Между тем в Группе изучения реактивного движения под руководством Ю.А. Победоносцева развернулись исследования по прямоточным воздушно-реактивным двигателям (ПВРД). ПВРД является простейшим типом ВРД. В нём нет ни компрессора, ни турбины, сжатие перед камерой сгорания происходит за счёт специально профилированного канала, через который проходит набегающий поток воздуха. Но работать ПВРД может только в полёте, поэтому взлёт и разгон летательного аппарата должен осуществляться с помощью двигателя другого типа. Чем больше скорость, тем выше степень сжатия и тяга прямоточного двигателя.
Схема прямоточного воздушно-реактивного двигателя.
И.А. Меркулов. 1930-е годы.
В 1933 г. состоялись первые испытания ПВРД в полёте. Для этого был сконструирован миниатюрный прямоточный двигатель в форме снаряда 76-мм пушки. Топливо (белый фосфор) поместили непосредственно в камере сгорания. Отстрел таких двигателей продемонстрировал работоспособность ПВРД: дальность выстрела за счёт реактивной тяги возросла на километр по сравнению со штатным снарядом[324].
В 1937 г. сотрудник Реактивной секции Стратосферного комитета при Осоавиахиме (ОАХ) Игорь Алексеевич Меркулов предложил построить раке ту Р-3 с прямоточным ВРД. В качестве первой, разгонной ступени использовался пороховой двигатель. Конструктор и ученый М.К. Тихонравов поддержал проект. Он писал: «Представленная записка заключает в себе постановку проблемы воздушно-реактивного двигателя, причём основной упор сделан на создании соответствующего двигателя для работы на дозвуковых скоростях. Постановка такой проблемы в системе ОАХ является своевременной. Воздушный ракетный двигатель для авиации является одним из двигателей ближайшего будущего и над его созданием усиленно работают за границей. Правда в объяснительной записке двигатель мыслится использовать не в авиации, а в бескрылой ракете. С такой постановкой вопроса я не могу согласиться, но считаю, что применение, в случае создания удачного образца двигателя, всегда может быть направлено по правильному пути»[325].
Михаил Клавдиевич был прав: после успешных испытаний Р-3 Меркулова привлекли к работам по использованию ПВРД в авиации. 3 июля 1939 г. на совещании Технического совета НКАП Игорь Алексеевич сделал доклад о результатах экспериментов с прямоточным двигателем на ракетах и о задачах усовершенствования его конструкции для применения в авиации. Он предлагал использовать прямоточные двигатели в сочетании с винтомоторной группой. ПВРД должны были служить в качестве дополнительных моторов (ДМ) для увеличения максимальной скорости. В то время двигатель внутреннего сгорания с воздушным винтом был единственным типом силовой установки, применяемой на самолётах. Он обеспечивал необходимую экономичность при взлёте и на крейсерском режиме, хорошую манёвренность в воздухе. В то же время легкий прямоточный ВРД мог дать лётчику возможность в нужный момент увеличить скорость полёта. Удобство применения ВРД в качестве дополнительного мотора заключалось ещё в том, что он не требовал запасов специального топлива, которое необходимо, например, для жидкостных ракетных двигателей, а мог питаться тем же бензином, что и основной мотор.
Существовал также проект экспериментального самолёта только с ПВРД. Его автором был руководитель Отдела специальных конструкций на заводе № 1 А.Я. Щербаков. Мыслилось, что летательный аппарат будет как планер забуксирован самолётом на большую высоту, а затем, отсоединившись, начнёт снижение. Разогнавшись, лётчик включит прямоточные двигатели и самолёт продолжит полёт с увеличением скорости и высоты[326].
Проект так и остался проектом, начать решили с испытаний ПВРД в качестве дополнительного мотора на серийных самолётах. Меркулова перевели в Отдел изобретений авиазавода № 1. На этом предприятии в августе 1939 г. были изготовлены первые образцы авиационных ПВРД ДМ-1, предназначавшиеся для наземных испытаний. Корпус мотогондолы был сделан из дюралюминия, диаметр двигателя равнялся 240 мм.
Первое стендовое испытание ДМ-1 прошло 3 сентября 1939 г. на аэродроме станции Планерная. Двигатель питался авиационным бензином, подаваемым через форсунки и воспламеняемым от свечей зажигания, при этом в воздухозаборник подавался поток сжатого воздуха. После запуска обнаружилось, что в месте установки свечи в шве от газовой сварки имеется два свища, из которых бьют пары бензина, образуя огненный факел. Но испытание решили не прерывать. ПВРД проработал 26 минут.
17 сентября время непрерывной работы ДМ-1 увеличили до 31 минуты. После этого двигатель осмотрели: он оказался в полной сохранности. Можно было приступать к лётным экспериментам.
В сентябре изготовили три экземпляра дополнительных моторов ДМ-2, предназначенных для установки на самолёт. Непрогораемость камеры сгорания обеспечивалась специальной системой охлаждения, причём в качестве охлаждающей жидкости использовался поступающий в двигатель бензин. Устойчивость горения в камере сгорания достигалась так называемыми защитными кольцами, установленным внутри камеры. Они создавали зоны с малыми скоростями потока воздуха, в этих защищенных зонах — форкамерах — осуществлялось воспламенение и горение небольшой доли бензина. Выходящее из-под защитных колец пламя обеспечивало распространение горения на основную массу бензовоздушной смеси.
По размеру ДМ-2 были больше, чем ДМ-1, но по-прежнему очень легки. Их длина равнялась 1500 мм, максимальный диаметр — 400 мм, диаметр выходного сопла — 300 мм, при этом вес составлял 12 кг.
Для исследования работы ПВРД перед лётными испытаниями в Отделе спецконструкций завода № 1 сконструировали аэродинамическую трубу. Максимальная скорость потока воздуха в её рабочей части была 75 м/сек. Опыты в трубе, начавшиеся 22 октября, позволили проверить безопасность работы двигателей, отработать зажигание, устойчивость процесса горения и определить параметры ПВРД. Эти испытания повторялись в течение всего периода лётных исследований ДМ как с целью проверки конструктивных усовершенствований, вносимых в процессе лётных испытаний, так и для периодического контроля за работой и состоянием двигателей.
Для полётов выделили истребитель-биплан Поликарпова И-15 бис (заводской номер 5942) с мотором М-25В. Для предохранения фюзеляжа и хвостового оперения от продуктов сгорания, хвост и оперение обшили дюралюминиевыми листами.
