Вертолет, 2003 № 03

Винтокрыл Ка-22

Идея создания летательного аппарата вертикального взлета и посадки, подъемная сила которого создается комбинированной несущей системой, состоящей из одного или двух несущих винтов и крыла, занимала умы авиаконструкторов многих стран. В середине прошлого века первые подобные экспериментальные аппараты были построены в США и Англии, чуть позже, в 1960 году – в нашей стране. Создатель винтокрыла Николай Ильич Камов, взявшись за работу над Ка-22, еще раз доказал, что не боится проблем, неизбежно возникающих при создании новых сложных летательных аппаратов.

Работу над «проектом X» (такое наименование получил летательный аппарат у разработчиков) начали в 1952 году. Первоначально винтокрыл представлял собой самолет Ли-2, на который сверху устанавливались соосные винты. Когда этот самолет сняли с производства, изготовили новый фюзеляж. В соответствии с военно-транспортным назначением фюзеляж винтокрыла по вместимости был соизмерим с фюзеляжем самолета Ан-10, вмещавшим до 5 тонн груза. Носовая часть фюзеляжа (кроме пилотской кабины) поворачивалась вбок таким образом, чтобы военная техника могла заезжать в грузовую кабину сзади, а выезжать спереди, и наоборот.

Летательный аппарат был создан по поперечной схеме. Концы наступающих лопастей винтокрыла на максимальных скоростях имели околозвуковое обтекание. Опыт войны в Корее показал, что от звуковой волны самолета, летящего на малой высоте с околозвуковой скоростью, не только бьются стекла в окнах домов, но и происходит разрушение ветхих зданий. Избежать этого негативного явления на винтокрыле удалось благодаря «баттерфляю» – такому типу вращения винтов, при котором левый винт вращался по часовой, а правый – против часовой стрелки.

Крыло Ка-22 располагалось под несущими винтами. Для уменьшения потерь на его обдувку на режиме висения сделали отклоняемые на 90° закрылки, занимавшие по длине половину размаха крыла.

На винтокрыле сначала установили двигатели Ивченко, а потом Соловьева. Суммарная мощность двух двигателей достигала 11400 л.с. К несущим винтам мощность подавалась на вертолетных режимах, к тянущим винтам – на самолетных. На вертолетных режимах полета винтокрыл управлялся несущими винтами (общий, циклический и дифференциальный общий шаг), а на самолетных – рулями высоты, элеронами и рулем направления. Кроме того, на винтокрыле была система управления режимом, работы двигателей и гидравлическая автоматическая система управления шагом тянущих винтов, которая обеспечивала в процессе перехода от режима висения к полету с поступательной скоростью «переливание» мощности от несущих винтов к тянущим.

Управление летательным аппаратом, осуществлялось с помощью штурвала, педалей, рычага управления общим, шагом и сектора газа. Надо сказать, что штурвальное управление тангажом и креном, пришедшее с тяжелых самолетов, создавало большие неудобства в эксплуатации, так как левая рука у пилота была занята управлением общим шагом.

Большую помощь КБ Камова в работе над новой машиной оказали специалисты ЦАГИ: И.В. Ананьев, Л.С. Вильдгрубе, Н.Н. Корчемнин, М.К. Сперанский, В.А. Федулов, Б.Я. Жеребцов, Я.М. Серебрийский, А.Ж. Рекстин, Т.А. Француз, И.О. Факторович, Э.В. ТЬкарев. В ЦАГИ была испытана механизированная модель винтокрыла Ка-22, вес которой превышал 200 кг.

Весной 1959 года Ка-22 транспортировали с территории завода на летную станцию. Процесс был непростым, так как винтокрыл нужно было перевезти через железнодорожные пути. Ка-22 перевозили глубокой ночью, чтобы не мешать движению электропоездов (контактную сеть над переездом разобрали).

На подготовку к первому полету винтокрыла потребовалось несколько месяцев. Летчик-испытатель Д.К. Ефремов внимательно изучал технику пилотирования Ка-22 при наземных гонках, не допуская его отрыва от земли. Опытному летчику, испытывавшему до этого вертолет Ка-15, ко многому приходилось привыкать заново. В кабине Ка-15 Ефремов сидел на высоте примерно 0,5 м от земли, а тут – на высоте 7 м. В Ка-15 летчик располагается рядом с центром, тяжести, в винтокрыле – далеко впереди него. В такой ситуации сложно было понять, куда движется летательный аппарат и чем. управлять – штурвалом или педалями. Взлетный вес Ка-15 был 1400 кг, винтокрыла – 35 тонн, диаметр винтов Ка-15 – 10 м, винтокрыла – 22 м. Нагрузка на ометаемую площадь на винтокрыле, по сравнению с Ка-15, выросла в 2,5 раза и достигла 45 кг/мА.

В один из дней наземных испытаний произошел неприятный инцидент: мощность из-за отказа передалась на тянущие винты и винтокрыл, как танк, помчался на заторможенных колесах прямо на стоящих недалеко людей. Ефремов не растерялся, сначала отклонил педали и только потом, когда винтокрыл повернул в сторону, выключил двигатели. Надо отметить, что при наземных гонках многие недостатки Ка-22 были выявлены и устранены.

Для исследования особенностей устойчивости и управляемости винтокрыла специалисты ОКБ Камова Э.А. Петросян и Л.Ф. Батраков создали первый в стране пилотажный тренажер. Стенд-тренажер Т-1 (1958 г.) имел открытую кабину, основу которой составляла ферма вертолета Ка-10. На ферме были установлены рычаги управления с вертолета Ка-15, к которым. подсоединялись потенциометрические датчики. Сигналы с них поступали в электроинтегратор ИПТ-5, на котором были набраны уравнения исследуемого объекта. Позади кабины пилота размещался двухстепенной динамический стенд (имевший следящий привод, заимствованный от системы управления авиационной пушкой), на платформе которого был установлен эпидиаскоп. С его помощью на экран, расположенный перед пилотом, проецировалось изображение летного поля.

Автор этой статьи в конце 1958 – начале 1959 года занимался на тренажере Т-1 исследованием боковой устойчивости соосного вертолета Ка-15. При этих исследованиях изображение силуэта самолета на экране накренялось относительно вертикали на угол, равный углу крена, и смещалось по горизонтали на изменение угла курса. По рекомендации Л.Ф. Батракова была применена прямая индикация, то есть вид с борта на землю.

При первом же знакомстве с тренажером, шеф- пилот фирмы Д.К. Ефремов забраковал прямую систему индикации и потребовал изменить ее на обратную (вид с земли на борт), отметив, что характеристики устойчивости и управляемости вертолета Ка-15 на тренажере похожи на наблюдаемые в полете. Он же предложил заменить силуэт самолета на переплет остекления кабины, что и было сделано. Исследования устойчивости и управляемости, проведенные на тренажере Э.А. Петросяном, В.Ф. Батраковым, B.C. Дорданом. и другими, позволили объяснить ряд сложностей в управлении винтокрылом.

Для управления по крену шаг у одного винта увеличивался, а у другого уменьшался. Нарушалось равенство крутящих моментов, и при вращении типа «баттерфляй» винтокрыл начинал резко разворачиваться в сторону возникшего крена. Для парирования разворота приходилось отклонять педаль на значительно большую величину, чем на обычных летательных аппаратах.

Носовая часть фюзеляжа Ка- 22 с входам в грузовую кабину

Испытательный стенд силовой установки и несущего винта Ка-22

Для управления по курсу использовался дифференциальный циклический шаг (один винт наклонялся вперед а другой назад). При таком управлении машину кренило в сторону, противоположную изменению курса, так как угол атаки одного винта увеличивался, а другого уменьшался. Причем с ростом скорости этот кренящий момент увеличивался. Чтобы устранить такую «паразитную» связь, пришлось создать механизм отключения в полете вертолетного путевого управления. Управлялся этот механизм вручную, в дальнейшем предполагалось управлять им по сигналу скорости. В процессе исследований тренажер постоянно совершенствовался. На нем было выполнено много разных исследований, например, на этом тренажере космонавты отрабатывали посадку на Луну.

По результатам первого полета винтокрыла состоялся методсовет ЛИИ МАП. Специалисты ЦАГИ рекомендовали первый полет делать без тянущих винтов, ЛИИ – без несущих винтов. Н.И. Камов решил по- своему: и с несущими, и с тянущими винтами. К сожалению, методсовет не настоял на установке катапультных сидений (катапультирование было возможно, так как лопасти винтов не проходили над кабиной и килем) и замедлителей ухода тянущего винта на малый шаг (замедлители для исключения неприятностей устанавливались на самолетах Ил-18, Ан-10 и др.). Эти упущения в дальнейшем, не оставляли экипажам, винтокрылов шансов на спасение жизней.

Первый отрыв винтокрыла от земли состоялся 17 июня 1959 года (до первого полета лопасти винтокрыла прошли испытания на вертолете Ми-4). Готовясь к испытаниям, Д.К. Ефремов летал на самолетах Ан-8 и Ил-18, приобретая необходимый опыт пилотирования на режимах полета «по-самолетному».

В одном, из полетов на этапе набора высоты оторвало хвостовую секцию лопасти с триммером, и Ефремов вынужден был совершить полет по малому кругу и на меньшей высоте, чем. было в задании. 11 ноября 1959 года ЛИС ОКБ Камова посетили Министр авиационной промышленности П.В Дементьев и Главком. ВВС К.А. Вершинин. Для них был выполнен показательный полет Ка-22. Это позволило Министерству авиационной промышленности уже в 1960 году принять решение о строительстве малой серии Ка-22 на Ташкентском авиационном заводе.

В августе 1960 года винтокрыл был продемонстрирован в полете Председателю Верховного Совета СССР Л.И. Брежневу и председателю военно-промышленной комиссии при Совете Министров СССР Д.Ф. Устинову.

Первые полеты выявили недостатки нового летательного аппарата. Нуждалась в улучшении конструкция лопасти, нужно было принимать меры по борьбе с фретинг-коррозией, усиливать рукав втулки. При проектировании рукава втулки принималось, что нагрузка на рукав в плоскости вращения определяется моментом демпфера в вертикальном шарнире. Такая рекомендация была сделана на основе анализа нагружения рукава на ранее построенных вертолетах. Однако на винтокрыле вертикальный шарнир был вынесен необычно далеко, на 8% радиуса винта, и нагрузки от силы, которую передает шарнир, оказались очень большими и превышали нагрузки от демпфера.

Продольная ось рукава втулки была направлена вдоль продольной оси лопасти и проходила на расстоянии от носика лопасти, равном 1/4 хорды. Для улучшения устойчивости махового движения лопастей по предложению Д.К. Ефремова рукав сместили назад и повернули его с таким расчетом, чтобы продолжение оси рукава пересекало расстояние 1/4 хорды в сечении лопасти на относительном, радиусе r = 0,7.

При испытаниях лопастей с повернутыми рукавами втулки на натурном стенде возник «взрывной» флаттер, что привело к разрушению натурного стенда НС-22 с мотогондолой, несущим, и тянущим винтами. Испытания на тренажере показали, что управляемость существенно улучшается при изменении направления вращения винтов (с «баттерфляя» на «брасс»). Летные испытания подтвердили улучшение управляемости, но наступающие лопасти над кабиной создавали такой шум и вибрации, что пришлось возвращаться к прежнему направлению. Однако были и приятные сюрпризы. Опасных вибраций и резонансов, которые были ранее у вертолетов поперечной схемы и которых очень боялись, не оказалось. Этими вопросами на фирме занимался Б. Литваков.

Ка-22 в сборочном цехе Ташкентского авиазавода

В одном из полетов на месте второго пилота вместо Е. Евдокимова полетел молодой пилот А. Елсуков. Он случайно перевел мощность двигателей с несущих винтов на тянущие, и оказалось, что это совсем не опасно, как ожидалось. Увидев это, Ефремов после перевода винтокрыла на полет «по-вертолетному» повторил этот режим еще раз.

Поскольку летные испытания продвигались медленнее, чем. намечалось, Н.И. Камов принял решение пригласить для облета винтокрыла летчиков-испытателей ЛИИ Ю.А. Гарнаева и В.В. Виницкого. Д.К. Ефремов при облете исполнял обязанности второго пилота, Гарнаев в свойственной ему манере сразу начал энергичное увеличение скорости, но винтокрыл при этом начал быстро скользить и крениться вправо. Находящийся на правом сиденье Ефремов, зная технику пилотирования Гарнаева, управления не бросил и перевел винтокрыл на режим торможения, приведя его в нормальное положение перед зависанием. Пилотирование винтокрыла Виницким. характеризовалось большими для этого летчика отклонениями органов управления, но особой ситуации не возникало.

Винтокрыл Ка-22 был показан на авиационном празднике в Тушино 9 мая 1961 года и вызвал огромный интерес, как в нашей стране, так и за рубежом. На Ка-22 было установлено 7 мировых рекордов подъема на высоту: два на 2588 м без груза; пять – на 2588 м с грузом в 1000, 2000, 5000, 10000 и 15000 кг; рекорд подъема максимального груза 16485 кг на высоту более 2000 м.

На одной из встреч с ветеранами авиации Н.И. Камова спросили: «Чем Ка-22 отличается от Ми-6?». Камов ответил: «Винтокрыл взлетает и садится по-вертолетному, а летает по-самолетному. Ми-6 взлетает и садится по-самолетному, а летает по-вертолетному». В то время это соответствовало действительности. Ресурс лопасти винта Ми-6 был очень мал (около 25 часов), и для его экономии не разрешалось взлетать и садиться по-вертолетному.

Судьба, казалось, благоволила к новому летательному аппарату, однако две катастрофы Ка-22 коренным образом изменили ситуацию. В 1962 году, накануне шестидесятилетия Н.И. Камова два винтокрыла перегоняли из Ташкента в Москву. Командирами экипажей были Д.К. Ефремов и Ю.А. Гарнаев. При заходе на посадку по- самолетному на аэродроме города Джусалы 28 августа 1962 года Ка-22 потерпел катастрофу, экипаж Д.К. Ефремова погиб. В состав экипажа входили: второй пилот Олег Яркин, штурман Василий Школяренко, инженер по летным испытаниям Вадим Николаев, бортрадист Борис Поляничко, бортмеханик Иван Куслицкий, экспериментатор Юрий Емельянов. В ОКБ Камова и на Ташкентском. авиационном, заводе очень тяжело переживали трагедию (в составе экипажа были и работники Ташкентского авиационного завода).

При изучении упавшего винтокрыла нашли развинтившийся тендер в тросовой проводке поперечного управления. Было установлено, что тендер не был законтрен при изготовлении. Смотровой лючок находился далеко от тендера, и дефект не был обнаружен при эксплуатации винтокрыла. Некоторые члены Государственной аварийной комиссии считали, что тендер мог развинтиться при ударе о землю. Однако в эксперименте это не подтвердилось. Однозначно причину катастрофы комиссия не установила. Так как результаты моделирования поведения винтокрыла при рассоединении тендера и наблюдавшийся завал винтокрыла вбок практически совпали, то, по мнению автора, катастрофа произошла именно по этой причине.

Тросовая проводка была заменена жесткой, и испытания винтокрыла были продолжены. Ведущим летчиком на винтокрыле от ОКБ стал Герой Советского Союза, Заслуженный летчик-испытатель СССР Ю.А. Гарнаев. Винтокрыл успешно закончил заводские испытания и передавался на Государственные испытания военному заказчику. Однако во время одного из сдаточных полетов произошла вторая катастрофа. Командир экипажа Герой Советского Союза, Заслуженный летчик-испытатель СССР полковник С. Бровцев и помощник ведущего инженера от ОКБ А. Рогов погибли. Второй пилот Ю. Гарнаев, ведущий инженер В. Дордан и бортмеханик А. Бахров спаслись на парашютах.

…Катастрофа произошла утром, примерно в 7 часов З5 минут, я сам в это время был недалеко от места катастрофы. Раздался резкий, все усиливающийся звук, характерный для раскрутки тянущего винта. Винтокрыл сначала развернуло примерно на пол оборота в горизонтальной плоскости, а затем он начал стремительно пикировать, но экипаж сумел вывести винтокрыл из пике. Затем оторвалась и упала (во двор частного дома, к счастью, не причинив вреда) мотогондола с несущим и тянущим винтами. Винтокрыл начал энергично заваливаться на бок, и появились три парашюта со значительной задержкой друг от друга (прыгали Гарнаев, Бахров, Дордан). Чувствовалось, что и после этого винтокрылом кто-то пытается управлять, стремясь отвести его от железной дороги. Винтокрыл перелетел полотно железной дороги и упал рядом с платформой «Ухтомская». Управлявший винтокрылом С. Бровцев потратил время на отвод винтокрыла от железнодорожного полотна и запоздал с прыжком. Покинув винтокрыл, он попал в тянущий винт. А. Рогов сидел на кресле позади пилотов и покидал винтокрыл через дверь грузовой кабины. В условиях пикирования он не мог быстро до нее добраться, успел только сбросить дверь и вывалился с нераскрытым парашютом уже на землю.

Падение винтокрыла наблюдали сотни человек, находившихся в районе подмосковных станций Ухтомская, Косино, а также города Люберцы. Машинисты остановили электрички и открыли двери, что спасло многие жизни, так как некоторые части винтокрыла упали на железнодорожное полотно и порвали электропроводку.

Комиссия установила, что катастрофу вызвал резкий разворот винтокрыла по курсу, но однозначно не установила причину такого разворота. Длительное изучение и моделирование ситуации убедило меня, что катастрофа началась с резкого ухода одного из тянущих винтов на малый шаг. Этому способствовало отсутствие замедлителей ухода шага тянущих винтов на малый шаг, что являлось крупным недостатком системы управления.

Причиной отрыва мотогондолы, по-видимому, явился дисбаланс на несущем винте из-за повреждения одной из лопастей створкой фонаря, сброшенной для подготовки к покиданию машины. Комиссия так и не установила причину катастрофы. Этому способствовало и то, что контрольно-записывающей аппаратурой фиксировались не все параметры, которые могли бы что-то прояснить. Причины катастроф не были принципиально связаны с идеей винтокрыла. Они явились следствием, упущений при проектировании, изготовлении и эксплуатации отдельных систем.

Винтокрыл Ка-22 в полете

В 1970 году была опубликована работа М.Л. Миля «Боковая балансировка, управляемость и устойчивость. Двухвинтовые вертолеты поперечной схемы», в которой он попытался объяснить обе катастрофы Ка-22 его недостатками принципиального характера. По его мнению, при поперечном управлении у одного несущего винта общий шаг увеличивается, а у другого уменьшается. Несущий винт с большим, шагом попадает в срыв, у него увеличивается потребный крутящий, а следовательно, и реактивный момент, вследствие чего возникает неуправляемый момент, разворачивающий винтокрыл в путевом отношении. Эта позиция явно ошибочна, так как при первой катастрофе винтокрыл заходил на посадку по-самолетному, скорость была мала и запасы по срыву велики. Во втором, же случае катастрофа произошла, когда он находился на самолетном режиме полета, то есть несущие винты имели малый общий шаг, близкий к авторотационному, а управление в поперечном отношении осуществлялось с помощью элеронов, а не несущих винтов.

…Идея создания летательного аппарата с поперечным расположением винтов не оставляла конструкторов. Несмотря на трагически сложившуюся судьбу «первопроходца» Ка-22, в ОКБ М.Л. Миля ее постарались воплотить в сверхтяжелом вертолете В-12. Но и эта машина в серию не пошла, правда, по другим, причинам, чем камовский винтокрыл.

Наши западные коллеги в США продолжали работы по созданию винтокрылов (конвертопланов), хотя их также преследовали неудачи. Вернутся ли в будущем конструкторы к идее создания летательного аппарата типа Ка-22, сказать трудно, но опыт, полученный при его проектировании и создании, безусловно, пригодится еще не одному поколению конструкторов винтокрылой техники.

Иван Григорьев, ЛИИ им. Громова