Крылья Сикорского

VS-300

Разработка вертолета началась со стендовых испытаний. Использовалась два стенда: один для испытания несущих винтов, другой - системы управления. Первый представлял собой тележку с установленным на ней мотором, приводящим в движение испытуемый винт. Второй - подвешенное пилотское кресло, соединенное с тремя рулевыми винтами. Один винт обеспечивал управление креслом по крену, другой - по тангажу, третий - по рысканию. Находясь в таком кресле-тренажере, Игорь Иванович и другие исследователи отрабатывали навыки пилотирования. Работа продвигалась медленно. Только в марте 1939 г. после получения Сикорским убедительных результатов правление концерна дало разрешение на разработку чертежей. В июле началась постройка вертолета. Число чертежей было сведено к минимуму - только для системы управления и втулки. Изготовление же всех других частей и деталей осуществлялось по устным указаниям прямо на рабочих местах. Для облегчения последующих изменений и замены деталей конструкция разрабатываемого экспериментального вертолета намеренно выбиралась как можно проще. Так, например, ременная передача от двигателя к редуктору давала возможность без проблем изменять передаточное отношение заменой шкивов. Фюзеляж в виде фермы из стальных труб позволял быстро осуществлять переделки и доработки.

В сентябре 1939 г. постройка вертолета Воут-Сикорский VS-300 (S-46) была завершена. Он имел совершенно примитивный вид. Простой ферменный фюзеляж не был обтянут даже полотном. Летчик открыто сидел на маленьком кресле спереди двигателя. Первоначально использовался небольшой двигатель «Лайкоминг» в 65 л.с. Мощность от него передавалась посредством клиновых ремней вверх на редуктор, от которого приводился простой по конструкции трехлопастный и трех шарнирный несущий винт, оснащенный фрикционными демпферами. Хвостовой однолопастный рулевой винт устанавливался на длинной коробкообразной балке, склепанной из листовой стали. Четыре свободно ориентирующихся колеса шасси располагались ромбом.

При первой же раскрутке несущего винта конструктор встретился с необходимостью отстройки резонансов в конструкции. С этого момента проблема обеспечения динамической прочности конструкции сопровождала Сикорского постоянно. 14 сентября 1939 г. И.И. Сикорский наконец оторвал VS-300 от земли.

Позднее, в 1943 г., когда VS-300 уже готовился к передаче в музей, Игоря Ивановича спросили, что он чувствовал, впервые поднимая машину в воздух, удовлетворение или разочарование. Конструктор ответил просто - и то, и другое. Конечно, он надеялся, что машина взлетит и будет послушна пилоту, но, как водится, не все надежды осуществляются. Вертолет был тяжел в управлении и сильно вибрировал. С присущим ему юмором Сикорский добавил, что сам он дрожал всем телом и ему казалось, что люди на земле вместо вертолета видят какое-то размытое пятно. Мощности явно недоставало для перетяжеленной машины. Она, едва подпрыгнув, через две-три секунды плюхнулась обратно на землю.

Первые подъемы на привязи породили и первые изменения в конструкции - увеличена база шасси для улучшения устойчивости на земле, на хвостовой балке установлена поверхность в индуктивном потоке несущего винта, предназначенная для разгрузки рулевого винта. Несколько позднее была увеличена колея шасси, а в носу закреплена балка с центровочным грузом. По программе вертолет осуществлял лишь кратковременные (1 - 2 мин) подъемы на привязи. В первых же отрывах от земли проявилось отсутствие опыта в разработке автомата перекоса, подборе его кинематики. Был неправильно выбран, с ошибкой почти на 30°, фазовый сдвиг при управлении циклическим шагом несущего винта. Это существенно осложняло управление вертолетом, приводило к раскачке его летчиком. В конце концов в декабре 1939 г. вертолет опрокинулся и сильно поломался, что было весьма некстати, так как именно в это время военные начали распределять деньги, выделенные по биллю Дорси.

В начале 1940 г. Сикорский решил отказаться от автомата перекоса и управление обеспечивать, как на стенде-тренажере, т.е. тремя рулевыми винтами. На хвосте рядом с вертикальным установили два горизонтальных рулевых винта с вертикальными осями. Одновременное изменение общего шага этих горизонтальных винтов должно было обеспечить управление по тангажу, а дифференциальное - по крену. Тогда же был введен механизм коррекции между шагом несущего винта, дросселем двигателя и шагом рулевых винтов. Хвостовая балка приняла форму крестообразной ферменной конструкции. Поверхность в индуктивном потоке сняли.

Прежде чем начать подъемы, новый вариант VS-300 закрепили на шарнирном основании. На таком оригинальном тренажере была опробована эффективность рулевых винтов, получен опыт управления вертолетом новой модификации. В этой конфигурации VS-300 показал хорошую управляемость, и 13 мая 1940 г. Сикорский осуществил первый подъем в воздух без привязи. Затем попробовали небольшие перемещения. Вначале во избежание опрокидывания, как это было в декабре 1939 г., механики подстраховывали вертолет, держась за веревки, но потом, после накопления опыта пилотирования начались, полностью свободные полеты.

Успехи были столь впечатляющи, что Сикорский предложил армии проект дальнейшего развития VS-300 - двухместного вертолета VS-316. В проекте предусматривалось управление посредством трех рулевых винтов. Однако армия предпочла в июле 1940 г. проект Платта и ЛеПейджа - вертолета поперечной схемы, который был принят к разработке как XR-1 (X - экспериментальный, R - rotary - винтокрылый, 1 - первый военный контракт). Несмотря на отказ в поддержке со стороны официальных властей, американские военные летчики с этого времени стали проявлять интерес к работам Сикорского. Горячим его сторонником стал подполковник Ф. Грегори. Этому интересу способствовала и первая публичная демонстрация VS-300, которая состоялась 20 мая 1940 г. в Бриджпорте. Сначала Сикорский вкратце рассказал приглашенным историю вертолетостроения, описал принцип работы вертолета и затем показал его в действии. На присутствующих демонстрация произвела сильное впечатление. Вертолет перемещался вверх, вниз, вбок, назад, неподвижно зависал, разворачивался на месте, правда, не летал вперед. На вопрос президента «Юнайтед Эркрафт», почему он видит только полеты вверх, вбок и назад, но не видит полетов вперед, Игорь Иванович ответил: «Мистер Уилсон, это одна из незначительных инженерных проблем, которую мы пока не решили». Конечно, всю глубину «незначительности» конструктор прекрасно понимал. Как вспоминал впоследствии Сикорский с юмором: «Вертолет проявил такое нежелание летать вперед, что мы даже рассматривали возможность развернуть кресло пилота и позволить ему летать задом наперед».

В июле 1940 г. «Лайкоминг» мощностью 65 л.с. был заменен на «Франклин» в 90 л.с. Вертолет осуществлял уверенные полеты вбок и назад, но при полете вперед по-прежнему оставался необузданным - как выразился Сикорский. Вскоре выяснилась причина этого недостатка. Из-за попадания рулевых винтов в индуктивный поток несущего винта при полете со скоростью 30 - 40 км/ч вертолет становился неустойчивым и почти неуправляемым. Характеристики машины при полете вперед были улучшены путем подъема рулевых винтов и вынесения их из зоны влияния несущего винта. Теперь вертолет мог развивать большую скорость, а 9 августа 1940 г. был совершен первый полет на дальность 250 м.

С помощью Сикорского Ф. Грегори первым из военных летчиков освоил вертолет, правда, не сразу. Ему не удавалось уловить темп и направления отклонения ручки управления, чтобы удерживать машину в заданном положении. Вертолет все время норовил раскачиваться. Грегори после каждой попытки вытирал пот на посеревшем лице. Сикорский с улыбкой утешал пилота, приговаривая, что слово «геликоптер» (по-английски «хеликоптер») происходит вовсе не от «гели», т.е. винт, а от «хиил» - крениться, валиться, и не стоит огорчаться - аппарат вполне оправдывает свое название. Тем не менее военные летчики смогли обуздать «мустанга» и достаточно быстро освоили воздушное родео.

Интерес Грегори к вертолету Сикорского был не простым любопытством. Командование Воздушного корпуса поручило ему отбор проектов вертолетов для армии. Как результат визитов Грегори, Сикорский вскоре получил деньги на разработку VS-316 - двухместного тренировочного вертолета, который мог использоваться для наблюдения, корректировки артиллерийского огня и связи.

С целью улучшения вибрационных характеристик у VS-300 однолопастные рулевые винты были заменены на двухлопастные. Однако полеты по-прежнему сопровождались большими вибрациями. 10 октября 1940 г. при полете со скоростью 30 км/ч на высоте четырех метров произошло усталостное разрушение одного из горизонтальных рулевых винтов. Вертолет накренился и с треском упал на землю. Невредимый Сикорский вылез из-под обломков, постоял несколько минут и сказал: «Я думаю, мы отправим его теперь домой». Через месяц вертолет был полностью восстановлен.

Для улучшения вибрационных характеристик, устранения возможности воздушного резонанса консоли хвостовых рулевых винтов были усилены. Устранено поперечное V консолей горизонтальных рулевых винто в, а сами винты вынесены из потока несущего винта за счет удлинения их валов. Также был поднят и вертикальный хвостовой рулевой винт. В ноябре полеты возобновились, но характеристики при движении вперед по-прежнему оставались неудовлетворительными. Несущий винт отрицательно влиял на эффективность двух задних горизонтальных рулевых. Продолжались аварии из-за воздушного резонанса, что было вызвано недостаточной жесткостью хвостовых консолей. В довершение всего в феврале в полете отказал двигатель. При падении сломались оба рулевых винта. Новый двигатель был получен только в апреле.

Несмотря на все трудности с доводкой VS-300, в начале 1941 г., деятельность компании Сикорского была по достоинству оценена. Руководство ВВС США пришло к выводу, что не стоит рисковать с поддержкой только одного вертолета Платт - Ле Пейджа. В Европе и Азии уже вовсю бушевала война. В случае неудачи Платта и ЛеПейджа американская армия могла остаться без вертолета. Поэтому высокие армейские чины решили поддержать разработку вертолетов двух разных схем и выделили средства на разработку проекта VS-316 (S-47), получившего армейское обозначение XR-4, и постройку одного образца (номера XR-2 и XR-3 были присвоены автожирам фирм «Питкерн» и «Келлетт», также получившим поддержку по биллю Дорси). Учитывая большой объем предстоящей работы и ее особую ответственность, Сикорский после соответствующего отбора пригласил в фирму профессионального летчика-испытателя. Им стал Чарльз Лестер Моррис, или, как звали его друзья, Лес. Работая в фирме Сикорского, он много сделал для доводки вертолетов, большинству из них открыл дорогу в небо.

Апрель и май 1941 г. ознаменовались рядом больших достижений VS-300. 15 апреля был установлен американский рекорд продолжительности пребывания в воздухе - 1 ч 5 мин 14,5 с, а 17 апреля поставленный на поплавки VS-300 совершил взлет с воды и приземлился на сушу. Это был первый в мире полет вертолета-амфибии. 6 мая VS-300 установил мировой рекорд продолжительности пребывания в воздухе для вертолетов - 1 ч 32 мин 49 с. Этим на 15 мин был превышен рекорд, принадлежавший FW-61 с 1937 г. Одновинтовая схема начала завоевывать себе место под солнцем.

Хотя VS-300 показывал неплохие результаты, уже к началу 1941 г. стала очевидной неэффективность системы продольно-поперечного управления посредством рулевых винтов, особенно при полетах с поступательной скоростью. Кроме того, при такой схеме осложнялось обеспечение динамической прочности. На новый вертолет XR-4 решили поставить автомат перекоса. Но прежде его надо было отработать на экспериментальном VS-300. К этому времени целесообразность использования автомата перекоса была уже признана во всем мире, накоплен опыт его разработки, создана теория эквивалентного несущего винта, позволяющая правильно выбрать кинематику.

На отработку на земле автомата перекоса ушла вся весна 1941 г., и только 27 июня было решено начать его летные испытания. Учитывая сложности перехода на новую систему, приняли компромиссное решение. Автомат перекоса был установлен только для поперечного управления. Продольное же осуществлялось по-прежнему горизонтальным хвостовым рулевым винтом, установленным на вертикальном ферменном пилоне перед вертикальным рулевым винтом.

В августе 1941 г. начались испытания вертолета в новой конфигурации. После первых часов летных испытаний стало ясно, что новая «полупродольная» схема открывает верный путь к созданию эффективного и надежного управления. Установка вместо двух горизонтальных рулевых винтов одного улучшила вибрацион-ные характеристики, существенно уменьшила подверженность внешним возмущениям. Однако горизонтальный рулевой винт по-прежнему оставался в зоне влияния несущего, поэтому в октябре его пилон был отодвинут еще дальше назад, непосредственно к вертикальному рулевому винту. Работа же вертикального рулевого винта была признана идеальной. Он достаточно эффективно выполнял функции, аналогичные самолетному килю и рулю направления.

После балансировки несущего винта с целью снижения вибраций вертолет в новой конфигурации достиг скорости 80 км/ч. Теперь в испытаниях большое внимание уделялось исследованию эффективности покрытия тканевой обшивкой некоторых частей конструкции. При этом был сделан вывод о желательности придания фюзеляжу обтекаемых форм. Так, VS-300 «одели поприличнее», чтобы, как говорили шутники, «скрыть его худобу».

Большой вынос вертикальных шарниров в какой-то мере предохранял вертолет от земного и воздушного резонансов. Это было отмечено при испытаниях, проводившихся без изменения циклического шага. Установка же управления циклическим шагом осложнила проблемы динамической прочности. Возросла опасность земного и воздушного резонансов. Так, 2 октября 1941 г. после совершения ряда успешных испытательных полетов С. Глухарев, приземлив вертолет, подруливал к ангару. В этот момент и начался земной резонанс - страшное бедствие первых вертолетов. Однако пилот не растерялся, быстро поднял машину в воздух, выключил двигатели и упал с высоты трех метров. Этим он спас вертолет, правда, сломав хвостовую балку.

В конце ноября 1941 г. Сикорский решил снять с VS-300 хвостовой горизонтальный рулевой винт, а продольное управление также осуществлять изменением циклического шага. Теперь новый вертолет XR-4 отрабатывался с полным управлением циклическим шагом.

8 декабря 1941 г., на следующий день после Перл-Харбора, был совершен первый полет VS-300 в новой и теперь уже окончательной конфигурации. На этот раз машину пилотировал Моррис: Сикорский напутствовал его: «Старайся, Лес, делать все спокойно, не торопясь. У тебя куча времени. И самое главное, если вдруг почувствуешь что-то неладно, шаг-газ вниз и садись. Ты можешь совершить грубую посадку, даже небольшую поломку, но это все-таки лучше, чем если машина выйдет из-под контроля на высоте». Полеты продемонстрировали хорошую управляемость, правда, тенденция к земному и воздушному резонансу оставалась. Воздушный резонанс возникал из-за недостаточной жесткости конструкции фюзеляжа, допускавшей колебания несущего винта в плоскости его вращения. 12 декабря через четыре секунды после взлета на вертолете начались сильные резонансные колебания. Проявив самообладание, Моррис позволил им развиться и только потом приземлил вертолет. Эффективность фрикционных демпферов для гашения колебаний лопастей в вертикальном шарнире была признана недостаточной. Сикорский установил на лопастях дополнительные гидравлические демпферы. Проведенные 31 декабря 1941 г. испытания показали, что резонанс исчез. Подводя итоги 1941 г., можно было отметить:

- общее время пребывания в воздухе вертолета составило 28 ч 35 мин;

- опробованы три совершенно разные схемы управления;

- последняя модификация вертолета с автоматом перекоса дала самые обнадеживающие результаты.

Таким образом, И. И. Сикорский довел до работоспособного состояния классическую одновинтовую схему, предложенную еще за 30 лет до этого другим русским конструктором - Б. Н. Юрьевым.

В новом 1942 г. на VS-300 был совершен ряд успешных полетов. В частности, достигнута скорость, близкая к 100 км/ч. В течение года VS-300 использовался для ведения широкой исследовательской программы. На нем, например, испытывалась эффективность установленного на хвосте стабилизатора, как жестко фиксированного, так и управляемого. Однако в то время данное средство балансировки еще не получило должной оценки и было признано необязательным. Оптимизировалась форма носового обтекателя. Кроме того, VS-300 испытывался с одно- и двухлопастным несущими винтами. Несмотря на упрощавшуюся при этом конструкцию, было отмечено столь сильное усиление вибраций, что решили оставить трехлопастный винт. Всего за время испытаний VS-300 было проведено 18 крупных переделок вертолета, несколько сот мелких изменений, ряд серьезных ремонтов после аварий. За многочисленные изменения, нескладный внешний вид, непокорность и необузданность характера первый вертолет Сикорского получил название «Игоревского кошмара». К концу испытаний из первоначальных частей на вертолете остались только кресло пилота, центральная часть фюзеляжа, топливный бак и два колеса главного шасси. Концепция максимальной простоты конструкции экспериментальной машины полностью себя оправдала. Быстро вносить изменения в конструкцию построенного в 1941 г. внешне эффектного, но тяжелого и сложного вертолета Платт - ЛеПейджа XR-1 было значительно труднее, что и затянуло его доводку, и он не смог конкурировать с XR-4.

К осени 194S г. VS-300 полностью исчерпал себя как экспериментальный аппарат. В октябре он был передан в музей Института Эдисона. К этому времени машина имела общий налет 102 ч 35 мин. Вертолет стал редким экспонатом, заслужившим достойное место в музее всего лишь через четыре года после постройки.

VS-300 доказал всему миру эффективность классической одновинтовой схемы, которая и в настоящее время является господствующей. Его успехи были столь впечатляющи, что ряд конструкторов, и среди них будущие ведущие специалисты мирового вертолетостроения А. Янг, Ф. Пясецкий, Р. Хафнер и другие, занялись схемой с хвостовым рулевым винтом.