Винтажная статья из октябрьского-ноябрьского 1944 года выпуска журнала «Техника-молодежи», которая, думаю, заинтересует читателей и коллег.
В последнее время в Америке многие специальные журналы и общая пресса заполнены сенсационными иллюстрациями и рекламными статьями о чудесном летательном аппарате, который может поворачиваться вокруг своей вертикальной оси, подниматься и опускаться по вертикали, неподвижно «висеть» на любой высоте в воздухе при любом ветре и проделывать иные чудеса, на которые не способны даже птицы.
Речь идет о действительно чудесной машине – геликоптере, которую многие крупные инженеры и конструкторы считают призванной произвести в жизни людей такой же переворот, какой в свое время произвел автомобиль.
Что же это за машина? Как она устроена? Кому мы обязаны созданием столь оригинального аппарата?
Геликоптер, в переводе с греческого, значит – «винтовое крыло». Он представляет собой летательный аппарат тяжелее воздуха, с воздушным винтом, лопасти (крылья) которого расположены горизонтально и вращаются вокруг вертикальной оси. Лопасти винта загребают воздух и отбрасывают его вниз. Над винтом создается пониженное давление, а ниже винта, куда беспрерывно поступают новые массы воздуха, давление повышается. Из-за разности давлений под и над винтом возникает сила, направленная вверх. Эта сила и заставляет подниматься геликоптер.
Если плоскость вращения винта, расположена под углом к горизонту, то возникающую силу можно, по известному из физики правилу параллелограмма, разложить на две составляющие: силу, направленную вверх по вертикали, и силу, направленную по горизонту. Вертикальная сила уравновешивает тяжесть аппарата и поддерживает его в воздухе, горизонтальная же заставляет аппарат двигаться вперед.
У современного геликоптера плоскость вращения винта можно изменять по желанию, и таким образом он может двигаться и вертикально вверх и вдоль горизонта. В случае внезапной остановки мотора лопасти геликоптера при его снижении продолжают вращаться, подобно тому, как вращаются крылья ветряной мельницы или детской вертушки, движимой бегущим мальчиком. При этом вращении создается подъемная сила, которая поддерживает геликоптер и превращает его падение в безопасное и плавное снижение.
Идея геликоптера не нова. Гениальный художник и инженер XVI века Леонардо да Винчи еще в 1505 году сделал набросок летательного аппарата, который по существу является первой схемой геликоптера. В начале XIX века было несколько попыток осуществить проект Леонардо да Винчи. Но даже наиболее удачные из них заканчивались созданием аппаратов, которые едва подпрыгивали от земли. При этом выявился целый ряд трудностей. Оказалось, что построенные машины чрезвычайно неустойчивы, а способы борьбы с этим недостатком были неясны, потому что теория воздушного винта в то время совершенно не была разработана. Подъемная сила, создаваемая винтом, оказывалась незначительной; неразрешенной оставалась проблема управления геликоптером.
В начале XX века братья Райт в Америке создали аэроплан, и впервые в истории человечества летательная машина тяжелее воздуха оторвалась от земли. Последовавшее затем бурное развитие самолета ослабило интерес к геликоптеру. Однако, по словам академика Б. Н. Юрьева, над самолетом
«тяготеет, как своего рода первородное проклятие, его органический недостаток, связанный с самим принципом полета аэроплана».
Для того чтобы держаться в воздухе, самолет должен обладать какой-то минимальной скоростью горизонтального полета, которая обеспечивает возникновение подъемной силы, равной весу самолета. Для взлета ему необходимо набрать на земле при разбеге эту минимальную скорость. При посадке эту же скорость необходимо погасить, что требует устройства особых посадочных площадок – аэродромов. Чем больше максимальная скорость самолета, тем больше и его минимальная посадочная скорость. Вынужденные посадки на пересеченной местности почти всегда оканчиваются авариями, зачастую даже катастрофами. Таким образом, самолет, особенно гражданского типа, как правило, привязан к аэродрому. Общеизвестны выдающиеся качества авиации в боевых условиях. Природа военных самолетов обязывает конструкторов не покладая рук работать над повышением скорости боевых машин. И в этом деле достигнуты замечательные успехи.
Однако большие скорости ухудшают маневренность самолета, так как при поворотах приходится описывать круги с большими радиусами. В противном случае возникают огромные ускорения, а вместе, с этим и большие центростремительные силы, которые могут разрушить самолет. Уменьшение скорости, на небольшой высоте грозит самолету катастрофой. В этом случае подъемная сила становится недостаточной для поддержания самолета в воздухе, а летчик не успевает принять необходимых мер при внезапном, снижении машины.
Все эти неустранимые недостатки самолета заставили вновь обратиться к геликоптеру. Еще в 1910-1911 годах Н. Е. Жуковским и его учениками Юрьевым, Ветчинкиным и Сабининым была создана, весьма совершенная теория воздушного винта, на основании которой производятся расчеты винтов и в настоящее время.
Б. Н. Юрьев, работая над теорией самолетного винта, уделял большое внимание и геликоптерному винту. Он учел некоторые особенности работы геликоптера и провел ряд весьма остроумных исследований на примитивных моделях. На основании этих работ Б. Н. Юрьев создал новую оригинальную схему геликоптера, в которой впервые были решены все основные вопросы этого летательного аппарата. По проекту Юрьева геликоптер имел два винта: один несущий, большой, и хвостовой, малый винт. Большой винт соединялся с особым прибором-автоматом – перекосом, с помощью которого производилось управление машиной. Автомат-перекос служил своеобразным рулем высоты, регулировал подъемную силу, обеспечивал устойчивость геликоптера в полете и выполнял еще другие функции.
Этот прибор давал возможность летчику наклонять ось винта в любую сторону и таким образом регулировать направление создаваемой винтом силы, чтобы получать одновременно и подъемную силу и силу тяги. Этот же автомат-перекос осуществлял в полете и поворот самих лопастей, то есть устанавливал их под различным углом наклона к плоскости вращения винта.
А чем больше угол установки лопасти, тем большее количество воздуха отбрасывается винтом и тем больше сила, возникающая на винте. Регулировать же эту силу приходится непрерывно.
Дело в том, что скорость набегания лопасти на воздух, когда геликоптер летит вперед, складывается из поступательной скорости всего аппарата и скорости вращения отдельной лопасти. Если одна из лопастей идет вперед, то ее окружная скорость совпадает по направлению с поступательным движением, но в это же время вторая лопасть идет назад, и ее окружная скорость оказывается направленной; в сторону, обратную поступательному движению геликоптера. Таким образом, по отношению к воздуху первая лопасть будет обладать большей скоростью, чем вторая. На первой лопасти будет поэтому возникать большая подъемная сила, чем на второй, и геликоптер наклонится, как бочка, когда неумелый гребец ударяет веслами с неодинаковой силой. Очевидно, что для устойчивого полета геликоптера необходимо, чтобы подъемные силы, возникающие на каждой из лопастей, были равными. Этого можно достигнуть, если изменить положение лопасти, идущей вперед, так, чтобы она, несмотря на большую скорость, отбрасывала вниз такое же количество воздуха, как и вторая, более медленная лопасть. Нужный наклон лопастей автоматически, без участия летчика, и осуществляет придуманный Юрьевым перекос.
Таким образом, автомат-перекос регулирует работу винта по величине и направлению, благодаря чему обеспечивается хорошая устойчивость и управляемость машины. Летчик имеет возможность противодействовать ветру и другим силам, выводящим из равновесия геликоптер.
Малый винт, установленный на хвосте геликоптера, создает силу, противодействующую силе реакции от вращения большого винта. Эта сила реакции стремится вращать корпус геликоптера в сторону, противоположную вращению несущего винта. Возникновение такой силы обусловлено законом Ньютона, согласно которому
«всякое действие вызывает равное и противоположно направленное противодействие».
Этот же малый винт дает возможность быстро поворачивать машину около вертикальной оси.
Студенческому воздухоплавательному кружку проф. Жуковского, который пытался своими силами построить такой геликоптер в 1912 году, удалось создать лишь полумакет аппарата. Поддержки от недальновидного царского правительства эти замечательные работы, как и другие работы по авиации, не получили. Считалось, что разработка летательных машин – дело частной инициативы, не имеющее отношения к правительству. Макет геликоптера, с большими трудами построенный руками энтузиастов, демонстрировался в 1912 году на Международной воздухоплавательной и автомобильной выставке в Москве, и автор этого проекта Б. Н. Юрьев получил от жюри выставки золотую медаль. Вместе с другими учениками Жуковского он продолжал работы по постройке геликоптера, но достаточных средств не было, и дело затянулось до войны 1914 года, когда участникам кружка на время пришлось оторваться от этой работы и заняться более злободневным делом – улучшением летных качеств русских самолетов.
Несмотря на то, что геликоптер Б. Н. Юрьева не был в свое время построен, создание им проекта и модели этой машины по праву считается исходным пунктом развития современного геликоптера. Многочисленные схемы, которые предлагались впоследствии, почти все, вплоть до самых последних американских летающих геликоптеров Сикорского, весьма сходны со схемой, предложенной Б. Н. Юрьевым в 1911 году. Одновинтовый, с автоматом-перекосом, как и в машине Юрьева, геликоптер Сикорского привлекает особенно большое внимание. Сейчас в Америке этот геликоптер с целью рекламы летал и спускался перед парадной лестницей «Белого дома» в Вашингтоне. В Америке широко демонстрируется цветной кинофильм, где показывается спуск людей по веревочной, лестнице и наполнение горючим баков машины с помощью шланга, идущего с земли на неподвижно «висящий» геликоптер. Уже делались большие перелеты на этих машинах.
По сведениям иностранных журналов американское правительство заказало фирме Сикорского триста геликоптеров для военных целей.
В схеме Б. Н. Юрьева была впервые технически правильно разрешена проблема геликоптера. Но русским инженерам принадлежит и заслуга постройки первого в мире летающего геликоптера.
Начиная с 1926 года, в ЦАГИ широко развернулись работы по освоению геликоптера. Были проведены многочисленные лабораторные и теоретические исследования устойчивости геликоптеров. На основании этих работ были выбраны три типа геликоптера, получившие название «фаворитов». Такими «фаворитами» оказались: одновинтовый геликоптер с автоматом-перекосом и хвостовым винтом, двухвинтовой с вращением винтов в противоположные стороны, причем винты располагаются или по бокам фюзеляжа или вдоль его оси и, наконец, многовинтовый и многомоторный геликоптер.
За основу была принята первая схема, как наиболее простая. По ней конструкторским бюро инж. А. М. Изаксона был построен в 1930 году одновинтовый геликоптер ЦАГИ «ЗА-1», который был первым в мире геликоптером, действительно летавшим. Да этого времени геликоптеры могли лишь прыгать.
Конечно, и эта машина страдала еще целым рядом «детских болезней». Основным ее недостатком, была малая прочность лопастей винта. Наибольшее влияние на лопасти оказывает подъемная сила, которая стремится отогнуть их кверху. После целого ряда дополнительных исследований пришли к выводу, что для уничтожения изгибающего действия этой силы нужно закреплять лопасти у основания на шарнирах так, чтобы они, подобно крыльям птиц, могли делать взмахивающие движения.
Взмах лопастей происходит потому, что, как уже было сказано, при движении лопасти вперед возникает большая подъемная сила и лопасть приподнимается. При движении лопасти назад она опускается. Следующий поворот винта заставляет лопасть опять приподняться и т. д. С шарнирно-взмахивающими лопастями и был построен новый геликоптер ЦАГИ «ЗА-5», показавший в полете значительно лучшие результаты.
Свободно взмахивающие лопасти были впервые предложены создателем автожира испанским инженером Сиерва. Автожир по своему внешнему виду очень похож на геликоптер. Но на самом деле автожир – это промежуточная машина между самолетом и геликоптером. У автожира, как у самолета, имеется впереди воздушный винт, который приводится во вращение мотором и создает горизонтальную силу тяги. Второй винт, расположенный над автожиром, мотора не имеет и вращается только вследствие поступательного движения автожира. Таким образом, несущий винт работает, по существу, так же, как крылья самолета: при отсутствии поступательного движения несущий винт прекращает свое вращение и создает подъемной силы. Сочетание двух винтов позволяет несколько уменьшить минимально необходимую скорость полета и тем самым сократить длину разбега перед взлетом, пробега при посадке. Несколько безопаснее становится вынужденная посадка при случайной остановке мотора. Однако, обладая лишь частично достоинствами самолета, и геликоптера, автожир имеет почти все недостатки и того и другого. В то время, когда геликоптер еще не мог быть построен из-за технических трудностей, автожир сыграл положительную роль, позволив выяснить особенности поведения в полете летательного аппарата с несущим винтом. Ряд конструктивных узлов, разработанных для автожира, можно использовать и для геликоптера.
В 1939 году в ЦАГИ был спроектирован и построен геликоптер ЦАГИ «2ЭА-11», в котором были учтены все последние достижения в области строительства самолетов-автожиров и геликоптеров за границей. Эта машина дала много ценных сведений для конструирования современных геликоптеров.
Уже в начале Великой Отечественной войны было закончено строительство и испытание двухвинтового геликоптера, проект которого был выполнен конструкторским бюро инж. Братухина при участии проф. Б. Н. Юрьева. Летные испытания этой машины доказали, что на современном этапе развития техники вполне осуществимо создание, геликоптера, обладающего всеми замечательными качествами, которые вытекают из принципа его работы. Несколько позднее и в Америке были достигнуты такие же успехи по освоению простейшего типа одновинтового геликоптера.
Посмотрим теперь, где может быть применен этот, летательный аппарат.
Обладая способностью взлетать и садиться по вертикали, неподвижно висеть в воздухе, поворачиваться вокруг вертикальной оси, перемещаться в любом направлении, безопасно сниматься при остановленном моторе, летать на любой малой и довольно большой горизонтальной скорости, геликоптер должен найти применение в качестве летательной машины любого класса.
Геликоптер может подниматься и опускаться даже при сильном ветре с весьма ограниченных площадок, размер которых не превышает 15×25 метров. Он может садиться на улице, во дворе, на городских площадях, на небольших лесных полянках, лужайках и даже на крышах домов. Такая машина очень удобна для личного пользования в городах и селах. При поездках на небольшие расстояния геликоптер имеет все преимущества перед, самолетом и автомобилем, сочетая в себе достоинства того и другого, В Америке уже сейчас, по сведениям американской печати, проектируются воздушные автомобили и автобусы-геликоптеры.
Геликоптер весьма удобен для исследования болот, гор, ущелий, непроходимых лесов, пустынь и т. п. Можно также успешно производить наблюдения и съемку с геликоптера, неподвижно висящего в воздухе вблизи изучаемого объекта. Эта машина может быть с успехом использована для оказания помощи потерпевшим кораблекрушение, для снятия со льдин рыбаков, унесенных в море, для охоты на китов, тюленей, для разведки косяков рыбу для сообщения с полярными станциями, расположенными в труднодоступной местности для высадки разведывательных экспедиций, поддержания связи с ними, для борьбы с вредителями сельского хозяйства и хищниками на пересеченной местности, для почтовых целей, для оказания срочной медицинской помощи и т. д.
Геликоптер может совершать полеты в тумане и в ночное время на малой высоте, так как при полете на малых скоростях можно даже при помощи веревки с грузом замерять высоту полета освещая фарами землю. Весьма заманчиво применение геликоптера в качестве прогулочной и спортивной машины.
Для применения на войне геликоптер имеет огромные перспективы. Это незаменимый аппарат для морского флота. Он сразу и коренным образом решает вопрос морской авиации. Для него не требуется специальных взлетно-посадочных устройств или кораблей-авиаматок. Геликоптер может производить взлет даже с палубы торпедных катеров. При дальнейшем развитии телевидения геликоптер сможет с успехом передавать изображение дислокации кораблей противника. Эта машина не имеет себе равных, как средство сопровождения морских караванов.
Вообще для военных целей геликоптер очень удобен, как наблюдатель и корректировщик артиллерийского огня, как разведчик, как десантная машина, как машина связи (особенно для связи с партизанскими отрядами). С геликоптера легко производить точное бомбометание по целям малых размеров. Особенно большое значение имеет геликоптер для охраны важных военных объектов. Возможность производить взлет с малых площадок позволяет ему находиться возле охраняемого объекта, а большая вертикальная скорость обеспечивает своевременный подъем до высоты, на которой находится противник. Встречая самолеты противника точно в том месте, где они должны сбросить бомбы, геликоптер обрушивает на них всю мощь стрелково-пушечного огня с малой дистанции и срывает прицельное бомбометание, заставляя вражеские самолеты отклониться от боевого курса.
Современный геликоптер несколько уступает самолету в горизонтальной скорости при одинаковых мощностях мотора. Это объясняется тем, что пока еще из-за технических трудностей строятся геликоптеры лишь с малым углом наклона плоскости вращения несущего винта, вследствие чего горизонтальная составляющая оказывается незначительной. В будущем геликоптер сможет развить большую максимальную скорость, чем самолет, потому что у него нет крыльев, увеличивающих сопротивление воздуха при полете.
У нас в Союзе проводится в настоящее время большая работа по усовершенствованию геликоптеров. Целый ряд талантливых советских инженеров посвятил свою жизнь решению этой проблемы, и можно быть уверенным в том, что уже в ближайшее время геликоптеры найдут себе самое широкое применение как для гражданских, так и для военных целей.
источник: Б. ШУМЯЦКИЙ, кандидат технических наук инж. Ф. КУРОЧКИН; Рисунки Н. СМОЛЬЯНИНОВА «Геликоптер» «Техника-молодежи» 10-11/1944
