Вертолёт, 2010 №02

Пламенное сердце вертолета

А.С. Кудашев

Замыслы летательных аппаратов с вертикальными взлетом и посадкой обнаружены еще в древнекитайских манускриптах, а также в записях и эскизах Леонардо да Винчи. И тем не менее, вертолетный способ перемещения по воздуху люди освоили только после того, как научились летать на самолетах. Создание надежного и высокоэффективного вертолета на протяжении многих лет оставалось одной из труднейших проблем авиационной науки и техники. Наглядным подтверждением этого служит тот факт, что серийное производство вертолетов в мире началось только в 1944 году (вертолет R-4 И.И. Сикорского), в то время как серийный выпуск самолетов начался на три десятилетия раньше. На фоне 107-летней истории моторной авиации это является довольно значительная временная разница. При этом первые полеты самолета (1903 г.) и пилотируемого вертолета разделяют всего лишь 4 года (1907 год – вертолет Поля Корню, Франция).

Самолет конструкции А.С. Кудашева

В истории практической авиации и авиастроения России 1910 год можно с полным правом назвать особым. 8 марта 1910 года на Одесском ипподроме состоялись первые в Российской империи полеты самолета. Правда, это был французский самолет «Фарман-4», но поднял его в воздух русский летчик, одессит Михаил Ефимов. В этот же день Ефимов совершил первый в отечественной истории полет с пассажиром – им был президент Одесского аэроклуба Артур Анатра. 23 мая профессор Киевского политехнического института князь Александр Кудашев совершил в Киеве на Сирецком скаковом поле второй полет уже на самолете собственной конструкции.

Профессор Артемьев так написал об этом событии: «Испытание это надо признать очень удачным, ибо А.С. Кудашеву удалось два раза подняться на воздух и пролететь несколько десятков саженей, причем последний раз на высоте полутора саженей. Аэроплан А.С. Кудашева является, таким образом, первым русским аэропланом, поднимавшимся на воздух».

В том же 1910 году, 3 июня, совершил первый полет на биплане БИС №2 (разработчики – конструкторский коллектив студентов Киевского политехнического института – Былинкин, Иордан, Сикорский) Игорь Сикорский. Это произошло на Куреневке возле Киева. 11 июня самолет пролетел около 250 м на высоте полутора метров. В дальнейшем было выполнено около 50 полетов на высоте до 10 м, в том числе 3 июля самолет пролетел 600 м.

Первый полет по прямой на расстояние около 200 м на биплане «Гаккель-III» петербургского конструктора Я.М. Гаккеля совершил В.Ф. Булгаков 6 июня на Гатчинском аэродроме.

Необходимо отметить, что в первые годы развития российской авиации в Киеве при КПИ была создана своя школа самолетостроения. Здесь велись большие научно-экспериментальные и опытно-конструкторские работы. Самолеты создавались в короткие сроки и совершенствовались от модели к модели. Этот творческий путь от первых полетов в 1910 году через три года привел киевского конструктора Игоря Сикорского к созданию невиданных в то время самолетов-гигантов – «Гранд», «Русский витязь» и «Илья Муромец», ставших гордостью российского авиастроения.

С именем Игоря Сикорского связаны также первые практические шаги отечественного вертолетостроения. В сентябре 1909 года он построил свой первый вертолет с трехцилиндровым двигателем «Анзани» мощностью 12 л.с., приводившим во вращение два соосных несущих винта. Вертолет не смог взлететь из-за недостаточной тяги винтов и при одном из испытаний перевернулся. Тем не менее, это был первый в Российской империи вертолет, доведенный до стадии натурных испытаний.

Несмотря на неудачу, Сикорский в феврале 1910 года построил второй вертолет с более мощным мотором «Анзани» в 25 л.с. Этой мощности в сочетании с модернизированными несущими винтами хватило на то, чтобы вертолет оторвался от земли, но … без пилота.

Как утверждает справочник «Авиация в России», изданный в 1988 году, второй вертолет Сикорского стал первым отечественным натурным винтокрылым летательным аппаратом, способным оторваться от земли без летчика на борту.

Таким образом, 2010 год можно с полным правом называть годом столетия отечественной авиации, ее самолето- и вертолетостроения.

От поршневых двигателей к газотурбинным (1916-1956 гг.)

И. Сикорский у своего второго вертолета

Создание в конце Х1Х века достаточно легких и мощных поршневых моторов внутреннего сгорания дало человеку возможность не только лететь туда, куда он хочет, а не туда, куда позволяла природа, но и летать на компактных, более скоростных и маневренных по сравнению с аэростатами и дирижаблями летательных аппаратах – самолетах, а затем и вертолетах.

С момента зарождения моторной авиации двигатель стал «ключевым звеном», или, как тогда говорили, – «пламенным сердцем» летательного аппарата. Прогресс в авиадвигателестроении определял развитие авиации, то, что самолеты и вертолеты летали год от года все быстрее, выше и дальше.

Первый авиационный мотор на Украине был спроектирован и построен одним из первых отечественных авиаконструкторов и летчиков С.В. Гризодубовым в 1909 году. Это был четырехцилиндровый мотор водяного охлаждения. Как написал сам Гризодубов, представляя свой самолет на выставке, «.аэроплан и мотор изготовлены в Харькове из русских материалов по собственным чертежам, расчетам и моделям». К сожалению, мощность двигателя оказалась недостаточной для того, чтобы самолет Гризодубова смог оторваться от земли.

Промышленное производство авиационных моторов на Украине началось в 1916 году с выпуска на заводе акционерного общества «Дюфлон, Константинович и К°» (ДЕКА) в г. Александровске (сейчас г. Запорожье) шестицилиндрового мотора водяного охлаждения ДЕКА М-100 мощностью 129 л.с. В настоящее время на месте завода ДЕКА находится хорошо известное во всем мире предприятие ОАО «Мотор Сич», отметившее в 2007 году свой столетний юбилей. Всемирно известные самолето- и вертолетостроительные фирмы Антонова, Бериева, Ильюшина, Туполева, Яковлева, Камова и Миля, а также чешская Aero Vodochody и китайская HAIC(G) являются потребителями двигателей, производимых «Мотор Сич». Самолеты и вертолеты этих фирм с запорожскими двигателями эксплуатируются в гражданской и военной авиации более чем в 120 странах мира.

История предприятия – это плодотворный путь создания и производства двигателей, большинство из которых стали этапными в отечественном авиамоторостроении. Здесь в разное время работали такие выдающиеся конструкторы авиационных двигателей, как В.Я. Климов, С.К. Туманский, А.Г. Ивченко, В.А. Лотарев и Ф.М. Муравченко, а также генеральный конструктор космической техники В.Н. Челомей.

Большой вклад внесли запорожские моторостроители в победу над фашистской Германией, 65-ю годовщину которой мы отмечаем в этом году. Под разрывы бомб и снарядов они смогли демонтировать завод и эвакуировать его в далекий Омск. Здесь на совершенно неподготовленных площадях в кратчайшие сроки было начато производство моторов для бомбардировщиков Ил-4 и Ту-2, истребителей Ла-5 и Ла-7. Это был трудовой подвиг ветеранов нашего предприятия, память о которых свято хранится в заводском музее наравне с памятью о тех, кто воевал на фронтах Великой Отечественной войны.

До 1953 года основу продукции предприятия составляли поршневые моторы для самолетов. С 1946 года опытно-конструкторское бюро нашего завода, созданное в мае 1945 и возглавляемое Александром Георгиевичем Ивченко, стало заниматься также двигателями для вертолетов и разработало ряд первых в мире специализированных моторов – АИ-26, АИ-4Г и АИ-14В – для этого нового вида авиационной техники.

А началось все в январе 1940 года, когда при Московском авиационном институте было создано ОКБ-3 под руководством И.П. Братухина. Этот отдел еще в довоенный период занимался созданием автожиров и вертолетов, в том числе и с двигателями запорожского завода. Специалистами ОКБ-3 было построено семейство двухмоторных вертолетов поперечной схемы «Омега», «Омега II» и Г-3. В связи с отсутствием моторов необходимой мощности для вертолета Г-3 в 1944 году была закуплена ограниченная партия двигателей «Пратт-Уитни» R-985AN-1 взлетной мощностью 450 л.с.

Во время летных испытаний Г-3 были достигнуты хорошие результаты, однако для запуска в серийное производство необходим был отечественный двигатель. Наиболее подходящим по мощности оказался ранее созданный под руководством А.Г. Ивченко М-26. В своем исходном виде это был обычный самолетный мотор с горизонтальным выводом вала, как и все двигатели, ранее устанавливавшиеся на отечественные и зарубежные вертолеты. Традиционно работы по обеспечению возможности эксплуатации мотора на вертолете и привода вертикального вала несущего винта выполнялись создателями вертолета путем установки на вертолет дополнительных угловых редукторов, систем охлаждения двигателя воздухом и т.п. Получалась громоздкая и тяжелая конструкция.

Г-4

М.Л. Миль и А.Г. Ивченко

Двигатель М-26ГР

После осмотра такой силовой установки вертолета Г-3 А.Г. Ивченко предложил сделать мотор, интегрированный с редуктором и системой его охлаждения. И 18 января 1946 года И.П. Братухин подписал компоновку такой модификации мотора М-26, получившей обозначение М-26ГР (геликоптерный редукторный). Начались работы по созданию мотора.

М-26ГР стал первым в мире специальным мотором для вертолетов, поскольку имел встроенный угловой редуктор, обеспечивающий приводы несущего винта, вентилятора принудительного обдува цилиндров и вала синхронизации и связывающий двигатели на вертолетах продольной или поперечной схемы, обеспечивая одинаковую частоту вращения обоих несущих винтов. В случае выхода из строя одного из двигателей редуктор позволял продолжать полет на втором двигателе – исправном. Двигатель был оборудован также комбинированной муфтой включения и свободного хода. Он развивал взлетную мощность 500 л.с. и выпускался в двух вариантах: М-26ГРЛ для привода левого и М-26ГРПр для привода правого несущего винта вертолета.

В декабре 1946 года мотор М-26ГР успешно прошел государственные испытания, а в 1947 году начал летные испытания на первом опытном экземпляре вертолета Г-4 (такое обозначение получил Г-3, доработанный под установку моторов М-26ГР). Опытная партия вертолетов строилась на киевском авиационном заводе, где с 1931 года одним из направлений производственной деятельности стало строительство автожиров (начиная с первого советского построенного серийно автожира 4-ЭА ЦАГИ).

Несмотря на положительные результаты испытаний, Г-4 по ряду причин технического и организационного характера серийно не производился, было построено всего четыре вертолета. Но Г-4 стал базой для создания экспериментальных вертолетов И.П. Братухина, таких, как Б-5, Б-9, Б-10 и Б-11, с двигателями семейства М-26ГР.

В 1951 году ОКБ-3, внесшее огромный научный и технический вклад в отечественное вертолетостроение, прекратило свое существование. Его высококвалифицированные конструкторы, летчики-испытатели и инженеры вошли в состав созданных новых вертолетных ОКБ М.Л. Миля (1947 г.) и Н.И. Камова (1948 г.), а также в ОКБ А.С. Яковлева, с 1945 г. работавшего по вертолетной тематике. Постановлением Совета Министров СССР от 12 декабря 1947 года «О создании геликоптера связи для Вооруженных Сил СССР» ОКБ А.С. Яковлева и ОКБ М.Л. Миля было поручено на конкурсной основе спроектировать и построить вертолеты с мотором М-26ГРФ.

Этот мотор был форсированной по наддуву модификацией с взлетной мощностью 575 л.с. Он был создан для построенных в 1947 году опытных вертолетов Б-5, Б-9 и Б-10 И.П. Братухина. Также он был установлен на построенный в 1948 году опытный вертолет Б-11 того же конструктора.

В конце 1947 года мотор М-26ГРФ успешно прошел государственные испытания. Постановлением правительства двигателям семейства М-26 и последующим двигателям ОКБ запорожского завода было присвоено обозначение АИ – Александр Ивченко. Так был отмечен большой вклад главного конструктора А.Г. Ивченко в развитие отечественного авиамоторостроения. После того как вместо иностранного слова «геликоптер» стало применяться слово «вертолет», название мотора АИ-26ГРФ изменилось на АИ-26В (вертолетный). Под таким обозначением и с незначительными конструктивными изменениями он пошел в серийное производство. В июне 1948 года постановлением Совета Министров СССР за создание двигателя АИ-26В главный конструктор А.Г. Ивченко, заместитель главного конструктора А.М. Анашкин и ведущий конструктор В.А. Лотарев были удостоены звания лауреатов Сталинской премии.

Н.И. Камов и А.Г. Ивченко

Вертолет Ми-1 с двигателем АИ-26В

Первый полет вертолет ГМ-1 (геликоптер Миля-1) совершил 30 сентября 1948 года, а в ноябре того же года начались испытания вертолета Як-100. Оба они были созданы в соответствии с постановлением Совета Министров СССР от 12 декабря 1947 г. Это были одновинтовые вертолеты с рулевым (хвостовым) винтом и с одним мотором АИ-26В. Во второй половине 1950 г. Як-100 прошел испытания с положительной оценкой, но к серийному производству принят не был, так как завершивший испытания в конце 1949 года вертолет ГМ-1 показал лучшие летные данные. После запуска в серийное производство вертолету было присвоено обозначение Ми-1.

Необходимо отметить, что первые опытные вертолеты ГМ-1 традиционно строились на киевском авиационном заводе №423, так как в то время ОКБ М.Л. Миля не имело своей производственной базы. В 1951 году серийное производство вертолета Ми-1 было передано на Казанский вертолетный завод, и с этого времени началось сотрудничество моторостроителей из Запорожья с казанскими вертолетостроителями, которое успешно продолжается и в настоящее время, приближаясь к своему 60-летнему юбилею.

Тесно сотрудничая с ОКБ И.П. Братухина, М.Л. Миля и А.С. Яковлева, А.Г. Ивченко не упустил из виду и работы вертолетного ОКБ им. Н.И. Камова.

Построенный в 1947 году первенец ОКБ Н.И. Камова легкий одномоторный вертолет Ка-8 двухвинтовой соосной схемы не смог обеспечить при испытаниях необходимых летных характеристик в связи с применением недостаточно мощного мотоциклетного двигателя М-76 (мощностью 44,8 л.с.). А.Г. Ивченко предложил создать для этого вертолета более мощный специальный двигатель, который получил первоначальное обозначение М-4Г. В ноябре 1948 года двигатель, переименованный в АИ-4Г (затем в АИ-4В), был предъявлен на государственные стендовые испытания. Это был четырехцилиндровый мотор с взлетной мощностью 55 л.с. и принудительным воздушным охлаждением. В его трансмиссию входили два редуктора: один был состыкован непосредственно с двигателем и служил для снижения частоты вращения, а второй предназначался для распределения мощности на два соосных несущих винта.

Вертолет с двигателем АИ-4В получил обозначение Ка-10 и совершил свой первый полет 30 августа 1949 года.

Испытания Ка-10 в морских условиях на легком артиллерийском крейсере «Максим Горький» в октябре 1950 года стали датой рождения отечественной корабельной вертолетной авиации. В дальнейшем была выпущена небольшая партия вертолета Ка-10 и его модификации Ка-10М. Полученный положительный опыт сотрудничества привел к тому, что в дальнейшем практически на все вертолеты ОКБ им. Н.И. Камова устанавливались запорожские двигатели.

В мае 1948 года под руководством А.Г. Ивченко был создан девятицилиндровый звездообразный мотор АИ-14 для самолетов легкомоторной авиации. В дальнейшем на базе этого мотора разработали вертолетную модификацию – АИ-14В со взлетной мощностью 255 л.с., которая имела встроенный редуктор, вентилятор принудительного охлаждения, комбинированную муфту включения и свободного хода, а также распределительный редуктор, так как предназначалась для установки на вертолет Ка-15 двухвинтовой соосной схемы.

Работы по проектированию этого вертолета начались в ОКБ Н.И. Камова в 1950 году по техническому заданию командования военно-морской авиации на создание многоцелевого вертолета корабельного базирования. Первый подъем в воздух Ка-15 состоялся 14 апреля 1953 года, а его серийное производство началось в 1956 году на авиазаводе №99 в Улан-Удэ.

Для использования в гражданской авиации в 1957 году была создана многоцелевая модификация вертолета, получившая обозначение Ка-18, с большей взлетной массой, поэтому для этого вертолета создали форсированный мотор АИ-14ВФ мощностью 280 л.с. С 1960 года он стал устанавливаться и на вертолеты Ка-15М. До настоящего времени этот мотор успешно эксплуатируется на вертолетах Ка-26 различных модификаций.

Следует отметить, что запорожские моторостроители были первопроходцами и в применении на вертолетах газотурбинных двигателей. Так, в 1955 году, конструкторами ОКБ завода была создана модификация турбовинтового двигателя ТВ-2 для первого в мире газотурбинного винтокрыла Ка-22. Этот двигатель, получивший обозначение ТВ-2ВК, имел мощность 5900 л.с. и обеспечивал одновременный привод и несущего, и тянущего винтов Ка-22. Первый полет Ка-22 состоялся 17 июня 1959 года. В дальнейшем на нем были установлены 8 мировых рекордов, часть из которых не превзойдена до настоящего времени.

Ка-10

Двигатель АИ-4Г

Вертолет Ка-15 с двигателем АИ-14ВФ

В 1959 году под руководством А.Г. Ивченко был создан турбореактивный двигатель (ТРД) АИ-7 с тягой 60 кгс для первого и единственного в мире вертолета с ТРД, установленными на концах лопастей несущего винта. Это был экспериментальный четырехместный В-7 ОКБ М.Л. Миля.

Необходимо отметить, что из многих руководителей авиамоторных ОКБ, которым было предложено разработать двигатель для В-7, за создание необходимого ТРД взялись только запорожские конструкторы. Причины отказов остальных ОКБ – в тяжелейших условиях работы двигателя. Он должен был работать при 300- кратных перегрузках от центробежных сил и значительных нагрузках от гироскопического момента ротора двигателя.

Очередным шагом вперед стало создание на базе турбовинтового двигателя АИ-24 модификации АИ-24В со свободной турбиной для исходного однодвигательного варианта вертолета В-8 (Ми-8). Первый полет этого вертолета состоялся 24 июня 1961 года. В дальнейшем была создана двухдвигательная модификация Ми-8 с двигателями ТВ2-117, которая и пошла в производство.

Серийный выпуск вертолетных газотурбинных двигателей в Запорожье начался в 1970 году с двигателя ТВ3-117, созданного в петербургском ОКБ им. В.Я. Климова (в настоящее время ОАО «Климов») под руководством генерального конструктора С.П. Изотова для десантно-штурмового вертолета Ми-24 и противолодочного Ми-14. Первый полет Ми-24 состоялся 15 сентября 1969 года.

С целью дальнейшего повышения технических и эксплуатационных характеристик, а также улучшения показателей надежности в 1980 году под руководством главного конструктора «Мотор Сич» А.С. Красникова был создан новый двигатель ТВ3-117В (высотный). Он обеспечивает поддержание взлетной мощности 2200 л.с. до высоты 2200 м или до температуры наружного воздуха + 30 °С при Н=0. В дальнейшем ОКБ им. В.Я. Климова совместно с ОАО «Мотор Сич» были созданы девять модификаций этого двигателя.

В настоящее время свыше 10 тысяч изготовленных на ОАО «Мотор Сич» двигателей семейства ТВ3-117В эксплуатируются в более чем 60 странах мира почти на двух десятках типов и модификаций военных и гражданских вертолетов марок «Ми» (Ми-8МТ, Ми-14, Ми-24, Ми-25, Ми-35, Ми-28, Ми-17, Ми-171, Ми-172 и др.) и «Ка» (Ка-27, Ка-29, Ка-31, Ка-32, Ка-50, Ка-52). Их суммарная наработка превысила 17,5 млн. часов.

В начале 70-х годов в ОКБ Миля приступили к проектированию нового тяжелого транспортного вертолета следующего поколения для замены существующих Ми-6 и Ми-10. Разработка вертолета велась под руководством генерального конструктора М.Н. Тищенко. Непосредственно работу организовали главный конструктор Г.П. Смирнов и его заместитель А.Г. Самусенко. Новый вертолет получил обозначение Ми-26.

Силовой установкой этого вертолета служат два турбовальных двигателя Д-136, разработанные в ЗМКБ «Прогресс» под руководством генерального конструктора В.А. Лотарева на базе газогенератора серийного двухконтурного двигателя Д-36, выпускаемого предприятием «Мотор Сич» для самолетов Як-42, Ан-72 и Ан-74.

Непосредственно работами по созданию двигателя руководил главный конструктор Ф.М. Муравченко. До настоящего времени турбовальные двигатели Д-136 являются не только самыми мощными в мире, но и отличаются малой удельной массой, низким удельным расходом топлива и низкими уровнями шума и эмиссии. Существенно облегчала ремонт и обслуживание блочно-модульная конструкция двигателя. Первый полет вертолет Ми-26 совершил в декабре 1977 года. Государственные испытания Ми-26 завершились в августе 1980 года, а уже 25 октября 1980 года в воздух поднялся первый вертолет, построенный на Ростовском вертолетном заводе. Серийный выпуск Ми-26 начался в 1984 году. По своим летно-техническим характеристикам этот вертолет и сегодня не имеет конкурентов в мире. Такова краткая история создания и производства двигателей для вертолетов в Запорожье.

Вертолет Ка-22 с двигателями ТВ2-ВК

Вертолет Ми-24 с двигателями ТВ3-117

Вертолет Ми-26 с двигателями Д-136