Создатель автожира Хуан де ла Сьерва (1895-1936)

Глава 2 Первые автожиры

В 1919 г. Хуан де ла Сьерва по настоянию отца — видного политического деятеля, министра — выставил свою кандидатуру в кортесы и был выбран депутатом от провинции Мурсия. Итак, в один год столько важных событий: окончание Высшей школы дорожных инженеров, получение парламентского кресла, постройка трехмоторного бомбардировщика, радостные перспективы и крушение надежд молодого авиаконструктора. В том же году произошло еще одно важное событие — женитьба на Марии Луисе Гомес-Асебо.

После свадьбы Хуан де ла Сьерва снял квартиру недалеко от родителей на улице Альфонса XII в доме № 34. Женитьба мало изменила его привычки и наклонности. Молодые редко бывали в обществе, избегали шумных компаний, вечеринок и званых обедов, зато часто посещали театр и музыкальные концерты.

Потеря самолета направила мысль Хуана де ла Сьервы на поиск совершенно нового способа летать. Основное направление поиска — исключить опасность потери скорости летательным аппаратом. Для этого он решил отказаться от принципа получения подъемной силы фиксированным крылом самолета и стал искать решение другим путем. Сначала он обратился к орнитоптеру и геликоптеру[3]. Принципы их полета были известны еще с древности, но на практике никто так и не смог построить нормально летающий аппарат, хотя, разумеется, попытки были.

Орнитоптер — это летательная машина тяжелее воздуха, которая получает подъемную силу за счет машущих крыльев. В течение всей своей истории человек хотел уподобиться птице и подняться в небо, но никто этого сделать не сумел, если не считать героев легенды Дедала и Икара. Идея же геликоптера основана на получении подъемной силы за счет вращения винта на вертикальной оси, приводимого в движение двигателем. Многие развивали эту идею, но до практической машины было еще далеко. Первый геликоптер, который поднялся в воздух с человеком на борту, был построен братьями Бреге и профессором Рише. Это произошло 29 сентября 1907 г. в Дуа. Подъем, однако, был условным: четыре человека с шестами поддерживали устойчивость машины. Первый же «свободный» подъем осуществил Поль Корню, который 13 ноября того же года поднялся на своей двухроторной машине на несколько метров без какой-либо поддержки с земли. После первой мировой войны работы в области геликоптеров велись почти во всех промышленно развитых странах. Здесь можно назвать имена Пескары (Испания), Ботезата и Бликера (США), Баумхауэра (Голландия), д’Асканио (Италия), Эмишена и Бреге (Франция), Фокке и Флеттнера (Германия). Результаты первых работ по геликоптерам в одной стране, как правило, были мало известны в других странах, и часто развитие новых идей в этой области шло параллельно и независимо друг от друга.

В России был также выполнен ряд интересных проектов. Еще в начале 1907 г. военный инженер К. А. Антонов начал разработку проекта геликоптера, который был построен три года спустя. Два винтовых колеса — несущие винты — состояли из отдельных алюминиевых треугольных пластин — лопастей. Лопасти могли поворачиваться вокруг продольных осей. Небольшой винт по замыслу автора должен был создавать горизонтальную тягу. На аппарате стоял 35-сильный двигатель. Испытания положительных результатов не дали.

Геликоптер, построенный в 1909 г. студентом Киевского политехнического института И. И. Сикорским, имел два соосных двухлопастных винта, которые приводились в движение двигателем мощностью 25 л. с. (двигатель был сильно изношен). К весне 1910 г. Сикорский построил второй геликоптер. Он имел два трехлопастных винта и новый двигатель мощностью 25 л. с. Аппарат весил 180 кг. Конструктор не довел своей работы до конца, направив в то время усилия на создание самолетов.

В 1911 г. студент Московского технического училища (впоследствии академик) Б. Н. Юрьев разработал проект оригинального геликоптера. В средней его части размещался двигатель «Гном» мощностью 70 л. с. Машина имела несущий и рулевой винты. Для обеспечения управляемости геликоптера в полете был предусмотрен автомат перекоса, который позволял менять направление тяги несущего винта, а следовательно, и направление полета. В конце 1911 г. Юрьев разработал второй вариант (построен он был только в начале 1912 г.) — одновинтовой геликоптер, у которого диаметр двухлопастного несущего винта составлял 8 м. Реактивный момент несущего винта компенсировался с помощью рулевого винта, установленного в конце хвостовой фермы. Оба винта приводились во вращение двигателем мощностью 32 л. с. через трансмиссию. Весной 1911 г. этот геликоптер демонстрировался на Второй Международной воздухоплавательной выставке в Москве. Конструктору была присуждена золотая медаль за разработку принципиально новых конструктивных элементов геликоптера. Этот аппарат по ряду причин не смог подняться в воздух, но его схема и автомат перекоса дают полное право считать его прародителем современных вертолетов [3, с. 207].

В начале 20-х годов геликоптеры поднимались на высоту нескольких метров и совершали полеты на расстояние в несколько сот метров (мировой рекорд дальности полета по прямой геликоптера Эмишена 17 апреля 1924 г. составлял 736 м [4, vol. 6, р. 323]). Причинами такого медленного улучшения летных характеристик были сильные вибрации, плохая управляемость и устойчивость и невозможность планирования при остановке двигателя. Конструкторы настойчиво искали пути разрешения проблем, работали над устранением этих недостатков, но ничего революционного, принципиально нового пока никто предложить не мог.

Наряду с попытками создания нормального летающего геликоптера велась научно-исследовательская работа, в том числе в аэродинамических институтах, среди которых Николай Егорович Жуковский в 1910 г. отмечал три первых по значению: Римский, Институт Цама в США и Аэродинамический институт в Кучине [5, с. 123], созданный в 1904 г. и являвшийся первым в России учреждением такого рода. Создание этого института и начальный период его деятельности связаны с именем Н. Е. Жуковского. Научные результаты, полученные в Кучинском институте и опубликованные в его «Бюллетенях», получили положительную оценку не только в России, но благодаря их изданию на французском языке и за границей [4].

Теперь мы сделаем небольшое отступление, которое может иметь прямое отношение к изобретению де ла Сьервы. Вот что пишет основатель и директор Кучинского института Д. П. Рябушинский в брошюре, посвященной десятилетию института: «Главные результаты, которые я получил в Аэродинамическом институте, состоят в следующем: я систематически исследовал гребные винты и нашел общие законы функционирования этого замечательного механизма. В этих исследованиях я не ограничился изучением области пропеллеров, но захватил также область ветряных мельниц и область, в которой винты бросают жидкость по направлению движения, — это дало мне возможность получить очень полную картину явления. Добытые результаты я выразил при помощи нескольких простых формул, которые в настоящее время используются на практике. Мною были указаны основания вихревой теории винта и графический метод, в котором по осям координат непосредственно отлагаются отношения нулевого размера. Я изучил также опытно и теоретически винты, гребущие на месте и при боковом ветре; нашел и объяснил несколько любопытных явлений, имеющих большой теоретический интерес, как самовра-щение (курсив мой. — Г. К.) тонких пластинок» [6, с. 5].

Будем снисходительны к стилю изложения автора и персонализации им всех институтских работ. Отметим только, что результаты исследования воздушных винтов и самовращения симметричной пластинки были опубликованы в 1909 г. в «Бюллетене» Кучинского института на французском языке. Учитывая тот факт, что ла Сьерва хорошо знал французский язык и в то время читал об авиации все, что могло попасть в его руки, не так уж невероятно, что он мог ознакомиться с «Бюллетенем». В этом случае зерно могло упасть на давно подготовленную почву, искра могла вызвать огонь мысли.

После анализа уже накопленного человечеством опыта по изучению проблем орнитоптера и геликоптера ла Сьерва посчитал их довольно сложными в механическом и аэродинамическом планах. Он пришел к выводу, что проблему безопасности в значительной степени можно решить, если удастся создать систему крыльев, которые двигались бы относительно аппарата, будучи с ним конструктивно связанными, и, кроме того, поддерживали бы это относительное движение без необходимости применять двигатель. По утверждению некоторых биографов ла Сьервы, и в частности Хосе Варлеты, первоначальная идея исходила от детской игрушки — так называемой «китайской вертушки». Наблюдая плавные снижения «вертушки», ла Сьерва пришел к мысли, что существуют режимы, на которых винт может самовращаться (авторотировать) [7].

На практике же проблема состояла в том, чтобы результирующая подъемной силы каждого крыла задуманной системы одновременно побуждала бы его к движению относительно аппарата. Ла Сьерва изучил различные варианты и остановил свой выбор на системе крыльев, которые вращались бы вокруг почти вертикальной оси. Он назвал ее ротором. Ротор был предназначен для выполнения тех же функций, что и несущий винт вертолета, но в отличие от последнего ротор аппарата не приводился в движение двигателем, он свободно вращался под действием набегающего потока воздуха — авторотировал. Для поддержания авторотации необходимо, чтобы набегающий поток подходил к диску с некоторой составляющей, направленной кверху, т. е. диск всегда должен иметь положительный угол атаки по отношению к набегающему потоку. Для поступательного движения аппарат должен иметь двигатель с тянущим (или толкающим) винтом, как у обычного самолета. В набегающем потоке ротор способен поддерживать режим авторотации на углах атаки до 90°, т. е. при вертикальном снижении аппарата.

Конструктор геликоптеров Пескара [5] за несколько лет до этого запатентовал самовращающийся ротор, но с отрицательным шагом лопастей, т. е. как у обычной ветряной мельницы. Особенность открытия ла Сьервы состояла в том, что ротор с положительным углом установки лопастей в несколько градусов, будучи раскрученным, при поступательном движении аппарата продолжал вращаться в набегающем потоке и создавал подъемную силу. Набегающий поток побуждал ротор к вращению, но при этом в отличие от ветряной мельницы ротор вращался в другом направлении. Эффект авторотации ла Сьерва открыл, когда ему было 25 лет. Он сразу же его запатентовал и приложил максимум усилий, чтобы использовать этот эффект на практике.

Ла Сьерва поначалу назвал систему самовращающихся крыльев «аутохироптеро» (ауто — само, хиро — вращение), потом сократил это слово до «аутохиро» («autogiro»), поскольку оно показалось ему «слишком греческим, слишком длинным и слишком тяжелым». К нам же слово «автожир» пришло из французского (autogire).

Решив применить принцип авторотации на летательном аппарате, ла Сьерва, как и все его предшественники, пытавшиеся создать геликоптер, столкнулся с проблемами асимметрии ротора в горизонтальном полете. Известно, что лопасть, которая идет вперед навстречу набегающему потоку, при том же угле атаки создает большую подъемную силу, чем та, которая идет назад, в силу чего появляется опрокидывающий момент в поперечной плоскости в сторону лопасти, идущей по потоку. Чтобы избежать асимметрии, ла Сьерва принял обычную для того времени схему двух соосных роторов, вращающихся в противоположных направлениях.

1 июля 1920 г. ла Сьерва подал заявку на получение патента «Новый авиационный аппарат». Патент № 74322 был выдан 27 августа 1920 г. Он охватывал основные принципы свободно вращающегося ротора для создания подъемной силы. В черновике к этому патенту есть слово «автожир», однако в окончательной редакции оно было опущено. Уже после нескольких успешных полетов автожира ла Сьерва направил 10 февраля 1923 г. запрос на регистрацию слова «автожир» — «чтобы отличать летательные аппараты с вращающимися крыльями». Сертификат № 49038 был выдан 7 ноября 1923 г. [7, р. 28].

Для первого автожира, названного С-1, использовали фюзеляж от старого моноплана «Депердюссен», который ла Сьерва раздобыл в школе гражданских пилотов в Хетафе. На него поставили ротативный двигатель «Рон» мощностью 60 л. с. Крылья сняли, а над фюзеляжем установили два четырехлопастных ротора, лопасти которых имели «жесткую» заделку во втулке. Диаметр роторов составлял 6 м. Верхний должен был вращаться по часовой стрелке, если смотреть сверху, нижний — в противоположном направлении. Роль элеронов должна была выполнять вертикальная плоскость, расположенная над роторами, которая могла поворачиваться влево и вправо и давать при поступательном движении момент относительно продольной оси симметрии. Хвост был оставлен в первоначальном виде. Вес аппарата составлял 350 кг.

С-1 был готов к испытаниям в октябре 1920 г. Аппарат имел такой необычный вид, что только фанатик неба, жаждущий летать на чем угодно, или родственник, спасающий честь семьи от насмешек, мог взяться за его испытания. Капитан Фелипе Гомес-Асебо был и тем и другим. Он приходился Хуану шурином и за несколько дней до испытаний получил звание пилота первоначального обучения. И в дальнейшем ла Сьерве — фанатику винтокрылой авиации — везло на таких преданных авиации людей.

Испытания проходили на мадридском аэродроме Хетафе. Мелькающие лопасти раскрученных роторов создавали впечатление уличной драки, за что аэродромные остряки и прозвали аппарат «ла бронка» («потасовка»). После первоначальной раскрутки ротора Гомес-Асебо прорулил по полю и начал пробежку. Оба ротора вышли в режим авторотации в ожидаемых направлениях, однако нижний вращался намного медленнее верхнего. Изобретатель предвидел этот эффект, однако не предполагал, что скорость нижнего ротора будет почти на треть меньше расчетной. Таким образом, суммарная подъемная сила левой стороны роторов была больше правой и вызывала тенденцию к опрокидыванию.

Автожир С-1. 1920 г.

Из-за поломки двигателя было проведено только одно испытание, однако оно уже давало возможность сделать по крайней мере два вывода: 1) авторотация — это факт; 2) для компенсации смещения аэродинамической результирующей требуется новое решение.

Разумеется, ла Сьерва мог бы добиться вращения роторов с одинаковой скоростью за счет применения зубчатой передачи, но эту идею он отверг, считая, что система получится громоздкой. Кроме того, циклическое изменение аэродинамических сил, прикладываемых к высоко вынесенному верхнему ротору, потребовало бы, по мнению ла Сьервы, значительного усиления конструкции и как следствие увеличения ее веса. Так он пришел к выводу, что целесообразнее применить один ротор.

Используя полученный опыт, Хуан де ла Сьерва с присущей ему твердой последовательностью принялся за решение проблемы создания ротора со сцентрированной аэродинамической результирующей, который он назвал «компенсированным» ротором. Для получения такой результирующей лопасть, идущая назад по потоку, должна работать с большим углом атаки, чем та, которая идет вперед. Поскольку подъемная сила каждого сечения лопасти находится в прямой зависимости от квадрата скорости набегающего потока и от угла атаки, ла Сьерва полагал, что эти два фактора могли бы иметь такое сочетание, которое даст аэродинамическую результирующую, примерно сцентрированную с осью ротора, т. е. теория «компенсированного» ротора основывалась на точном поддержании расчетного распределения угла атаки по длине лопасти.

С целью повышения КПД ротора изобретатель провел тщательное теоретическое исследование, чтобы определить форму лопасти, ее профиль и углы атаки различных сечений, сочетание которых давало бы желаемый результат. Так появилась лопасть с симметричным профилем с сильной отрицательной закруткой. Углом установки лопастей можно было управлять из кабины, т. е. уменьшать угол установки лопасти, идущей против набегающего потока, и увеличивать идущей по потоку. С такой лопастью (по замыслу изобретателя она должна была перекашиваться в полете с помощью тросов) ла Сьерва ожидал получить ротор, аэродинамическая результирующая которого будет находиться в плоскости симметрии аппарата для всех рабочих углов атаки. Кроме того, эта система позволит управлять аппаратом в поперечной плоскости. Идея перекашивания лопастей или крыла была не нова. На первых монопланах (например, Блерио) отсутствовали элероны и поперечное управление осуществлялось тросовым перекосом тонкого крыла, которое позволяло менять углы атаки. Так, для уменьшения угла атаки опускалась вниз передняя кромка концевой части крыла, а для увеличения — задняя.

Для постройки автожира было необходимо создать производственную базу. С этой целью 18 ноября 1920 г. Хуан де ла Сьерва, его брат Рикардо и столяр Пабло Диас подписали контракт, образовав сообщество, которому принадлежала столярная мастерская для постройки «автомобилей, аэропланов и запасных частей». Вскоре сообщество приступило к постройке С-2.

Черновик послания Хуана де ла Сьервы Испанской академии наук

По совету друзей ла Сьерва решил предать гласности свое изобретение. Для этого он направил 5 марта 1921 г. в Королевскую академию точных наук, физики и естествознания, а также в Королевский аэроклуб послание, в котором в общих чертах описывал основные принципы автожира и результаты испытания С-1 [6]. Одновременно он сообщал, что строит новый аппарат только с одним ротором. Его послание в Королевский аэроклуб было опубликовано в журнале «Не-raldo deportivo» 5 апреля 1921 г. и в официальном бюллетене Королевского аэроклуба за тот же месяц (Во-letin oficial del estado del real aero club de Espana).

Настоящий меморандум имеет целью сообщить вкратце и в общих чертах нашей Королевской академии наук о новой системе образования подъемной силы, которую логически нельзя отнести ни к одной из указанных групп, хотя она представляет собой, несомненно, некоторые аналогии…".

В марте 1921 г. ла Сьерва построил летающую модель автожира и опробовал ее. Модель имела пятилопастный ротор, тянущий винт приводился в движение резиновым мотором. На демонстрацию модели автожира ла Сьерва пригласил представителей Королевской академии наук и технической комиссии Королевского аэроклуба, среди которых был начальник аэродинамической лаборатории на Куатро-Вьентос, спортивный комиссар ФАИ [7] Эмилио Эррера; именно ему впоследствии было суждено регистрировать первые достижения нового летательного аппарата. В присутствии именитых гостей ла Сьерва закрутил тянущим винтом резиновый жгут, раскрутил ротор модели в нужном направлении и поставил ее на землю. Как только он отпустил винт, автожир разбежался и взлетел, набрал высоту в несколько метров и затем по мере уменьшения скорости стал медленно снижаться, демонстрируя устойчивый полет. Было видно, что потеря поступательной скорости вызывает лишь незначительную потерю высоты. Лопасти продолжали вращаться, и модель не падала, а плавно снижалась.

Модель покрыла расстояние в несколько десятков метров, и ее полет произвел на присутствующих большое впечатление. Все сошлись во мнении, что автожир раньше вертолета выйдет на арену практического использования. Когда Эрреру попросили прокомментировать полет, тот ответил, что раньше он думал, что первым кто-то разобьется на геликоптере Пескары, теперь же уверен, что это случится на автожире. В такой необычной форме один из авторитетнейших авиационных инженеров Испании выразил мысль о том, что автожир скорее геликоптера займет свое место в практической жизни. В одном Эррера оказался неправ: автожир показал себя таким надежным летательным аппаратом, что в течение 10 лет в основном экспериментальных полетов на нем не было ни одного смертельного случая.

28 марта 1921 г. ла Сьерва представил заявку на дополнение, к своему патенту № 74322. Эта заявка охватывала три его изобретения:

— "компенсированный" ротор;

— раскрутку ротора при начале движения автожира посредством шнура, намотанного на барабан на оси ротора и закрепленного другим концом на земле;

— поперечное управление путем дифференциального отклонения полуплоскостей руля высоты, которые одновременно могли работать и как руль высоты.

К заявке были приложены чертежи в трех проекциях С-2. Дополнительный сертификат к патенту № 74322 был выдан 20 апреля 1921 г. за № 77569 [7, р. 32].

Постройка протекала медленно. Финансовые возможности не позволяли изобретателю ускорить ее. Кроме того, поставка дуралюмина для лонжеронов лопастей, заказанных во Франции, задерживалась. Ла Сьерва, которому не терпелось проверить свою теорию "компенсированного" ротора, решил построить раньше другой аппарат, более простой и быстрый в изготовлении. Так появился С-3, который должен был послужить для проверки идеи "компенсированного" ротора и, кроме того, оригинальной схемы поперечного управления. В хронологическом ряду построенных и испытанных автожиров С-3 явился вторым, а С-2, который был заложен раньше, но закончен позже, оказался третьим. В литературе иногда эти автожиры путают.

На С-3 поставили трехлопастный ротор с простым приспособлением для закручивания лопастей в полете. Лопасть имела симметричный профиль и была выполнена как обычное однолонжеронное крыло самолета. В отличие от предыдущего и всех последующих автожиров С-3 имел широкие лопасти, что облегчало их перекос. Фюзеляж был заимствован от моноплана "Соммер". Мотор вначале поставили "Гном" мощностью 50 л. с., а затем заменили его на "Рон" 80 л. с. Испытания начались в июне 1921 г. Летчиком-испытателем стал Хосе Родригес. Незадолго до этого он получил диплом летчика и, естественно, рвался в небо.

На испытаниях по мере разбега автожира ротор ускорял свое вращение, но, когда автожир достигал скорости отрыва, машина подпрыгивала и валилась вправо. Каждая попытка взлететь сопровождалась поломками, и испытания шли с перерывами. Последние испытания провел Алехандро Гомес Спенсер [8] (впоследствии он совершит первый полет на автожире) и получил такие же результаты: аппарат при разбеге сразу же после отрыва колес от земли валился вправо.

Автожир С-3. 1921 г.

Несмотря на неудачи, ла Сьерва планомерно продолжал работу. В общей сложности он модифицировал С-3 девять раз. В конце концов конструктор пришел к выводу, что причиной декомпенсации ротора является отсутствие жесткости лопастей, необходимой для управления в поперечной плоскости. Из-за эластичности лопастей аэродинамические силы создавали их нежелательную крутку. В конце 1921 г. ла Сьерву уже захватила новая идея, реализация которой, как он полагал, позволит избежать асимметрии результирующей подъемной силы. С-2 был уже почти готов, и испытания С-3 были прекращены.

Ротор С-2 диаметром 11,5 м был пятилопастным. Каждая лопасть имела два лонжерона, деревянные нервюры и была обтянута материей. Чтобы сохранить установочный угол неизменным, лопасти жестко закреплялись расчалками: ла Сьерва надеялся с их помощью получить результирующую подъемной силы ротора, проходящую через его ось. Фюзеляж С-2 (в отличие от С-1 и С-3) был сделан специально для этого аппарата. Хвостовое оперение имело особенности — обе половины руля высоты могли работать одновременно — как руль высоты или раздельно — как плоскости для поперечного управления. Это управление по замыслу изобретателя должно было создавать мощный кренящий момент, поэтому ферма фюзеляжа была соответствующим образом рассчитана и обеспечивала передачу момента. На С-2 поставили мотор "Рон" мощностью 110 л. с.

Автожир С-2 после неудачной попытки поднять его в воздух. Заметна необычно большая площадь руля высоты

С-2 был построен в начале 1922 г. Летчиком-испытателем опять стал Гомес Спенсер. Несмотря на новые приспособления, на испытаниях С-2 вел себя точно так же, как и его предшественник С-3. Ротор раскручивался на пробежках аппарата, давая достаточную подъемную силу, чтобы автожир делал подлеты, но, как только колеса отрывались от земли и аппарат терял твердую опору, он неизменно валился вправо, и поперечное управление помешать этому не могло. Попытки поднять в воздух С-2 кончались поломкой лопастей и деформацией фюзеляжа из-за большого момента, прикладываемого поперечным управлением. После каждой попытки взлететь нужен был значительный ремонт. С-2 переделывался четыре раза.

Детально проанализировав весь опыт, полученный при испытаниях первых трех автожиров, ла Сьерва пришел к заключению, что с жесткой заделкой лопастей во втулке невозможно получить сцентрированную аэродинамическую результирующую подъемной силы ротора, и продолжал настойчиво искать решение проблемы, так как был совершенно уверен в правильности выбранного пути. Ведь принцип автожира был продемонстрирован на летающей модели. В конце концов ла Сьерва пришел к выводу, что различие между испытанными аппаратами и моделью состоит в том, что лопасти модели были более гибкими. Гибкая лопасть деформируется более или менее в соответствии с подъемной силой и совершает циклическое маховое движение при вращении ротора. При поступательном движении автожира лопасть, идущая вперед против набегающего потока, поднимается вверх, а идущая назад — вниз. Из-за гибкости лопасти опрокидывающий момент, передаваемый на ось ротора, становится незначительным.

Итак, причина различного поведения модели и реального автожира определена. Теперь нужно строить ротор, в котором лопасти могли бы совершать маховые движения, — и ла Сьерва решает присоединить каждую лопасть к втулке посредством шарнира с горизонтальной осью (пока только один шарнир; в 1927 г. он придет ко второму — с вертикальной осью). О том, когда именно ему пришла эта мысль, ла Сьерва пишет так: "…в моей тетради, в которой я записывал расчеты в течение нескольких лет, я нашел запись, которая гласит: 2 января 1922 г. мне впервые пришло в голову решение шарнирно сочленять лопасти" [9] [7, р. 41]. По-видимому, это решение вначале было для конструктора альтернативным. Лишь после испытаний С-2 ой окончательно убедился в необходимости применения шарнирного ротора.

18 апреля 1922 г. ла Сьерва подал заявку на патент "Шарнирное соединение, обеспечивающее маховое движение лопастей в вертикальной плоскости". Патент "Улучшение аэропланов с вращающимися крыльями" № 81406 был выдан 15 ноября того же года. Теперь шарнирное сочленение позволяло лопасти при вращении образовывать конус, определяемый равновесием аэродинамических и центробежных сил. Маховое движение демпфировалось аэродинамически. Лопасть, которая поднималась, автоматически уменьшала угол атаки и, следовательно, подъемную силу, что заставляло ее уменьшить скорость взмаха и затем опуститься и, наоборот, при опускании лопасти угол атаки увеличивался.

На первых автожирах с горизонтальными шарнирами ла Сьерва использовал для подвески лопастей резиновые шнуры, которые даже при остановленном роторе держали лопасть почти горизонтально. В движении же центробежная сила примерно в 10 раз больше, чем подъемная, и лопастям подвеска не нужна. Необходимость в подвеске появляется в состоянии покоя или на малых оборотах ротора, когда подъемная сила еще недостаточна.

Патент содержал и другой пункт: лонжерон лопасти вблизи корневой части был отогнут вниз и таким образом шарниры оказывались ниже центра тяжести лопасти. Конструктор полагал, что во время полета лопасти будут занимать почти горизонтальное положение. Такая форма лонжерона лопасти использовалась только на С-4 (о котором речь пойдет ниже).

Хуан де ла Сьерва считал, что с вводом шарнирного ротора он получил шесть преимуществ: 1) сцентрированную аэродинамическую результирующую; 2) присущую аппарату устойчивость, так как результирующая подъемной силы всегда приложена к точке, расположенной выше центра тяжести [10]; 3) возможность использования оптимальных профилей, которые нельзя применить на "компенсированном" роторе;

4) устранение изгибающих моментов оси ротора;

5) устранение гироскопического эффекта; 6) легкость и простоту конструкции.

Первый автожир с лопастями на шарнирах С-4 имел также и другое новшество: ось ротора по желанию пилота могла отклоняться влево и вправо. Как мы уже знаем, для управления в поперечной плоскости С-1 располагал одним-единственным элероном над роторами. На С-3 было приспособление для общего одновременного закручивания лопастей, а на С-2 — дифференциальный руль высоты. Теперь же было применено поперечное управление посредством ротора.

Для постройки С-4 ла Сьерва использовал фюзеляж С-3, но при этом значительно его модифицировал. Установил двигатель "Рон" мощностью 80 л. с. На автожире использовался четырехлопастный ротор. Лопасти имели по одному трубчатому лонжерону и деревянные нервюры.

Испытания начались в июне 1922 г. Первые рулежки и пробежки выполнил Гомес Спенсер, но вскоре он был отозван в действующую армию, и испытания продолжил Хосе Мария Эспиноса. Испытания опять не дали ожидаемого результата: летчик не мог отклонить ось ротора — потребное усилие превышало человеческие возможности. Нужно было возвращаться к самолетной схеме управления. Ла Сьерва понимал, что это шаг назад, но в тот момент надо было в первую очередь доказать действенность принципа автожира на практике, а потом уже последовательно вести отработку наиболее оптимальной схемы управления. Управление посредством ротора было упразднено и на С-4 поставили поперечную балку с элеронами. К тому времени вернулся Гомес Спенсер, который и продолжил испытания.

Автожир С-4. Первый автожир с шарнирным ротором (вариант с наклоняемой втулкой). 1922 г.

Автожир С-4 (вариант с элеронами на балке). 1922 г.

В январе 1923 г. наконец были совершены первые успешные полеты. В литературе по истории автожира по-разному даются даты первых полетов, и, чтобы дать точную картину, приведем выдержки из послания ла Сьервы Королевской академии наук, датированного 15 февраля 1923 г.: "Этот аппарат, испытанный в июне 1922 г., продемонстрировал с самого начала присущую ему автоматическую центровку и был уже готов летать, но произошла поломка, заставившая приостановить испытания, которые затем из-за отсутствия пилота и по другим причинам не могли быть возобновлены до января текущего года. В настоящее время аппарат снабжен двумя маленькими элеронами, т. е. небольшими крылышками для поперечного управления. Пилотируемый господином Гомес Спенсером автожир впервые взлетел 10-го числа. После компенсации реактивного момента мотора 17 числа выполнил несколько полетов по прямой на высоте двух метров, подтвердив при этом все расчетные данные, за исключением посадки, которую он осуществил по-самолетному. 20 числа из-за дефекта в системе управления мотором, который не дал возможности пилоту выключить его при посадке, аппарат поднялся на высоту 8 м, что при потери скорости грозило бы катастрофой, будь то аэроплан. Пилот, вспомнив о теоретическом свойстве аппарата быть нечувствительным к потере скорости и его способности совершать посадку вертикально, сделал нужный маневр, аппарат медленно опустился и сел почти без скорости, подтвердив окончательно все свои теоретические свойства.

Первый полет автожира С-4. Январь 1923 г.

25-го числа были проведены официальные испытания, а 31-го выполнен полет длительностью в три с половиной минуты по замкнутому четырехкилометровому маршруту на высоте более 25 м, о чем свидетельствует сертификат, копию которого прилагаю" [7, р. 45].

Так, 10 января 1923 г. Гомес Спенсер впервые взлетел на С-4. Подлет был непродолжительном. Автожир накренился влево и упал.

Алехандро Гомес Спенсер — первый в мире пилот, совершивший полет по кругуна винтокрылом аппарате 31 января 1923 г.

Причиной этого был реактивный момент от тянущего винта. Его устранили смещением оси ротора в сторону. А 17 января Гомес Спенсер выполнил первый полет по прямой на высоте 2 м дальностью 183 м. Итак, шарнирно сочлененный ротор позволил автожиру летать.

20 же января при полете на малой высоте вдруг перестал повиноваться двигатель и вышел на максимальные обороты. Автожир начал резко набирать высоту. Однако летчик догадался выключить зажигание, энергично взял ручку на себя и автожир с небольшой вертикальной скоростью приземлился. Этот полет начальник аэродрома в Хетафе капитан Хосе Гонсалес так описывает: "Во время проведения испытания, которое осуществлял лейтенант Алехандро Гомес Спенсер на летательной машине, изобретенной дорожным инженером Хуаном де ла Сьервой и названной изобретателем "автожиром", по причине неисправности в цепи ручного контакта аппарат вдруг поднялся примерно на восемь метров и на этой высоте оказался без поступательной скорости, т. е. в ситуации, аналогичной полной потере скорости аэропланом. Однако при снижении отмечалось все время наличие подъемной силы благодаря быстрому вращению крыльев-лопастей, что привело к негрубой, мягкой посадке" [7, р. 47].

Несомненно, этот случай Гонсалес описал по просьбе ла Сьервы. Изобретателю было важно иметь подтверждение официального лица об основном преимуществе автожира перед самолетом. Ведь самолет жив только скоростью. Не будет скорости, он не сможет держаться в воздухе. На заре развития авиации скорости самолетов были соизмеримы со скоростями перемещения воздушных масс и в некоторых случаях (если исключить из рассмотрения степень опытности пилота) могли создаваться условия, при которых самолетное крыло выходило на закритические углы атаки, что вело к сваливанию в штопор. Потеря скорости на большой высоте еще не так страшна. При срыве в штопор машину можно из него вывести и, набрав скорость, снова выйти в нормальный полет. На малой же высоте шансов спасти машину, а часто и жизнь почти не было. Поэтому ла Сьерва и хотел подчеркнуть преимущества своего нового аппарата, который оказался в такой критической ситуации.

После этих полетов С-4 был перевезен с Хетафе на аэродром Куатро-Вьентос, где находилась база военной авиации. Именно там 31 января 1923 г. Гомес Спенсер открыл эру нормальных полетов винтокрылой авиации. Спортивный комиссар ФАИ Эррера в официальном документе засвидетельствовал этот полет: "На аэродроме Куатро-Вьентос во второй половине дня 31 января сего года аппарат системы "автожир", изобретенный и построенный доном Хуаном де ла Сьервой Кодорниу, пилотируемый лейтенантом Алехандро Гомес Спенсером, выполнил три полета, последний из которых был совершен по замкнутому маршруту длиной около 4 км в течение 3 мин 30 с, достигнув при этом высоты над землей более 25 м" [7, р. 48].

Этим историческим полетом действенность принципа автожира была доказана на практике. С-4 сослужил свою службу, а для более сложных экспериментов нужно было строить другой аппарат.

Успешный полет автожира нашел отклик в мировой прессе. Американский журнал "Авиэйшн" уже 12 марта на обложке поместил фотографию автожира, а 9 апреля опубликовал о нем статью пионера испанской авиации Эраклио Альфаро. Французский журнал "Аэронаутик" в апрельском номере поместил небольшую статью ла Сьервы, в которой приводилась следующая характеристика С-4: диаметр ротора — 8 м; общая площадь лопастей — 10 м²; профиль лопастей — "Эйфель-101"; двигатель — "Рон" 80 л. с.; взлетный вес — 500 кг; удельная нагрузка на лопасти — 50 кг/м²; максимальная скорость — 100 км/ч. Разумеется, максимальную скорость С-4 соответствующим образом никто не замерял, Эта цифра, конечно, оценочная и, по всей видимости, довольно оптимистическая.

В упомянутом послании Королевской академии наук от 15 февраля 1923 г. ла Сьерва после описания полета С-4 31 января 1923 г. пишет: "Этим экспериментом я заканчиваю работу с нынешним аппаратом, не подготовленным для полетов большой длительности и дальности, и займусь созданием другого аппарата тех же характеристик, но улучшенной конструкции, постройку которого надеюсь закончить быстро. Чисто экспериментальная часть завершена, но это не отрицает возможные последующие улучшения, особенно в области полезной отдачи.

Выводы. Имею честь сообщить нашей Королевской академии наук, что продуктом моих исследований по системе "автожир" явилось получение летающей машины тех же характеристик, что и самолета при относительном превосходстве в устойчивости и посадке, легкости постройки и большой простоте управления.

Одновременно с этим автожир приближается по полезной отдаче и скорости к самолету" [7, р. 50].

Итак, один исторический этап завершен. Изобретатель начинает работать над дальнейшим развитием идеи.

Полетами С-4 по кругу ла Сьерва доказал действенность принципа автожира. Теперь надо было совершенствовать аппарат для его практического применения. Однако на пути опять встали проблемы, но теперь не технического порядка. Дело в том, что Хуан де ла Сьерва после окончания Высшей школы дорожных инженеров ни дня не работал по специальности и был в экономической зависимости от отца. Это обстоятельство его весьма тяготило, тем более что у него уже была семья. Он прекрасно понимал, что дальше так продолжаться не может: экономические возможности не позволят ему достаточно эффективно заниматься совершенствованием автожира. Нужно было искать источники финансирования, и ла Сьерва начал "зондировать почву" в Европе и Америке. Однако фирмы были осторожна и не спешили с конкретными ответами, хотя соглашались, что идея весьма заманчива.

Автожир С-5. 1923 г.

10 марта 1923 г. ла Сьерва подал заявку на два патента. Один из них, "Усовершенствование в аэропланах с вращающимися крыльями", охватывал получение сцентрированной подъемной силы не за счет циклического изменения шага лопастей, а за счет их махового движения. Соответствующий патент за № 84685 был выдан 23 мая 1923 г. Другой патент, "Усовершенствование в крыльях винтокрылых аппаратов" (№ 84684 от 23 июня 1923 г.), защищал два новшества в конструкции лопастей: профиль лопасти со средней линией выпуклостью вверх, а также лопасти с эволютивным профилем для увеличения полезной отдачи [7, р. 51].

После успешных полетов С-4 ла Сьерва начал постройку своего пятого автожира. Несмотря на финансовые затруднения, он довел ее до конца. С-5 был последним автожиром, созданным изобретателем за свой счет (с учетом модификаций и капитальных ремонтов за свой счет он построил 30 автожиров). Ротор С-5 был трехлопастным. По мнению ла Сьервы, у трехлопастного ротора было меньше взаимовлияния между лопастями по сравнению с четырех- и пятилопастным ротором. Лопасти имели по одному лонжерону смешанной конструкции, фанерную обшивку и металлическую окантовку по кромке. Двигатель на автожире — "Рон" мощностью 110 л. с. Испытания начались в апреле 1923 г. Из-за частых поломок работа шла с перерывами. В конце концов аппарат потерпел серьезную аварию: во время рулежки из-за усталостных явлений сломался лонжерон лопасти. Ремонтировать машину уже не стали — ресурсы изобретателя были исчерпаны.

В августе 1923 г. руководство военной авиации Испании решило взять разработку нового вида летательного аппарата в свои руки — разумеется, не из филантропических соображений. Испания в то время вела колониальную войну в Марокко, а автожир сулил стать в перспективе новым видом оружия. В распоряжение ла Сьервы поступили определенные средства. В аэродромных мастерских строился шестой автожир — С-6, а в аэродинамической трубе аэродромной лаборатории майор Эррера пытался экспериментально определить характеристики его ротора. Аэродинамическая труба была спроектирована и построена самим Эррерой. Это была труба замкнутого цикла и в рабочей зоне имела диаметр 3 м. На момент постройки она была самой большой аэродинамической трубой в Европе.

Для испытания в трубе была сделана модель ротора С-6 в масштабе 1:10 с диаметром ротора 1,1 м. Вместо шарниров его четыре лопасти крепились к втулке с помощью гибких стальных пластин, которые позволяли лопасти совершать маховые движения. Испытания проводились осенью 1923 г. и зимой 1924 г. Модель была смонтирована на весах и обдувалась потоком воздуха со скоростью от 10 до 20 м/с (36–72 км/ч) в диапазоне углов атаки от 0 до 34°. Полученная поляра была опубликована и широко дискутировалась, так как сильно отличалась от поляры обычного самолетного крыла. В очень узкой зоне углов атаки, около одного градуса, коэффициент подъемной силы ротора, полученный при продувках, был выше коэффициента подъемной силы крыла с тем же профилем. При увеличении угла атаки от 1 до 34° коэффициент подъемной силы увеличивался во всем диапазоне углов атаки. Из продувок следовало, что автожир способен совершать горизонтальный полет на малых скоростях. По мнению Эрреры, подъемная сила должна была достигать максимального значения на угле атаки 40–50°, Эти результаты необычайно воодушевили изобретателя. Последующие испытания автожиров подтвердили возможность полета на малых скоростях.

Продувки моделей роторов, проведенные в аэродинамических лабораториях других стран, не дали таких обнадеживающих результатов. При продувках в аэродинамических трубах в отличие от реального полета модель крыла самолета неподвижно закреплена на весах и набегающий поток ее обтекает. При продувках же в аэродинамической трубе модели ротора картина обтекания усложняется во много раз — лопасти вращаются, при вращении образуют угол конусности, совершают маховые движения, амплитуда которых зависит от скорости набегающего потока, геометрической формы лопастей, их массы, упругих свойств и т. д. Даже сейчас, когда техника продувки моделей стала совершенней, сложность обеспечения аэродинамического подобия модели ротора сильно затрудняет получение точных результатов. Иногда легче произвести необходимые замеры в реальном полете.

Постройка С-6 была закончена в январе 1924 г. Фюзеляж заимствовали от самолета "АВРО" 504К, мотор поставили "Рон" 110 л. с. Вес аппарата составлял 700 кг. Для поперечного управления использовались элероны на балке. Ротор был четырехлопастным, и его ось располагалась между двумя открытыми кабинами. В неподвижном состоянии лопасти поддерживались в горизонтальном положении резиновыми шнурами. Кроме того, лопасти между собой были связаны расчалками, в середине которых располагались свинцовые грузики. Управление автожиром осуществлялось из задней кабины.

Поскольку С-6 являлся собственностью военной авиации Испании, его направили в опытную эскадрилью аэродинамической лаборатории. Полеты показали, что С-6 в пилотировании намного лучше своих предшественников. Взлет требовал разбега 100–150 м. Ротор успевал раскрутиться до 70 об/мин, необходимых для отрыва от земли. Скороподъемность составляла 1 м/с. Управление автожиром было простым. Для набора высоты и снижения летчик мог пользоваться только сектором газа, не перемещая ручку управления. Автожир был слабо чувствителен к порывам ветра. На виражах летчик действовал только педалями. Аппарат автоматически входил в вираж с креном, определяемым центробежной силой. Автожир мог снижаться по-парашютному — на угле снижения в 80°. Для этого ручка управления резко бралась на себя, аппарат тормозился в воздухе и начинал снижаться. При небольшом встречном ветре траектория снижения могла быть вертикальной.

На аэродроме Куатро-Вьентос летчик Хосе Луис Урета на малой высоте делал нормальные виражи, "восьмерки", летал по кругу и выполнял (что производило наибольшее впечатление на наблюдателей) парашютирующие снижения, которые заканчивались мягкой посадкой "по-птичьи" (аэродромные остряки, которые всегда держали в поле зрения испытания автожиров, называли такую посадку "посадкой усталой курицы"). Автожир выглядел неуклюжим, но летчик был в восторге от этого летательного аппарата, считал, что в отличие от аэроплана на автожире можно почти не вмешиваться в управление, которое не сложнее, чем у автомобиля. Аппарату присуща устойчивость, он не входит в режимы сваливания и способен осуществлять посадку почти без горизонтальной скорости. Испытания продолжались до марта 1924 г., пока пилота не отозвали в действующую армию.

Между тем на Куатро-Вьентос прибыл новый командир эскадрильи переподготовки летчиков — Хоакин Лорига, один из самых знающих и смелых пилотов в испанской авиации. Увидев С-6, он заинтересовался необычной машиной и предложил ла Сьерве свои услуги "только из любви к искусству". После объяснений изобретателя Лорига без ознакомительных пробежек и подлетов сразу взлетел, набрал высоту 200 м и сделал большой круг. Затем он выключил двигатель и сел почти без пробега. Полет длился 8 мин, но он означал большой прогресс в развитии автожира. 11 декабря Лорига выполнил еще один полет, на этот раз под контролем спортивного комиссара ФАИ Эрреры, который засвидетельствовал, что во время полета длительностью 6 мин 8 с Лорига выполнил полные виражи в обоих направлениях и набрал высоту более 100 м. На следующий день, 12 декабря 1924 г., впервые в истории винтокрылой авиации был сделан перелет. В 12 ч 8 мин Лоринга взлетел с Куатро-Вьентос и через 8 мин приземлился в Хетафе по-самолетному. Пробег составил 23 м. На автожире был установлен высотомер, который показывал, что высота полета колебалась от 40 до 60 м. Поскольку расстояние по прямой составляло 10,5 км, то средняя скорость полета была 77 км/ч.

В то время в Париже проходил IX авиационный салон (с 5 по 21 декабря). Надо было использовать момент. Полеты Лориги были засняты на кинопленку. По каким-то причинам ла Сьерва не смог поехать в Париж, и фильм повез Лорига. Там он был представлен тогдашнему президенту ФАИ графу де ля Во и генеральному секретарю Полю Тиссандье. По их рекомендации 17 декабря 1924 г. фильм был показан на сессии Общества французской воздушной навигации. Зрители были потрясены фильмом и по окончании его разразились аплодисментами. ФАИ признала, что полет 12 декабря 1924 г. является важным шагом в истории авиации, отметив, что появление автожира было выдающимся событием с момента появления аэроплана.