|
Юрьев и другие. Следуя общим тенденциям, в начале XX века российские конструкторы перешли от проектов и моделей к постройке натурных вертолётов. В их числе был аппарат Иосифа Иосифовича Липковского с двумя несущими винтами соосной схемы, строившийся в 1904 - 1905 на Путиловским заводе. Имеются свидетельства, что 3 марта 1905 на заводе проводилось испытание этого вертолёта, при котором он поднял груз 778 кг.
В 1909 - 1910 четырёхроторный вертолёт с тянущим винтом строил изобретатель Владимир Валерианович Татаринов, названный "Аэромобилем". На этот аппарат были отпущены большие средства, однако он не был закончен постройкой. И к тому же из-за маломощного двигателя - 20 л.с. и ряда допущенных технических ошибок он просто не мог летать.
В январе 1910 на заводе Лесснера
в Петербурге был построен вертолёт военного инженера капитана Константина Александровича Антонова. Его вертолёт имел соосную схему, где каждый несущий винт множество лопастей
в виде треугольных алюминиевых пластин, которые поворачиваться вокруг своих
продольных осей. Из-за малой мощности двигателя - 30—35 л.с. попытки полёта закончились неудачей.
В Петербурге же, начиная с 1909 вертолёт строил конструктор Н. И. Сорокин. Его машина имела два несущих многолопастных винта, установленных в тандем и тянущий винт для горизонтального полёта. Все винты должны были иметь привод от одного двигателя. Из-за отсутствия подходящего мотора аппарат не был завершён постройкой.
В дореволюционной России созданием вертолётов занимался и ряд других конструкторов. Однако для дальнейшей эволюции винтокрылых аппаратов важное значение имели лишь работы Сикорского и Юрьева. О Сикорском разговор отдельный, а разработки Юрьева к данной теме имеют непосредственное отношение.
Борис Николаевич Юрьев происходил из семьи потомственных боевых офицеров. Сам он тоже получил начальное военное образование, но не пошёл не по пути строевого офицера. Проявив интерес к технике, в 1907 он поступил в Императорское Московское техническое училище (ныне МГТУ имени Баумана). Здесь он проходил обучение под руководством профессора Николая Егоровича Жуковского, участвуя в деятельности созданного профессором Воздухоплавательного кружка. Наряду с различными теоретическими и практическими работами, Юрьев всерьёз занялся разработкой проектов вертолётов собственной конструкции.
Самым перспективным оказался проект вертолёта одновинтовой схемы. Юрьев не был изобретателем такой схемы - впервые её предложил в 1874 немецкий конструктор Ахенбах (Wilheim von Achenbach). Но Юрьеву удалось придать ей классический вид - с одним несущим винтом и одним рулевым винтом в хвостовой части вертолёта. По такой схеме строится большинство современных винтокрылых аппаратов.
Существенной особенностью вертолёта Юрьева стал разработанный им в 1911 автомат перекоса, позволяющим путём наклона лопастей управлять аппаратом по продольной и поперечной оси, а также переводить его в режим авторотации.
Схема автомата перекоса
(источник Изаксон А.М. "Советское вертолетостроение")
По одновинтовой схеме было разработано два проекта. Первый с ротативным двигателем Gnôme 50 л. с. имел двухлопастный винт диаметром 6 метров и рулевым 2 метра, с приводом от ременной передачи. Автомат перекоса должен
был воздействовать на специальные открылки (элероны) на лопастях несущего винта. Для второго проекта был выбран более мощный Gnôme 70 л. с. Здесь несущий винт имел диаметр 9 метров, он мог быть либо двухлопастным, либо четырёхлопастным. Диаметр рулевого винта таже был увеличен - до трёх метров. Расчётный взлётный вес должен был составить 390 кг.
В начале 1912 Юрьев, вместе с другими студентами МВТУ, приступил к постройке своего аппарата. Правда, в реальности не был воплощён ни первый ни второй проект, поскольку удалось получить лишь маломощный трёхцилиндровый двигатель Anzani 30 л.с. Этот аппарат имел фюзеляж в виде деревянной фермы прямоугольного сечения с хвостовой частью из бамбука. Двигатель установили в средней части фермы с приводом через червячную передачу на двухлопастный винт диаметром 8 метров. Вертолёт готовили для демонстрации на выставке, посвящённой Второму всероссийскому воздухоплавательному
съезду. Из-за дефицита материальных средств и малого срока до съезда автомат перекоса на вертолёт решили не ставить.
После демонстрации на выставке, осенью 1912, конструктор, вместе с другими членами Воздухоплавательного кружка, приступил к испытаниям вертолёта.
Однако уже на втором запуске двигателя сломался главный вал,
не выдержавший нагрузки. На продолжение испытаний средств не оказалось.
Начавшаяся Первая Мировая война вынудила и вовсе прервать разработки по данной теме. Юрьев был призван на военную службу, которую проходил в Новогеоргиевской крепости (в 30 км от Варшавы). После захвата крепости Германской армией 20 августа 1915 Юрьев попал в плен, где находился почти до конца 1918.
Исследования в ЦАГИ. По возращении на родину Юрьев устроился на работу в Центральный аэрогидродинамический институт, где нашли своё место и другие ученики профессора Жуковского. В ЦАГИ Юрьев возглавил экспериментальный аэродинамический отдел. Он занимался общетеоретическими исследованиями, а также разрабатывал проекты различных агрегатов самолетов и аэросаней, аэродинамических труб, в том числе крупнейшей по тем временам аэродинамической трубы Т-1-2, приборов и весов.
Но и на этой должности конструктор и исследователь не забывал работать над проблемами создания вертолёта. В частности, проводились исследования различных режимов работы несущего винта, сравнивались характеристики различных типов винтов и т.п. В конце 1926 в составе экспериментального аэродинамического
отдела ЦАГИ была создана специальная вертолётная (или как тогда говорили "геликоптёрная") группа, что позволило резко увеличить объём работ по данной тематике.
Здесь собралась плеяда молодых талантливых инженеров и конструкторов - Иван Павлович Братухин, Александр Михайлович Изаксон, Вячеслав Александрович Кузнецов, Константин Александрович Бункин, И.Н. Виноградов, А.Л. Леймер, А. Ф. Маурин, Г. И. Солнцев и другие.
Возглавил эту группу Алексей Михайлович Черемухин. Как и Юрьев он до начала Первой Мировой войны поступил в ВУЗ. Но не в МВТУ, а в столь же авторитетное заведение - Санкт-
Петербургский политехнический институт. Как и Юрьев, с началом войны он был призван в действующую армию, в 13й корпусной авиаотряд. С июня 1915 Черемухин проходил обучение в школе авиации Императорского Московского общества воздухоплавания, после чего был направлен на
Юго-западный фронт в 4й Сибирский корпусной авиационный отряд. Там он освоил пилотирование самолётов и 12 декабря 1916 получил звание военного лётчика. За период Первой Мировой войны Черемухин выполнил 140 боевых вылетов, став полным георгиевским кавалером. В 1918 он принял активное участие в создании ЦАГИ и разработке ряда проектов этого института, включая двухмоторный триплан КОМТА
и пассажирский самолёт АК-1, одновременно работая пилотом-экспериментатором и проходя учёбу в МВТУ. Так что к моменту создания вертолётной группы Черемухин уже был опытным авиационным специалистом.
Вертолётная группа, переименованная в 1928 в Секцию особых конструкций, за короткое время проделала большую работу по теории винтокрылых машин. Анализировались преимущества и недостатки вертолётов различных схем. Группа также провела значительный объём исследований на натурном стенде по испытанию различных типов несущих винтов, а также автомата перекоса. В качестве привода для тестируемых винтов на стенде использовался 9-цилиндровый звёздообразный ротативный двигатель М-2 (Le Rhône 9J) мощностью 120 л.с. и редуктор с передаточным числом 1:3,425.
В процессе исследований на натурном
стенде, проводившихся в 1928—1929, были сняты полные
характеристики несущего винта диаметром 6 м при расстоянии плоскости вращения винта от земли 3 и 4,5 м,
а также характеристики управления дифференциальным шагом несущего винта с помощью автомата перекоса.
Кроме того, изучены
работа автомата перекоса, поведение трансмиссии, система запуска двигателя и т.п.
Эти работы позволили накопить материал, достаточный для начала разработки экспериментального вертолёта одновинтовой схемы.
Разработка, конструкция. Разработка вертолёта началась в ноябре 1927 в Секции особых конструкций экспериментального аэродинамического отдела ЦАГИ на основании договора, подписанного Юрьевым с ВВС РККА в апреле 1927. Общее руководство эскизным проектированием до начала 1930 осуществлял Юрьев, затем его сменил новый начальник отдела Григорий Харлампиевич Сабинин.
Непосредственно разработкой аппарата руководил Черемухин. Изаксон выполнял аэродинамические расчёты и изыскания,
а также руководил экспериментально-исследовательскими работами. Проектированием всех элементов трансмиссии занимался Бункин, несущего винта Братухин, автомата перекоса и элементов управления Леймер, редукторов рулевых винтов и механизма управления ими Виноградов. Остальные сотрудники Секции занимались разработкой других элементов вертолёта.
Первоначально вертолёт получил обозначение ЦАГИ 1-ВГ, что значило "одновинтовой геликоптер". Но затем, из соображений секретности, название изменили на ЦАГИ-1ЭА (т.е. "первый экспериментальный аппарат").
Конструктивно ЦАГИ-1ЭА представлял собой одноместный вертолёт с одним несущим и четырьмя рулевыми винтами. Фюзеляж вертолета имел ферменную конструкцию, сваренную
из стальных труб. Обшивка отсутствовала. В
центральной части фюзеляжа, по обеим сторонам были установлены два двигателя М-2 по 120 л.с. (установка двух двигателей должна была компенсировать их недостаточную надёжность). От двигателей через центральный редуктор с передаточным числом 1:7,84 вращение на несущий винт передавали трансмиссионные валы, для продольно-поперечного управления винтом служил автомат перекоса конструкции Юрьева.
Несущий винт диаметром 11 м был четырёхлопастным, лопасти жёстко крепились к втулке, имея
лишь продольный шарнир, что позволяло изменять угол установки
лопастей. Лопасти имели сложную эллиптическую форму. Первоначально они были цельнометаллической конструкции, с лонжероном круглого сечения, нервюрами, стрингерами и алюминиевой обшивкой.
Рулевые винты были двухлопастными диаметром 1,8 м с установкой попарно в носовой и хвостовой части фюзеляжа на ферменных балках. Винты имели лонжерон из сплющенной стальной трубы, и дюралевую обшивку, выколоченную по форме и профилю лопасти. Для вращения рулевых винтов в главном редукторе были установлены два конических зубчатых
колеса, находившихся в зацеплении с большим горизонтально расположенным коническим зубчатым колесом. От главного редуктора в носовую и хвостовую часть фюзеляжа шли длинные валы на малые редукторы 1:1,227, ведомые валы которых вращали рулевые винты в противоположных направлениях.
Шасси вертолёта было двухопорным с хвостовым костылём. Опоры и костыль имели шнуровую резиновую амортизацию. Топливный бак был рассчитан на запас топлива, необходимый для полёта в течение часа.
Автомат перекоса был главным элементом системы управления. Его отклонение и перемещение производилось отклонением рычага общего шага и ручки управления, соединённых с автоматом перекоса системой жестких тяг и
рычагов. С помощью рычага общего шага производилось одновременное изменение угла установки у всех лопастей несущего винта, а также перевод винта на малый шаг для авторотирующего безмоторного спуска. С помощью ручки управления происходило управление аппаратом в продольной и поперечной плоскостях. Разворот вертолёта осуществлялся отклонением ножных педалей,
связанных тросами с поворотными механизмами рулевых
винтов. Такая система управления стала классической для вертолётов одновинтовой схемы.
Постройка ЦАГИ-1ЭА осуществлялась на опытном заводе ЦАГИ в 1929 - первой половине 1930. Изготовлением трансмиссии занимался авиамоторный завод. Большие сложности были при постройке несущего винта, особенно его тщательная весовая балансировка. Сделали это настолько точно, что по воспоминаниям Изаксона "всего один носовой платок, накинутый на конец одной из лопастей, выводил несущий винт из состояния полной сбалансированности".
Постройка вертолёта была завершена в июле 1930. После тщательной регулировки всех агрегатов в августе 1930 на опытном заводе начался прогон аппарата на земле, а затем и на привязи с многократным запуском двигателя и замером развиваемой несущим винтом подъёмной силы.
Испытания и рекорды. В августе 1930 ЦАГИ-1ЭА перевезли на Ухтомский аэродром (ныне территория ОКБ им. Н.И.Камова), где испытания были продолжены. Сначала на привязи с зависаниями на высоте 0,5 метров с отладкой системы управления по выявленным замечаниям. Эти испытания проводил Алексей Михайлович Черемухин. Он же ранним утром 13 сентября 1930 совершил первый свободный полёт. Оторвав вертолёт от земли конструктор выполнил зависание на высоте 3 - 4 метра, затем поднял его до 10 метров, после чего пошёл на посадку.
В последующих полётах, проводившихся почти каждый день, Черемухин совершал на аппарате различные эволюции - взлёт
с места, вертикальный подъём, висение в воздухе, строго отвесный
спуск и посадку в заранее намеченной точке, поступательное
движение вперёд и в стороны, разворот при висении над заданной точкой. В некоторых полётах высота подъёма достигала 40 - 50 метров, а продолжительность порядка 10 минут.
Однако эти полёты давалось непросто. У пилота ещё не хватало навыков управления вертолётом, нередко случались поломки, а 16 сентября произошла авария, отложившая дальнейшие испытания на месяц. Они возобновились в ночь с 15 на 16 октября, но 22 октября случилась ещё одна авария. Тем не менее, 16 ноября Черемухину удалось провести успешную демонстрацию аппарата перед главкомом ВВС РККА Петром Ионовичем Барановым, заместителем председателя Реввоенсовета Сергеем Сергеевичем Каменевым и руководителями ЦАГИ. Затем вертолёт отправили для ремонтно-восстановительных работ на завод.
Лётные испытания в Ухтомском возобновились 16 апреля 1931. В одном из полётов пилоту удалось выполнить на одном месте разворот на 360 градусов. Но в следующем полёте 18 мая при посадке вертолёт ударился о землю и потерпел очередную аварию.
На этот раз кроме восстановительных работ были проведены доработки машины. Главная из них заключалась в замене лопастей несущего винта. Цельнометаллическая конструкция вызывала геометрические искажения формы лопастей и их профиля. Поэтому был изготовлен новый комплект, где нервюры и стрингеры выполнили из дерева, а обшивку из авиационной фанеры, обтянутой полотном. Всвязи с опасностью поломки вертолёта при случайном заднем ходе костыль был заменён хвостовым колесом.
После доработки испытания возобновились в январе 1932. Сначала на привязи, затем в свободном полёте с постепенным увеличением высоты и продолжительности, усложнением эволюций аппарата. Наивысшие результаты были достигнуты в августе 1932. Максимальная продолжительность полёта составила 12,5 минут, дальность горизонтального полёта 3 км, максимальная скорость горизонтального полета 25 км/час. 14 августа Черемухин поднял ЦАГИ-1ЭА на высоту 605 метров, превысив официальный мировой рекорд вертолёта д'Асканио D'A.Т.3 в 33 раза.
Другие результаты также превышали показатели вертолёта итальянского конструктора, но в ФАИ они не были зарегистрированы. И не только потому, что СССР ещё не состоял в этой международной организации. Работы по ЦАГИ-1ЭА были секретными, достижения его создателей получили публичную известность намного позже. А официальным обладателем следующего мирового рекорда высоты в 1936 стал вертолёт Bréguet-Dorand, который поднялся всего на 158 м.
Лишь Focke Wulf
Fw 61 в 1937 превысил это достижение ЦАГИ-1ЭА, поднявшись на высоту
2439 м, а в 1939 улучшив свой рекорд до
3427 м.
Дальнейшие работы ЦАГИ и их значение. В рекордном полёте ЦАГИ-1ЭА 14 августа 1932 не обошлось без неприятностей. Посадка оказалась жёсткой с повреждением несущего винта. После очередного ремонта аппарата лётные испытания продолжались в 1933 и 1934, однако превысить достигнутые результаты не получилось. Точнее, почти не получилось, поскольку 15 августа 1933 удалось немного увеличить продолжительность полёта - до 14 минут. По воспоминаниям Черемухина главной проблемой оставалась неустойчивость вертолёта. Черемухин по-прежнему занимался лётными испытаниями вертолёта, но иногда его подменял лётчик-испытатель ЦАГИ Сергей Александрович Корзинщиков.
К тому времени статус Секции особых конструкций повысился. В январе 1933 она была преобразована в самостоятельный отдел особых конструкций ЦАГИ (ООК
ЦАГИ). Его руководителем был назначен Изаксон (он стал руководителем Секции ещё в конце 1931, а Черемухин остался заместителем по лётным испытаниям).
Для продолжения экспериментов был построен вертолёт-дублёр, получивший обозначение ЦАГИ 3-ЭА. В целом он был аналогичен ЦАГИ 1-ЭА, но с учётом результатов предшественника в конструкцию были внесены изменения. На испытательный аэродром он поступил в 1933, однако машина эта не летала - всё ограничилось наземными тестами и подскоками на привязи.
Вместо этого, конструкция ЦАГИ 3-ЭА использовалась для постройки следующего вертолёта - ЦАГИ 5-ЭА. При его разработке использовался опыт, полученный не только от работ по ЦАГИ 1-ЭА, но и от созданных в ЦАГИ автожиров. В отличие от ЦАГИ 1-ЭА с жёстким креплением лопастей несущего винта, здесь они крепились на горизонтальных шарнирах, позволяющих лопастям совершать маховое движение в вертикальной плоскости. Позже появились и вертикальные шарниры. Несущий винт имел три лопасти диаметром 12 м, кроме него на втулке между этими лопастями располагался малый винт диаметром 7,8 м, предназначенный для
управления вертолетом. Автомат перекоса воздействовал только на эти лопасти. В остальном конструкция была сходна с ЦАГИ 1-ЭА. Лётные испытания ЦАГИ 5-ЭА проводились с осени 1933 по 1936. Он не достиг рекордных результатов предшественника, но его конструкция обеспечила значительное повышение устойчивости и управляемости вертолёта.
Следующим вертолётом ЦАГИ стала модель ЦАГИ 11-ЭА. Она имела такой же по конструкции винт, как у ЦАГИ 5-ЭА, только большего диаметра - несущий 15,4 м, управляющий 9,2 м. В остальном конструкция значительно отличалась. У этой машины был двухместный фюзеляж и оперение, как у самолёта. Два рулевых винта были установлены на концах фермы по бокам фюзеляжа, а двигатель - 12-цилиндровый V-образный Curtiss V-1570 Conqueror мощностью 630 л. с., на раме в носовой части фюзеляжа. Вертолёт был построен в 1936, затем начались длительные наземные испытания, в процессе которых в конструкцию были внесены значительные изменения. В частности, лопасти несущего винта стали цельнометаллическими. Впервые ЦАГИ 11-ЭА полетел в октябре 1940. Лётные испытания проводил пилот Дмитрий Иванович Савельев. Ввиду изношенности двигателя результаты по высоте были скромными - 50 м, но удалось превысить показатели ЦАГИ 1-ЭА по скорости - 60 км/ч, и продолжительности полёта - около одного часа.
ЦАГИ 11-ЭА стал последним вертолётом, созданным Центральным аэрогидродинамическим институтом. Хотя эта организация и в дальнейшем занималась теоретическими и экспериментальными работами по данной тематике, с начала 1940х разработку конкретных конструкций выполняли специализированные ОКБ. Но опыт, полученный исследовательской организацией в течение 1920х - 1930х, очень помог этим конструкторским коллективам в создании ряда удачных моделей вертолётов, обеспечивших СССР статус одной из ведущих вертолётостроительных держав. Причём создателями этих ОКБ были выходцы из ЦАГИ - Иван Павлович Братухин, а также присоединившиеся к этому коллективу в 1930х Николай Ильич Камов и Михаил Леонтьевич Миль.
|
ЦАГИ-1ЭА 