Вертолёт, 2008 №2

Скромный винтик мироздания

Ю.Э. Савинский

Ведущий конструктор фирмы «Камов», кандидат технических наук Юрий Эзекейлевич Савинский — автор целого ряда интересных публикаций о деятельности вертолетов марки «Ка» в нашей стране и за рубежом, о людях и событиях, оставивших заметный след в истории мировой и отечественной авиации. Но прежде чем стать одним из самых любимых авторов журнала «Вертолет», Юрий Савинский закончил МАИ, начал работать в ОКБ Камова в отделе прочности. Для первых российских (впрочем, не только российских) вертолетов проблема прочности стояла очень остро. Так что молодого специалиста отправили сразу «на передовую». В начале 60-х годов Савинский испытывал на флаттер вертолеты Ка-15, занимался усталостной прочностью, износостойкостью, боролся с земным резонансом на вертолете Ка-25. Вместе с камовскими вертолетами «освоил» территорию СССР, побывал во многих странах зарубежья: Германии, Венгрии, Румынии, Индии, Китае, Малайзии, Папуа — Новой Гвинее, Австралии, Канаде, Колумбии, Южной Корее.

Нашего любимого автора (а таковым мы считаем Юрия Савинского уже давно) отличает глубокое знание материала, о котором он пишет, увлекательная манера повествования. Словом, читать Савинского и интересно, и полезно. Убедитесь в этом сами.

Любит ли бог троицу, держится ли земной шар на трех китах, достаточен ли нашей Бселенной фундамент из трех физических констант — на этот счет есть разные мнения. А вот с тем, что современный мир механизмов и машин превратится в кучу лома, если вдруг исчезнет одна маленькая деталь, называемая подшипником, согласятся и ученый, и домохозяйка, и сумасшедший роллер. Подшипник родился задолго до Рождества Христова. То, что сегодня называют упорным подшипником, придумал рачительный шумерянин в эпоху неолита: в цилиндрическое углубление для штыря, на котором поворачивалась входная дверь, он подложил гладкий камешек. Пять-шесть тысячелетий тому назад для этих целей стали применять медные или бронзовые вкладыши. Изобретение колеса повлекло за собой изобретение первого радиального подшипника в виде цилиндрической втулки, посаженной на ось или на конец оси — шип. Ежегодно на каждого жителя планеты производится не менее чем по одному подшипнику, их разновидностей великое множество. Особое место среди этого великого множества занимают вертолетные подшипники.

Свой первый патент на «…одновинтовой вертолет, отличающийся тем, что момент вращения, произведенный подъемным винтом, уничтожается моментом сил двух малых винтов, действующих на концах некоторого плеча, перпендикулярного к оси большого винта», будущий классик отечественного вертолетостроения Борис Николаевич Юрьев (в то время студент Московского технического училища) получил 26 сентября 1910 года. Б следующем году он предложил схему вертолета с одним несущим винтом и одним рулевым, расположенным на протяженной консоли. Оставался вопрос — как управлять таким вертолетом? Известные способы — снабжать вертолет дополнительными винтами, изменять угол наклона оси несущего винта с помощью специальных устройств и другие — сводили на нет преимущество, выражающееся в простоте конструкции вертолета с одним несущим винтом.

Б ходе размышлений Борису Юрьеву пришло озарение: надо наклонять вектор тяги несущего винта в любую сторону определенным циклическим изменением угла атаки вращающейся лопасти в зависимости от ее азимутального положения. Нужно было решить одну техническую трудность — «научиться» передавать управляющие сигналы лопастям. Эту «преграду» Юрьев преодолел с помощью радиального шарикового подшипника, вращающееся кольцо которого он прикрепил (с помощью карданного подвеса) к валу винта, а к другому, неподвижному, подвел управляемые пилотом тяги, наклоняющие плоскость подшипника в любую сторону. Свое изобретение автор назвал автоматом перекоса. Этот подшипник, наравне с несущим винтом, и стал главной характерной приметой вертолета, отличающей его от других летательных аппаратов.

Бторично изобрел автомат перекоса в 1920 году аргентинец Рауль Патерас Пескара. Быполненный в виде радиального шарикового подшипника диаметром 180 мм, он был установлен на соосном вертолете, который показал рекордные для своего времени полетные данные. Ход мыслей изобретателя описан в журнале La Vie au Grand Air от 20 февраля 1921 года:

«Хорошо известно, что аэродинамические рули, закрепленные на аппарате, действуют только при достаточно быстром перемещении. Но для того чтобы получить такое перемещение, необходимо наклонить аппарат (для горизонтального перемещения наклоном оси винтов). Итак, замкнутый круг. Я крутил проблему так и сяк, днем и ночью. И пришел час, минута, секунда, когда внезапно будто разорвалась завеса тайны и момент истины предстал передо мной во всем своем ослепительном блеске. Я не вскричал «Эврика!», но глубоко вздохнул. С нитью Ариадны я мог пройти лабиринт. Проблема становилась для меня все более ясной. Пришла идея изменять угол атаки лопастей в части ометаемого круга относительно симметрично расположенной противоположной части. И это давало продольную и поперечную устойчивость смещением подъемной силы».

Остается добавить, что 95 % существующих в мире вертолетов выполнены с одним несущим винтом, оснащенным «пляшущей тарелкой», как называли этот подшипник не лишенные чувства юмора англичане.

На первых вертолетах, которые сумели оторваться от земли, лопасти крепились к опоре жестко, как крыло самолета к фюзеляжу. Но лопасти «потребовали» для себя большей свободы, и, чтобы получить возможность изменять угол атаки лопасти, ввели осевой шарнир. Затем оказалось, что лопасти надо позволить совершать свободные маховые движения в вертикальной плоскости — появился горизонтальный шарнир. Создание классической трехшарнирной подвески лопасти завершил вертикальный шарнир, относительно которого лопасть могла совершать движения в плоскости своего вращения.

Главным действующим лицом всех трех шарниров стали, разумеется, подшипники. Конструкция этих подшипников была разная, но роднила их необходимость противостоять огромным центробежным силам лопасти. К тому же вследствие колебательных движений лопасти тела качения, шарики или ролики, контактировали с опорными поверхностями на небольших участках, как бы «топтались» на месте. Поэтому контактирующие участки быстро повреждались, ограничивая возможности вертолета.

Конструкторы всеми силами старались повысить долговечность подшипников. Б упорных кольцах подшипника осевого шарнира они применяли самые прочные марки сталей, увеличивали поверхностную твердость закалкой, полировали до высшего класса точности. Пробовали различные материалы для сепараторов, изменяли геометрические формы роликов, повышали точность их изготовления. Тем не менее долговечность подшипника оставалась по- прежнему очень малой.

Однажды в ходе стендовых испытаний осевого шарнира произошло что-то непонятное — один из подшипников, вроде такой же, как и другие, проработал достаточно долго без признаков повреждений. Узел разобрали и обнаружили брак: три из восемнадцати пазов сепаратора, в которых размещались ролики, были прорезаны не строго по радиусу сепаратора, а под небольшим углом к нему.

Инженеры, честь им и хвала, подтвердили истину, что могут объяснить любые результаты эксперимента. Оказалось, что при наклоне оси гнезда ролика относительно радиального положения одновременно с качательным движением ролика возникает его скольжение в определенном направлении относительно упорных колец. Место контакта ролика с кольцами начинает смещаться, в работу включается большая часть поверхностей контактирующих тел. Соответственно увеличивается долговечность подшипника. Бсе это благодаря нечаянно открытому феномену самопроизвольного возникновения вращательного движения. Имя нерадивого фрезеровщика, допустившего грубое нарушение чертежа, осталось неизвестным.

Этот подшипник «начал жить» еще до того, как был признан законным. К тому же он, в отличие от своих сородичей, предназначался не для снижения сил трения, а для поддержания их на определенном уровне. Так он и назывался — подшипник-демпфер.

Его история началась с того, что автор настоящей статьи (в то время молодой специалист) для борьбы с флаттером лопастей несущего винта предложил заменить упорный роликовый подшипник осевого шарнира на подшипник скольжения. Этот подшипник изготавливался из антифрикционного, не требующего смазки металлофторопластового материала. На предложенный «противофлаттерный подшипник-демпфер» было выдано авторское свидетельство. Флаттер же в конце концов благополучно устранили более традиционными способами.

Однако оставалась идея — применить не требующие смазки подшипники скольжения в других шарнирах вертолета. Бместе с несколькими энтузиастами молодому специалисту удалось организовать опытное производство металлофторопластовых подшипников в виде неразрезных цилиндрических втулок. Для практического использования нужно было сертифицировать новый материал. Поскольку сертификация дело хлопотное, изобретатели оставили ее «на потом».

Между тем пока в маленьком мирке подшипников подгонялись друг к другу отдельные детали, на планете Земля происходили важные события. Холодная война становилась все холоднее и грозила перейти в горячую фазу. Бставали на боевое дежурство американские атомные подводные лодки с баллистическими ракетами на борту. Они обладали высокой скоростью хода, могли погружаться на большие глубины и легко уходили от преследования.

Ответ Боенно-морского флота СССР — создание противолодочного вертолета Ка-25. Бертолет мог размещаться на открытой палубе и в ангарах надводных кораблей, обладал эффективной аппаратурой поиска, обнаружения и уничтожения подводных лодок. Остудить горячие головы Пентагона был призван первый поход в Средиземное море крейсера «Москва» с четырнадцатью вертолетами Ка-25 на борту. Учения намечалось провести осенью 1968 года. За полгода до намеченной даты случились аварии двух вертолетов Ка-25 по причине земного резонанса, явления с быстрым ростом опасных колебаний лопастей относительно вертикальных шарниров. Эксплуатация вертолетов была приостановлена, международный дебют «Москвы» оказался под угрозой срыва.

Требовались срочные меры. Работы в ОКБ Камова шли без выходных, а иногда и без сна. Перепробовали все, что казалось реализуемым в короткие сроки: улучшенное шасси, усиленный фюзеляж, модифицированный фрикционный демпфер вертикального шарнира. Бертолет становился устойчивее, но риск повторения аварий оставался. Это было недопустимо и само по себе, и в особенности на виду у всей просвещенной Европы. Положение спасла дожидающаяся своего часа на полке экспериментальной лаборатории металлофторопластовая цилиндрическая втулка — подшипник-демпфер вертикального шарнира. На вертолете с этими подшипниками не удалось обнаружить никаких признаков опасной неустойчивости.

Проблему сертификации металлофторопласта решили изящно и просто: в чертежной документации назвали его не материалом, а конструкцией. Б течение двух месяцев наладили серийное производство спасительных подшипников и оснастили ими все предназначенные к походу вертолеты.

Крейсер «Москва» отдал швартовы в назначенный срок — 19 сентября 1968 года. Через пару дней он прошел пролив Босфор и сразу оказался под прицелом фотокамер зарубежных «коллег» с самолетов и эсминцев. Это не помешало вертолетам Ка-25 обнаружить несколько подводных лодок вероятного противника и поразить их, разумеется, условно.

Маленькие, скромные подшипники оказались в нужное время в нужном месте.