически это позволяло применять орудия довольно крупных калибров.
Первые наземные стрельбы с борта разведчика Р-1 были проведены в апреле 1930 года. После четвертого выстрела самолет разрушился от воздействия собственного оружия. Затем последовал эксперимент с разведчиком Р-3 — с похожим результатом. Но сама пушка привела военных в восторг. Стало ясно, что для ДРП необходимо построить специальный самолет: металлический, особо прочный в районе хвостового оперения или созданный по особой схеме. Работу над такой перспективной машиной вели сразу несколько конструкторских бюро.
Летом 1930 года задание на проектирование истребителя, вооруженного двумя автоматическими трехдюймовками АПК-4, получил Д.П. Григорович, числившийся неофициальным техническим руководителем чекистского ЦКБ. Участие в создании истребителя принимал и А. Н. Седельников, В.Л. Корвин, А.В. Надашкевич, Е.И. Майоранов, В.Д. Яровицкий, Г.Е. Чупилко, С.Н. Шишкин. Работа велась в глубочайшей тайне, изолированно от других объектов и даже название проекта было сугубо секретным — Z».
Получился подкосный низкоплан, в котором передняя часть фюзеляжа вместе с винтомоторной установкой была заимствована от И-5. Хвостовая часть, с целью избежать разрушительного воздействия вылетающих из сопла орудия газов, представляла сбой дюралюминиевый монокок с высоко расположенным горизонтальным оперением. Самолет развивал максимальную скорость 259 км/ч. Вооружение состояло из одного пулемета ПВ-1 и двух 76-мм орудий Курчевского, подвешиваемых под крылом.
Пушка имела длину 3,5 м, темп стрельбы около 20 выстр/мин, весила 75 кг. Боезапас состоял из семи осколочных либо картечных снарядов с 22-секундной дистанционной трубкой. Выстрелы имели гильзы из нитроткани с деревянным поддоном. При ведении огня ткань должна была сгорать, но на практике полностью не сгорала, а вместе с кусочками поддона застревала в канале ствола, что порой приводило к разрыву ствола. К числу других недостатков относились малая емкость магазина, неудовлетворительная работа автоматики и, в конечном счете, порочная схема орудия. Полигонные испытания показали, что стрельба из ДРП производит «тяжелый физиологический эффект на пилота» и ведет к разрушению самолета — конструкция выдерживала не более 400 выстрелов.
Серийное производство истребителя И-Z началось в 1933 году. Всего завод №-39 выпустил 72 машины, большинство из которых за год эксплуатации было выведено из строя пушками Курчевского. В развитие типа «зет» Григорович сконструировал пушечный истребитель ИП-1 с двумя АПК-4. Было выпущено 200 экземпляров, правда, без чудо-орудий.
В АГОС ЦАГИ под динамореактивные пушки создали сразу три самолета.
Бригада В.Н. Чернышева в 1931 году построила цельнометаллический истребитель И-12 (АНТ-23) с двумя двигателями воздушного охлаждения, установленными в тандем. Самолет был выполнен по оригинальной двухбалочной схеме. Балки из стальных труб предназначались для размещения облегченных 76-мм пушек АПК-5. Доводка машины, летавшей весьма посредственно, и вооружения, оказавшегося склонным к разрыву, продолжалась почти три года и окончилась закрытием проекта.
В мае 1933 года начал летать скоростной истребитель-моноплан И-14 (АНТ-31), созданный бригадой П.О. Сухого. Самолет обладал выдающимися летными данными, с двигателем М-25 развивал скорость до 450 км/ч. На нем впервые были применены убираемые шасси, тормозные колеса и закрытый фонарь кабины. Вооружение — один ПВ-1 и две маломощные 37-мм АПК-37 с теоретической скорострельностью около 70 выстр/мин и боекомплектом 25 выстрелов на пушку. Однако новое детище Курчевского оказалось небоеспособным: автоматика постоянно заклинивала, при наклоне или крене «самолетная пушка» не работала вообще, а на крутых углах пикирования снаряды выпадали из ствола. Тем не менее и пушку (!), и самолет запустили в серию. Через три года, заполненных бесконечными испытаниями, согласованиями, переделками и устранениями дефектов, войска получили 18 истребителей И-14, вооруженных классическими авиапушками ШВАК Наконец, в феврале 1935 года туполевцы представили двухмоторный истребитель ДИП (АНТ-29), представлявший собой 102-мм пушку АП К-8 с крыльями и моторами «Испано-Сюиза». Ствол орудия и труба для выхлопных газов проходили сквозь весь фюзеляж. Над ними находились кабины летчика и стрелка. Курчевский обещал уничтожение воздушных целей 8-килограммовыми шрапнельными зарядами на расстоянии 8 км со скорострельностью 25 выстр/мин. На практике не проверялось. Самолет даже не передавался на госиспытания.
Неунывающий изобретатель, возглавивший Управление спецработ Наркомата тяжелой промышленности, пробивал новое финансирование и готовился оснастить советскую авиацию динамореактивными пушками и мортирами калибра 152 мм, которые должны были расстреливать армады вражеских бомбардировщиков с дистанции 13 км! Завлекательные идеи Курчевского очень импонировали руководящим товарищам самого высокого ранга, например наркому тяжелой промышленности Г. К. Орджоникидзе, заместителю наркома обороны М.Н. Тухачевскому, начальнику ВВС Я.И. Алкснису. Поэтому «фирме» Курчевского выделили новые миллионы рублей, а на одном из артиллерийских заводов организовали авиационное КБ, в котором трудились над проектами пушечных истребителей конструкторы Б.И. Черановский, С.А. Лавочкин, С.Н. Люшин, В.Б. Шавров (в ноябре 1937 года, после тотального отстрела высшего начсостава РККА, был сделан вывод, что под реактивные фантазии Курчевского «испакостили четыре типа самолетов»).
Как уже отмечалось, опытным самолетостроением в СССР заведовали две ведущие конструкторские организации — ЦКБ и КОСОС ЦАГИ. Но кроме них имелось еще множество «специальных» и «особых» контор, создававших разнообразную летающую технику.
Летом 1930 года по инициативе П.И. Баранова, распоряжением Реввоенсовета при ЦАГИ было организовано Бюро особых конструкций для изучения новых вопросов в области летания и создания аппаратов новых и необычных схем. Затем эта организация неоднократно меняла название и подчинение. В тематику БОК входили высотные кабины, стратостаты, бесхвостки, самолеты с ракетными двигателями, автожиры.
Начальником БОК был назначен инженер В.А. Чижевский, заместителем — H.H. Каштанов. В разное время в бюро работали Л.И. Сутугин, С.С. Кричевский, Б.И. Черановский, Н.И. Камов. К числу работ БОК относятся гондола стратостата «СССР-1» и ряд экспериментальных самолетов.