Советские вертолёты (книга, часть 1)
Введение
В наше время трудно представить жизнь без воздушного транспорта. Он прочно вошёл в быт народов нашей планеты, стал неотъемлемой частью представлений человека о стремительном прогрессе науки и техники. Гражданская авиация, как бы сблизившая страны и континенты, способствует развитию политического, экономического, культурного сотрудничества между государствами.
Наша авиация развивалась и мужала вместе со всей страной и ныне находит самое широкое применение во многих областях хозяйственного строительства, вносит большой вклад в укрепление экономического и оборонного могущества нашей Родины. Она поистине детище партии и народа. В её истории отразилась сама жизнь государства рабочих и крестьян — бурная, полная революционного динамизма, новаторской энергии, созидательной мощи.
Сегодня среди авиатранспортных предприятий и компаний мира первое место принадлежит Аэрофлоту, располагающему большим парком современных комфортабельных скоростных самолётов и вертолётов, хорошо оснащенному аэропортами на магистральных и местных воздушных трассах, осуществляющему полёты по разветвлённой сети внутренних и международных авиалиний.
Самолёты и вертолёты гражданской авиации заняты не только перевозкой пассажиров и различных грузов, но широко применяются во многих отраслях промышленности и сельского хозяйства. Гул авиационных двигателей можно услышать над сельскохозяйственными и лесными угодьями, над стройками и таёжными посёлками геологов, над научными станциями Арктики и Антарктиды.
В феврале 1972 г. работники Аэрофлота, а вместе с ними вся страна отмечали 50-летие гражданской авиации СССР. «Созданная по инициативе В. И. Ленина гражданская авиация, — говорилось в приветствии ЦК КПСС, Президиума Верховного Совета СССР и Совета Министров СССР работникам Аэрофлота, — в результате заботы Коммунистической партии и Советского правительства, героического труда нашего народа превратилась в высокоразвитую отрасль народного хозяйства, оснащённую первоклассной авиационной техникой. Она успешно выполняет возложенные на неё задачи по перевозке пассажиров и грузов, оказывает большую помощь сельскому хозяйству и медицине, широко используется в охране лесных богатств и геологоразведочных работах».
Большую долю задач, поставленных перед Аэрофлотом XXIV съездом партии, выполняют вертолёты. Притом с появлением новых, более мощных и совершенных моделей вертолётов сфера их применения в народном хозяйстве неуклонно растёт.
Когда в Ле Бурже летом 1971 г. проходил 29-й Международный салон авиации и космонавтики, то на смотровой площадке рядом с советским вертолётом В-12 оказались два сверхзвуковых лайнера Самолёт Ту-144 и «Конкорд». Каково же было удивление посетителей, когда они увидели, что эти огромные самолёты свободно умещаются под мотогондолами вертолёта-гиганта. Он был одним из самых интересных экспонатов выставки, или, как писали в своих отчётах журналисты, звездой первой величины. Авиационных специалистов не так удивляли феноменальные лётно-технические данные вертолёта, сколько смелое, принципиально новое решение конструктивных проблем, связанных с компоновкой двигателей, созданием новых редукторов, трансмиссий, несущих винтов. Несколько мировых рекордов, установленных на В-12, и его успешный перелёт по странам Европы протяжённостью свыше семи тысяч километров — подтверждение высоких качеств грузолёта.
От первой модели вертолёта, созданной более двухсот лет тому назад великим русским ученым М. В. Ломоносовым, до современных многотонных вертолётов — таков путь развития винтокрылых машин.
С каждым годом вертолёты находят всё более широкое применение в народном хозяйстве и в военном деле. Они используются как средство транспорта и связи в труднодоступных районах страны, для ледовой разведки, в сельском хозяйстве, для обслуживания экспедиций и рыболовного флота, при погрузке и разгрузке судов, несут в портах и гаванях лоцманскую и диспетчерскую службу. Широкое применение вертолёты нашли при составлении карт местности, для геофизической и геологической разведки, спасения людей во время наводнений и при других стихийных бедствиях. Вертолёты сыграли важную роль в осуществлении таких крупных геологических открытий, как якутские алмазы, тюменская нефть, газ Ямала.
На советских вертолётах установлены десятки мировых рекордов, многие из которых остаются непревзойдёнными и по сей день.
В предлагаемой читателю книге в популярной форме кратко рассказывается об истории создания вертолёта, его устройстве и применении в различных отраслях народного хозяйства и в военном деле. Книга рассчитана на широкой круг читателей, незнакомых с устройством вертолёта и принципами его полёта.
Глава I. Из истории создания вертолётов
С древнейших времен человек мечтал подняться в воздух подобно птице. Велик путь воплощения этой мечты — от мифа о полете Икара к Солнцу и сказок о ковре-самолёте до сверхзвуковых полётов современных воздушных лайнеров и космических кораблей.
Идея создания вертолёта — одна из самых древних в истории полётов. Это подтверждается материалами, найденными в архивах Миланской библиотеки в середине XIX века. Среди них сохранились рисунки, сделанные рукой известного итальянского ученого и художника Леонардо да Винчи в 1475 г. В этих рисунках и подписях к ним высказывалась идея применения винта Архимеда при постройке летательного аппарата. Леонардо да Винчи предполагал осуществить вертикальный взлёт своей модели с помощью винта, вращающегося в горизонтальной плоскости. Но его проект был далёк от практического осуществления.
Первый опыт постройки действующей модели вертолёта осуществил в 1754 г. великий русский учёный М. В. Ломоносов. Занимаясь исследованием верхних слоёв атмосферы, учёный сконструировал небольшой летательный аппарат, способный поднимать в воздух метеорологические приборы. О конструктивных особенностях этого аппарата даёт представление чертёж, сделанный М. В. Ломоносовым. В небольшом лёгком корпусе помещалась часовая пружина, которая системой зубчатых колёс была соединена с двумя концентрическими валиками с прикреплёнными к ним двумя воздушными винтами, расположенными друг над другом (рис. 1).
Исследователи предполагают, что, работая над созданием этого аппарата, М. В. Ломоносов учёл реактивный момент, вызываемый вращением несущей системы, и уравновесил его путём расположения на одной оси двух винтов, вращающихся в противоположных направлениях. Такое расположение винтов в дальнейшем получило название соосной схемы и нашло широкое применение в практике вертолётостроения.
По чертежам М. В. Ломоносова была построена действующая модель машины, которую он продемонстрировал 1 июля 1754 года членам Российской Академии наук. «Высокопочтенный советник Ломоносов показал изобретённую им машину, называемую им аэродинамическою (то есть воздухобежной), — было записано в протоколе. — Машина подвешивалась на шнуре, протянутом по двум блокам, и удерживалась в равновесии грузиками, подвешенными с противоположного конца. Как только пружина заводилась, машина поднималась на высоту и поэтому обещала достижения желаемого действия. Но это действие, по суждению изобретателя, ещё более увеличится, если будет увеличена сила пружины и если увеличить расстояние между той и другой парой крыльев, а коробка, в которой заложена пружина, будет сделана для уменьшения веса из дерева. Об этом он (Ломоносов) обещал позаботиться».
В те годы винт как устройство для приведения в движение транспортных средств, в том числе и судов, вообще не был известен и не использовался. М. В. Ломоносов впервые в истории предпринял попытку для подъёма в воздух летательного аппарата, что было для того времени большим достижением. Конечно, при недостаточном уровне развития техники в те годы построить модель большого размера из-за отсутствия мощного и надёжного двигателя было невозможно.
Многие изобретатели и умельцы в разных странах пытались строить летательные аппараты с машущими крыльями — орнитоптеры, то есть использовать решение, подсказанное самой природой. Однако их попытки не увенчались успехом, и до сих пор не построено ни одной птицекрылой машины, которая могла бы хорошо держаться в воздухе и обладала элементарными лётными характеристиками. Техническая задача создания птицекрылой машины оказалась исключительно сложной.
Многочисленные неудачи в этой области повернули мысль изобретателей к аппаратам с несущими винтами, которые приводятся в движение двигателями.
Во второй половине XIX века технический прогресс создал благоприятную обстановку для учёных и изобретателей, работающих в области воздухоплавания и авиации. Создание машины, способной подняться в воздух, стало реальным лишь после того, когда техника двигателестроения достигла сравнительно высокого уровня.
В 1869 г. известный русский электротехник А. Н. Лодыгин спроектировал первый «электролёт», который имел два воздушных винта. Один — несущий для создания вертикальной тяги, другой — тянущий для горизонтальной тяги. Для вращения винтов конструктор спроектировал специальный электродвигатель мощностью 300 л. с. Но этот проект из-за отсутствия необходимых средств не был осуществлён.
Большой вклад в изучение работы воздушных винтов для вертолётов внёс академик М. А. Рыкачев. Ещё в начале семидесятых годов прошлого столетия он построил специальный прибор для изучения силы тяги винта, вращающегося в горизонтальной плоскости. В конце XIX века в России появились первые теоретические работы о воздушных винтах и аэродинамике. Их авторами были известные русские учёные С. К. Джевецкий, Д. И. Менделеев, Н. Е. Жуковский, С. А. Чаплыгин, К. Э. Циолковский и другие.
Результаты первых работ по вертолётам в одной стране были мало известны в других странах, и часто развитие новых идей в этой области шло независимо и параллельно.
Ещё в начале 1907 г. русский военный инженер К. А. Антонов начал разработку проекта вертолёта, который был построен три года спустя. Два винтовых колеса состояли из отдельных алюминиевых треугольных пластин-лопастей, скреплённых двумя большими обручами. Лопасти винтов могли поворачиваться вокруг своих продольных осей. Изменяя по желанию углы атаки лопастей, можно было образовать из винтовых колёс своеобразный парашют. Небольшой винт должен был создавать вертолёту тягу, обеспечивающую горизонтальное перемещение. Аппарат был снабжён горизонтальным стабилизатором и рулём поворота. Гондола обнесена решёткой с перилами. Винтовые колёса приводились в движение бензиновым мотором мощностью 30—35 л. с., передающим одновременно движение винтам с помощью специального вала и зубчатой передачи. Аппарат был установлен на тележку, три колеса которой имели возможность поворачиваться. При испытаниях аппарат из-за маломощного двигателя не смог развить необходимой подъёмной силы и оторваться от земли.
Построенный в 1908 г. студентом Киевского политехнического института И. И. Сикорским вертолёт имел два двухлопастных винта, укреплённых на вертикальной оси на некотором расстоянии один от другого. Винты приводились в движение трёхцилиндровым бензиновым двигателем мощностью 12 л. с. Испытания показали, что мощность двигателя недостаточна для подъёма аппарата.
Несмотря на неудачу, Сикорский к весне 1910 г. построил второй геликоптер. Он имел два трёхлопостных винта и был снабжён более мощным двигателем в 25 л. с. Аппарат весил 180 кг. Но конструктор не довёл своих работ до конца над геликоптером, начав работать в области создания аэропланов.
В начале 1909 г. студент Московского высшего технического училища и деятельный участник воздухоплавательного кружка, впоследствии академик, заслуженный деятель науки и техники Б. Н. Юрьев разработал проект оригинального геликоптера. В средней части его корпуса должен был размещаться двигатель «Гном» мощностью 70 л. с. для вращения двух двухлопастных винтов. Верхний — диаметром 9 м и нижний — 3 м. Кроме того, аппарат имел рулевой винт с поворотными лопастями.
Для обеспечения управляемости и устойчивости геликоптера в полёте был предусмотрен так называемый автомат-перекос, позволявший изменять углы установки лопастей винта и благодаря этому наклонять аппарат в нужном направлении. Геликоптер был снабжён шасси для разбега и парашютом на случай остановки двигателя. Общий вес аппарата составлял 315 кг.
В конце 1909 г. Юрьев разработал второй вариант своего геликоптера. Но для него не удалось найти подходящего двигателя, так как потребная для взлёта мощность составляла 50 л. с. Единственным двигателем, которым располагал воздухоплавательный кружок при Московском высшем техническом училище, был «Анзани» мощностью 25—30 л. с. Юрьеву пришлось ещё раз переделать проект геликоптера, с тем чтобы можно было использовать единственный двигатель.
Лишь в начале 1912 г. был построен геликоптер Юрьева. Он был одновинтовым. Диаметр двухлопастного винта составлял 8 м. Реактивный момент несущего винта конструктор предложил компенсировать при помощи рулевого винта, установленного в конце хвостовой фермы. Он приводился во вращение основным двигателем с помощью специального передаточного механизма. Эта схема вошла в историю современного вертолётостроения как классическая схема одновинтовых вертолётов с хвостовым (рулевым) винтом.
Из-за малой мощности двигателя и необходимости максимально облегчить вес аппарата Юрьеву пришлось отказаться от установки автомата-перекоса и поворотных лопастей винта. Тем не менее аппарат весил 202,5 кг.
Весной 1912 г. этот вертолёт демонстрировался на 2-й Международной воздухоплавательной выставке в Москве, и ему была присуждена золотая медаль.
Однако, как писал сам Юрьев, «начатые опыты с этим вертолётом пришлось прекратить, так как произошла поломка главного вала из-за крайне неравномерного хода трёхцилиндрового четырёхтактного двигателя „Анзани“. Денег на продолжение работ у кружка не было…».
Задолго до аналогичных изобретений за рубежом Б. Н. Юрьеву удалось создать автомат-перекос, изучить авторотацию винтов и разработать проблему безопасности спуска аппарата в случае остановки двигателя. Им же были разработаны вопросы о поступательной скорости и грузоподъёмности геликоптера.
Вся история развития воздухоплавания и авиации в царской России отмечена тупым и безразличным отношением правительственных чиновников к судьбе того или иного изобретения, конструкции летательного аппарата. Даже в тех редких случаях, когда правительство давало средства на осуществление проекта, дело почти никогда не доводилось до конца. Достаточно было первой неудачи, поломки или аварии, чтобы конструкция или изобретение забраковывалось. Обычно царские чиновники, испуганные первой случайной неудачей, отказывались финансировать продолжение работ. Поэтому многие прекрасные проекты и уже построенные замечательные образцы обрекались на уничтожение. Так было с самолётом Можайского, с дирижаблем Костовича, с тяжёлым самолётом «Святогор» Слесарева и с многими другими изобретениями. Бездарность правительственных чиновников, общая техническая и экономическая отсталость страны тормозили развитие авиации в России. Лишь Великая Октябрьская социалистическая революция открыла широчайшие возможности для творческой деятельности отечественных учёных, конструкторов и изобретателей.
Становление и развитие нашей авиации неразрывно связано с именем В. И. Ленина. Ещё на заре строительства Советского государства вождь партии и народа прозорливо увидел в авиации одну из наиболее прогрессивных отраслей народного хозяйства, имеющую важное значение для будущего страны социализма. Уже тогда в тяжелейшей экономической обстановке, несмотря на разруху, В. И. Ленин и партия призвали рабочий класс, всех трудящихся незамедлительно приступить к созданию Красного Воздушного Флота. В делах Совета Труда и Обороны хранится немало документов по вопросам авиации, подписанных В. И. Лениным.
Надо было обладать гением великого Ленина, чтобы с удивительной точностью предсказать значение аэрофикации, ту огромную социальную роль, которую была призвана сыграть авиация в нашей необъятной стране.
Выполняя указания Владимира Ильича Ленина, советский народ, руководимый Коммунистической партией, несмотря на трудности, находит средства для развития авиации. В стране открываются первые регулярные воздушные линии, первые научно-исследовательские учреждения, первые конструкторские бюро. То было начало. Подобно тому, как ленинский план электрификации явился прообразом грядущих пятилеток, так и многое из того, что делалось в те годы в области авиационной науки и техники, подготовки кадров, послужило истоком нынешних достижений.
В нашей стране были организованы конструкторские бюро и научные учреждения, которые занимались разработкой теории самолётостроения, созданием новых моделей самолётов и вертолётов.
Конструкторы и изобретатели вертолётов использовали несколько способов уравновешивания реактивного момента несущей системы: хвостовой винт, парные винты, вращающиеся в противоположных направлениях (соосная, поперечная и продольная схемы). Но во всех случаях несущие винты, как правило, имели «жёсткую» заделку лопастей во втулке. Лопасть могла поворачиваться только относительно своей продольной оси, но сохраняла неизменное пространственное положение оси относительно втулки несущего винта.
До 1925—1927 гг. вертолёты с «жёсткими» несущими винтами не поднимались выше 4—6 м, не достигали скорости более 15—20 км/час. Наибольшей дальностью был полёт по кругу на один километр. Причиной такого медленного улучшения лётных характеристик были сильные вибрации вертолётов, плохая устойчивость, трудности балансировки и невозможность планирования при остановке двигателя.
Конструкторы настойчиво работали над устранением этих недостатков. Требовалось создать такую несущую систему, которая обеспечивала бы безопасность моторных и безмоторных спусков, имела бы лучшую устойчивость и управляемость и создавала меньший уровень вибраций.
Чтобы решить эти задачи, конструкторам пришлось отойти от классических схем вертолётов и искать новые пути. И вот появился автожир. На нём устанавливался самовращающийся винт и применялась шарнирная подвеска лопастей. Именно эти два решения и определили успех нового летательного аппарата: дали возможность совершать безмоторные планирующие спуски, обеспечили хорошую балансировку и устойчивость на всех режимах полёта и уменьшили вибрации.
В конце 20-х годов были созданы первые советские автожиры. В отличие от самолёта подъёмная сила автожира создаётся не крылом, а большим несущим винтом. Аппарат движется поступательно за счёт тяги тянущего винта, так же как и самолёт. Но в отличие от самолёта несущий винт автожира вращается не от двигателя, а от набегающего потока воздуха. Поэтому автожир не мог взлететь вертикально или висеть в воздухе. Его преимущество перед самолётом состояло в том, что он имел небольшую длину разбега и при отказе двигателя обеспечивалось безопасное снижение. В конце 1928 г. авиасекцией Осоавиахима по проекту Н. И. Камова и Н. К. Скржинского был достроен первый советский автожир Каскр-1 («Красный инженер»).
В ходе создания этой модели был отработан шарнирно-сочленённый винт, у которого лопасти подвешены ко втулке на горизонтальных и вертикальных шарнирах. Это дало возможность каждой лопасти совершать маховые движения в вертикальной плоскости и колебательные в плоскости вращения. Кроме того, был освоен режим самовращения, что обеспечивало надёжность и безопасность полёта. Впоследствии на автожирах была отработана система управления циклическим и общим шагом несущего винта.
В Центральном аэрогидродинамическом институте (ЦАГИ) в конце 1926 г. был создан отдел особых конструкций, которым руководил Б. Н. Юрьев. Группа молодых инженеров занималась теоретическими и экспериментальными исследованиями, построила несколько моделей вертолётов. В основу первых опытных лёгких вертолётов была положена одновинтовая схема, как наиболее простая. В ходе предварительных исследований использовались специальные аэродинамические весы. На них устанавливали одновинтовой вертолёт с автоматом-перекосом и регулятором шага. Здесь в 1928—1929 гг. провели обширные исследования, которые позволили в довольно сжатые сроки спроектировать и построить вертолёт ЦАГИ-1-ЭА.
14 августа 1932 г. была открыта новая страница в истории советского вертолётостроения. В этот день вертолёт ЦАГИ-1-ЭА, пилотируемый профессором А. М. Черёмухиным, поднялся на высоту 605 м, что было крупнейшим техническим достижением тех лет. Вертолёт легко поднимался и опускался вертикально, делал повороты на месте, свободно перемещался во всех направлениях. Он был построен по одновинтовой схеме, имел четырёхлопастный винт диаметром 11 м, приводимый во вращение двумя ротативными двигателями мощностью по 120 л. с. Двигатели располагались по обеим сторонам фюзеляжа. Реактивный крутящий момент уравновешивался четырьмя хвостовыми винтами, установленными попарно на хвостах фюзеляжа.
Осенью 1933 г. был подготовлен к испытаниям вертолёт 5-ЭА конструкции И. П. Братухина. Эта машина имела хорошую устойчивость. На ней был установлен шестилопастный несущий винт оригинальной конструкции. Три длинные лопасти крепились на шарнирах, а три короткие — жёстко, то есть не могли поворачиваться вокруг собственных осей.
В 1940—1941 гг. вертолётное бюро Московского авиационного института под руководством И. П. Братухина спроектировало и построило двухвинтовой вертолёт «Омега» с двумя двигателями общей мощностью 440 л. с. Его максимальная скорость достигала 115 км/час, дальность полёта — 250 км.
Ещё в довоенные годы советские конструкторы провели большие экспериментальные работы с первыми образцами винтокрылых летательных аппаратов, которые во многом способствовали успешному решению основных проблем в области вертолётостроеиия. Отдельные автожиры были переданы в производство и изготовлялись в небольших сериях. Эскадрилья автожиров А-7 участвовала в боевых действиях в начальный период Великой Отечественной войны. Они действовали днём и ночью в тылу противника и в прифронтовой зоне. Это был первый опыт применения винтокрылых летательных аппаратов в военном деле.
В послевоенные годы благодаря заботам Коммунистической партии и Советского правительства нашими конструкторами созданы современные вертолёты, завоевавшие широкое признание в нашей стране и за рубежом.
В процессе развития советского вертолётостроеиия возникла и окрепла научная школа, крупнейшими представителями которой являются М. Л. Миль, Н. И. Камов, А. С. Яковлев и многие другие.
В конце 1947 г. было создано конструкторское бюро, возглавляемое доктором технических наук М. Л. Милем, под руководством которого был создан трёхместный вертолёт Ми-1, получивший широкое практическое применение во многих областях народного хозяйства и в военной авиации.
На этом вертолёте устанавливался двигатель АИ-26В мощностью 575 л. с. Его крейсерская скорость — 130 км/час, дальность полёта — 370—600 км, высота — 3000 м. Вертолёт строился серийно в транспортном, сельскохозяйственном и санитарном вариантах. На Ми-1 было установлено 17 мировых рекордов для вертолётов с полётным весом от 1750 до 3000 кг.
В 1952 г. был запущен в серийное производство вертолёт Ми-4, получивший золотую медаль на всемирной выставке в Брюсселе. Главному конструктору и его ближайшим помощникам за создание этого вертолёта была присуждена Ленинская премия. В то время Ми-4 превосходил по грузоподъёмности большие серийные американские вертолёты и, по общему признанию специалистов, был одним из самых надёжных вертолётов. На нём было установлено несколько мировых рекордов грузоподъёмности и скорости полёта.
В июне 1957 г. совершил свой первый полёт вертолёт Ми-6, на котором было установлено два турбовинтовых двигателя. Ми-6 — один из самых скоростных вертолётов. За преодоление рубежа скорости 320 км/час, долгое время остававшейся пределом для винтокрылых машин, коллективу Миля был присуждён международный приз. На базе Ми-6 был создан гигантский летающий кран Ми-10, который поднимал груз 25 т на высоту 2800 м.
Применение новых газотурбинных двигателей позволило создать второе поколение вертолётов «Ми», более грузоподъёмных, надёжных и значительно более экономичных. На смену Ми-1 пришёл Ми-2, а Ми-4 был заменён вертолётом Ми-8. Это экономичная, надёжная и относительно простая в эксплуатации машина. Сохранив габариты своего предшественника, вертолёта Ми-4, новый винтокрылый аппарат более чем в два раза превосходит его по коммерческой нагрузке и имеет значительно большую скорость полёта.
Очень хороший для своего времени высотный двигатель вертолёта Ми-4 при мощности в 1700 л. с. весил 1040 кг. Два двигателя конструкции С. П. Изотова, установленные на Ми-8, весят 660 кг, а мощность развивают в 3000 л. с.
Это в значительной мере определило увеличение производительности нового вертолёта как транспортного средства. Возросла и грузоподъёмность с 1200—1600 кг на Ми-4 до 3000 кг на Ми-8, а на малой дальности (в 100 км) до 4000 кг, крейсерская скорость соответственно увеличилась с 155 км/час до 220 км/час.
Таким образом, часовая производительность вертолёта выросла более чем в 3,5 раза, а вес пустой машины увеличился всего на 30 %.
Отношение часовой производительности к одной тонне веса пустой машины у Ми-8 в 3 раза больше, чем у его прототипа, что в значительной мере характеризует экономичность вертолёта как транспортного средства. Часовая производительность определяет полезную отдачу, а вес пустой машины — стоимость аппарата.
Соответственно возросшей грузоподъёмности была увеличена ёмкость грузовой кабины. Она шире и длиннее, чем на Ми-4. В пассажирском варианте в ней размещается 28 человек.
Вертолёт способен длительное время продолжать полёт на одном двигателе, что существенно повышает безопасность полёта. Значительно по сравнению с Ми-4 упрощает пилотирование и автомат оборотов, который обеспечивает не только их постоянство, но синхронизацию работы обоих двигателей. Одновременно в случае отказа одного из двигателей автоматически увеличивается мощность работающего.
Советские вертолёты Ми-6, Ми-10, Ми-8, представленные на авиационном и космическом салоне в Париже в 1965 году, вызвали сенсацию. Английская газета «Файнэшнл таймс» писала в те дни: «В Ле Бурже собрана внушительная армада советских аппаратов. На западных авиационных наблюдателей произвело большое впечатление их превосходное техническое состояние. Посмотрим, справятся ли русские с теми коммерческими джунглями, которые представляет ныне торговля самолётами на Западе, с её часто жестокой и ни перед чем не останавливающейся конкуренцией. Однако, если они выберут этот путь, в то их аппараты доставят западным коммерсантам много головной боли».
Бесспорно то, что немало советских вертолётов, проданных во многие страны мира, эксплуатируется в самых различных климатических условиях. Венцом в создании вертолётов конструкторским бюро, работавшим под руководством Миля, явился сверхгигант В-12, поднявший груз сорок с лишним тонн на высоту больше двух километров. За это феноменальное достижение конструкторское бюро удостоилось высшей международной вертолётной награды.
Хорошими пилотажными качествами и почти полным отсутствием вибраций отличаются советские двухвинтовые соосные вертолёты Ка-10, Ка-15, Ка-18, Ка-26 и другие, созданные коллективом конструкторов под руководством Н. И. Камова. На соосных двухвинтовых вертолётах реактивный момент несущих винтов взаимно уравновешивается, потому что винты вращаются с одинаковой скоростью и в противоположные стороны и потребляют одинаковые мощности. На вертолётах этой схемы отсутствует хвостовой винт.
Соосные вертолеты имеют минимальные габариты, хорошую маневренность. Например, поворот на 360° на месте вертолёт такой схемы совершает за 3—5 секунд. Уровень вибрации на соосных вертолётах минимальный. Мощность двигателя у них расходуется только на вращение несущих винтов и не тратится на хвостовой винт. Благодаря меньшему весу конструкции соосные вертолёты имеют большую весовую отдачу.
Вертолёт Ка-26 образно называют «летающие шасси». В зависимости от назначения меняется внешний вид машины. В пассажирском варианте вертолёт оборудован кабиной на 6 человек. Если откинуть сиденья, то в кабине можно перевозить грузы. В комплект вертолёта входит открытая грузовая платформа, которая подвешивается к центроплану вместо кабины. Груз можно подвешивать непосредственно на крюк. Тогда вертолёт превращается в летающий кран.
Основное же назначение Ка-26 — выполнение сельскохозяйственных работ. При подвеске бункера с соответствующей аппаратурой обеспечивается равномерное распыление, рассыпание или разбрызгивание химикатов. Вертолет Ка-26 — результат многолетней совместной работы конструкторского бюро и Аэрофлота, тщательного экономического анализа применения вертолётов в народном хозяйстве. Можно было бы создать машину специально для авиационно-химических работ на полях колхозов и совхозов. Она имела бы бункер с соответствующей аппаратурой, коробкой приводов и электрооборудованием (компрессор, генератор переменного тока для приведения в действие насосов опрыскивателя и т. п.).
Но расчёты показали, что такой вертолёт не будет экономичным, поскольку обработка полей — дело сезонное, и он простаивал бы по несколько месяцев в году без работы. Поэтому конструкторы решили создать многоцелевой вертолёт и успешно справились с этой задачей.
Одно из направлений развития винтокрылых аппаратов — машина с комбинированной несущей системой: несущие винты и крыло. Для поступательного полёта аппарат имеет тянущие винты. Он получил название винтокрыла. В обычном полёте винтокрыл взлетает вертикально, как вертолёт. Вся подъёмная сила (тяга) создаётся несущими винтами. При достижении скорости 60—80 км/час шаг тянущих винтов увеличивается, и тогда происходит дальнейший интенсивный разгон.
Советский винтокрыл Ка-22 с двумя турбовинтовыми двигателями мощностью по 5700 л. с. поднял рекордный коммерческий груз 16 485 кг на высоту 2560 м. На нём же была показана скорость до прямой — 366 км/час.
Лётно-технические характеристики современных вертолётов непрерывно улучшаются. Растут скорость, дальность, грузоподъёмность, высотность, экономичность и надёжность. Совершенствуются аэродинамические формы аппаратов, улучшается аэродинамика несущего винта, надёжность работы всех его систем и агрегатов.
Винтокрылый гигант В-12 начал свою жизнь в небе с сенсаций: на нём было установлено сразу восемь мировых рекордов. Сначала В-12 поднимал на различную высоту 30 тонн, а затем с грузом более 40 тонн он смог подняться на высоту 2250 метров. В мире нет сейчас вертолёта, который по своим данным может сколько-нибудь приблизиться к советской машине. Его крейсерская скорость 240 километров в час, максимальный взлётный вес 105 тонн. Грузы в 20—25 тонн В-12 может перевозить без посадки на расстояние 300—500 км. Если подняться на верх его салона, то создаётся впечатление, словно вы вышли на крышу четырёхэтажного дома: высота вертолёта — двенадцать с половиной метров. Длина кабины 30 м, ширина более 4 м, высота 4,4 м. В ней могут свободно разместиться землеройные машины и строительные краны, бульдозеры и большегрузные автомобили, фермы мостов и буровое оборудование. Винтокрылому гиганту, несомненно, суждено большое будущее.
Глава II. Устройство вертолёта
Основным признаком, по которому подразделяются вертолёты, это число и расположение несущих винтов, а также тип двигателей. По количеству несущих винтов они бывают одновинтовые, двухвинтовые и многовинтовые (рис. 10).
Вертолёты двухвинтовой схемы, в свою очередь, подразделяются на несколько подгрупп:
- — с соосным расположением винтов, когда оба несущих винта расположены на одной оси;
- — с продольным расположением несущих винтов на концах фюзеляжа;
- — с поперечным расположением несущих винтов по бокам фюзеляжа;
- — с перекрещивающимися несущими винтами.
В зависимости от типа двигателя, устанавливаемого на вертолётах, они разделяются на поршневые и газотурбинные.
Наибольшее распространение получили вертолёты одновинтовой схемы, у которых несущий винт расположен на основной части фюзеляжа, а рулевой винт на хвостовой балке.
К достоинствам одновинтовых вертолётов относятся: простота конструкции, системы управления и надёжность эксплуатации. К недостаткам этого типа вертолётов можно отнести потери мощности на привод рулевого винта, значительный вес промежуточного механизма (трансмиссии), идущего к хвостовому винту.
Следует отметить, что хвостовой винт у вертолётов одновинтовой схемы служит не только для его разворота в нужном направлении, но и погашения реактивного момента, который стремится развернуть вертолёт в полёте в сторону, противоположную вращению несущего винта.
При соосной двухвинтовой схеме вертолёта реактивный момент взаимно уравновешивается за счёт вращения винтов в противоположные стороны с одинаковой скоростью, которые потребляют одинаковые мощности. На вертолётах этой схемы хвостовой винт отсутствует. Развороты на таких вертолётах лётчик производит путём изменения углов установки лопастей несущих винтов с помощью ножных педалей. У одного из винтов угол установки увеличивается, а у другого уменьшается. В результате мощности и усилия, затрачиваемые на вращение винтов, становятся различными и вертолёт разворачивается в сторону вращения винта, имеющего меньший установочный угол. Соосная схема применяется в основном для малых и средних вертолётов.
Для тяжёлых грузовых и пассажирских вертолётов широко применяется продольная двухвинтовая схема, при которой несущие винты располагаются один за другим по направлению полёта на концах фюзеляжа. У этих вертолётов — большие пассажирские кабины и грузовые отсеки, значительная грузоподъёмность, относительно небольшой вес конструкции, широкий диапазон вариантов загрузки. К их недостаткам можно отнести: сложность синхронизации работы винтов, устройства трансмиссии системы управления, меньший коэффициент полезного действия заднего винта.
Вертолёты с поперечным расположением несущих винтов, находящихся по бокам фюзеляжа, имеют хорошую управляемость и устойчивость, большой коэффициент полезного действия винтов и значительные размеры фюзеляжа для размещения груза и пассажиров. Несущие винты вращаются в разные стороны с одинаковым числом оборотов и одинаковой мощностью, поэтому их реактивные моменты взаимно уравновешиваются. На вертолётах этой схемы обычно устанавливаются два двигателя, которые крепятся на концах коротких крыльев либо на специальных балках.
Вертолёты с перекрещивающимися несущими винтами пока не получили широкого распространения.
Из каких же основных частей состоит одновинтовой вертолёт? Это прежде всего несущий винт, предназначенный для создания подъёмной и движущей силы и управления вертолётом. Рулевой винт, который служит для создания путевого равновесия и управления вертолётом. Силовая установка (двигатель), приводящая в движение несущий и рулевой винты и вспомогательные агрегаты. Трансмиссия предназначена для передачи крутящего момента от силовой установки к несущему и рулевому винтам. Фюзеляж, служащий для размещения пассажиров и грузов. К нему крепятся и в нём располагаются все узлы и агрегаты вертолёта. Шасси, предназначенное для стоянки вертолёта и его передвижения по земле.
Известно, что самолёт держится в воздухе и имеет возможность выполнять самые различные эволюции благодаря подъёмной силе, создаваемой неподвижным крылом при его перемещении в воздушном пространстве. На вертолёте функции крыла и воздушного винта самолёта выполняет несущий винт. Каждая его лопасть по своей форме и профилю похожа на крыло самолёта. Что оно представляет собой в сечении? Профиль крыла имеет несимметричную форму — верхняя его поверхность выпуклая, а нижняя почти ровная. В передней части сечения крыла выпуклость больше, а к задней кромке гораздо меньше. Такой профиль крыла при движении в воздухе и создаёт подъёмную силу.
Как же это происходит? Воздушный поток, обтекая верхнюю выпуклую поверхность крыла, проходит большее расстояние и с большей скоростью, чем при обтекании нижней поверхности. Согласно закону Бернулли, чем больше скорость движения воздушной струи, тем меньше статическое давление внутри неё. Поэтому над верхней поверхностью, где частицы воздуха движутся с большими скоростями, статическое давление понижается и создаётся разрежение. В нижней же части поверхности крыла поток воздуха проходит медленнее. Поэтому крыло испытывает снизу большее давление. Следовательно, подъёмная сила крыла при его движении в воздушном пространстве возникает благодаря разнице давления под крылом и над ним.
От чего же в основном зависит величина подъёмной силы лопасти винта вертолёта? Во-первых, чем больше диаметр, чем длиннее лопасти, тем больше подъёмная сила. Она возрастает также при увеличении скорости вращения несущего винта. Подъёмная сила зависит от плотности воздуха, которая уменьшается с подъёмом на высоту, и от угла установки, или угла атаки лопастей. Дело в том, что лопасть несущего винта вертолёта в отличие от крыла самолёта закреплена не жёстко, а имеет возможность поворачиваться вокруг собственной оси на определённый угол. Поэтому, чем больше угол установки лопасти, тем больше подъёмная сила.
Однако при углах атаки свыше 15° происходит так называемый срыв потока: плавное обтекание профиля нарушается и подъёмная сила резко падает. Дальнейшее увеличение углов установки приводит к падению подъёмной силы. В полёте угол установки должен быть таким, чтобы создавалась подъёмная сила, уравновешивающая вес вертолёта.
Впервые способы точного расчёта подъёмной силы крыла были разработаны основоположником авиационной науки Н. Е. Жуковским в начале нашего столетия. Он и его ученики разработали и способы определения подъёмной силы несущего винта.
Кроме подъёмной силы, на лопасти вертолёта действует лобовое сопротивление воздуха. Оно зависит от тех же факторов, что и подъёмная сила. Чем выше скорость вращения несущего винта, больше площадь лопастей и углы их установки, тем больше лобовое сопротивление. Оно уменьшается с уменьшением плотности воздуха.
У самолёта в горизонтальном полёте лобовое сопротивление преодолевается тягой двигателя. Несущий винт вертолёта предназначен для создания подъёмной и движущей силы и его управления. При вращении несущего винта в воздухе сила тяги (Т) направлена перпендикулярно к плоскости вращения винта. Если несущий винт вращается в горизонтальней плоскости, то сила тяги направлена вертикально вверх (рис. 11,а), то есть возможен вертикальный полёт. Если сила тяги равна весу вертолёта, то он зависнет в воздухе; если сила тяги превышает вес вертолёта, то происходит вертикальный набор высоты; при силе тяги, меньшей веса вертолёта, он будет вертикально снижаться.
Плоскость вращения винта относительно горизонта может отклоняться по желанию пилота с помощью автомата-перекоса в любом направлении (рис. 11, а, б). В этом случае тяга несущего винта выполняет двойную функцию — её вертикальная составляющая Y является подъёмной, а горизонтальная составляющая Р — движущей силой. Под действием этой силы вертолёт движется вперёд (рис. 11, б). При отклонении плоскости вращения несущего винта назад (рис. 11, в) вертолёт начинает двигаться в сторону хвостового винта. Отклонение плоскости вращения вправо или влево вызывает движение вертолёта в соответствующую сторону.
Прежде чем рассматривать работу автомата-перекоса, отметим, что лопасти несущих винтов современных вертолётов имеют шарнирную подвеску к втулке винта, которая позволяет им совершать три вида поворотных движений:
- а) лопасть может поворачиваться вдоль продольной оси, изменяя свой установочный угол;
- б) около горизонтального шарнира, совершая маховые движения (рис. 12);
- в) лопасть может поворачиваться около вертикального шарнира.
Рассмотрим схему устройства автомата-перекоса трёхлопастного винта (рис. 13).
Его основными деталями являются:
- — вращающееся кольцо 4, соединённое поводками с лопастями; через шариковый подшипник это кольцо опирается на невращающееся кольцо 3, запрессованное в обойму;
- — обойма с рычагами поперечного и продольного управления.
Кольца 4 и 3 вместе с обоймой при действии ручкой управления вертолётом могут наклоняться вперёд, назад и вбок либо одновременно относительно любой оси, лежащей в горизонтальной плоскости.
Так как кольцо 4 вертикальными тягами связано с лопастями, то наклон плоскости вращения этого кольца вызывает циклический (то есть повторяющийся в каждом обороте винта) поворот лопастей относительно их продольных осей. Чтобы уяснить, для чего необходимо циклическое изменение шага лопастей, рассмотрим два вида полёта вертолёта.
Вертикальный полёт достигается путём изменения угла атаки всех лопастей одновременно. При этом угол атаки всех лопастей возрастает или уменьшается на одинаковую величину, что вызывает увеличение или уменьшение подъёмной силы, а следовательно, происходит подъём или снижение вертолёта. При вращении несущего винта возникает центробежная сила, которая всегда направлена от центра к окружности и стремится расположить лопасти в плоскости вращения, противодействуя опрокидывающему усилию.
Горизонтальный полёт вертолёта осуществляется путём наклона плоскости вращения несущего винта, что достигается, в свою очередь, циклическим изменением шага лопастей. То есть шаг каждой лопасти в течение цикла (одного оборота) будет сначала возрастать до определённой величины, а затем убывать да какого-то минимального значения, в начале следующего оборота снова возрастать и т. д.
При горизонтальном полёте вертолёта работа несущего винта изменяется. Лопасть, которая движется в ту же сторону, что и вертолёт, или, как её называют, лопасть, идущая против потока, имеет большую скорость относительно воздуха, так как к её собственной скорости, полученной от вращения, прибавляется скорость за счёт движения вертолёта. Лопасть, идущая по потоку, имеет меньшую скорость относительно воздуха, так как от её скорости, полученной за счёт вращения, отнимается скорость полёта вертолёта. Поэтому подъёмная сила лопастей будет разная, так как подъёмная сила будет больше там, где больше скорость движения относительно воздуха.
При этом следует отметить, что при горизонтальном полёте вертолёта в результате совместного действия подъёмной и центробежной сил лопасти несущего винта совершают маховое движение. По мере прохождения лопастей по окружности их концы при каждом обороте взмахивают: обгоняющая лопасть — приподнимается, а отстающая — опускается. При этом подъёмная сила взмахивающей лопасти несколько уменьшается.
Таким образом, взмах лопасти как бы регулирует величину её подъёмной силы. Следовательно, благодаря маховому движению лопасти её подъёмная сила при полном обороте несущего винта почти не меняется, чем и достигается устойчивость летящего вертолёта.
Лётчик с помощью органов управления задаёт нужный режим автомату-перекосу, который при каждом обороте лопасти меняет её угол установки автоматически, в соответствии с заданным режимом. Периодическое изменение угла установки каждой лопасти приводит к тому, что плоскость несущего винта наклоняется. В результате этого наклона вертолёт и начинает перемещаться в горизонтальной плоскости (см. рис. 11, б, в).
Если увеличивать углы установки лопастей несущего винта, не увеличивая одновременно идущей на винт мощности двигателя, то обороты винта начнут уменьшаться. При уменьшении углов установки лопастей несущего винта без одновременного снижения мощности обороты несущего винта будут возрастать. Это несколько усложняло управление первых опытных вертолётов, на которых рядом с рычагом управления общим шагом несущего винта был установлен сектор газа двигателя.
Впоследствии конструкторы объединили эти органы управления в один рычаг, получивший название «шаг-газ». Пользуясь этим рычагом, лётчик одновременно изменяет общий шаг лопастей несущего винта и мощность двигателя таким образом, чтобы обороты несущего винта были постоянными. Несколько подробней об управлении вертолётом на различных режимах полёта будет рассказано в последующей главе.
Рассмотрим устройство и назначение хвостового (рулевого) винта вертолёта одновинтовой схемы. Как говорилось выше, хвостовой винт выполняет две функции: уравновешивает реактивный момент несущего винта и осуществляет путевое управление, то есть используется для выполнения поворотов. Изменяя его тягу, лётчик разворачивает вертолёт в нужную сторону. Хвостовой винт приводится во вращение от двигателя с помощью трансмиссии, которая состоит из длинного вала, имеющего несколько упругих опор вдоль фюзеляжа. Как же изменяется тяга рулевого винта? Скорость его вращения, как правило, 1200—1500 об/мин определяется количеством оборотов двигателя и передаточным числом редуктора, которое всегда остаётся неизменным.
Изменять обороты двигателя для увеличения или уменьшения тяги рулевого винта также невозможно, так как управление сектором газа используется для регулировки подъёмной силы несущего винта. Поэтому единственный способ изменять тягу хвостового винта — это уменьшать или увеличивать угол установки его лопастей. Лётчик осуществляет путевое управление вертолётом с помощью ножных педалей, которые соединены системой тяг и рычагов с хвостовым винтом. Его лопасти изготавливаются из дерева или металла и по своей конструкции напоминают обычные лопасти тянущего самолётного винта. Чтобы предотвратить поломку хвостового винта при посадке, его помещают на загнутом вверх конце хвостовой балки.
В качестве силовых установок на вертолётах наибольшее применение нашли поршневые звездообразные двигатели воздушного охлаждения и реактивные газотурбинные двигатели. Для вращения несущих винтов также используются реактивные прямоточные или пульсирующие двигатели, или реактивные сопла, выбрасывающие сжатый воздух от компрессора.
Вращение от двигателя передаётся винтам с помощью трансмиссии. На одновинтовых вертолётах для надёжности работы трансмиссии и уменьшения её веса мотор располагают во многих случаях под несущим винтом. На некоторых моделях вертолёта двигатель устанавливают таким образом, что ось его коленчатого вала совпадает с направлением оси несущего винта, чем значительно упрощается компоновка машины.
Поршневые двигатели, устанавливаемые на вертолётах, имеют, как правило, 2000—2500 оборотов в минуту. Несущий винт должен вращаться со значительно меньшей скоростью. Поэтому коленчатый вал двигателя соединяется с несущим винтом с помощью редуктора, то есть системы шестерён, служащих для уменьшения количества оборотов двигателя. Отношение числа зубьев ведущей шестерни, закреплённой на коленчатом валу двигателя, к числу зубьев ведомой шестерни, установленной на валу несущего винта, определяет степень редукции или величину изменения количества оборотов, Эта величина выражается дробью обычно в пределах от 1/8 до 1/12.
Главный редуктор на одновинтовых вертолётах, кроме понижения числа оборотов, передаёт мощность на несущий и хвостовой винты. Чтобы облегчить пуск двигателя и предохранить несущий винт от резких переменных нагрузок, перед запуском он отсоединяется от двигателя с помощью муфты сцепления. После того как двигатель прогрелся и его обороты достигли опредёленной величины, лётчик включает муфту сцепления, и несущий винт начинает постепенно набирать обороты.
В настоящее время на смену поршневым двигателям, устанавливаемым на вертолётах, пришли газотурбинные. Особенностью их применения на вертолётах является наличие турбины винта (свободной турбины) для привода вала несущего винта. Эта особенность имеет ряд конструктивных и эксплуатационных преимуществ:
- а) позволяет получать желаемое число оборотов вала несущего винта вертолёта по режимам и высотам полёта независимо от числа оборотов ротора двигателя;
- б) достигаются оптимальные расходы топлива при различных условиях эксплуатации двигателя;
- в) обеспечивается более лёгкий запуск двигателя;
- г) исключается необходимость иметь в силовой установке вертолета муфту сцепления несущего винта.