Вертолет, 2001 № 04

Записки научного работника ЦАГИ

.. .Когда я возглавил лабораторию, передо мной прежде всего встала задача создания экспериментального оборудования для исследования вертолетов. Это оборудование, строго говоря, отсутствовало или было в самом «зачаточном состоянии». Весь коллектив лаборатории помещался в здании вертикальной трубы: было очень тесно и для сотрудников, и для приборов. Вертолет – очень сложный и в то время сравнительно мало изученный летательный аппарат. Необходимо было начинать целый ряд новых работ по исследованию схемы аппарата, его аэродинамики и динамики. Словом, положение было очень трудное.

Но, как бывает иногда в подобных положениях, поддержка пришла неожиданно. Корейская война показала очень ценные боевые свойства вертолетов. Министр авиационной промышленности дал серьезное указание по развертыванию вертолетостроения. Должны были строиться вертолеты Ми-4 взлетной массой 6950 кг в ОКБ Миля, и вертолеты Як-24 взлетной массой 14270 кг в ОКБ Яковлева. Процесс создания этих вертолетов нужно было обеспечить исследовательской работой в ЦАГИ, ЦИАМе, ЛИИ и других институтах МАП.

Создавались условия, при которых можно было расширять работы по аэродинамике и динамике вертолета. Было получено разрешение на постройку специального нового корпуса, в котором можно было располагать натурные и крупномасштабные объекты – препараторскую, мастерскую с возможностью монтажа и опробования натурных объектов, специальные рабочие помещения для проведения работ по электротехнике и электронике, мастерские механические и слесарные, помещения для размещения конструкторов и комнаты для научных и технических работников. Был создан проект четырехэтажного корпуса, значительная часть которого была предназначена и для исследований по прочности вертолета. Неподалеку от строящегося корпуса были расположены две площадки для наземных испытаний несущих винтов, снабженные мощным силовым полом и ограждением по периферии на случай возможного отрыва лопасти несущего винта или ее части.

Остро встал вопрос о создании экспериментального оборудования. Мы задумали целую серию приборов для исследования вертолетов как в аэродинамической трубе Т-105, так и в больших трубах ЦАГИ. Ряд приборов было поручено изготовлять заводам, которые создавали вертолеты. Был привлечен ЦИАМ. Одним словом, наши возможности проведения работ более широким, чем ранее, фронтом существенно возросли.

В пятидесятые годы аэродинамическая труба Т-105 была оснащена рядом экспериментальных установок, имевших шифр МВП: МВП-1, МВП-2 и т.д., что означало модельный вертолетный прибор (с очередным номером). Создано было четыре прибора, их комплекс позволял исследовать модели практически всех схем расположения винтов на вертолете, рассматривавшихся нашей промышленностью. Самое важное заключается в том, что наша лаборатория первой в институте перешла на исключительное использование тензометрии при измерении всех 6 компонентов сил и моментов. Устройства, спроектированные нашими конструкторами, несомненно, очень сложные, ведь весы измеряют силы и моменты в условиях вращения, необходимо создать надежные устройства для передачи сигналов с вращающихся частей аэродинамических весов на неподвижные части. Очень серьезной трудностью при создании приборов для исследования несущих винтов является проблема колебаний. Все эти трудности были преодолены, и аэродинамическую трубу Т-105 оснастили набором приборов для исследования моделей несущих винтов и вертолетов в целом.

Сложнее было с созданием стендов для натурных объектов и крупномасштабных моделей. Фактически создание стенда для натурного объекта мало чем отличается от создания натурного вертолета: отсутствует эксплуатационное оборудование и вооружение, но добавляются измерительные устройства. Вместо газотурбинного или поршневого двигателя внутреннего сгорания чаще всего устанавливается электродвигатель со специальной системой питания. Для обеспечения безопасности при проведении опытов на площадке для наземных испытаний и в аэродинамической трубе во всех стендах было создано дистанционное управление как несущим винтом, так и стендом в целом.

В течение пятидесятых и шестидесятых годов было построено четыре стенда, комплекс которых позволял проводить исследования и несущих винтов натурного размера, и их крупных моделей.

Когда я пришел в 5 лабораторию (я говорю о ее вертолетной части), тематика научной работы находилась еще в стадии становления. Ряд направлений был намечен М.Л. Милем, но все они имели прицел на обеспечение его будущего вертолета необходимыми расчетными и экспериментальными материалами.

Таким образом, помимо создания экспериментальной базы, о которой я уже говорил выше, необходимо было ставить новые направления деятельности лаборатории. Прежде всего, решено было передать в лабораторию прочности ЦАГИ те задачи, которые были включены в тематику нашей лаборатории и не были ей свойственны как аэродинамической лаборатории. С известными трудностями это удалось сделать за исключением проблемы «земного резонанса». Эта тематика так и осталась за вертолетной аэродинамической лабораторией и присутствовала в планах лаборатории еще целый ряд лет.

Расчет несущего винта и разработка методики его проектирования для различных весовых категорий и схем вертолетов занимали значительную часть тематики лаборатории. Это направление возглавлял Л.С. Вильдгрубе – работник с заводским опытом. Он и его группа вели, в основном, расчетные работы со схемой вихрей в форме плоской вихревой пелены. Как известно, эта схема оправдывается при полетах на сравнительно больших скоростях, конечно, без учета влияния сжимаемости среды. Обширные эксперименты на вновь созданных приборах в аэродинамической трубе Т-105 имели своей целью проверку и подтверждение разработанных расчетных методов. Таким образом, совершенствовалась и уточнялась чисто индуктивная сторона явления. Я же, исходя из своего самолетного опыта, считал, что необходимо уделять большое внимание профилю лопасти и пытался привлечь к этой проблеме Л.С. Вильдгрубе и его коллектив. Однако это направление исследований не развивалось, и только пришедшего в группу Вильдгрубе Е.С. Вождаева, моего ученика по МАИ, мне удалось заинтересовать этой темой. Впоследствии, в семидесятые годы, был получен ряд очень удачных профилей для лопастей несущих винтов, нашедших успешное применение на практике.

Другим направлением, которое я хотел с самого начала развить, было определение перемещения и деформаций лопастей в своем крайне прихотливом движении. Интересно было знать, каков же профиль винта при работе и как он расположен. Эта чрезвычайно трудная задача решалась различными способами – тензометрированием лопасти, а также при помощи киноосциллографа. Однако все это было малоэффективно, и существенный сдвиг в решении проблемы произошел только после внедрения в практику лазерной оптики.

Для аэродинамической трубы Т-105 были созданы ЛИИС (лазерные информационно-измерительные системы) «Рельеф» и «Конус», позволившие фиксировать на фотопластинке или экране телевизора картины распределения интерференционных полос на лопасти. Эти картины после расшифровки позволяли мгновенно получить информацию о деформации или перемещениях отдельных элементов лопасти при ее определенном азимутальном положении.

Таким образом, был создан экспериментальный метод, позволяющий определять реальный местный угол установки и реальную деформацию любого профиля лопасти. И геометрия совершенного профиля, и истинная картина притекания потока к определенному сечению лопасти винта могли быть найденными с удовлетворительной точностью.

…В силу особенностей вертолета, у которого несущий винт совмещает источники подъемной силы, продольного перемещения и управления, стало необходимо вводить автоматику, бустерные устройства, автопилоты. Нужно было обеспечивать устойчивость, так как на ряде режимов аппарат неустойчив. Нужно было снижать усилия при управлении, так как на тяжелой машине, а также при росте скорости полета усилия на ручке летчика росли неимоверно. Поэтому, помимо расчетных исследований, необходимо было создавать специальную лабораторию, позволяющую моделировать различные движения винтокрылого аппарата. Это требовало использования аналоговых вычислительных машин, сопрягавшихся с реальными устройствами, взятыми непосредственно с летательного аппарата. Аналоговые вычислительные машины отечественного производства имели дефекты и требовали много времени и усилий для доводки и мелкого ремонта.

После оснащения лаборатории вычислительными машинами, аппаратурой наступила очередь создания пилотажных стендов, которые как бы завершали список необходимого оборудования для компетентного обеспечения рекомендаций авиапромышленности по вновь выпускаемым объектам.

С целью предоставления систематической информации о работах лаборатории мы проводили конференции по аэродинамике и динамике вертолета, на которых докладывались основные интересные работы лаборатории. Постепенно эти конференции стали всесоюзными, на них докладывались работы не только лаборатории ЦАГИ, но и некоторых институтов МАП, например, ЦИАМ а, ЛИИ. Конференции эти приобрели большую популярность, мы систематически публиковали доклады, сделанные на них.

На одной из конференций прозвучал доклад лаборатории, в котором рекомендовалось при создании вертолетов тяжелого класса рассмотреть и продольную схему расположения двух винтов. Опыт создания такого вертолета у нас уже был – вертолет Як-24 успешно летал. К сожалению, А.С. Яковлев решил не развивать вертолетную тематику и небольшое количество этих машин эксплуатировалось вплоть до исчерпания ресурса.

М.Л. Миль, приступая к проектированию своей новой машины более тяжелого класса, сперва думал создать ее по продольной схеме, но затем, проведя первоначальные проектные изыскания, решительно отказался от этого пути решения задачи. Лаборатория ЦАГИ рекомендовала все же проработать продольную схему более основательно. Михаил Леонтьевич все более решительно восставал против этого пути и создал вертолет поперечной схемы В-12.

Для уточнения положения могу сказать, что вертолеты продольной схемы «Боинг- Вертол» (США), эксплуатирующиеся в США, Японии и других странах в последней модификации с максимальным взлетным весом более 21 тонны и полезной нагрузкой около 14 тонн, успешно летают с перспективой использования их и в девяностых годах.

ОКБ М. Л. Миля создало целый ряд хороших вертолетов одновинтовой схемы, составивших основу парка советской вертолетной авиации. Работники ОКБ показали, что они умеют преодолевать серьезные трудности, возникающие при проектировании вертолетов все более тяжелого класса.

Да, XX век к своему финишу создал замечательные образцы летательной техники.

Выдающимся достижением отечественной науки и техники стал вертолет Ми-26, созданный в ОКБ им. М.Л. Миля его преемником Генеральным конструктором М.Н. Тищенко. Замечательных результатов достигло и ОКБ им. Н.И. Камова, возглавляемое Генеральным конструктором С.В. Михеевым. Особенное удовольствие мне доставляет то обстоятельство, что оба эти конструктора были моими учениками в МАИ и слушали мои лекции.

…Для повышения уровня научного авторитета лаборатории я задумал целый ряд мероприятий. Первое из них – это выпуск «Руководства для конструкторов», которое содержало бы комплекс расчетных методов, компоновочных данных и конструктивных рекомендаций при предварительном и техническом проектировании вертолетов. Такое руководство существует у самолетчиков. Эта большая работа закончилась выпуском «Руководства» в начале шестидесятых годов.

К середине шестидесятых годов в лаборатории сложились достаточно отчетливые представления о методах теории несущего винта в различных подходах: линейном, нелинейном, дисковой и лопастной схеме. Целесообразно было выпустить книгу, обобщающую полученные результаты. Книга, как мне представлялось, должна была быть монографией, в которой излагались бы эти различные методы, доведенные до возможности практического применения. Я привлек к этой работе лучших специалистов по теории несущего винта – Л.С. Вильдгрубе, В.Э. Баскина, Е.С. Вождаева. Монография «Теория несущего винта» под моей редакцией вышла из печати в 1973 г. и имела успех, ей была присуждена премия им. Н.Е. Жуковского I степени. Вскоре появился перевод этой книги на английский яэык. В предисловии было прямо указано, что наша теория несущего винта опережает американскую.

Второй монографией, которую я решил выпустить, были «Экспериментальные исследования по аэродинамике вертолета». В эту коллективную работу, авторами которой стали, помимо меня, мои ученики и товарищи по работе В.Ф. Антропов, Г.Б. Бураков, А.С. Дьяченко, П.М. Новоселов, B.C. Липатов и А.В. Степанов, вошло все разнообразие методов и путей экспериментального решения задач, возникающих при конструировании вертолета. Книга вышла в 1972 г., в 1980 г. вышло второе, существенно переработанное издание. Оно было удостоено премии им. Н.Е. Жуковского.

С давних пор у меня создалось убеждение в большой важности учета роли нестационарности обтекания при нахождении сил и моментов, действующих на обтекаемые тела.

В аэродинамике вертолета нестационарность обтекания играет исключительно большую роль. Поэтому в работах 5 лаборатории этому направлению уделялось большое внимание. Часть этих исследований в разделе «Основы нелинейной вихревой теории несущего винта» была опубликована в 1973 г. в вышеупомянутой монографии «Теория несущего винта» и в ряде других работ автора. Эти исследования позволили рассчитывать форму системы вихрей от винта при произвольном обтекании по нелинейной теории.

Основные вопросы нестационарной аэродинамики несущего винта, таким образом, были поставлены, и был получен ряд важных, практических результатов.

…В конце пятидесятых годов к нам обратился Сергей Павлович Королев с просьбой о проведении исследований по торможению спускаемого аппарата с помощью винта, работающего в режиме торможения. К нам прибыл его представитель К.П. Феоктистов (впоследствии летчик-космонавт), который изложил постановку задачи. С.П. Королев искал решение, альтернативное применению парашюта при спуске и приземлении аппарата.

Задача была сложная и многосторонняя. Винт должен был раскрываться на достаточно большой высоте, выдерживать большие нагрузки и, создавая большие тормозящие усилия, обеспечивать мягкую посадку спускаемого аппарата. Поскольку скорости снижения в начальный период движения аппарата в атмосфере были сверхзвуковыми, решение задачи осложнялось. Сложной проблемой была и динамика движения аппарата, начиная с раскрытия винта, регулирования режима его вращения и необходимых углов установки лопастей.

Были проведены теоретические исследования и создан целый ряд моделей для испытания в аэродинамических трубах. Продумывались конструктивные решения, причем было предложено много остроумных идей решения этой далеко не простой задачи. В итоге в одном из институтов МАП по нашим техническим условиям была построена летающая модель аппарата с тормозящим винтом. Эта модель удовлетворяла тем требованиям, которые были поставлены перед тормозящим устройством, обеспечивающим спуск космического аппарата. Однако решение это было очень сложным, и необходимо было бы проводить достаточно обширные натурные испытания.

К этому времени парашютные устройства были значительно усовершенствованы, надежность их повысилась, и С.П. Королев принял решение ориентироваться в дальнейшем на парашютные устройства. Наши исследования в области тормозных устройств существенно обогатили аэродинамику и динамику несущего винта.

БИБЛИОТЕКА