В конце 1933 года под руководством Туполева началась разработка скоростного бомбардировщика. Ведущим по самолету был назначен Архангельский, ставший во главе созданной в январе 1934 года в составе Сектора опытного самолетостроения ЦАГИ специальной конструкторской бригады № 5. Новый бомбардировщик, получивший заводское обозначение АНТ-40, выполнялся по схеме трехместного двухдвигательного свободнонесущего среднеплана с убирающимся в полете шасси.
Одной из главных задач проектирования этого самолета являлось достижение максимально высокой для того времени скорости горизонтального полета. Решению этой главной задачи подчинялись все направления работ по созданию самолета: расчетно-экспериментальные исследования, выбор схемы и компоновки самолета, создание конструкции с минимальным лобовым сопротивлением и минимальной массой, разработка технологических процессов, стапельной и сборочной оснастки. На основе обширных теоретических и экспериментальных исследований для крыла самолета АНТ-40 был разработан специальный двояковыпуклый профиль ЦАГИ-40 с относительной толщиной 16 %, применение которого позволило при некотором снижении подъемной силы значительно уменьшить сопротивление крыла, хотя нагрузка на площадь крыла оставалась сравнительно невысокой 85...110 кг/м².
Очень большой по тому времени объем экспериментальных исследований в аэродинамических трубах ЦАГИ предшествовал и выбору схемы самолета АНТ-40, взаимному размещению его агрегатов: фюзеляжа, крыла, гондол двигателей, оперения. Учитывая опыт летных испытаний МИ-3, особенно большое внимание в этих исследованиях уделялось наивыгоднейшему сочетанию крыла с фюзеляжем и гондолами двигателей, нахождению оптимального взаимного расположения крыла и оперения. По результатам исследований и было выбрано среднее расположение крыла относительно фюзеляжа, обеспечившее минимальное сопротивление интерференции, хотя это и затруднило компоновку фюзеляжного бомбоотсека.
Неподвижное горизонтальное оперение на самолете АНТ-40 стали располагать не на киле, как у МИ-3 и ДИП, а сместили вниз и установили на фюзеляже с относительно небольшим превышением над крылом. Выбранное взаимное расположение крыла и горизонтального оперения позволило вывести стабилизатор из спутной струи крыла особенно на больших углах атаки, и улучшить работу вертикального оперения, которое теперь в меньшей степени стало «затеняться» горизонтальным оперением. Кроме того, для получения максимально большей скорости полета все кабины экипажа выполнялись закрытыми; нормальный бомбовый груз полностью размещался в фюзеляже, а вся наружная обшивка планера и гондол двигателей выполнялась гладкой.
Решение о полной замене гофра гладкой обшивкой без значительного увеличения массы конструкции потребовало применения новых материалов с улучшенными физико-механическими свойствами: тонкого листового «супердюраля» с повышенной прочностью, высокопрочных соответствующим образом термически обработанных хромансилевых и хромоникелевых сталей. Новые материалы определили и новые конструктивные решения, а для их реализации требовалась разработка новых технологических процессов.
Снижение массы достигалось также минимальными геометрическими размерами самолета, рациональной конструктивно-силовой схемой планера, очень плотной компоновкой фюзеляжа, длина которого была немного больше 12 м. Как и на более ранних самолетах АНТ, основным силовым агрегатом планера самолета АНТ-40 являлись центроплан крыла с гондолами двигателей и центральная часть фюзеляжа конструктивно связанные в одно целое. К ним крепились отъемные части крыла, носовая и хвостовая части фюзеляжа. Центроплан и отъемные части крыла выполнялись двухлонжеронными, ферменные лонжероны имели верхние и нижние пояса, изготовленные из телескопически набранных хромансилевых труб, связанных между собой раскосами, стойками и накладками. У концов отъемной части крыла ферменная конструкция лонжеронов переходила в балочную. Гладкая работающая обшивка крыла подкреплялась часто установленными нервюрами и редкими стрингерами.
Одноколесные с одинарной вильчатой амортизационной стойкой главные опоры шасси с масляно-воздушной амортизацией и пневматическими тормозами колес наполовину убирались в хвостовую часть гондол двигателей так, что в полете колеса плавно завершали теоретические обводы гондол. Управление уборкой-выпуском шасси, а также отклонением взлетно-посадочных щитков осуществлялось с помощью электрогидравлической системы. В случае отказа этой системы шасси могло быть выпущено с помощью дублирующей аварийной механической системы, приводимой в действие ручной лебедкой, установленной в кабине стрелка-радиста. Такое дублирование жизненно важной для самолета системы было выполнено в СССР впервые.
Рули высоты и направления приводились с помощью жестких тяг, а управление элеронами было смешанное. В фюзеляже самолета полумонококовой конструкции последовательно оборудовались кабины штурмана-стрелка (он же бомбардир), летчика, бомбоотсек и кабина стрелка-радиста, оснащенные бомбардировочным и стрелковым вооружением, прицельным, пилотажно-навигационным, радиосвязным и другим необходимым для эксплуатации самолета оборудованием.
Бомбоотсек размещался в центральной части фюзеляжа, и среднепланное расположение крыла, лонжероны которого проходили через бомбоотсек, определило схему размещения в нем бомбодержателей и подвески бомб. Крупнокалиберные бомбы массой 500 кг и 250 кг подвешивались в бомбоотсеке только горизонтально под лонжеронами крыла, а подвеска бомб меньшей массы – от 100 кг и меньше – комбинированно: вертикально в передней части бомбоотсека между лонжеронами крыла и горизонтально в задней части бомбоотсека за задним лонжероном крыла. Управление сбрасыванием бомб производилось из кабины штурмана с помощью электрического или механического механизма сбрасывания. В кабине летчика имелся дублированный аварийный сбрасыватель. Весь бомбовый груз массой 500...600 кг размещался вблизи центра тяжести самолета и. его залповый сброс не оказывал значительного влияния на характеристики устойчивости и управляемости самолета.
Для отражения атак воздушного противника самолет АНТ-40 оснащался тремя закрытыми в полете огневыми точками. В кабине штурмана размещалась «cпарка» из двух подвижных пулеметов ШКАС, в кабине стрелка имелись две подвижные пулеметные установки, каждая с одним пулеметом ШКАС. Боезапас «спарки» состоял из 1920 патронов. Особенностью оборонительного вооружения самолета АНТ-40 было то, что в крейсерском полете пулеметы в кабине стрелка находились в убранном положении в фюзеляже и только при обнаружении воздушного противника стрелок открывал фонарь своей кабины и выводил из нее верхний пулемет в положение для ведения стрельбы. После отражения атаки турель поворачивалась стволом пулемета назад к хвосту самолета и пулемет укладывался в специальное гнездо в фюзеляже, закреплялся в нем, и фонарем кабины стрелка закрывался вместе со всей турелью. Подъем пулемета, укрепленного на турельной дуге, в боевое положение и его опускание в фюзеляж производились под действием собственного веса стрелка. Аналогичную операцию необходимо было осуществлять и с люковым пулеметом.
В состав бортового оборудования самолета входила приемопередающая радиостанция «Двина», а в случае необходимости в передней части бомбоотсека мог быть установлен аэрофотоаппарат АФА-13. Для связи членов экипажа между собой применялись телефонное переговорное устройство, пневмопочта и внутренняя трехцветная сигнализация. Рабочие места членов экипажа имели кислородное оборудование.
В феврале 1934 года Туполев на совещании у начальника ЦАГИ Харламова доложил план работ по постройке скоростного бомбардировщика АНТ-40, который, по его мнению, необходимо было строить сразу в двух экземплярах: первый опытный самолет с двумя двигателями Wright воздушного охлаждения в соответствии с требованием заказчика, а второй с двумя более мощными, обладающими лучшими высотно-скоростными характеристиками, но и несколько более тяжелыми двигателями Hispano-Suiza 12Y. Для двигателей обоих типов были разработаны гондолы, имевшие довольно близкую внешнюю конфигурацию. Это определялось тем, что, несмотря на уже испытанную в полете на самолете МИ-3 туннельную установку водорадиаторов, для самолета АНТ-40 с двигателями жидкостного охлаждения были приняты водорадиаторы, интенсивность охлаждения которых регулировалась установленными перед ними жалюзи и отклоняющимся вниз «совком» – нижней панелью гондолы, расположенной под двигателем.
Другая особенность второго опытного самолета с двигателями жидкостного охлаждения заключалась в значительно большей емкости топливной системы. В баках этого самолета размещалось 1670 л топлива, в то время как первый опытный самолет мог взять 940 л.
Проектирование обоих вариантов самолета АНТ-40 велось очень быстрыми темпами. В марте 1934 года заказчик утвердил эскизный проект самолета, а уже в июле заводу опытных конструкций ЦАГИ были досрочно переданы все рабочие чертежи. Постройка первого опытного самолета АНТ-40 велась одновременно с выпуском чертежей и потребовала более высокой культуры производства, так как технологические процессы и оснастка, применявшиеся при достройке более ранних самолетов, не годились для АНТ-40. Прежде всего это касалось крыла самолета, которое собиралось от рассчитанного в конструкторском бюро теистического обвода дужки крыла, точность выдерживания которого в сборочном стапеле обеспечивалась системой специальных ложементов, большие трудности пришлось преодолеть и при освоении потайной клепки тонких листов обшивки.
В результате принятых мер новый и по конструкции, и по технологии производства самолет был собран в рекордно короткий срок – всего за шесть с небольшим месяцев. Второй опытный самолет начали строить с мая 1934 года; результаты летных испытаний первого опытного самолета были частично учтены при его создании. Крыло имело больший размах, площадь его была увеличена до 51,95 м, система управления доработана.
Первый полет состоялся 30.12.1934 под управлением летчика Журова. В ходе заводских испытаний, которые продолжались всего около 20 календарных дней, на этом самолете с нормальной полетной массой 5000 кг была достигнута максимальная скорость 430 км/час на высоте 4000 м, и военные специалисты еще до окончания программы заводских испытательных полетов настояли на срочной передаче самолета на государственные испытания. Они начались в феврале 1935 года, но уже 3 марта их пришлось приостановить из-за аварии самолета – при выполнении скоростного полета на километраж на малой высоте на самолете возникла сильная нарастающая по интенсивности вибрация крыла, и только быстрые и безошибочные действия летчика Миндера, мгновенно выключившего двигатели и переведшего самолет в режим набора высоты, предотвратили полное разрушение самолета. Причиной возникновения опасных вибраций оказался в то время теоретически известный, но еще не встречавшийся в отечественной практике изгибно-крутильный флаттер крыла из-за недостаточной весовой компенсации элеронов. По рекомендации экспериментально-аэродинамического отдела ЦАГИ (Гроссман, Келдыш и др.) весовая компенсация элеронов на самолете была увеличена до 90...93 %, и это решило проблему флаттера.
Летные качества второго опытного самолета, получившего войсковое обозначение СБ – скоростной бомбардировщик, были признаны выдающимися. С полетной массой 4850 кг самолет достигал максимальной скорости 404 км/час на высоте 5000 м, которую он набирал за 9,4 мин. Военные испытатели отмечали, что самолет принадлежит к новому классу бомбардировочных самолетов – к классу скоростных бомбардировщиков (СБ), его летные данные обеспечивают боевое применение без использования истребительного прикрытия для уничтожения наземных войск противника на участках решающих боевых действий, потопления его военных кораблей. В заключении по первому этапу государственных испытаний подчеркивалось, что благодаря высоким летно-техническим данным и мощности вооружения СБ является одним из самых скоростных бомбардировщиков в мировой авиации. Одновременно отмечались и такие недостатки самолета, как его малая продольная устойчивость и очень большая чувствительность руля высоты, что усложняло пилотирование из-за постоянного напряжения летчика в полете и значительные колебания в вертикальной плоскости, усложнявшие прицельное бомбометание. Кроме того, отмечалась неустойчивость самолета в поперечном отношении, его стремление к кренению по мере увеличения скорости, а также ряд других эксплуатационных дефектов: нежесткость верхней турели в кабине стрелка, затруднявшая ведение прицельной стрельбы, вибрации подмоторной рамы, ряд трудностей по техническому обслуживанию самолета. Тем не менее Советом Труда и Обороны (СТО) было принято решение о начале крупносерийного производства самолетов СБ, причем заводы, на которые возлагалась эта задача, переводились на мобилизационное положение.
Для устранения выявленных недостатков в конструкцию второго опытного самолета был внесен ряд значительных изменений: смещением двигателей вперед на 100 мм, применением новых отъемных частей крыла с увеличенной стреловидностыо передних кромок обеспечивалась более передняя центровка. Кроме того, улучшению характеристик продольной устойчивости и управляемости способствовали увеличение на 14,5 % площади стабилизатора и изменение угла его заклинения до 0°, а также введение осевой аэродинамической и весовой компенсации руля высоты. Поперечную устойчивость и управляемость улучшили увеличением «поперечного V» отъемных частей крыла, повышением эффективности элеронов и руля направления путем увеличения степени их аэродинамической компенсации.
В октябре 1935 года модифицированный самолет СБ был предъявлен на второй этап государственных испытаний. По оценке летчиков он стал устойчивым и легко управляемым на всех режимах полета. Они отмечали также, что на максимальной скорости самолет должен пилотироваться мягкими и плавными движениями из-за высокой эффективности рулей. Кренение самолета легко устранялось триммером элерона, свободно снимавшим весьма большие нагрузки при максимальных скоростях со штурвала управления элеронами. С помощью триммеров СБ легко балансировался на всех скоростях и выполнял полет с брошенным управлением. Самолет допускал выполнение виражей с креном 60°...75° (но не более 45° с бомбовым грузом), боевых разворотов, скольжений на крыло и штопора, а также горизонтальный полет и полет с набором высоты с одним отказавшим двигателем. Он развивал максимальную скорость 418 км/час на высоте 5300 м и 356 км/час у земли.
Подготовка головного серийного завода имени Горбунова к производству самолетов СБ началась еще весной 1935 года Одновременно под руководством Климова велись работы по запуску в серию и совершенствованию двигателя Hispano-Suiza 12Y, который получил обозначение М-100. По сравнению с опытным серийные самолеты СБ имели увеличенную до 56,7 м² площадь крыла и нормальную полетную массу 5628 кг. Их максимальная скорость на расчетной высоте соответственно снизилась и стала равна 393 км/час, а время набора высоты 5000 м увеличилось до 11,7 мин. Дальность полета серийных самолетов с бомбовым грузом 500 кг могла достигать 2187 км при перегрузочной полетной массе 6360 кг. Взлетно-посадочные данные обеспечивали эксплуатацию с небольших полевых аэродромов. Их разбег при взлете и пробег при посадке не превышал 300...350 м. При снежном покрове глубиной более 300 мм самолеты оборудовались убирающимися лыжами, при установке которых створки, закрывавшие отсек убранного положения колесного шасси, заменялись специальными ложементами-обтекателями, выполненными по контуру лыжи, установленной в убранное положение. Применение лыжного шасси снижало максимальную скорость полета на 12...17 км/час, но благодаря лыжам поддерживалась высокая боеготовность самолетов СБ в зимнее время, что было очень важно в те годы при практически полном отсутствии специальной техники по укатке многочисленных полевых аэродромов, на которых должны были базироваться самолеты СБ. Характеристики скорости и скороподъемности серийных самолетов были улучшены установкой более мощных двигателей М-100А с увеличенной до 860 л.с. номинальной мощностью на расчетной высоте.
Прошедший государственные испытания уже в декабре 1936 года самолет СБ с этими двигателями имел максимальную скорость 423 км/час, а высоту 5000 м набирал за 8,6 мин.
Ранней осенью 1936 года по просьбе испанского республиканского правительства серийные самолеты СБ с двигателями М-100 вместе с советским летным и техническим персоналом были направлены в Испанию. Прибывшие туда в конце сентября самолеты СБ по своим летным данным, особенно по скорости, скороподъемности и практическому потолкут значительно превосходили лучшие в то время образцы авиационной техники мятежников, поставленные им вместе с летными техническим персоналом фашистскими правительствами Италии и Германии, такие, как истребитель Heinkel He.51, бомбардировщики Caproni Ca.101, S.M.81,Junkers Ju.86. На первом этапе боевых действий в Испании самолеты СБ, управляемые советскими, а затем и испанскими экипажами, выполняли свои боевые задачи без прикрытия истребителями. Они эффективно действовали против различных наземных и морских целей – наносили удары по скоплениям войск противника, его аэродромам, портам, транспортам и военным кораблям. Нередки были случаи, когда самолеты СБ перехватывали и рассеивали в воздухе соединения бомбардировщиков противника.
Для борьбы с самолетами СБ из Германии стали поступать новые зенитные орудия с более совершенными приборами наводки и управления зенитным огнем, а также истребители Messerschmitt Bf.109В.
С осени 1937 года самолеты СБ, управляемые советскими экипажами, стали принимать активное участие в отражении агрессии японских милитаристов против китайского народа. Появление новейших скоростных бомбардировщиков советской конструкции значительно усилило наступательную способность китайской военной авиации, которая к тому времени потеряла практически всю свою боевую технику. Как и в Испании, самолеты СБ действовали в Китае без прикрытия. Китайские летчики и наземный технический персонал быстро освоили самолеты СБ и долгое время активно использовали эти машины в освободительной войне против Японии. Благодаря своим высоким летно-тактическим данным самолет СБ стал первым советским самолетом, лицензионное производство которого было налажено за рубежом.
В варианте с двигателями М-100А чехословацкой авиационной промышленностью было выпущено около 110 самолетов СБ под обозначением В.71, которые затем после захвата Чехословакии использовались в ВВС фашистской Германии и ее сателлитов.
Опыт боевого применения самолетов СБ в Испании и Китае определил пути их дальнейшего совершенствования. Прежде всего в боевых вылетах выявилась уязвимость СБ со стороны задней полусферы. Фонарь кабины, стрелка, вписывавшийся в теоретический контур фюзеляжа, ограничивал стрелку обзор задней полусферы, а подготовка к бою верхней турели требовала определенного времени, которого порой не хватало в воздушном бою. Да и условия боевой работы стрелка, вынужденного в воздушном бою высовываться в воздушный поток, оставляли желать лучшего. Обзор задней нижней зоны под самолетом, откуда в основном атаковали самолеты противника, был недостаточен, а люковая установка, предназначенная для отражения этих атак, имела очень ограниченные углы обстрела.
Основываясь на опыте боевого применения самолетов СБ, летчики требовали также увеличить массу бомбового груза с 600 до 1200...1500 кг. Самолет СБ с двигателями М-100А и с модернизированным оборонительным вооружением прошел государственные испытания в мае-июне 1937 года. Новое оборонительное вооружение существенно усилило оборону самолета от атак истребителей противника, особенно снизу – сзади. Испытания с имитацией воздушного боя показали, что новая люковая установка обеспечивает в два-три раза большее число попаданий в цель, чем прежняя. Летные данные самолета СБ с новыми турелями снизились незначительно: самолет СБ оснащенный турелями МВ-3 и МВ-2 имел максимальную скорость 412 км/час на высоте 4000 м. Новое оборонительное вооружение подлежало внедрению в серийное производство, но вплоть до 1940 года оно устанавливалось лишь на отдельных самолетах СБ, которые, как предполагалось, должны были замыкать боевой строй бомбардировщиков.
Только после советско-финской войны старые турели самолетов СБ стали повсеместно заменять турелями МВ-3 и МВ-2, но время было упущено, и большинство самолетов СБ в боях первого периода Великой Отечественной Войны использовалось с устаревшим оборонительным вооружением, возможности которого немецкие летчики хорошо изучили еще в Испании.
Испытания самолетов СБ-бис проводились в период с сентября 1937 года по март 1938 года. Установка двигателей М-103 значительно улучшила летно-технические данные всех трех опытных самолетов. 02.09.1937 летчик Алексеев на первом самолете СБ-бис установил международный рекорд подъема груза 1000 кг на высоту 12246,5 м. Самые высокие скоростные данные продемонстрировал самолет СБ-бис-3 с туннельными водорадиаторами, который достиг максимальной скорости 445 км/час на высоте 4500 м. Летчики отмечали и лучший обзор из кабины при установке гондол новой формы. Однако туннельная установка водорадиаторов еще нуждалась в доводке, и для серийного производства был выбран самолет СБ-бис-2, имевший гондолы с лобовым размещением водорадиаторов.
Самолет СБ-бис-2 с увеличенным запасом прочности планера, узлами наружной подвески бомб, дооборудованный бронеспинкой, установленной в кабине летчика, стал эталоном для серийного производства на второе полугодие 1938 года и первое полугодие 1939 года. Благодаря установке наружных держателей в обтекателях под центропланом крыла для бомб массой 250 кг и 500 кг максимальный бомбовый груз самолета СБ с двигателями М-103, увеличился до 1600 кг. С нормальной полетной массой, возросшей до 6175 кг, максимальная скорость самолета составила 419 км/час и была сохранена его высокая скороподъемность, характерная для более легких вариантов самолета СБ с двигателями М-100А. Благодаря новым двигателям остались без изменения и взлетно-посадочные данные модернизированных самолетов. Максимальная полетная масса модернизированных самолетов СБ с бомбовым грузом 1500 кг и при полной заправке баков горючим была доведена до 7750 кг, и она обеспечивала радиус действия до 600 км. По мнению военных специалистов, несмотря на некоторое ухудшение летных данных с максимальным бомбовым грузом самолет СБ с двигателями М-103 продолжал оставаться в классе скоростных бомбардировщиков, а доведение массы бомбового груза до 1500 кг значительно расширило его боевые возможности. С внедрением самолетов СБ в серийное производство советская авиационная промышленность постоянно наращивала темпы производства, и в 1937...38 годах серийные заводы выпускали до 13 самолетов СБ в сутки.
Массовое переоснащение бомбардировочных и разведывательных частей на новый самолет потребовало создания учебно-тренировочного варианта самолета СБ. Эту задачу попытались решить еще осенью 1937 года на первом самолете СБ-бис, оборудованном кабиной штурмана со вторым управлением. Однако испытания показали, что новая кабина ухудшила работу штурмана и аэродинамику самолета. В марте 1938 года на государственные испытания был предъявлен учебно-тренировочный вариант самолета СБ, оборудованный открытой кабиной летчика-инструктора, установленной вместо кабины штурмана. Кабина имела второе управление самолетом и все приборы, необходимые для летчика-инструктора. Конструкция кабины предусматривала возможность ее установки взамен кабины штурмана в строевых частях ВВС. Самолет прошел государственные испытания и строился небольшой серией под обозначением УСБ.
Продолжая совершенствовать серийные боевые самолеты СБ, конструкторское бюро Архангельского в 1938..39 годах разработало ряд нововведений, способствовавших повышению боевой и эксплуатационной эффективности самолетов СБ. К этим нововведениям относились протектированные и фибровые топливные баки, повышавшие боевую живучесть машины, подвесные сбрасываемые в полете топливные баки емкостью по 368...372 л, крепившиеся к наружным подцентропланным держателям.
Продолжались работы и по совершенствованию вооружения самолета СБ. Летом 1938 года самолет СБ был испытан с десятью реактивными орудиями РО-132, то есть с пусковыми установками для стрельбы реактивными снарядами PC-132, установленными под отъемными частями крыла самолета. Пусковые установки успешно прошли летные и войсковые испытания и были приняты на вооружение бомбардировочной авиации. Но это мощное в то время оружие, предназначавшееся для поражения в основном наземных целей, практически не использовалось в предвоенные годы для тренировки летного состава. Только шесть самолетов СБ зимой 1939...40 года. были оснащены пусковыми установками РО-132 и применялись во время советско-финской войны.
АНТ-46 (ДИ-8) – двухместный истребитель с двумя ДРП АПК-11 (45 мм) в крыле у элеронов, по конструкции представляющий собой облегченный вариант самолета СБ с двумя двигателями Gnome-Rhone 14К. Начало проектирования – ноябрь 1934 года, первые полеты – 09...13.08.1935. Заводские испытания самолет прошел до июня 1936 года. На госиспытания ДИ-8 не передавался. Кроме бомбардировщиков, наша промышленность выпустила некоторое количество самолетов АНТ-40 в почтово-грузовом варианте. Они получили обозначение ПС-40. На этих машинах группа летчиков Аэрофлота впервые освоила полеты на больших высотах.
Всего выпущено 6656 самолетов СБ всех модификаций.