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Yakovlev Yak-41

Yak-41 "141 blanc" présenté au meeting de Farnborough en septembre 1992 sous l'appellation Yak-141.

Développement du dernier VTOL soviétique

Yakovlev avait conçu, dès le début, le Yak-38 comme un avion VTOL intérimaire afin d'acquérir de l’expérience sur ce type d’appareil. La marine soviétique, de son côté, avait toujours un besoin pour un avion de combat définitif. La demande initiale stipulait seulement une mission : la défense aérienne de la flotte. Les caractéristiques techniques du futur appareil incluaient une vitesse supersonique, une grande manœuvrabilité pour le combat aérien et un radar et des armes semblables à ceux des chasseurs terrestres les plus récents.

Deux modèles d'étude du Yak-41.

Yakovlev reçut directement un contrat de développement en 1975, aucun autre constructeur soviétique n’ayant de l’expérience en matière de VTOL. L'OKB-115 baptisa son projet lzdeliye 48, la désignation militaire attribuée étant Yak-41. Pour ce projet, Yakovlev mobilisait une grande partie de l'OKB, les ingénieurs principaux étant G.A. Matveyev, G.A. Markov, G.A. Fedotov, A.D. Ryazanov, V.G. Kouznetsov, A.K. Yegorov, V.A. Shalygin, V.I. Antonov, V.I. Zotov et K.F. Popovtich.

Plus de 50 configurations ont été étudiées, un des gros problèmes étant bien sûr les performances supersoniques qui exigeaient que le moteur de croisière ait un dispositif de post-combustion. Plusieurs des ces configurations possédaient deux moteurs de croisière/sustentation, mais la panne d'un des moteurs en vol stationnaire aurait eu comme conséquence un retournement extrêmement rapide, à moins que des éjecteurs d’air comprimé puissants aient été utilisés.

Les calculs prouvèrent que la masse du moteur et du carburant serait réduite au minimum en utilisant un moteur principal à capacité supersonique et des moteurs de sustentation séparés pour les phases stationnaires. Par la suite, la décision a été prise d’utiliser une configuration semblable à celle du Yak-38, mais avec un moteur principal équipé d'une seule tuyère orientable positionnée à courte distance derrière le centre de gravité. La poussée du moteur de croisière en mode stationnaire était équilibrée par deux moteurs de sustentation situés derrière l'habitacle. De plus, par rapport au Yak-38, l'utilisation de la poussée différentielle des moteurs pour le contrôle longitudinal permettait de diviser par deux le prélèvement d’air comprimé pour les buses de contrôle.

Un des avantages de ce concept de sustentation, par rapport au concept à un seul moteur comme sur le P.1127 ou le P.1154 supersonique, est la bonne adaptation du réacteur principal. Comme les deux moteurs auxiliaires donnent un complément de poussée de l'ordre de 8 tonnes, le moteur de croisière n'a pas à être surpuissant comme c'est le cas sur les VTOL de Hawker. Mais il est optimisé pour la croisière supersonique, avec une réduction de consommation appréciable.

Yakovlev collabora étroitement avec le CIAM (Institut soviétique des moteurs d’aviation) et avec le constructeur de moteur Soyouz qui avait conçu le moteur R27V du Yak-38. Pour le futur VTOL supersonique, la poussée nécessaire du moteur principal était d’environ 15 000 kgp. Plusieurs études avaient un moteur principal avec une tuyère rectangulaire comme sur certains prototypes russes (Su-27) ou américains (Northrop YF-23, Boeing X-32), mais la configuration finalement retenue fut une tuyère circulaire à anneaux (adopté aussi, 10 ans après, sur le Lockheed X-35 B).

Différentes configurations étudiées pour le Yak-41.

Description technique

L’appareil était un bipoutre bidérive dont la structure était principalement en alliages d'aluminium mais aussi de titane pour plusieurs parties soumises à des températures élevées et de matériaux composites divers (26 % en masse dont toutes les surfaces mobiles). L'aile était fixée en position haute sur le fuselage avec 4° de dièdre négatif. Elle ressemblait, en plus grand, à celle du Yak-38, mais avec un rapport épaisseur/corde réduit à 4 %, un angle de bord d’attaque de 40°, et une extension type LERX comme sur les Harrier II. Les ailes avaient des sections externes repliables, pour le stockage à bord des navires, et étaient équipées d’ailerons sur toute la longueur du bord de fuite. Ces ailerons étaient, comme toutes les gouvernes, actionnés hydrauliquement par l’intermédiaire des commandes de vol électrique triplex.

Vue arrière d'un Yak-41 en construction mettant en évidence sa configuration bipoutre avec au centre l'emplacement du turbofan.

La firme Soyouz débuta les essais au banc du turboréacteur R-79, le moteur de croisière/sustentation, en 1983. Au total, 26 exemplaires seront construits, dont 16 pour les essais en vol (au début sous un Tu-16) comprenant 7 moteurs désignés R-79V-300 pour les prototypes de Yak-41 M. Le R-79 est un turboréacteur double flux avec un flux d'air maximum de 120 kg/sec et un poids à sec d'environ 2750 kg. La poussée maximale est de 11000 kgp à sec, 15500 kgp avec la PC à fond, et 14000 kgp avec prélèvement d’air dans le compresseur en phase stationnaire.

La principale difficulté de développement rencontré par Soyouz a été de concevoir un dispositif de postcombustion stable pendant les rotations de la tuyère orientable. Quelques moteurs prototypes ont reçu une tuyère de forme rectangulaire, mais la configuration classique de tuyère avec divergent/convergent s’est avérée plus efficace. Cette tuyère était orientable à 95° vers le bas, avec une étape intermédiaire à 63° par l’intermédiaire des deux anneaux biseautés du canal de post-combustion qui tournaient en sens contraire à l'aide de moteurs électriques. Ils assuraient le déploiement de la tuyère vers le bas, puis son retour en position horizontale. Mais le vrai secret du bon fonctionnement de ce moteur résidait dans le système de refroidissement de ce canal de post-combustion. Il résistait à des températures supérieures à 2000 °C pendant la phase de rotation qui durait entre 5 et 6 secondes.

Turbofan R-79V-300 avec la tuyère orientée à 95°.

De son coté, la firme Rybinsk avait développé successivement les moteurs de sustentation RD36-35, RD-38 puis le RD-41 pour le Yak-41. Ce dernier était un moteur simple flux semblable à ses prédécesseurs mais en plus puissant avec un flux d'air de 53,5 kg/sec. Excepté la chambre de combustion et la turbine, le RD-41 était construit en titane et matériaux composites, et sa poussée était de 4100 kgp.

Les deux moteurs étaient installés en tandem derrière l'habitacle avec une inclination de 85° et possédaient des tuyères orientables pour vectoriser la poussée de ± 12,5° avec la possibilité de franchir de quelques degrés la verticale vers l'avant. Cela permettait en quelque sorte d'inverser la poussée et de faire de la marche arrière ou bien d'assurer un aéro-freinage plus rapide.

En revanche, déviées au maximum vers l'arrière, les deux tuyères permettaient d'améliorer le décollage court. Le Yak-41 a ainsi réalisé des décollages sur des distances allant de 100 mètres à 30 mètres, et des atterrissages sur 240 mètres.

Moteur de sustentation RD-41.

En plus des surfaces de contrôle habituelles, le Yak-41 était doté de dispositifs de contrôle par jets. Ils étaient situés à chaque extrémité des ailes pour le contrôle en roulis, et à l'extrémité des deux poutres pour le contrôle en lacet. Sur le second prototype, ce système à éjecteur circulaire fut abandonné au profit d'un dispositif d'éjection à double effet situé dans le nez de l'avion.

Tous les moteurs étaient pilotés par un FADEC. Ce calculateur électronique pilotait le démarrage du moteur principal, le prélèvement d’air comprimé pour le démarrage des moteurs de sustentation, la modulation de poussée des trois moteurs pour le contrôle en tangage de l’avion pendant les phases stationnaires, l’orientation des tuyères mobiles et les prélèvements d’air comprimé pour l’alimentation des buses de contrôle.

La partie arrière du fuselage était munie d’une grande porte en deux parties sous la tuyère du moteur principal qui s’abaissait en vol stationnaire pour permettre à la tuyère orientable de tourner vers le bas. Les deux poutres qui prolongeaient le fuselage vers l’arrière portaient chacune un empennage horizontal et une dérive. L’avantage de cette formule bi-poutre était de protéger le complexe mécanisme de déviation de jet et d’assurer un "camouflage" aux gaz brûlants, ce qui réduisait d'autant la signature infrarouge.

Chaque jambe du train d'atterrissage principal était équipée d’un amortisseur en acier et d’une roue avec pneu de 880 x 230 mm et de frein à disques avec dispositif anti-dérapage. Le train principal se rétractait des logements situés près des conduites d’air. Le train avant était orientable et avait une roue avec un pneu de 500 x 150 mm et se rétractait vers l'arrière.

Train principal. Train avant orientable.

Indépendamment du système de commande lui-même, qui était au début un système analogique, beaucoup d’efforts ont été nécessaires pour mettre au point le système de contrôle du Yak-41 en vol stationnaire. Le flux d'air et la température beaucoup plus élevées du moteur principal posait des problèmes de ré-ingestion, de dommages thermiques à l'avion et à la piste ou au pont d’envol beaucoup plus important que pour les Yak-36 et Yak-38.

Après des années de tests de diverses cloisons transversales ou axiales sous le fuselage, deux "nageoires" axiales ont été installées de chaque côté du fuselage ainsi qu’une cloison articulée transversale devant le train d'atterrissage principal et une autre devant la tuyère du moteur principal. Le système de contrôle de vol abaissait automatiquement les cloisons anti ré-ingestion en vol stationnaire.

Le revêtement intérieur des poutres qui portaient les empennages était constitué de plaques en titane pouvant se dilater sans encombre. Le fuselage était enduit d'un mastic de protection thermique à proximité de la tuyère car lors des essais de l'appareil sur porte-aéronefs, on s'est aperçu que le pont métallique renvoyait trop bien la chaleur vers les parties inférieures de l'avion. De plus, le fonctionnement avec PC du R-79V était limité à 2,5 minutes en vol stationnaire.

Un total de 5500 litres de carburant était chargé sous pression dans des réservoirs intégraux en avant, au-dessus et près du moteur principal, et un réservoir supplémentaire de 2000 litres pouvait être emporté sous le fuselage. Les avions de série devaient être équipés d’une perche de ravitaillement en vol escamotable près du pare-brise, mais cet équipement était absent des prototypes. Un parachute frein cruciforme de 17 m2 était installé dans un logement au-dessus du moteur principal.

L'habitacle était pressurisé, le système de climatisation étant alimenté par une prise d'air dynamique à l'avant et au-dessus du fuselage. Le pare-brise blindé fournissait une bonne vue en avant, la canopée était articulé vers la droite mais donnait une vision restreinte vers l'arrière. Le siège éjectable zéro-zéro Zvezda K-36LV était, comme pour les Yak-36 et Yak-38, relié à un système d’éjection automatique SK-EM qui était armé dès que la tuyère principale était abaissée de plus de 30° et que la vitesse était inférieure à 300 km/h. En vol stationnaire, le siège était mis à feu si l’inclinaison de l’appareil excédait 30°, ou si le cabrage excédait 20° vers le bas ou le haut.

Comme sur les Yak-36 et Yak-38, ce système était nécessaire à cause du principe même de sustentation. En effet, en cas de panne d'un des moteurs de sustentation, l'avion pique aussitôt vers l'avant si c'est un moteur auxiliaire qui a une défaillance ou vers l'arrière si c'est le moteur principal. Et dans ce cas le pilote n'a pas le temps de réagir. À la différence du Harrier qui, ne possédant qu'un seul moteur, chute à plat en cas de panne de celui-ci. Le pilote peut alors faire fonctionner le siège dans de meilleures conditions.

En revanche, l'avantage d'un tel système de sustentation multimoteurs réside dans le fait qu'en vol stationnaire, les 3 tuyères qui sont en alignement projettent moins de gaz chauds latéralement, comme le fait le Harrier avec ses tuyères latérales.

L’instrumentation du pilote était composé de cadrans traditionnels, puis l'avionique a été améliorée en 1985 pour permettre une gamme plus étendue de missions. En effet, en cours de développement, la marine a émis un document de spécifications techniques révisé exigeant l’emport de missiles anti-navire, bombes, roquettes et missiles air-surface. Yakovlev modifia alors la désignation constructeur en " 48M " et la désignation militaire en Yak-41 M. La nouvelle avionique incluait le radar à impulsion Phazotron S-41M Jouk, un désignateur/télémètre laser/TV, un affichage multifonction tête haute (HUD pour Head Up Display) et un système de navigation amélioré.

Poste de pilotage du premier prototype du Yak-41. Cockpit de Yak-41 privé de son HUD.

L'armement incluait un canon de 30 mm GCh-301 fixé sous le fuselage, côté gauche, avec un magasin de 200 obus. Les missiles de défense aérienne étaient le Spetztekhnika (autrefois Vympel) R-27ER ou ET, le MMPP R-60T ou R-60M, le Spetztekhnika R-73E et le R-77. Pour les missions d'attaque, l’appareil pouvait emporter 4 missiles tels que les Zvezda Kh-25 MR, RE, MP ou ML, les Kh-31A ou RE, les Kh-35 ou le Radouga Kh-58.

L’appareil pouvait aussi emporter des bombes de 125, 250 ou 500 kg, des roquettes de 240 millimètres ou quatre canons UPK-23-250 montés en pod. Toutes ces armes étaient fixées sous quatre pylônes de voilure qualifiés à 2 tonnes chacun pour les deux pylônes internes et 500 kg pour les pylônes externes. Sur les prototypes, le chargement d'arme était limité à 2600 kg. Un détecteur de départ missile était monté dans un logement à côté du parachute frein ainsi qu’un dispenseur de paillettes et de leurres thermiques dans l’épine dorsale.

Prototypes et essais du Yak41

Yakovlev avait obtenu l’autorisation de construire quatre prototypes : un fuselage (n°48-0) d’essais structuraux, un appareil complet (n°48-1, indicatif "48") non volant pour des essais au sol, et deux appareils d’essais en vol (n°48-2, indicatif "75", et n°48-3, indicatif "77").

Le premier prototype volant (izdeliye 48-2) en cours de finition à l'usine MMZ n°115. L'appareil non volant izdeliye 48-1 lors des essais au sol.

Le pilote d'essai en chef Andreï Sinitsyn réalisa le premier vol conventionnel à Joukovski le 9 mars 1987, en utilisant l’appareil "75", premier prototype volant. Le 29 décembre 1989, avec le "77", il réalisa le premier vol stationnaire non entravé, puis avec le même avion le premier vol complet (décollage vertical, transition dans les deux sens et atterrissage vertical) le 13 juin 1990. À partir d'avril 1991, les décollages et atterrissages courts sont testés, sur pistes normales et également avec la rampe inclinée de la base de Saki.

Vue arrière du premier prototype, izdeliye 48-2, portant le marquage "75 blanc". Le "75 blanc" lors de son premier vol, le 9 mars 1987.

Peu après, Andreï Sinitsyn établit douze nouveaux records du monde dans la catégorie V/CTOL. Comme la désignation Yak-41 M était classifiée, les Russes inventèrent une désignation pour la FAI. La désignation Yak-141, sous laquelle l’appareil est encore aujourd’hui le mieux connu, est attribuée. En 1992, Yakovlev repeignit les deux prototypes avec un camouflage olive/gris, les insignes tricolores russes et des "141" blancs à la place des "75" et "77" précédents.

Le 26 septembre 1991, Andreï Sinitsyn réalisa le premier atterrissage vertical sur le porte-avions Admiral Gorchkov (ex Bakou) avec l’appareil "75" suivi une heure plus tard par Vladimir Yakimov, avec l’appareil "77". Les deux pilotes réalisèrent 8 vols à partir de ce navire. Lors d’un de ces vols, le 5 octobre 1991, Yakimov fit un atterrissage très dur en tombant d'une hauteur de 13 mètres, un des trains d'atterrissage principal rompit, perça un réservoir et causa un grave incendie. Dix secondes après, Yakimov s’éjecta manuellement et fut récupéré en mer. L'avion "77" fut réparé et est préservé dans le musée de l’OKB Yakovlev.

Le second prototype (izdeliye 48-3) "77 blanc" en vol. Décollage vertical du "75 blanc" depuis le pont de l'Admiral Gorchkov. Le premier prototype (ex "75 blanc") au salon de Farnborough en septembre 1992.
(crédits photo : Anthony Noble sur Airliners.net)

Le même mois, en septembre 1991, la marine Russe, en proie à de graves difficultés budgétaires suite à la chute de l’URSS, décida que les missions confiées à l'aéronavale pouvaient être assurées par les versions navalisées des Su-25 et Su-27 et annonça l'arrêt du programme Yak-41 M. L'usine de production de Smolensk avait vu venir cette triste fin, et n'avait pas mis l'outillage de série en place.

Après réflexion, Yakovlev décida de chercher un partenaire étranger pour continuer le programme et fit un pas important en amenant le prototype n°48-2 (le "75" puis "141") au salon de Farnborough en septembre 1992. Yakovlev annonça un programme de 400 millions de dollars pour construire 3 nouveaux prototypes, plus un appareil d’essai statique, du Yak-141 M (cette désignation devenant officielle). Cette version aurait inclus certaines améliorations comme une avionique modernisée, une augmentation de la masse en charge à 21 500 kg et un des prototypes aurait été une version biplace d’entraînement Yak-141 U.

Ce programme a été annulé suite aux problèmes financiers de la Russie. Les deux Yak-41 M n°48-2 et -3 ont été exposés au salon de Moscou 1993 mais n’étaient plus en état de voler. Yakovlev a révélé quelques détails sur le Yak-43, un Yak-141 M amélioré et affirme travailler sur un tout nouveau chasseur V/STOL.

Fiche technique
Longueur 18,36 m (sans le tube pitot)
Envergure 10,1 m (ailes déployées)
Hauteur au sol 5 m
Surface alaire 31,7 m2
Masse à vide 11 650 kg
Masse maximale au décollage 19 500 kg
Équipage 1
Motorisation 1 turbofan Kobchenko/Soyouz R-79V-300 à tuyère vectorielle de 15 500 kgp avec post-combustion ou 10 500 kgp à sec + 2 turbofans Rybinsk RD- 41 de sustentation et de 4 100 kgp
Plafond opérationnel 15 000 m
Vitesse maximale 1800 km/h à 11 000 m
Distance franchissable 1400 km sans charge externe
Course au décollage 0 m (vertical)
Course à l'atterrissage 0 m (vertical)
Armement 1 canon Gryazev/Chipounov GCh-301 de 30 mm (120 coups), 4 missiles R-77 ou 2 missiles R-73E et 2 R-77 ou 2 missiles Kh-35 et 2 R-73E ou 4 missiles Kh-35A ou 2 missiles Kh-31P et 2 R88-AE
Vue de côté du premier prototype du Yak-41. Vue de dessus du premier prototype du Yak-41.
Sources :
  • Yakovlev Yak-36, Yak-38 & Yak-41, The Soviet 'Jump Jets',Yefim Gordon, Midland Publishing, 2008
Pour reproduire cet appareil :
Fabricant Échelle Référence et désignation
Anigrand 1/72 AA-2027 Yakovlev Yak-141 Freestyle
Art Model 1/72 7205 Yakovlev Yak-141 Prototype
Page mise à jour le 21/04/2012