Летательные аппараты нетрадиционных схем

Глава 5 Несущий винт

Если говорить об отдельном агрегате, который более, чем какие-либо другие, способен сделать летательный аппарат необычным, так это несущий винт. Схема такого устройства, принцип действия которого первоначально представляли как движение посредством «ввинчивания в воздушную среду», была разработана Леонардо да Винчи около 1500 г. (рис. 5.1). Однако, подобно другим идеям механического полета, потребовалось несколько столетий для появления необходимой для ее реализации технической базы.

Рис. 5.1. Эскиз вертолета Леонардо да Винчи (около 1500 г.).

Первые потенциально работоспособные конфигурации вертолета появились в 1907–1909 гг., после чего начинает развиваться экспериментальное вертолетостроение. В следующие десятилетия лишь очень небольшому числу экспериментальных вертолетов удавалось оторваться от земли и на непродолжительное время зависать в воздухе. Вплоть до 1937 г. ни одному из построенных вертолетов не удалось преодолеть влияние земли или совершить действительно управляемый полет[11]. Появление в 1940 г. принципиально нового проекта вертолета VS-300 Игоря Сикорского (который начал работать над вертолетами в 1907 г.), дало толчок быстрому развитию этого направления авиационной техники. В настоящее время вертолеты различных конфигураций стали широко распространенными летательными аппаратами.

ДОСТОИНСТВА

Основным достоинством несущего винта является то, что он создает подъемную силу, которая не зависит от поступательного движения летательного аппарата. Величина мощности на единицу массы (тяговооруженность) для вертолета остается приблизительно такой же, как и для обычного самолета. Удельная нагрузка на крыло вертолета не определяется площадью крыла (роль которого в данном случае играют лопасти) и зависит от удельной нагрузки на ометаемую винтом площадь. Эта величина равна массе летательного аппарата, отнесенной к площади, ометаемой винтом.

Следующим важным достоинством вертолета является его способность неподвижно висеть над выбранной точкой местности, что имеет важное значение при наблюдении, загрузке или разгрузке в таких местах, где самолеты не могут совершать посадку и т. п. О специфике применения вертолетов можно написать целые книги.

Не требуя поступательной скорости на взлете и некоторых режимах полета, вертолет обычно не имеет крыла и поверхностей управления. Управление полетом осуществляется при помощи несущего винта или нескольких винтов, которые отклоняются в требуемом направлении по командам пилота.

НЕДОСТАТКИ

Как и при любом специализированном применении, достоинства несущего винта сопровождаются существенными недостатками. Основным недостатком винта являются сложность его конструкции и, следовательно, высокая стоимость разработки и эксплуатации. Несущий винт вертолета не связан непосредственно с двигателем, как это имеет место у самолетов, а приводится через сложную систему редукторов и валов. Лопасти винта крепятся к валу с помощью сложного шарнира, обеспечивающего свободное движение ротора относительно вала в вертикальном, боковом и осевом направлениях для изменения шага.

Ресурс основных подвижных узлов вертолета значительно меньше, чем у аналогичных узлов самолетов. Стоимость 1 ч эксплуатации вертолета настолько высока, что небольшие коммерческие вертолеты обычно доставляются к месту работы со своих баз при помощи грузовиков, а не перегоняются по воздуху.

Другим специфическим недостатком вертолетов, с которым столкнулись уже первые разработчики, является тенденция фюзеляжа вращаться (в схеме с одним несущим винтом). Для парирования этого эффекта уже на первых экспериментальных вертолетах использовалось четное число винтов с противоположным направлением вращения.

Конструктивно решить эту проблему можно двумя путями: применением двух расположенных на некотором расстоянии несущих винтов с противоположным направлением вращения (иногда они располагаются с взаимным перекрытием или зазором) или противоположным вращением двух винтов, расположенных на одной оси (соосная схема). Недостатками обеих схем являются повышенные масса, стоимость и сложность конструкции.

Эта проблема оригинально была решена в вертолете Сикорского, построенном по схеме с одним несущим винтом, на котором он применил хвостовой рулевой винт с регулируемым шагом и поперечной горизонтальной осью, отклоняемой по тангажу относительно нейтрального положения. При этом винт работал подобно рулю направления самолета, создавая знакопеременную силу, которая не только парировала момент разворота корпуса вертолета, но и обеспечивала путевое управление. Основным недостатком схемы вертолета с хвостовым винтом является отдача части мощности силовой установки рулевому винту, тогда как на вертолетах с несколькими несущими винтами вся располагаемая мощность силовой установки расходуется на создание подъемной силы.

Все разработанные до 1920 г. экспериментальные вертолеты не были достаточно эффективными. Некоторые важные усовершенствования были реализованы в рамках другой группы летательных аппаратов с несущим винтом, получивших название «автожир».

В 1922 г. испанский конструктор Хуан де Сьерва объединил несущий винт вертолетного типа с фюзеляжем обычного самолета, использовав вместо стандартного крыла несущий винт. Винт не был жестко связан с двигателем, и его вращение инициировалось набегающим потоком при запуске вручную или при пробежке по земле. После этого винт продолжал вращаться в потоке воздуха. Впоследствии для облегчения раскрутки винта перед взлетом был создан специальный привод от двигателя, который затем использовался для ускорения вращения винта. После отключения двигателя шаг лопастей винта можно было увеличить и использовать избыточную мощность для «подскока» автожира в воздух. Однако автожир, в отличие от вертолета, не в состоянии зависать над местом взлета и должен для продолжения полета сразу же использовать тягу обычного тянущего винта.

Первые образцы автожиров имели рудиментарное крыло с элеронами для управления по крену; последние конструкции автожиров уже не имели крыла и элеронов.

Автожир не взлетает вертикально, однако он в состоянии быстрее набирать высоту по сравнению с самолетом эквивалентных размеров и такой же тяговооруженностью. Кроме того, он может садиться почти вертикально; при этом несущий винт работает в режиме парашютирования. Это явление получило наименование авторотации. В природе существует аналогия авторотации: семена клена представляют собой однолопастный несущий винт с высокой частотой вращения относительно центра масс при падении, создающий достаточно большую подъемную силу для существенного торможения при снижении. Благодаря замедленной скорости снижения ветер может далеко отнести семя. Набегающий снизу поток заставляет винт вращаться даже при очень небольшом угле закрутки, создавая подъемную силу.

Автожир был полностью вытеснен в гражданской и военной авиации вертолетом и сохранился до наших дней только в качестве летательного аппарата для развлечений любителей воздухоплавании. Однако в истории авиации он имел огромное значение, так как с ним связаны идеи изменяемого шага винта и лопасти с изменяемым углом установки, а также общая компоновка и аэродинамическая схема, которые позволили успешно разработать вертолет. Фактически он указал другим изобретателям дальнейшее направление развития вертолетов.

Первым вертолетом, которому удалось осуществить продолжительный полет и подъем на высоту больше нескольких метров, был построенный в 1916 г. австрийским лейтенантом Стефаном фон Петрочи в сотрудничестве с профессором Теодором фон Карманом аппарат для замены наблюдательных воздушных шаров, которые использовались в австрийской армии.

Вертолет имел три авиационных ротативных двигателя мощностью 120 л. с. (88,2 кВт), которые устанавливались в трубчатой раме и приводили в движение соосные винты диаметром 2,4 м. Винты были похожи на стандартные деревянные пропеллеры самолета, установленные в вертикальном положении. Общий вид вер толста Кармана Петрочи показан на рис. 5.2. Он не был летательным аппаратом в строгом смысле слова, однако, используя принцип прямой подъемной силы, он мог зависать в воздухе, для чего, собственно, и был создан.

Рис. 5.2. Австрийский вертолет с соосными жесткими винтами Кармана-Петрочи (1916 г.).

Этот вертолет не имел путевого управления и не обладал достаточной устойчивостью. И хотя он мог подниматься на несколько сот футов, его положение фиксировалось лишь при помощи трех специальных тросов.

Наблюдатель располагался в цилиндрической корзине, установленной над винтом на его валу, что было очень ненадежно и исключало возможность спасения летчика при помощи парашюта, которая существовала бы при подвеске корзины по типу воздушного шара. Вместо этого предусматривалось спасение при помощи парашюта аппарата в целом.

При спуске аппарат подтягивался к земле посредством трех тросов, подобно воздушному шару, сохраняя при этом вертикальную подъемную силу (эта процедура была впоследствии использована для посадки морских вертолетов на палубу при сильной качке).

Вертолет Кармана Петрочи не вышел из стадии экспериментов и потерпел катастрофу при выполнении 15-го полета.

Генри А. Берлинер оставил заметный след в истории техники как первый американский конструктор вертолетов. Для полетов он приспособил существующую конструкцию самолет «Ньюпорт 21» времен первой мировой войны (вариант знаменитой боевой модели «Ньюпорт 17» с двигателем мощностью 80 л. с. (58,9 кВт), использовавшейся на последнем этапе подготовки летного состава).

В период с 1921 по 1924 гг. Берлинер опробовал различные варианты компоновки двухлопастных жестких винтов носового двигателя с приводом посредством валов и редукторов. На показанном (рис. 5.3) варианте вертолета установленные под каждым винтом продольные лопатки использовались для частичного путевого управления за счет отклонения потока, сходящего с несущего винта. Это была перспективная концепция, эффективная реализация которой стала возможной лишь после появления конвертопланов с вертикальным взлетом в 1960-х гг.

Рис. 5.3. Американский вертолет «Берлинер» (1922 г.), созданный на базе стандартного самолета «Ньюпор 21».

Другой важной особенностью вертолета Берлинера было применение небольшого винта вертикальной тяги, устанавливавшегося непосредственно перед хвостовым оперением и используемого для управления по тангажу.

Вертолет Берлинера выполнил большое число подскоков с земли, однако дальше таких экспериментов дело не пошло, и конструктор вернулся к более традиционным подходам к проектированию летательных аппаратов. Его вертолет хранится в Национальном музее авиации и космонавтики США.

Одним из наиболее совершенных американских проектов вертолетов, разработанных при официальной поддержке и финансировании вертолетостроения, был четырехвинтовой вертолет Георга де Ботезата, румына по происхождению. Его теоретические разработки показались достаточно убедительными, чтобы авиационная служба Армии США выделила 20000 долл. на проектирование и постройку его вертолета в армейских мастерских в Маккук-Филде (г. Дейтон, шт. Огайо).

Вертолет де Ботезата выполнен в форме крестообразной рамы из стальных труб с одним несущим винтом диаметром 7,6 м на каждом конце рамы и одним двигателем мощностью 190 л. с. (139,6 кВт) в центре (рис. 5.4).

Рис. 5.4. Четырехроторный вертолет румынского авиаконструктора Георга де Ботезата, построенный в 1922 г. для ВВС США.

Считалось, что благодаря схеме с четырьмя несущими винтами вертолет будет обладать устойчивостью по тангажу и крену. Конструкция несущих винтов отличалась одной перспективной особенностью — лопасти имели механизм изменения шага, так что каждый винт допускал регулирование по величине подъемной силы. Хотя при взлетной массе 1630 кг вертолет обладал недостаточной тяговооруженностью и ему удалось всего несколько раз оторваться от земли, 21 февраля 1923 года на нем был установлен рекорд висения, равный 2 мин 24 с. Однако вертолету ни разу не удалось перейти в режим горизонтального полета вперед или вбок. Армия отказалась от дальнейшего финансирования разработок, и проект был оставлен.

Одной из наиболее радикальных попыток устранить тенденцию к вращению фюзеляжа вертолета с одним несущим винтом является проект Мейтланда Б. Бликера. В 1929 г. он заключил соглашение с корпорацией «Кертисс-Райт» о финансировании и постройке вертолета собственной конструкции.

По схеме это был вертолет с одним несущим винтом и одним двигателем фирмы «Пратт-Уитни» мощностью 420 л. с. (309 кВт), расположенным в напоминавшем гондолу фюзеляже, а практически он представлял собой сочетание четырех одинаковых летательных аппаратов, поворачивающихся относительно общей центральной точки на правых консолях крыльев. Каждая лопасть винта имела крылообразную несущую поверхность с горизонтально отклоняющимися поверхностями для управления углом атаки и четырехлопастный винт для создания поступательного движения. Этот летательный аппарат (рис. 5.5) обладал самой большой величиной отношения массы несущего винта к взлетной массе среди всех построенных вертолетов.

Рис. 5.5. Вертолет «Кертисс-Бликер» (1930 г.), на каждой лопасти ротора которого устанавливался воздушный винт для исключения передачи крутящего момента на фюзеляж.

Вертолет Кертисс-Б ликера никогда не летал. После нескольких гонок на земле и взлета на привязи на аэродроме фирмы «Кертисс» в Нью-Йорке произошла поломка приводного редуктора. В связи с мировым экономическим кризисом и снижением интереса к вертолетам работы над этим проектом были прекращены.

Проект вертолета FW61 «Фокке-Ахгелис» был разработан в 1936 г. немецким конструктором Генрихом Фокке под влиянием идей американского конструктора Берлинера, как минимум, в двух принципиальных отношениях. Во-первых, Фокке использовал фюзеляж и двигатель существующего самолета (учебного биплана FW44 «Штиглиц» фирмы «Фокке-Вулф», который был оборудован двумя вынесенными несущими винтами. Как и на вертолете Берлинера, двигатель Сименса SH-14A мощностью 160 л. с. (118 кВт) был установлен в носовой части (рис. 5.6). Малоразмерный винт был оставлен только для охлаждения двигателя, однако благодаря такой конструкции многие считали этот аппарат скорее автожиром, чем вертолетом (Берлинер применил ротативный двигатель с воздушным охлаждением в процессе работы).

Рис. 5.6. Немецкий вертолет FW61 фирмы «Фокке-Ахелис» (1936 г.), один из наиболее удачных вертолетов того времени.

Основное преимущество FW61 перед вертолетом Берлинера заключалось в применении более совершенного несущего винта типа того, который использовал Сьерва на своем автожире. Фокке был хорошо знаком с этой техникой, так как строил по лицензии автожиры «Сьерва» С-19 и С-30.

Для обеспечения управления по крену и в боковом движении несущие винты имели автономную регулировку. FW61 был первым вертолетом с механизмом отсоединения от двигателя, способным совершать посадку в режиме авторотации.

Конструкция вертолета FW61 с самого начала оказалась удачной. Этот вертолет почти сразу стал устанавливать мировые рекорды продолжительности высоты и дальности полета. Одна из наиболее впечатляющих демонстраций его управляемости состоялась в апреле 1938 года, когда летчица Ханна Райч летала на нем в крытом стадионе «Дойчландхалле».

Сыгравший наиболее важную роль в вертолетостроении летательный аппарат VS-300 был построен И. Сикорским в 1939 г. Справедливо утверждается, что до появления этого вертолета промышленное вертолетостроение отсутствовало.

Внешне неуклюжий VS-300 (рис. 5.7) был создан русским конструктором Игорем Сикорским, который занялся вертолетами в 1907 г. (после первой мировой войны он эмигрировал в США и организовал там корпорацию «Сикорски эркрафт», получившую известность своими амфибиями и трансатлантическими летающими лодками).

Рис. 5.7. Один из первых вариантов американских вертолетов серии VS-300 (фирма «Сикорски»), которые произвели революцию в вертолетостроении в конце 1930-х гг.

Обозначение VS-300 не было номером очередной модели Сикорского, так как в 1939 г. это был сорок третий построенный им летательный аппарат. Обозначение VS происходит от начальных букв фирмы «Воут-Сикорски», образовавшейся в результате слияния фирм «Чанс Воут эркрафт» и «Сикорски», входящих в корпорацию «Юнайтсд эркрафт». (Номер 300 соответствует порядковому номеру проектов фирмы «Воут», а не «Сикорски».)

Основной предпосылкой успеха проекта VS-300 было применение хвостовых несущих винтов с регулируемым шагом для парирования вращающего момента и осуществления путевого управления. На первый взгляд, такая система отличается сложностью, так как для управления по тангажу использовались также два дополнительных винта с вертикальным расположением осей. После трех лет интенсивных опытно-конструкторских работ конструкция вертолета была усовершенствована до такой степени, что для управления был достаточен один хвостовой винт. Эта компоновка один основной несущий вит над центром масс вертолета, один рулевой винт в хвостовой части и силовая установка в центре масс стала стандартной для всех последующих вертолетов Сикорского.

51-летний Сикорский лично провел все летные испытания вертолета VS-300 с двигателем мощностью 75 л.с. (55 кВт) (впоследствии заменен на двигатели мощностью 150 л. с. 110 кВт), побил мировой рекорд продолжительности полета и продемонстрировал невиданную для вертолетов маневренность. Полеты на VS-300 были прекращены в 1943 году, и Сикорский сам перегнал его со своего завода в Бриджпорте (шт. Коннектикут) в музей Форда в Дирборне (шт. Мичиган), где вертолет находится в постоянной экспозиции.

Под впечатлением успеха VS-300 Армия США немедленно заказала для испытаний усовершенствованную модель YR-4 с двигателем мощностью 165 л. с. (121.4 к Вт) (буква R соответствует обозначению «Роторкрафт» в Армии США). После этого были заказаны для испытаний 30 вертолетов типа YR-4A и В. За ними последовали 100 вертолетов R-4B с двигателем мощностью 200 л. с. (147 кВт). ВМС заказали 25 вертолетов типа HNS-1 (Н вертолет, N учебно-тренировочный, S Сикорский), большая часть которых была модифицирована из армейских вертолетов R-4B (рис. 5.8). Однако дальнейшее серийное производство было прекращено, так как усовершенствованные модификации были разработаны очень быстро, и модель вертолета R-4 (обозначение было изменено на «Н» в 1943 г.) устарела уже к моменту их поставки.

Рис. 5.8. Вертолет R-4-HNS-1, зависший над посадочной платформой.

Вскоре после окончания второй мировой войны фирма «Белл эркрафт», находившаяся в то время в Буффало (шт. Нью-Йорк), начала выпускать 47-ю модель-небольшой двухместный многофункциональный вертолет. На нем был установлен один хвостовой винт, подобный винту вертолетов VS-300 (последней модификации) Сикорского и R-4 (рис. 5.9).

Рис. 5.9. YH-13H фирмы «Белл» (армейский вариант гражданского вертолета «модель 47»). На снимке запечатлен момент смены экипажа в процессе рекордного по продолжительности полета (57 ч), выполненного в 1956 г. Отметим убранное колесное шасси над полозьями основного.

В этом отношении он стал типовым но конфигурации для всех последующих серийных вертолетов, независимо от габаритов, типа и числа двигателей. Правда, па этой модели был использован двухлопастный несущий винт со стабилизирующим стержнем (конструкция фирмы «Белл»), тогда как на других вертолетах применялись трех- и четырехлопастные несущие винты. Универсальность модели «Белл» 47 в сочетании с небольшими габаритами и относительно низкой стоимостью сделали ее очень популярной в США. Для армии и ВВС было закуплено больше 2000 вертолетов типа Н-13, а для ВМС-178 вертолетов HTL (Н-вертолет, Т-учебно-тренировочный, L-фирма «Белл») и 31 HUL (U — вспомогательный).

Модель «Белл» 47 серийно выпускалась в течение 28 лет и эволюционировала от двухместной модификации ферменной конструкции из стальных труб с двигателем мощностью 175 л. с. (129 кВт) до четырехместной модификации с алюминиевым корпусом и двигателем мощностью 250 л. с. (184 кВт) (рис. 5.10 и 5.11). Всего фирмой «Белл», а также (по лицензиям) английскими, итальянскими и японскими фирмами было построено свыше 500 экземпляров таких вертолетов.

Рис. 5.10. Вертолет HTL-1 с четырехколесным шасси-один из вариантов вертолета «модель 47» фирмы «Белл», использовавшихся авиацией ВМС США.

Рис. 5.11. Рассчитанная на перевозку трех пассажиров «модель 47» фирмы «Белл» со значительно измененной конструкцией фюзеляжа. Использовались как личные вертолеты президента США.

• Серия HRP

Идея применения двух последовательно расположенных несущих винтов восходит к французскому вертолету конструкции Корню, который совершил в 1907 г. 20-секундный подскок. После этого двухвинтовыми вертолетами с продольным расположением винтов перестали заниматься до тех пор, пока к этой схеме не обратился американский конструктор польского происхождения Ф. Пясецкий. Он совершил свой первый полез на одновинтовом вертолете PV–1 в апреле 1943 года и вскоре оценил перспективность двухвинтовой продольной схемы. В 1944 г. он заключил с ВМС США контракт на постройку двухвинтовой модели PV-3. Она совершила первый полет в марте 1945 года, после чего ВМС США заказали еще два экспериментальных вертолета XHRP-1 (X экспериментальный, HR — транспортный вертолет, Р Пясецкий, 1 первая модификация в соответствии с принятой в то время в ВМС США системой обозначений). Первые десять серийных вертолетов HRP-1 начали полеты в августе 1947 года. Транспортный вертолет HRP-I показан на рис. 5.12.

Рис. 5.12. Транспортный вертолет HRP-1 конструкции Пясецкого авиации ВМС США с тандемными роторами.

На этом вертолете был установлен один радиальный двигатель воздушного охлаждения фирмы «Пратт-Уитни» мощностью 600 л. с. (442 кВт) с двумя несущими винтами диаметром 12,5 м, которые приводились в движение через систему валов и редукторов. Взлетная масса вертолета составляла 3630 кг. Таким образом, это был самый тяжелый американский вертолет, а также первый серийный вертолет с двухвинтовой продольной схемой расположения несущих винтов.

Успех вертолетов модели HRP-1, построенных в количестве 20 штук, привел к заказу на усовершенствованную модификацию HRP-2c полумонококовым алюминиевым фюзеляжем и аналогичной ему модели Н-21 для Армии и ВВС США (Н - обозначение вертолета в системе условных обозначений Армии и ВВС).

• «Вертол» 107

В 1956 г. фирма «Пясецки» была реорганизована и получила наименование «Вертол» (сокращение от английского «вертикальный взлет и посадка»). Кроме продолжения работ над военными вертолетами, фирма «Вертол» разработала также коммерческую модель вертолета типа 44 с двигателем «Циклон» фирмы «Райт» мощностью 1150 л.с. (846 кВт). Для уменьшения длины фюзеляжа Пясецкий установил задний несущий винт на пилоне таким образом, что он оказался выше переднего, что позволило создать значительное перекрытие между винтами. Серийное производство этой модели было непродолжительным, так как была разработана усовершенствованная «модель 107» с высокой тяговооруженностью, которую обеспечивало применение ГТД, вращающих приводные валы винта. На этой модели были установлены два ГТД Т-53 мощностью 860 л. с. (633 кВт) фирмы «Лайкоминг». Первый полет 25-местного пассажирского вертолета 107-й модели с экипажем из трех человек состоялся 22 апреля 1958 года. Последующие модификации этой модели до сих пор выпускаются фирмой «Вертол» (с 1960 г. отделение фирмы «Боинг») и строятся по лицензии за пределами США.

На вооружении армии, флота и ВВС США, а также ряда других государств находятся несколько сот военных модификаций вертолета моделей 107 и СН-46 «Си кинг» (рис. 5.13).

Рис. 5.13. Вертолет ВВС Канады «Вертол» 107 демонстрирует возможность загрузки на плаву через кормовой люк.

Более широко выпускался вертолет СН-1В «Чинук», разработанный в 1961 г. (в 1962 г. переименованный в СН-47А). Вначале на нем были установлены два ГТД Т-55 мощностью 2200 л. с. (1619 кВт) фирмы «Лайкоминг», которые были затем заменены двигателями Т-55 мощностью 3750 л. с. (2760 кВт) (рис. 5.14). Взлетная масса действующей модификации СН-47 (разработана в 1983 г.) составляет 22680 кг.

Рис. 5.14. Вертолет армии США СН-47А «Чинук» фирмы «Вертол» с задним ротором, установленным на более высоком пилоне.

Другой подход к проектированию двухвинтовых вертолетов был использован фирмой «Каман эркрафт» (г. Виндзор-Рокс, шт. Коннектикут). Для устранения таких недостатков, как большой размах несущих винтов в схеме с поперечным расположением винтов, большая длина аппарата в схеме с продольным расположением несущих винтов и конструктивная сложность вертолета с соосным расположением несущих винтов, Каман разместил два винта на наклонных валах близко друг от друга и с перекрещиванием лопастей. Вертолет Камана показан на рис. 5.15.

Рис. 5.15. Вертолет авиации ВМС США фирмы «Каман» демонстрирует действия по спасению на море (1958 г.).

Если бы валы не были наклонены (это обеспечивает вращение винтов в различных плоскостях и исключает взаимное зацепление), их пришлось бы устанавливать на расстоянии больше диаметра винта. Впервые наклонная установка валов винтов была применена в Германии Флеттнером во время второй мировой войны, но Каман усовершенствовал эту схему и довел ее до серийного производства.

После проведения летных испытаний и постройки моделей вертолетов с поршневыми двигателями Каман с 1950 года начал получать крупные заказы от ВМС и ВВС США на последующие модели с двигателем мощностью 860 л. с. (633 кВт) фирмы «Лайкоминг». 211 вертолетов для ВВС получили наименование Н-43, а 107 машин для ВМС-НОК (83 шт.) и HUK (24 шт.).

Другая схема одновинтового вертолета с парированием момента разворота фюзеляжа была опробована фирмой «Хиллер геликоптере» (Пало-Альто, шт. Калифорния). Вертолеты этого типа (рис. 5.16) выпускались с 1952 г. в виде двухместных «Хорнетов».

Рис. 5.16 Автор этой книги демонстрирует малые размеры двухместного вертолета армии США YH-32 фирмы «Хиллер» (1956 г.).

Для привода двухлопастных несущих винтов использовались ПВРД (тяга 17 даН) фирмы «Хиллер», устанавливавшиеся на концах лопастей. Топливо подавалось в двигатель через втулку винта. Так как для запуска ПВРД требуется высокая скорость набегающего потока, необходимо обеспечивать предварительную раскрутку винта от другого источника энергии до включения основного двигателя.

Кроме экспериментальной коммерческой модели вертолета, фирма «Хиллер» построила 17 военных моделей: 14 типа YH-32 для Армии и три (НОЕ-1) для ВВС. Все они отличались простотой конструкции и успешно летали. Однако они не нашли практического применения, так как небольшой запас топлива (189 л) позволял им находиться в воздухе всего 20 мин.

Успешное применение небольших двухтактных и даже четырехтактных подвесных лодочных моторов на самолетах личного пользования позволило разработать несколько ультралегких одноместных вертолетов для полета на небольшие расстояния, например, для переброски пехотинцев на другой берег реки.

К вертолетам этого типа относятся как простейшие образцы с внешним вынесенным двигателем, закрепленным за спиной летчика и приводящим во вращение вит над его головой (разработка таких аппаратов вскоре прекратилась), так и более сложные конструкции. Некоторые из этих аппаратов представляли собой летающие платформы, на которых летчик располагался стоя, выше или ниже нескольких соосных несущих винта, с управлением путем наклона в требуемом направлении по типу балансирного планера.

Несмотря на талант разработчиков и затраченные средства, ни один из вертолетов этого типа не вышел за пределы стадии экспериментов. Ниже приводится описание нескольких характерных американских проектов, ни один из которых никогда не выпускался серийно.

• «Хоппикоптер» Пентекоста

Одним из первых миниатюрных вертолетов был «Хоппикоптер» Пентекоста, разработанный в 1946 г. В первом варианте он представлял собой конструкцию с выносным двигателем мощностью 20 л. с. (14.7 кВт), устанавливаемым за спиной летчика и приводящим в движение два соосных несущих винта. Эта модель вскоре была заменена моделью 102 (рис. 5.17) с соосными несущими винтами, стандартным креслом и шасси. Силовая установка состояла из двухтактного двигателя мощностью 35 л. с. (25,7 кВт) и винта диаметром 4,9 м. Взлетная масса аппарата 165 кг.

Рис 5.17 Усовершенствованный вариант вертолета Пентекоста «Хоппикоптер» 1946 г. с традиционным креслом летчика и шасси.

• «Ротокрафт» RH-1

Этот летательный аппарат был построен в 1954 г. и предназначался для транспортировки одного полностью вооруженного солдата на небольшие расстояния. Вертолет имел один несущий винт и хвостовой винт с ременным приводом. Несущий винт приводился от ЖРД тягой 12,7 даН, устанавливавшихся на концах лопасти (рис. 5.18).

Рис. 5.18. «Роторкрафт» RH-1 с ЖРД, установленными на законцовках лопастей ротора.

Двигатель работал на концентрированной (90 %) перекиси водорода; диаметр винта 4,9 м, взлетная масса 181 кг, крейсерская скорость 113 км/ч.

• «Аэросайкл» Делекнера

«Аэросайкл» был разработан А. Делекнером в 1956 г. и представлял собой довольно необычный вертолет. Пилот стоял над винтами, установленными соосно, и управлял по тангажу и крену путем наклона корпуса, а по курсу - при помощи ручки типа мотоциклетной. В качестве двигателя использовался двухтактный подвесной мотор Кикхейфера мощностью 43 л. с. (31,6 кВт). Масса конструкции вертолета 99 кг, дальность полета 24 км, скорость 121 км/ч (запас топлива 3,8 л). Вертолет показан на рис. 5.19.

Рис. 5.19. На «Аэросайкле» Делекнера летчик размещался над соосными роторами аналогично тому, как это делалось на вертолете Кармана Петрочи (1966 г.).

• «Джайродайн»

Этот летательный аппарат (рис. 5.20) был наиболее удачным среди «летающих мотоциклов»; он выпускался небольшими экспериментальными партиями для ВМС и корпуса морской пехоты США в 1960–1961 гг.

Рис. 5.20. «Джайродайн» XRON-1 с автомобильным двигателем «Порше», приводящим в движение соосные роторы.

Два вертолета типа XRON-1 корпуса морской пехоты имели двухтактные двигатели «Нельсон» мощностью 40 л. с. (29,4 кВт), которые приводили в движение соосные несущие винты. Три вертолета типа YRON-1 были оборудованы модифицированными автомобильными двигателями «Порше» мощностью 62 л. с. (46 кВт). Последующие модификации (модели X и Y) были оборудованы ГТД «Солар» Т-62 мощностью 46 кВт на валу. Вертолет модели YRON (с двигателем «Порше») имел винт диаметром 5,2 м, взлетную массу 318 кг и максимальную скорость 109 км/ч.

Автожиры появились после многолетних безуспешных экспериментов с вертолетами. Новый тип летательного аппарата имел только одно сходство с вертолетом — несущий винт. Однако усовершенствования несущего винта, внесенные испанским инженером Хуаном де Сьервой, были использованы в дальнейшем проектировщиками вертолетов и принесли им успех.

Сьерва полагал, что для обеспечения безопасности полета необходим бесштопорный летательный аппарат. Обычный самолет с неподвижным крылом не мог обеспечить выполнение этого требования, поэтому он приступил к исследованиям. Сьерва обнаружил, что несущий винт вращается под действием направленной вниз силы тяжести и набегающего снизу (причем не обязательно под углом 90°, как на мельницах, а под сравнительно небольшим углом, соответствующим углу атаки обычного крыла самолета) потока воздуха.

После этого он установил в вертикальном положении на обычном самолете четырехлопастный винт. Этот летательный аппарат не требовал для взлета крыла, однако для управления по крену ему были нужны элероны, которые он разместил на рудиментарном крыле (рис. 5.21). Сьерва назвал свой летательный аппарат «Автожир» С-1.

Рис. 5.21. Первый удачный автожир Сьервы С-4 после успешного полета в Испании 9 января 1923 г.

Несущий винт приходилось раскручивать перед взлетом вручную или посредством троса, намотанного на вал винта и разматываемого при помощи тележки или наземного техника. После раскрутки несущий винт выводился на нужную частоту вращения в процессе пробежки по земле с достаточно большой скоростью. С-1 был оборудован жесткими лопастями по типу лопастей предыдущих вертолетов, и именно поэтому они не работали. В отсутствие поступательной скорости все лопасти несущего винта движутся примерно с одинаковой скоростью относительно воздушной массы и поэтому создают одинаковую подъемную силу по всей окружности диска винта. При наличии поступательной скорости эта скорость суммируется со скоростью надвигающейся лопасти и вычитается из скорости отступающей лопасти. Это создает неуравновешенную силу на противоположных сторонах диска винта, которая перевернула «Автожир» еще до взлета. Тот же эффект возникал и на моделях С-2 и С-3, и вначале казалось, что аппарату «Автожир» предстоит присоединиться к длинному ряду неудачных проектов вертолетов.

Однако Сьерва нашел решение проблемы путем использования втулки, которая обеспечивала несущему винту три степени свободы. Важным элементом конструкции оказался автомат перекоса, который позволял наступающей лопасти перемещаться под меньшим углом атаки относительно воздушного потока, вследствие чего создавалась меньшая подъемная сила, тогда как отступающая лопасть располагалась под большим углом и создавала большую подъемную силу при меньшей воздушной скорости. Такое изменение величины подъемной силы в процессе циклического изменения шага винта позволяло получать одинаковую силу на обоих сторонах лопасти независимо от изменения скорости потока. Первый полет модели С-4, для которой был использован планер довоенного французского моноплана Депердюссэна с ротативным двигателем Лерона мощностью 110 л. с. (81 кВт), состоялся 9 января 1923 г.

При этом несущий винт выполнил свое назначение, обеспечив более быстрый взлет и крутой угол набора высоты по сравнению с самолетом обычной схемы. Однако «Автожир» с ротативным двигателем не мог успешно летать на малой скорости. Двигатель этого типа имеет два диапазона — холостого хода и полного газа - и может быть задросселирован (и то только непродолжительно) путем отключения зажигания нескольких цилиндров. Дело пошло быстрее после того, как Сьерва построил новый аппарат и установил на нем обычные двигатели.

Дальнейший прогресс был стремительным, в особенности после того, как Сьерва объединился с Гарольдом Питкерном и образовал в 1928 г. в США фирму «Питкерн-Сьерва автожир компани». Питкерн решил проблему запуска несущего винта, разработав приводной редуктор от основного двигателя, который раскручивал винт до заданной скорости и затем отключался (рис. 5.22).

Рис. 5.22. Американский автожир «Питкерн» РСА 2, использовавшийся корпусом морской пехоты под обозначением ХОР-1. Отметим приводной вал, выходящий из задней части двигателя, который служил для предварительной раскрутки ротора перед взлетом

Эта фирма выпустила трехлопастной РСА-2 с двигателем «Райт Уэрлвинд» мощностью 300 л. с. (221 кВт). Автожиры строились по лицензии Сьервы также двумя другими американскими фирмами — «Булл» и «Келлетт», из которых в серийное производство поступили несколько моделей фирмы «Келлетт», а фирма «Булл», прекратившая свое существование в 1932 г. в связи с экономическим кризисом, успела построить только один экспериментальный образец.

Для разворота по крену модель РСА-2 была оборудована элеронами, аналогичными самолетным, которые создавали горизонтальную составляющую вектора подъемной силы. Автожир был снабжен, подобно другим американским автожирам этого времени, небольшим крылом обычной конструкции для установки элеронов и создания небольшой дополнительной подъемной силы при горизонтальном полете.

Следующее важное новшество было введено английской фирмой Сьсрвы «Сьерва автожиро компани». Оно представляло собой складывающуюся втулку, которая позволяла несущему винту отклоняться в требуемом направлении при развороте, исключая тем самым необходимость в элеронах и несущих их поверхностях. Первый полет нового бескрылого аппарата Сьерва С-30, представлявшего собой модификацию С-19, состоялся в конце 1932 года (рис. 5.23).

Рис. 5.23. Бескрылый автожир С-30 английской фирмы Сьервы с непосредственным управлением (1932 г.).

Последним этапом совершенствования автожира была разработка процедуры «взлета с подскоком», т. е. вертикального взлета. Однако он был возможен лишь сразу же после начала поступательного движения, так как несущий винт (который вводился в режим повышенной частоты вращения с малым шагом, затем отключался и изменением общего шага создавал максимальную подъемную силу) при этом свободно вращался и для поддержания вращения нуждался в набегающем потоке.

Хуан Сьерва погиб в авиационной катастрофе на гражданском самолете в декабре 1936 года. Это была катастрофа как раз того типа, для исключения которого он разработал свой «Автожир».

Постройка аппаратов «Автожир» небольшими сериями продолжалась во всем мире несколькими фирмами до второй мировой войны, во время которой специфические, однако ограниченные характеристики этого летательного аппарата не могли найти широкого применения. К концу войны более высокая универсальность вертолетов с несущим винтом конструкции Сьервы дала вертолетам решающее преимущество перед автожиром и позволила им завоевать такие важные позиции в гражданской и военной авиации, о которых Сьерва и не мечтал.

Единственной областью успешного применения автожиров после второй мировой войны было любительское воздухоплавание. Пионером (и до сих пор ведущей фигурой в этой области) остается Игорь Бенсен, владелец фирмы «Бенсен эркрафт» (г. Рейли, шт. Сев. Каролина).

В конце войны появилась идея создания парашюта с вращающимся крылом для точного приземления грузов, сбрасываемых с самолета. Для реализации этой идеи Бенсен построил летательный аппарат типа автожира с двухлопастным несущим винтом, устанавливавшимся на простой раме с тремя колесами и креслом пилота. Ручка управления по тангажу и крену крепилась к втулке поворотного несущего винта (рис. 5.24).

Рис. 5.24 Первый любительский автожир второго поколения В-8 «Джайрогпайдер», созданный в 1954 г. И. Бенсоном. На снимке аппарат буксируется автомобилем вдоль ВПП аэропорта.

Этот аппарат получил наименование «Джайроглайдср» В-8 и для взлета буксировался тягачом по длинной взлетно-посадочной полосе или соответствующей площадке. Первый полет аппарата состоялся в 1954 г.

Хотя этот аппарат позволял поднять пилота в воздух только на небольшое время, его привлекательной особенностью было то, что Федеральное авиационное управление США рассматривало В-8 как вид летающего змея, что не требовало получения специального разрешения на право полетов.

Бенсену скоро удалось найти подходящий двигатель - четырехтактный «Мак-Куллоф» 0-100, применявшийся для военных мишеней, и превратить свой планер в настоящий автожир, получивший наименование В-8М «Джайрокоптер» В-8М (М моторизованный). Двигатель устанавливался за спиной пилота и служил для привода толкающего винта. Так как он был сконструирован из расчета небольшого срока службы, потребовалась значительная конструктивная доработка модели 0-100 с целью достижения необходимой надежности пилотируемого летательного аппарата.

На большей части «Джайрокоптсров» была сохранена планерная ручка управления, однако некоторые пилоты предпочитали ей ручку управления самолетного типа (рис. 5.25).

Рис. 5.25. Два B-8M «Джайрокоптер» Бенсона: ближний со стандартными органами управления, а дальний с ручкой управления, напоминающей самолетную.

Существуют многочисленные небольшие различия в конструкции этих аппаратов, большая часть которых относится к фонарю и смотровому щитку. В некоторых из этих аппаратов для запуска несущего вин га используется двигатель от авиационных моделей. Обычная же процедура запуска заключается в том, что пилот приподнимается, делает вручную несколько оборотов винта, а затем выполняет пробежку по земле для набора аппаратом необходимой скорости.

Благодаря огромной популярности этого винтокрылого летательного аппарата их численность сегодня превышает общую численность всех остальных автожиров гражданского и военного назначения, построенных в период с 1920-х гг. до мировой войны.