Вертолеты давно стали привычной частью неба, но их путь к массовому производству был долгим и сложным. Интересно, что хотя работы над самолетами и вертолетами начались примерно в одно время, серийные вертолеты поднялись в воздух на целых 40 лет позже. Эти десятилетия ушли на преодоление фундаментальных инженерных проблем, без решения которых вертолет просто не мог бы летать.
В этой серии статей я расскажу о ключевых технических вызовах, с которыми столкнулись конструкторы, и о том, как эти проблемы были решены. Для специалистов отмечу: поскольку материал носит популярный характер, некоторые сложные аспекты описаны упрощенно. За детальными техническими объяснениями всегда можно обратиться к специальной литературе.
Основные схемы вертолетов
Концепция вертолета определяется его схемой — количеством и расположением несущих винтов. Казалось бы, самое простое решение — установить на раму двигатель, редуктор и один большой несущий винт (ротор). Лопасти, вращаясь, создают подъемную силу, и аппарат взлетает. Такая элементарная схема изображена на рисунке ниже:
Однако эта простая схема на практике неработоспособна. Причина кроется в фундаментальном законе физики — законе сохранения момента импульса. Несущий винт, преодолевая сопротивление воздуха, создает так называемый реактивный момент, который стремится раскрутить корпус вертолета в сторону, противоположную вращению винта. Как только машина отрывается от земли, этот момент начинает ее бесконтрольно вращать.
Важно понимать, что реактивный момент — не уникальная проблема вертолетов. Он действует и на самолеты, закручивая их против вращения воздушного винта. Но у самолета огромное крыло и мощные органы управления (элероны, руль направления) легко компенсируют этот эффект. Яркий пример — стратегический бомбардировщик Ту-95, на каждом из четырех двигателей которого установлены два соосных винта, вращающихся в противоположные стороны, что полностью нейтрализует реактивный момент на уровне силовой установки.
В быту мы тоже сталкиваемся с реактивным моментом: он поднимает на дыбы мотоцикл при резком открытии газа и вырывает из рук дрель, если сверло заклинивает в материале.
Поиск решения: многообразие схем
Самое логичное решение для компенсации реактивного момента — использовать два несущих винта, вращающихся в противоположных направлениях. Конструкторы экспериментировали с различными способами их размещения, что привело к появлению нескольких принципиальных схем.
1. Поперечная схема. Винты размещаются по бокам фюзеляжа на крыльях или фермах. Пионером стал немецкий вертолет Focke-Wulf Fw 61, впервые поднявшийся в воздух 26 июня 1936 года.
Источник: Wikipedia.
2. Продольная схема. Винты расположены один в носу, другой в хвосте фюзеляжа. Первый успешный аппарат такой схемы — американский Piasecki XHRP-1 (PV-3), совершивший полет в марте 1945 года.
Источник: www.all-aero.com
3. Соосная схема. Винты размещены на одной оси один над другим и вращаются в противоположные стороны. Первенцем стал французский Breguet-Dorand "Gyroplane Laboratoire", взлетевший 26 июня 1935 года.
Источник: aviastar.org
4. Синхрокоптер (перекрестная схема). Винты установлены по бокам фюзеляжа, а их оси наклонены так, что лопасти при вращении пересекаются, проходя одна над втулкой другой. Это требует сложной синхронизации вращения. Первый такой вертолет, немецкий Flettner Fl 265, взлетел в мае 1939 года.
Источник: Wikipedia.
Судьба различных схем
Все перечисленные схемы доказали свою работоспособность, но большинство из них не получили широкого распространения в массовом производстве:
- Поперечная схема использовалась в самом большом вертолете в мире — советском В-12 (Ми-12). Сегодня она применяется в основном в конвертопланах, таких как американский V-22 Osprey, способных взлетать как вертолет, а летать как самолет.
- Продольная схема была «коньком» американского конструктора Пясецкого. Единственная серийная модель, выпускаемая до сих пор, — тяжелый транспортный вертолет Boeing CH-47 Chinook. Советский аналог Як-24 оказался менее удачным.
- Синхрокоптеры серийно производила только американская фирма Kaman. Новые машины этой схемы сейчас не строятся, но некоторые старые еще эксплуатируются.
- Соосная схема — вотчина советского и российского КБ Камова. Она породила целый ряд знаменитых и эффективных машин (Ка-25, Ка-27, Ка-32, ударный Ка-52 «Аллигатор»). Другие производители также иногда обращаются к этой схеме.
Триумф классики: схема с рулевым винтом
Мировое признание и массовое распространение получила, однако, другая, более простая и эффективная схема — с одним несущим винтом и рулевым (хвостовым) винтом. Рулевой винт, установленный на длинной хвостовой балке, создает боковую тягу, которая и парирует реактивный момент несущего ротора, удерживая вертолет от вращения.
Ежегодно в мире производятся тысячи вертолетов именно этой классической схемы. Исторический приоритет здесь принадлежит Советскому Союзу. Первый в мире полноценный вертолет такой схемы — ЦАГИ 1-ЭА — начал летать в августе 1930 года. А 14 августа 1932 года его конструктор и летчик-испытатель Алексей Черёмухин установил невероятный для того времени мировой рекорд, подняв машину на высоту 605 метров.
Источник: Wikipedia.
Так была решена первая и главная проблема вертолетостроения — компенсация реактивного момента. Но на пути к созданию надежных и управляемых машин инженерам предстояло решить множество других сложных задач: обеспечить управление вертолетом, справиться с вибрациями, создать надежные трансмиссии и системы управления. Об этих интереснейших технических проблемах и их решениях — в следующих статьях.