Владимир Баршевский «Взгляд изнутри КБ». Часть 3. Многоцелевой корабельный вертолет Ка-15

В августе 1950 г. в ОКБ-2, руководимом Н. И. Камовым, приступили к разработке предэскизного проекта двухместного корабельного вертолета Ка-15. Его компоновка, в отличие от Ка-8 и Ка-10, была традиционной — «люди вперед, двигатель назад», однако для корабельного вертолета казались совершенно необходимыми поплавки. На машине предполагалось поставить двигатель АИ-14В со взлетной мощностью 245 л.с. и несущие винты с деревянными трапециевидными лопастями, имеющими большое сужение и отрицательную крутку, равную минус 12°. Теоретическая хорда на оси вращения равнялась 300 мм, а на конце — 100 мм. Коэффициент заполнения одного трехлопастного винта составлял 3% и, следовательно, у каждой лопасти 1%. Это был самый малый коэффициент заполнения одной лопасти в мировой практике. Таких тонких лопастей свет еще не видывал, но у «камовцев» не принято было бояться нового. Выбирал параметры несущего винта я, очевидно, под сильным влиянием исследований Л. С. Вильдгрубе, который убедительно показывал целесообразность трапециевидных и сильно закрученных лопастей для повышения относительного КПД.

Поисками оптимальной компоновки вертолета занимались мы с инженерами В. И. Бирюлиным и Б. Ю. Костиным, поскольку Главный конструктор был на госиспытаниях Ка-10 в Риге. Николай Ильич Камов, вернувшись, просмотрел с десяток придуманных нами вариантов, сразу выбрал самый простой и, на наш взгляд, самый плохой. Это была привычная компоновка с колесным шасси. По его словам, во-первых, с поплавковым шасси мы уже успели намучиться на Ка-8 и Ка-10, а для передвижения по земле все равно нужны колеса; во-вторых, посадка на землю на поплавках с режима авторотации—это почти неизбежное наличие капота и, в-третьих, даже Ка-10 при взлете и посадке страховали специально подготовленные люди, иначе машина могла войти в «земной резонанс», потому что демпфирование в баллонах было недостаточным.

Разработка эскизного проекта началась весной 1951 г., а 9 июня того же года вышло распоряжение заместителя Председателя Совета Министров Н. И. Булганина за №6043 о начале финансирования работ по Ка-15.

Надо сказать, что в 1951 г. кроме проработок корабельного вертолета ОКБ-2 занималось проекти­ро­ванием тяжелого двухвинтового вертолета продольной схемы. Это была вторая попытка Камова получить задание на большой транспортный вертолет (первая в 1946 г. с проектом «Иван Грозный» не удалась). На этот раз все складывалось гораздо серьезнее. С 25 июня 1950 г. в войне с Кореей американцы впервые начали широко применять вертолеты HRS-1 Сикорского и HRP-1 Пясецкого, показавшие высокую эффективность. Бригадный генерал К. К. Джером закончил памятную записку командованию, датированную 12 сентября 1950 г.,таким восклицанием:

«… вертолеты, больше вертолетов, как можно больше вертолетов в Корею».

Выпуск транспортных вертолетов в США стал быстро увеличиваться. В правительстве СССР обсуж­дали вопрос о преодолении отставания отечественного тяжелого вертолетостроения. Для нас участие в программе по разработке транспортного вертолета означало укрепление и расширение ОКБ. Мы стали продумывать различные варианты вертолетов продольной схемы: маленький Ка-11, одномоторный Ка-12 и, наконец, Ка-14-2 с двумя двигателями Швецова АШ-82, установленными вертикально, чтобы не делать конические шестерни в редукторах. К работе над проектом были привлечены квалифицированные сотрудники, пришедшие в ОКБ-2 из ЦАГИ и других высоких орга­низаций, где на рубеже 40-х и 50-х годов усиленно боролись с космополитизмом.

Но судьба распорядилась так, что основным для нашего ОКБ явилось продолжение работ по кора­бельным вертолетам. 4 августа 1951 г. командованию ВМФ был направлен проект тактико-техни­ческих требований на Ка-15, а 3 октября предъявлен эскизный проект. Началась постройка макета, который получил одобрение в конце 1951 г., когда камовский коллектив стал называться ОКБ-4 и располагался уже на другой территории — в Тушино.

Дело в том, что в начале октября 1951 г. Н. И. Камов был вызван в Кремль. Часа через три он вернулся очень расстроенный и рассказал, что на совещание кроме него были приглашены А. Н. Туполев, С. В. Ильюшин, И. П. Братухин и М. Л. Миль. Обсуждалась задача срочного создания транс­портных вертолетов. Миль доложил проект двенадцатиместного Ми-4, а Камов — проект Ка-14-2. Срок изготовления машин был установлен в один год. Николай Ильич возразил, что ему необхо­димо минимум два года. Л. П. Берия остался очень недоволен его ответом. На другой день повторно в Кремль вызвали только М. Л. Миля и… А. С. Яковлева и уговорили их взяться за задание, обещая неограниченную помощь. Уже 5 октября вышло Постановление правительства о создании транс­порт­ных вертолетов одновинтовой и продольной схем на 12 и 24 человека соответственно. ОКБ Миля переводилось на завод №3, ОКБ Братухина расформировывалось, а ОКБ-2 вместе с группой СБиЖ (Старинин, Брагинский и Жеребцов) переводился в Тушино, где раньше базировался Миль. Таким образом, наш проект фактически передавали Яковлеву.

Вертолет Ми-4 начал раскрутки несущего винта в апреле 1952 г., в мае 1953 г. были закончены гос­испытания, а в конце года в Саратове выпустили первые серийные машины. Як-24 совершил первый полет 3 июля 1952 г. В начале 1953 г. был передан на госиспытания, только в апреле 1955 г. завер­шил их и в августе его показали на параде в Тушино. Камов был прав — такую машину за год сделать нельзя, но опасно не соглашаться с высоким начальством.

А мы тем временем снова переезжали на неблагоустроенную базу, где предстояло строить по приказу МАП №1040 от 23 октября 1951 г. войсковую серию Ка-10 и разрабатывать Ка-15.

На сравнительно небольшой территории, отгороженной от завода № 82, стояло двухэтажное здание, в котором разместилось КБ, сборочный, механический и сварочный цеха, деревообделоч­ная мастерская и производственные отделы. В небольшом корпусе ЦЗЛ (Центральная заводская лаборатория) находились механическая, химическая и фотолаборатории, группа СБиЖ и лабора­тория самолетного оборудования. В еще одном бараке располагались бухгалтерия и плановый отдел. При переезде часть сотрудников от нас ушла, но к нам пришли Б. Ф. Савин, Триденцов, Цыпина, Андеев, Нетучинский, В. П. Борисов, A. M. Зейгман, М. Г. Черемухин. Летно-испытатель­ная станция размещалась на Захарковском аэродроме, рядом с Химкинским водохранилищем. ЛИСом командовали В. А. Карпов и A. M. Конрадов. Устроились мы довольно уютно и быстро почувство­вали себя хозяевами этого небольшого заводика.

Предназначенный для кораблей вертолет Ка-15 проектировался очень компактным. Его длина была почти в два раза меньше, чем у Ми-1. Непросто разместить в небольшом объеме все оборудование, необходимое при поиске подводных лодок. От обеспечения плавучести пришлось пока отказаться, на вертолете решили установить четырехколесное шасси.

Конструкция лопастей, разработанная М. А. Купфером, в отличие от Ка-10 имела фанерную обшивку и прорезанные, заполненные пенопластом отверстия в хвостовой части профиля. Это сделали с целью обеспечения как можно более «передней» центровки для предотвращения флаттера лопастей. В то время было уже известно, как «вылечили» флаттер лопастей Ми-4, явно обнару­жившийся при первой раскрутке несущего винта. На вертикальных шарнирах стояли фрикцион­ные демпфера. Разумеется, в системе управления на колонке были промежуточные ползушки, позволяющие изменять общий и дифференцированный шаг. Имелась система «шаг-газ». Фюзеляж смешанной конструкции состоял из силовой пространственной фермы из стальных труб, дюрале­вого каркаса и короткой клепанной хвостовой балки. На конце балки крепился стабилизатор с двумя шайбами, каждая из которых состояла из киля и руля направления. Мотор устанавливался внутри фюзеляжа в «горячем» отсеке и обдувался вентилятором. В моторном редукторе были коническая и планетарная понижающие передачи. От него мощность передавалась на двух­ступен­чатый сателлитный распределительный редуктор, приводящий валы несущих винтов. Форма носа фюзеляжа и остекление кабины обеспечивали экипажу хороший обзор. Сдвижные двери позво­ляли в случае необходимости оставлять их открытыми.

14 апреля 1953 г. летчик-испытатель Д. Е. Ефремов на первом экземпляре Ка-15, предназначенном для ресурсных испытаний, впервые поднялся в воздух. А 9 июня того же года министр авиационной промышленности А. П. Хруничев прекратил финансирование работ по этой машине. С большим трудом Н. И. Камову удалось добиться распоряжения Н. И. Булганина выдавать небольшую зарплату сотрудникам. Началась длительная доводка вертолета.

Еще в процессе стендовых испытаний некоторые узлы конструкции удалось серьезно усовершен­ствовать. На стадии заводских испытаний были выполнены впервые в нашей практике подробные исследования напряжений в элементах конструкции. Результаты замера напряжений позволяли надеяться на высокие ресурсы. Однако доводка вертолета по вибрациям затянулась на много лет, хотя госиспытания машины успешно закончились в 1955 г.

Прочнист ЦАГИ Н. Н. Корчемнин любил говорить, что «вертолет летает потому, что трясется». Соос­ный вертолет с длинным тонким валом верхнего несущего винта имел особенно веские основания для тряски. С вибрациями в нашем ОКБ боролись, начиная с Ка-8. Постепенно вырисовывались способы их уменьшения, в разработку которых большой вклад внес Д. К. Ефремов при испытаниях Ка-10 и Ка-15. Тем не менее, при доводке первых серийных вертолетов и даже при начале эксплу­атации приходилось не раз возвращаться к этой проблеме. В 1956 г. Николай Ильич поручил мне заняться вибрациями вертолета Ка-15. Создали специальную группу, в которую входили С. Горштейн, А. Ильченко и Ф. Фельдман. Мы изучали вибрацию на вертолетах вообще и возможность снижения ее до допустимого уровня. Имелись ввиду автоколебания («земной резонанс»), флаттер лопастей и вынужденные колебания. Ближайшей задачей для нас было уменьшение вибраций вертолета Ка-15 №3, который в отличие от №2 трясся значительно сильнее, хотя ничем от него не отличался. В этой работе принимали участие и специалисты ЦАГИ: И. В. Ананьев, Л. С. Попов, А. П. Резник, М. С. Галкин, Б. Я. Жеребцов и другие.

Наиболее неприятными на №3 были вынужденные колебания машины по первому тону (продоль­ные колебания). На Ка-15 №2 такие колебания уменьшались за счет увеличения жесткости верх­него винта путем установки третьей, так называемой «верхней» опоры и увеличения сечения вала. При подготовке к частотным испытаниям обнаружили, что из-за производственного дефекта на Ка-15 №3 третья верхняя опора вала практически отсутствовала, чем и объяснялось различие в вибрациях на №2 и №3. Исследования, касающиеся уменьшения неуравновешенных периоди­ческих сил верхнего винта, велись несколько лет. В процессе доводки вертолета с той же целью выполнили и ряд конструктивных мероприятий. Сначала увеличили вынос вертикального шарнира. Затем бронзовые подшипники вертикальных шарниров заменили на игольчатые. Позже установили пружинные тяги между лопастями верхнего винта и ввели трехтяговое соединение верхнего и нижнего автоматов перекоса. Для повышения жесткости опоры верхнего и нижнего винтов вновь увеличили сечение вала и установили верхнюю третью опору на 360 мм выше второй. Эти меро­приятия дали возможность закончить заводские и провести государственные испытания Ка-15.

Однако на серийном заводе в Улан-Удэ именно из-за сильной тряски возникли большие трудности при сдаче машин заказчику. На завод направили С. Горштейна, трагически погибшего при проведе­нии динамической регулировки вертолета в 1956 г. В начале 1957 г. в Улан-Удэ откомандировали меня вместе с М. А. Купфером и Д. К. Ефремовым. В городе было очень холодно – за минус тридцать, сухой континентальный воздух сушил губы и они трескались. Работать рядом с верто­летом прихо­дилось в суконных масках, так как ветер от винтов моментально обжигал и обморажи­вал лицо. Тело спасала от стужи летная одежда.

Проходили дни, а вертолеты продолжали трястись. К вечеру мы, утомившись от безуспешных усилий, понуро и молча шли домой совершенно опустошенные. После ужина начинались споры, вырисовывались предложения и появлялась надежда на успех. А назавтра все повторялось снова. Между тем, о вынужденных колебаниях нам уже было известно если не все, то многое: форма колебаний, влияние жесткости хвостовой балки и характера загрузки фюзеляжа. А. Я. Ильченко удалось получить простую формулу для подсчета резонансной частоты. Выяснилось, что сущест­венного изменения частоты можно ожидать за счет увеличения разноса вертикальных шарниров и жесткости вала. Уменьшив длину вала верхнего винта на 150 мм, повысили жесткость вала, что, в свою очередь, дало возможность наладить выпуск серийных машин.

Вскоре были установлены так называемые «зоны комфорта», границы которых нельзя переходить. Обозначены они такими оценками: незаметные, едва заметные вибрации – очень хорошо; заметные – хорошо; беспокоящие – удовлетворительно; очень неприятные – не рекомендуются; сильные – опасны для здоровья. Граница, установленная специалистами ГК НИИ ВВС, представляла собой гиперболу, в которой допустимая амплитуда колебаний понижалась по мере увеличения частоты. При повышении частоты резко возрастает воздействие вибраций на организм человека. В этом отношении оборотные вибрации на Ка-15 с частотой 350-360 кол/мин воспринимались лучше, чем лопастные вибрации на Ми-4 с частотой примерно 750 кол/мин.

С началом эксплуатации серийных Ка-15 опять пришлось заниматься вибрациями. На этот раз – флаттером лопастей, признаки которого на этом вертолете обнаружили еще в 1953 г. После непро­должительного поиска способов его устранения остановились на традиционных противовесах. На лопастях надолго обосновался «фирменный знак» — выносные противофлаттерные грузы на перед­ней кромке. А в 1954 г. на вертолетах Ми-4 начались необычные явления, получившие вначале название «эффект Калиберного» и оказавшиеся флаттером. Проявлялся этот эффект на режиме моторного планирования на углах установки лопастей 6–7°. Лопасти начинали вымахивать из ометаемого конуса и срубали кабину пилотов, которые погибали и не могли рассказать, как это произошло. А летчику по фамилии Калиберный повезло: он остался в живых и поведал о случив­шемся. Причиной оказалось набухание лопастей во время оттепели, из-за чего их центровка смещалась назад.

Вскоре и на Ка-15 появилась причина перемещения центровки лопастей назад — на этот раз в результате ремонта. Чинили лопасти, заделывая небольшие трещины в районе триммеров, отгибаемых при регулировке несущих винтов. Триммеры решили прошить нитками «маккей». Но военным это показалось несолидным, и нитки заменили проволокой. Мастера перестарались, добиваясь товарного вида, и положили слишком много шпаклевки — центровка сместилась назад. После таких ремонтов на Ка-15 стали происходить непонятные летные происшествия. При их расследовании подозрение пало на флаттер. Но в ОКБ все машины после ремонта лопастей проверялись по специальной методике. На земле при максимальных оборотах летчик несколько раз отклонял ручку, провоцируя флаттер. Если при этом конус лопастей «не размывался» и фыркающие звуки отсутствовали, то машина считалась пригодной. В полете обороты всегда меньше макси­маль­ных. А по результатам, полученным в ЦАГИ, считалось, что если флаттера нет на висении, то его не будет и на скорости.

После починки лопастей нужно было вводить в строй машины в разных местах страны, и Николай Ильич разослал нас по гарнизонам. Мне достался Севастополь, где я уже бывал с лекциями. В конце лета 1958 г. дело у нас двигалось медленно, а необходимо было на всех вертолетах сначала выполнить наземную проверку на флаттер, затем облетать машину и замерить ручным вибро­графом амплитуду колебаний в кабине. Летных дней было слишком мало, работа замирала, и я нервничал. Однажды в отсутствии летчика я уговорил инженера части сделать наземную проверку без пилота. Он нехотя согласился, и я сел на правое сиденье. Раскрутив винты и выйдя на макси­мальные обороты, инженер стал делать «дачи», а я смотрел на концы лопастей и прислушивался. Флаттерных сигналов не было, но после очередной «дачи» машина влетела в «земной резонанс». Кто видел, тот знает, что это такое. Инженер медлил со сбрасыванием «шаг-газ», пытаясь удержать соскакивающую фуражку. Я же не мог дотянуться до рычага, находящегося слева от кресла пилота. Наконец, «шаг-газ» был сброшен и машина остановилась, вдоволь попрыгав. При осмотре обнару­жилась недостаточная затяжка демпферов вертикальных шарниров. Вертолет не пострадал, но мне урок впрок не пошел.

При облете одной из последних машин летчик А. Н. Воронин обнаружил сильные вибрации в полете на высокой скорости. Однако на ленте вибрографа записи были вполне благополучные. Я заявил, что вертолет может быть принят или же полет должен быть повторен. Воронин явно рассердился и, придя на следующий день на аэродром, коротко бросил: «Садись». Взяв виброграф, я с удоволь­ствием уселся на правое сиденье. Летели мы без парашютов. Быстро набрав высоту, Воронин начал показывать мне поведение машины, постепенно увеличивая скорость. Сверху аэродром и Херсонес казались очень маленькими, кругом было море. При номинальных оборотах на скорости около 140 км/ч сильно «зафыркало» и конусы обоих винтов «размыло» — это был самый настоящий флаттер. Началась сильнейшая тряска. Мне показалось, что между лопастями верхнего и нижнего винтов остается не более 100 мм. Но почему-то я боялся сказать об этом Воронину. А он совершенно спокойно продолжал демонстрировать «высокую вибрацию». Указывает на приборную доску, скорость — 120 км/ч, и повышает обороты выше номинальных. Машину начинает просто зверски трясти. Я ему жестами объясняю, что все понял и надо спускаться, а он знай себе меняет обороты и скорости. Очевидно, эта демонстрация длилась минуты две-три. Но для меня время тянулось нескончаемо. Наконец мы сели. На вибрографе была запись «от упора до упора». Только на земле я высказал Анатолию Николаевичу свое мнение о том, что он проделал в воздухе. Затем отправил на завод телеграмму с подробным объяснением происшедшего. Почти одновременно со мной в Казахстане М. А. Купфер расследовал аварию с Ка-15, который разбился после «прошивки» трим­меров. Столяр, ремонтировавший лопасти, попросил летчика покатать его на вертолете и тот согласился. В полете они попали во флаттер и лопасти схлестнулись. К счастью, машина опустилась на оставшихся обрубках и жертв не было. С тех пор в методику проверки на флаттер внесли сущест­венное изменение. Требовалось обеспечить нормируемый запас по эффективной центровке лопастей. Так, эффективная центровка должны быть на 1% более «передней», чем та, при которой на максимальных оборотах отсутствуют флаттерные сигналы. Обеспечение достаточ­ного запаса по флаттеру оказалось необходимым не только для безопасности полетов, но и для снижения уровня вибраций. Отрегулировать вертолет стало значительно проще.

Полученные при испытаниях летно-технические характеристики Ка-15 оказались выше проектных. Машина перевозила коммерческий груз в 210 кг при взлетном весе 1410 кг и мощности двигателя 280 л.с. В то же время Ми-1 брал 255 кг при весе 2470 кг и мощности 575 л.с. Характеристики управляемости, свойственные соосному вертолету, и компактность машины позволяли выполнять взлеты и посадки с весьма ограниченных площадок.

После запуска Ка-15 в серию ОКБ продолжило работы над повышением ресурса и расширением областей применения вертолета. На заводе были созданы многочисленные стенды для испытаний в условиях динамических нагрузок узлов и элементов конструкций, проводились длительные ресурс­ные испытания, комплекс специальных летных испытаний (в том числе посадки на авторотации без пробега с включением двигателя на высоте 300 м). Выполнялись посадки на поплавковом шасси на воду, также и на авторотации. Летчики Д. К. Ефремов и Т. В. Русиян в 1957 г. провели очень сложные и небезопасные исследования «вихревого кольца», установив четкие границы попадания в этот режим и методы выхода из него.

В 1957 г. создали учебный вертолет УКа-15 с двойным управлением, дополнительными пилотаж­ными приборами и шторками для обучения «слепому» полету. Разработали различные варианты народнохозяйственного многоцелевого вертолета Ка-15М. Его оборудовали аппаратурой для химической обработки растений, контейнерами для почты и мелких грузов, гондолами для пере­возки больных, а также поплавковыми шасси.

вариант окраски Ка-15

Вертолет Ка-18 представляет собой четырехместную модификацию Ка-15. Скомпоновал машину М. Б. Малиновский в 1956 г. На вертолете удлинили фюзеляж и хвостовую балку, расширили кабину и увеличили площадь хвостовых шайб. Кроме летчика Ка-18 мог перевозить двух-трех пассажиров или больного на носилках с сопровождающим медработником, а также выполнять все функции вертолета Ка-15М. В 1957 г. Ка-18 успешно выдержал государственные испытания и несколько лет выпускался серийно на заводе в Улан-Удэ. На Всемирной выставке в Брюсселе в 1958 г. он был отмечен Золотой медалью.

В 1958-1963 г.г. для вертолетов Ка-15 и Ка-18 были созданы стеклопластиковые лопасти Б-7. Камов говорил, что когда-нибудь лопасти будут прессовать (выпекать):

«Заложат что-то под пресс или в автоклав, а вынут сразу готовую лопасть. А потом другую, и третью, и все они будут совершенно одинаковыми».

Он мечтал сделать дешевый народный вертолет и понимал, что необходимо обеспечить лопастям полную идентичность, хорошую поверхность и неизменность формы при изменении погоды. Поэтому изготавливать их быстро и дешево в массовом производстве можно было только ради­кально изменив конструкцию и технологию. Весьма существенный вклад в продвижении этой идеи в жизнь сделан впервые в нашей стране группой конструкторов, расчетчиков, технологов и ученых под руководством Н. И. Камова.

В автоклаве полимеризуется не вся стеклопластиковая лопасть Б-7, а только ее лонжерон — одно­контурный, замкнутого сечения, из стеклоткани, пропитанной связующим горячей полимеризации с металлическими деталями: центровочными грузами и трубками противообледенительной системы. Листы стеклоткани укладываются в пакеты и проходят предварительную опрессовку. После этого они собираются друг с другом и устанавливаются центровочные грузы с трубками противообледе­нительной системы. Потом в полости лонжерона размещают резиновую камеру и все закладывают в прессформу, которая оборудована электронагревателями. Давление в резиновой камере созда­ется азотом. Внутренняя поверхность прессформы выполнена в соответствии с теоретическим профилем и имеет крутку. Опрессованный лонжерон не требует дополнительной обработки. Хвосто­вая часть лопасти образована хвостовыми секциями.прикрепленными к лонжерону. Сами секции, состоящие из стеклотканевой обшивки и пенопластового заполнителя, обработанного по контуру, формируются в горячем состоянии под прессом. Между секциями устанавливаются вкладыши из губчатой резины. Стальной узел крепления лопасти к втулке ставится в комле на болтах. Конечно, это не «положить и нажать», но трудоемкость снижается вдвое, а качество повышается. На электро­винтовом стенде мы испытали 11 комплектов деревянных лопастей ЛД-10М и шесть комплектов стеклопластиковых лопастей Б-7. У несущих винтов с пластиковыми лопастями поляры практи­чески совпадали, тогда каку винтов с деревянными лопастями наблюдался существенный разброс. Кроме того, у винтов Б-7 тяга при максимальных оборотах на 45 кг больше, чем у ЛД-10, и ресурс практически не ограничен. При испытаниях отсеков лопастей на усталость разрушений в расчетных сечениях не было.

Вертолеты Ка-15 и Ка-18 находились в эксплуатации много лет и позволили накопить большой опыт практического применения машин соосной схемы.

источник: Владимир БАРШЕВСКИЙ «КА-15 — многоцелевой корабельный вертолет» // Самолеты мира 05/06-1996