Крылья Сикорского

НЕМНОГО ИЗ ИСТОРИИ ВЕРТОЛЕТОВ

Трудно установить, какая из идей полета появилась первой: посредством крыла или несущего винта. Игрушки - прообразы несущего вин га были известны еще в древности. Они представляли собой маленький винт, насаженный на круглую палочку, которая раскручивалась ладонями. Китайский философ Го Хун еще в 320 г. указывал на несущий винт как на средство путешествия по воздуху. Первый набросок вертолета был сделан в 1480 г. Леонардо да Винчи, а в 1754 г. М- В. Ломоносов предпринял попытку построить малоразмерный вертолет для подъема в воздух метеорологических приборов. Однако все работы по созданию вертолетов, проводившиеся до конца XYTL в., носили случайный характер и оставались неизвестными для современников, пока, наконец, в 1784 г. Французская Академия Наук официально не признала вертолет одним из возможных средств передвижения по воздуху. Этому способствовало массовое увлечение воздухоплаванием и авиацией, последовавшее вслед за полетом в 1783 г. воздушного шара братьев Монгольфье.

С начала XIX в. разработка проектов вертолетов и постройка летающих моделей приняли систематический характер. Особенно повысился интерес к вертолетам с 60-х годов XIX в., когда стала очевидной сложность достижения управляемого полета на летательных аппаратах легче воздуха. Из различных способов «механического летания» идея «ввинчиваться в воздух посредством пропеллера» казалась наиболее привлекательной. Однако все предпринимавшиеся в XIX в. попытки создания натурного вертолета оказались неудачными из-за плохих аэродинамических характеристик несущих винтов и отсутствия легкого двигателя. Ситуация изменилась в начале XX в. в связи с появлением легких двигателей внутреннего сгорания и накоплением знаний по аэродинамике несущих винтов.

24 августа 1907 г. на четырехвинтовом вертолете братьев Луи и Жака Бреге и профессора Шарля Рише впервые был поднят в воздух человек. Вскоре, 13 ноября 1907 г., был осуществлен подъем в воздух на двухвинтовом вертолете Поля Корню, имевшем продольную схему. Первые маленькие успехи способствовали развитию идеи винтокрылого полета. Многие изобретатели в разных странах пытались осуществить на практике эту идею, однако видимость близкой реализации оказалась мнимой. Слишком много появилось перед энтузиастами трудностей, которые уровень знаний того времени преодолеть не позволял. Возможности первых вертолетов были ограниченны.

Попытка Сикорского построить в 1909-1910 гг. вертолет, как мы знаем, не увенчалась успехом. Переключив свою энергию на самолеты. Сикорский добился выдающихся успехов, но при этом никогда не отвергал идеи вертолета и внимательно следил за ее развитием. Винтокрылая авиация между тем продолжала медленно, но верно развиваться. В 1914 г. на шестивинтовом вертолете Б. Мумфорда (Великобритания) был совершен полет с поступательной скоростью, а 4 мая 1924 г. четырехвинтовой вертолет Э. Эмишена (Франция) первым пролетел по замкнутому маршруту в один километр - сделал подобие обычной «коробочки». Существенное улучшение аэродинамических характеристик несущих винтов н появление легких и мощных двигателей позволили оснастить вертолеты средствами, обеспечивающими управляемый сбалансированный полет.

В целом наилучшие результаты з первой четверти XX в были достигнуты на вертолетах многовинтовой схемы. Так, 17 апреля 1923 г. на американском четы-рехвинтовом вертолете Ботезата были подняты в воздух четыре пассажира. Конструктором аппарата был не кто иной как, старый знакомый и соратник И.И. Сикорского по Петербургу профессор Г.А. Ботезат. Как мы знаем, в 1917 г. он руководил строительством и одновременно работой крупного авиационного центра - «Авиагородок» в Херсоне, создаваемого еще по планам царского правительства. Г.А. Ботезат, как и многие другие выдающиеся специалисты, оказался после революции за океаном, где его с распростертыми объятиями принял Национальный аэронавтический комитет (НАСА) США. Ученому были предоставлены все условия для продолжения начатых еще в России исследований. Военное ведомство заказало Ботезату вертолет, который был построен уже в 1922 г. Судя по быстрой реализации проекта, его научная, а может быть, и конструкторская проработка была осуществлена еще в России. Четыре несущих винта обеспечивали вертолету большой запас подъемной силы и, кроме того, неплохую устойчивость. Эта машина вошла в историю как первый американский армейский вертолет. Испытания его были далеко не ординарным событием, и Томас Эдисон даже поспешил поздравить конструктора с созданием «первого действительно успешного вертолета». Однако армия США в 1924 г. прекратила ассигнования на разработку вертолетов, посчитав ее преждевременной.

Многовинтовая схема была признана слишком громоздкой. Она усложняла и без того ненадежную в то время конструкцию вертолета. Построить же удачный одно-или двухвинтовой вертолет пока не было возможности.

Если уж мы заговорили об истории создания вертолетов, то следует сказать, что российские инженеры-эмигранты сыграли важнейшую роль в становлении зарубежного вертолетостроения. В 1919 г. продолжил свои исследования во Франции основатель Кучинского аэродинамического института Д. П. Рябушинский. Его исследования, в том числе еще в России, стимулировали в какой-то степени развитие теоретических основ создания вертолета. Крупные научные исследования по вертолетной тематике провел в Париже в 20-е годы талантливый ученик Н. Е. Жуковского В. С. Маргулис. В 30-е годы во Франции предпринял разработку преобразуемого винтокрылого аппарата с убираемым в полете несущим винтом известный конструктор и изобретатель И.И.Махонин. Фундаментальные исследования по вертолетам провел в 20 - 40-е годы в Бельгии ученик С. П. Тимошенко и Н. Е. Жуковского, бывший ученый секретарь Технического комитета управления военно-воздушного флота России Николай Флорин. Им было построено и испытано четыре вертолета оригинальной схемы.

Во второй половине 30-х годов разработку вертолетов возобновил с небольшой группой русских эмигрантов Г. А. Ботезат, сколотивший к тому времени состояние на производстве винтов и вентиляторов собственной конструкции. В эту группу, в частности, входил и известный нам В. В. Сергиевский. Преждевременная смерть ученого помешала испытаниям построенных им аппаратов соосной схемы *Ботезат-2» и «-5», прервала разработку намеченной программы создания вертолетов различных классов - от легкого, индивидуального пользования до тяжелого многовинтового. Конкурентом И. И. Сикорского по созданию вертолетов стал также бывший морской офицер, Георгиевский Кавалер» главный технический консультант авиации Гоминдана, а в 40 - 50-е годы - руководитель разработки вертолетов на фирме «Мак-Дон не л л», талантливый конструктор К. Л. Захарченко. Перечень таких блестящих имен можно продолжить.

Если для современных конструкторов большой честью является получение премии имени И. И. Сикорского. то для ученых, занимающихся разработкой вопросов науки о винтокрылых аппаратах, ие менее престижной считается премия имени А. А. Никольского, основоположника аэродинамики винтокрылых летательных аппаратов и организатора высшего «вертолетного» образования в США. Первые вертолетостроители начинали в 40 - 50-е годы освоение новой профессии с книг и учебников бывшего офицера армии Колчака.

Русские фамилии очень часто встречаются в зарубежной «вертолетной» истории. В британском патентном фонде даже имеется проект вертолета, разработанный в 1928 г. представительницей известного княжеского рода М. Юсуповой.

Мы упомянули далеко не все имена, их множество. Недаром И. И. Сикорский, как никто другой знавший историю создания вертолета и имевший представление о вкладе своих соотечественников в разработку винтокрылой техники, как в России, так и за рубежом, в кругу семьи неоднократно замечал: «Вертолет - это русское изобретение».

Решению ряда важных проблем винтокрылых летательных аппаратов способствовало и создание в 20-е годы выдающимся испанским конструктором Хуаном де ла Сьерва первого работоспособного винтокрылого летательного аппарата - автожира. Летные испытания автожиров стимулировали разработку Г. Глауэртом и К. Локком теории винтов, позволявшей создавать несущие винты с высокими аэродинамическими характеристиками. Одновременно с этим методы Хуана де ла Сьерва заложили основы исследования проблем динамической прочности. Введение им в практику горизонтального и вертикального шарниров крепления лопастей к втулке уменьшило переменные напряжения в комле лопастей и существенно повысило их надежность, а также улучшило пилотажные характеристики винтокрылых аппаратов. Отработанные на автожирах конструкции лопастей и втулки применялись в вертолетостроении вплоть До 60-х годов. Разработанная теория ротора, полученный опыт конструирования лопастей и втулки автожира, различные способы подвески, огромный объем экспериментальных данных позволили решить проблему достаточно эффективного, надежного и прочного несущего винта вертолета.

* Подробно о творческой деятельности Хуана де ла Сьерва см.: Катышев Г. И. Создатель автожира Хуан де ла Сьерва. М.: Наука. 1986. 159 с.

На автожирах была опробована эффективность различных органов управления, в том числе и автомата перекоса. Полеты на автожирах практически подтвердили возможность посадки на авторотации. Эксплуатация автожиров позволила выявить области эффективного применения винтокрылых аппаратов, определить их место в авиации. На автожирах учились летать будущие летчики-вертолетчики. Однако возможности автожиров по сравнению с вертолетами были ограниченны. Они не могли висеть в воздухе, осуществлять вертикальные подъемы и спуски, совершать поступательные перемещения вбок и назад. Это ограничивало их распространение. Поэтому ни в 20-е, ни в 30-е годы не прекращалась разработка и постройка вертолетов. И в конце 20-х - начале 30-х годов вертолетостроение добилось результатов, непосредственно предопределивших успехи вертолетов второй половины 30-х годов.

На совершенствование специфического вертолетного агрегата - трансмиссии на рубеже 30-х большое влияние оказали прогресс в развитии автомобильных передач и разработка редукторов для высокооборотных двигателей. Освоение новых авиационных материалов дало возможность вертолетостроителям существенно увеличить диаметры несущих винтов, что в совокупности с новыми легкими двигателями позволило отказаться от конструктивно сложных и громоздких двух-и многовинтовых схем с винтами, расположенными рядом. Почти все вертолеты, построенные с середины 20-х и до второй половины 30-х годов, имели либо один, либо два соосных несущих винта. Успехи, достигнутые на этих вертолетах, позволили впервые заговорить о возможности разработки вертолетов, пригодных для практического применения. Одновинтовая схема вертолета, которая стала выделяться как наиболее перспективная, имела длинную историю. Автором ее следует признать великого Леонардо да Винчи. На его знаменитом проекте 1489 г. изображен вертолет, оснащенный одним несущим винтом. В XIX веке были известны уже почти все возможные способы парирования реактивного момента несущего винта, лежащие в основе дифференциации одновинтовых схем. Француз Косею впервые в 1845 г. предложил для путевого управления одновинтовым вертолетом боковые рулевые винты, а немец Ахенбах в 1874 г. первым спроектировал вертолет с хвостовым рулевым винтом. Затем появились многочисленные проекты одновинтовых вертолетов с рулевыми винтами для путевой балансировки. Среди отечественных конструкторов следует упомянуть С. С. Неждановского, В. И. Ребикова и С. О. Ощевско-го-Круглика. Последний даже предпринял в 1908 - 1909 гг. попытку построить натурный вертолет. Однако завершение формирования классической одновинтовой схемы с хвостовым рулевым винтом произошло в 1921 г. благодаря работам Б. Н. Юрьева. После нескольких лет расчетов, конструкторских проработок и экспериментальных исследований в лаборатории Московского технического училища он решил применить на одновинтовой схеме с хвостовым рулевым винтом автомат перекоса, предназначенный для продольно-поперечного управления. Его натурный вертолет, наряду с самолетом С-6А И. И. Сикорского, был представлен в 1912 г. на второй международной выставке воздухоплавания в Москве и был награжден Малой золотой медалью Московского общества воздухоплавания. В 1913 - 1914 гг. попытки постройки одновинтовых машин с хвостовым рулевым винтом предпринимали Э. Берлинер в США, Г. Внллар в Бельгии и Р. Перси в Новой Зеландии, однако все они успеха не имели. Их аппараты, как и вертолет Юрьева, не смогли оторваться от земли. Уровень техники был еще недостаточен.

При выборе схемы ЦАГИ 1-ЭА был учтен опыт первых попыток создания одновинтового вертолета, и в первую очередь Б. Н. Юрьева. Это в какой-то степени и предопределило успех. При испытаниях этого вертолета в 1932 г. была достигнута высота 605 м, когда официальный мировой рекорд составлял всего 18 м. Значительно меньшую высоту, 150 м , французский вертолет «Бреге-Доран» «взял» в рекордном полете только в 1936 г.

Одновременно интенсивно велись работы и в других странах. В Великобритании, бывшей в то время центром исследований по винтокрылым летательным аппаратам, больших успехов добился Р. Хафнер, в Италии - К. Асканио, в Бельгии - Н. Флорин. Возобновил работы по винтокрылой тематике Л. Бреге во Франции. В Германии начал разработку своего вертолета Г. Фокке.

Прогресс развития винтокрылых летательных аппаратов, как уже упоминалось, был постоянно в поле зрения И. И. Сикорского. В 1929 г. он пришел к выводу, что успешный вертолет стал возможен. Для работы над созданием практического вертолета для начала надо было выбрать схему. С 20-х годов как среди проектов, так и среди натурных вертолетов наибольшее распространение получили различные одновинтовые схемы. Наличие только одного несущего винта существенно упрощало конструкцию фюзеляжа и трансмиссии, повышая надежность вертолетов. Кроме того, одновинтовая схема считалась привлекательной благодаря компактности и малому лобовому сопротивлению. Сказывалось влияние и успешно летавших одновинтовых - автожиров. Другая распространенная в то время схема - соосная - считалась менее перспективной из-за более сложных трансмиссии и системы управления, вредных последствий взаимовлияния несущих винтов. Существенной специфической проблемой одновинтовой схемы являлся выбор наиболее эффективного способа парирования реактивного момента несущего винта, что определило большое разнообразие одновинтовых схем.

Желание полностью обойтись без трансмиссии, а также рулевых виитов или других средств уравновешивания реактивного момента несущего винта, вносящих дополнительный вес и усложняющих конструкцию, привело к распространению среди натурных вертолетов конца 20-х - начала 30-х годов так называемой схемы Вельнера, при которой несущий винт приводился в движение посредством пропеллеров, установленных по концам его лопастей. Однако ни одному из построенных вертолетов не удалось добиться сколько-нибудь значительных результатов из-за низкой эффективности пропеллеров, больших центробежных и кориолисовых сил, ломавших лопасти и затруднявших работу двигателей.

Учитывая этот опыт, некоторые конструкторы пришли к выводу, что пропеллеры на концах лопастей целесообразно заменить на реактивный выхлоп предварительно сжатого и подведенного к лопасти газа. Именно такую схему предусмотрел в первом своем проекте, запатентованном в 1929 И. И. Сикорский. Вертолет предполагалось создать на базе амфибии S-38 с заменой крыла на несущий винт, приводимый сжатым и разогретым воздухом, подаваемым от компрессора, расположенного в фюзеляже (патент США № 1848389). Пропульсивная сила и путевое управление должны были обеспечиваться установленными по бокам пропеллерами, продольно-поперечная балансировка - наклоном оси несущего винта. Интересной особенностью проекта было то, что сжатый воздух должен был использоваться не только для приведения во вращение, но и для повышения аэродинамической эффективности несущего винта. Такой способ именуется в настоящее время управлением циркуляцией на лопастях и считается одним из перспективных способов повышения аэродинамических характеристик несущего винта и управления винтокрылым летательным аппаратом. Однако создание работоспособного вертолета с реактивным приводом несущего винта было нереально при уровне знаний и техники того времени, поэтому Игорь Иванович занялся разработкой вертолета с механическим приводом»

Среди схем с механическим приводом наибольшее распространение в 20 - 30-е годы получила схема, при которой для компенсации реактивного момента несущего винта использовались поверхности в индуктивном потоке несущего винта. В США большую работу по этой схеме провел в 30-е годы будущий конкурент нашего героя В. Ле Пейдж.. Первоначально ее рассматривал и И. И. Сикорский. При такой схеме можно было обойтись без трансмиссии и избежать потерь мощности на привод рулевого винта. Но схема имела и недостатки. Эффективность поверхностей сильно зависела от режима полета и резко снижалась в зоне влияния земли, где турбулентный поток сильно нарушал равномерность обдувки поверхностей. Также не удавалось достичь равномерной обдувки поверхностей при их установке в индуктивном потоке толкающего пропеллера. От обеих схем И. И. Сикорскому пришлось отказаться. Для компенсации реактивного момента несущего винта конструктор предпочел использовать высокоэффективный на всех режимах полета рулевой винт, который предполагалось установить сзади на хвостовой балке. Для продольно-поперечного управления вертолетом он предусматривал использовать автомат перекоса.

К концу 30-х годов вертолетостроение достигло больших успехов. Особенно ощутимые результаты были получены на построенном в 1936 г. вертолете немецкого конструктора Г. Фокке. В июне 1937 г. его FW-61 установил мировой рекорд высоты - 2439 м и скорости - 123 км/ч, а в октябре - мировой рекорд дальности - 109 км. В июне 1938 г. уже была достигнута дальность 230 км, а в январе 1939 г. - высота полета 3427 м. Вертолет установил мировой рекорд пребывания в воздухе - 1 ч 20 мин. Это были внушительные успехи. Демонстрация же управляемости ошеломила даже скептиков. Летчица Ханна Райч летала внутри выставочного павильона. Теперь летно-технические характеристики вертолета уже были сопоставимы с характеристиками легкомоторных самолетов. Надежность и работбспособность конструкции, а также пилотажные характеристики были признаны столь высокими, что Г. Фокке получил заказ на разработку серийного транспортного вертолета. Построенный в 1940 г. шестиместный FA-223 был запущен в 1941 г. в небольшую серию.

Успехи немецкого вертолетостроения оказали влияние на правительства других стран, где были приняты решения также приступить к постройке собственных вертолетов, годных к практическому применению. Конгрессом США в 1938 г. был принят так называемый билль Дорси, названный по имени выдвинувшего его представителя штата Пенсильвания Ф. Дорси. Билль предусматривал выделение 3 млн долларов на создание для американской армии винтокрылых летательных аппаратов. Хотя из этих миллионов не все средства пошли на «винтокрылые» нужды, билль Дорси сыграл важную роль в стимулировании американского вертолетостроения.

Вертолет Фокке-Вульф FW-61 сыграл не только положительную, но и отрицательную роль в развитии вертолетостроения. Дело в том, что FW-61 имел редкую к моменту создания поперечную схему. Поперечная схема, единственная из всех возможных, обеспечивала аэродинамическую симметрию, что способствовало существенному улучшению пилотажных характеристик. Последнее особенно импонировало конструкторам того времени, стремящимся достичь пилотажных характеристик, подобных самолетным. Во всем мире началось массовое увлечение поперечной схемой, в которой видели панацею от всех бед. Причем многие конструкторы прекратили доводку вертолетов других схем, в том числе и одновинтовой. Среди тех немногих, кто в конце 30 -х годов оставался верен одновинтовой схеме, сторонников схемы с хвостовым рулевым винтом не было. Только Сикорский свято верил в будущее выбранной схемы и в 1938 г. приступил к созданию натурного вертолета. Конструктор был глубоко убежден в правильности выбранного пути.