Подход на основе экономики при существовавших в то время очень низких ценах на топливо потребовал максимально возможное увеличение скорости. Ставилась задача обеспечить самолету Ту-154 экономическую крейсерскую скорость 900–950 км/ч, поскольку уже выше при обтекании крыла потоком воздуха начинаются сверхзвуковые явления. Эта скорость больше, чем у всех разрабатываемых самолетов того времени. Да и в настоящее время попытка превысить это значение крейсерской скорости была предпринята на проекте самолета «Super Cruser» фирмы «Боинг» с той же целью повышения экономичности перевозок. Но этот проект остался нереализованным.
Поэтому для самолета Ту-154 было выбрано сравнительно тонкое крыло умеренного удлинения со стреловидностью 35°. Той же цели, то есть наивыгоднейшим условиям крейсерского полета, отвечал и создаваемый профиль крыла. Но такое в какой-то мере узкое решение могло бы отрицательно сказаться на взлетно-посадочных характеристиках самолета. Для получения оптимального решения Сергей Михайлович впервые организует в отделе техпроектов широкие параметрические исследования для определения влияния конструктивных и аэродинамических параметров самолета, таких, как площадь крыла, энерговооруженность, взлетно-посадочные характеристики и т. д., на основные эксплуатационные показатели.
Выявляются основные закономерности и взаимное влияние многочисленных характеристик, впервые осознается и реализуется системный подход к обоснованию облика летательного аппарата.
Как замечал отец, вместе с разработкой самолета Ту-154 формировался научный подход, наука проектирования пассажирского самолета. Эти исследования и их результаты стали содержанием курса лекций для студентов самолетостроительного факультета МАИ.
Учебник «Проектирование пассажирских самолетов», написанный Сергеем Михайловичем в это время, начинается словами: «Первой задачей, которая встает перед конструкторами пассажирского самолета в начале проектирования, является обеспечение наибольшей экономичности этого самолета».
Там же во введении формулируются основные положения этой методологии: «Особенностью проектирования пассажирских самолетов является необходимость обеспечения в первую очередь:
а) высокой экономичности перевозок,
б) максимальной безопасности перевозки пассажиров:
в) определение жизненных условий для пассажиров во время полета и максимального комфорта,
г) возможность совершать рейсы даже в тяжелых метеорологических условиях для получения высокой регулярности полетов по расписанию»
К этому следует добавить еще одно, специфическое в то время для нашей страны условие — возможность эксплуатации самолета с имеющихся взлетно-посадочных полос (ВПП).
Это последнее требование крайне важно. Было горячее желание обеспечить взлет и посадку самолета на аэродромы по всей территории Советского Союза, дать возможность населению выбраться из любого «медвежьего уголка» страны. Ту-154 приходил на смену Ту-104. Но даже и он в начальный период эксплуатации вынужден был использовать на посадке тормозной парашют. Не хватало длин ВПП, бетонные покрытия небольшой толщины не обладали достаточной прочностью, плохое качество бетона приводило к выкрашиванию. Проседание и износ бетонных плит обуславливал появление ступенек на ВПП. А ведь самолет Ту-154 на 20 тонн тяжелее Ту-104. Впервые экономика самолета рассматривалась на реальной сети авиационных трасс и аэродромов.
Необходимы были принципиально новые разработки, чтобы гарантировать эксплуатацию Ту-154 на аэродромах, принимающих турбовинтовые самолеты Ил-18 и Ан-10. Удовлетворить эти требования удалось благодаря высокому уровню механизации крыла: введению впервые на советском пассажирском самолете предкрылков, обслуживающих переднюю кромку крыла, интерцепторов и мощных откатных трехзвеньевых щелевых закрылков.
Размах закрылков на Ту-154 за счет сокращения размаха элерона доведен до 75 % длины крыла. А уменьшение размаха элерона компенсировано использованием интерцепторов, как органов поперечного управления.
Анализировалось влияние хорды закрылка на его характеристики. Было установлено, что при небольших приростах подъемной силы закрылок с малой хордой обладает лучшим аэродинамическим качеством. Малая хорда выгодна при взлетах с пониженной тяговооруженностью, например в условиях жары и высокогорья. Однако при посадке у закрылка с такой хордой есть серьезный недостаток — у него невелик коэффициент подъемной силы Сочетание благоприятного влияния малой хорды во взлетном положении механизации с большими значениями Су максимум на посадке обеспечивается использованием эффекта переменной хорды.
Обоснование эффекта переменной хорды было большим достижением в исследованиях. Реализовалось это так.
Закрылок на самолете Ту-154 состоит из перемещаемых относительно друг друга трех элементов: дефлектора, среднего звена и хвостика. Для плавного обтекания закрылка на больших углах отклонения (более 25) между его звеньями открываются профилированные щели. На малых же углах, пока плавное обтекание закрылка не нарушено, щели нежелательны, так как они несколько увеличивают сопротивление трения и, следовательно, уменьшают аэродинамическое качество. Поэтому в оптимальном варианте число щелей, как и хорда, должны изменяться в зависимости от положения закрылка. На взлетном режиме при углах отклонения закрылка 28° специальный механизм прижимает дефлектор к крылу. В потоке находятся только среднее звено и хвостик, образуя двухщелевой закрылок умеренной хорды. А на посадке, при угле отклонения 45° работают все секции трехщелевого закрылка с увеличенной эффективной площадью. Она создается за счет отката закрылка и раздвижения его звеньев.
Применение указанной схемы закрылков и кинематики их отклонения одновременно с предкрылками позволило добиться на самолете Ту-154 максимального коэффициента подъемной силы 2,5–2,7 при достаточно высоком значении аэродинамического качества — по сравнению со значением коэффициента максимальной подъемной силы 1,35—1,45 на чистом крыле.
Однако исследования по созданию оптимальной механизации крыла были лишь одним из направлений работ по обеспечению использования в эксплуатации сети существующих аэродромов. Стала очевидной необходимость уменьшения давления на бетонные плиты ВПП во время взлета и посадки самолета, то есть разработки нового многоколесного шасси.
Еще ранее в отделе техпроектов Сергей Михайлович организовал небольшую группу самолетных механизмов, возглавляемую Фокиным Николаем Дмитриевичем, куда входили молодые талантливые инженеры-исследователи — такие, как Леша Семенов, Феликс Волошин, Толя Федько и другие. Они работали в тесном контакте с бригадами шасси и управления ОКБ, практически ежедневно бывая друг у друга. Но эта группа позволяла отцу реализовать в конкретном схемном решении новые идеи в области механизации не отрывая от работ по выпуску чертежной документации основные бригады ОКБ. Этой группе Сергей Михайлович и поручил разработать предложения по новой схеме шасси.
В результате длительных поисков, к которым подключилась и бригада шасси Я. А. Лифшица, родилась схема трехосевой шестиколесной тележки основного шасси, где при уборке в гондолу крыла стойка укладывалась в промежутке между двумя рядами колес, а тележка разворачивалась на 180° в вертикальной плоскости.
