Историческая серия "ТМ"

СВЯЩЕННЫЙ ВИНТ

"Воздушный винт, священный воздушный винт - вот что унесет нас в пространство, винт, который проникает в воздух, как бурав в дерево, увлекая за собой свой мотор".

Не правда ли, звучит чуть высокопарно, вполне в духе прошлого века, когда и о вещах вполне прозаических говорили "высоким штилем". И еретически, во всяком случае, для Европы 1860 года, получившей от XVIII столетия блестящую новинку - воздушный шар.
Подробнее в комментариях.

К счастью, так называемый здравый смысл не всегда самый лучший судья в научных спорах. Вопреки очевидным успехам воздухоплавания автор приведенных выше строк, парижский художник, журналист и фотограф Феликс Турнашон, считал, что "управление аэростатом убито самим аэростатом" и "чтобы бороться с воздухом, нужно быть значительно тяжелее его". Надара - таков был литературный псевдоним Турнашона - не удовлетворяла явная беспомощность аэростата, его полная зависимость от воли ветра.

Заручившись поддержкой немногих энтузиастов, Надар основал вместе с ними общество "L'Automotion Aerinne" и выпустил первый в истории воздухоплавательный журнал "Aeronaute". Для опытов и журнала понадобились деньги - так пусть будущим аппаратам тяжелее воздуха послужит обреченный воздушный шар! Построив гигантский аэростат "Великан", Надар собрал с любителей прогулок по воздуху необходимые средства, но - увы! - первый номер журнала, выпущенный 100-тысячным тиражом, заинтересовал лишь 42 подписчиков.

1. Проект Леонардо да Винчи, 1475 г.

Нет, не Надару и его единомышленникам принадлежит идея вертолета. Самым первым был... Леонардо да Винчи. Всем известный ныне его рисунок аппарата вертикального взлета, опубликованный в XVIII веке (рис. 1), историки относят к 1475 году. По замыслу великого Леонардо, несущий винт надлежало делать из накрахмаленного полотна, натянутого на проволочный каркас; вращать его за неимением иных источников энергии пришлось бы самим "пилотам". Для этого да Винчи предложил разместить под винтом площадку, по которой и ходили бы кругами люди, толкая спицы вертикального вала. Разделив заблуждения своего века, Леонардо, как и его современники, и не подозревал о реактивном моменте, который возник бы на этой площадке при вращении винта. Развей "пилоты" мощность, достаточную для полета, то закрутилась бы платформа, но не гигантский парус-винт.

2. Модель Лануа и Бьенвеню, 1784 г.

Совершенно иную реальную схему винтокрылого аппарата предложил и воплотил в модели наш Михаил Ломоносов. Судя по протокольному описанию опытов с "аэродромной машинкой", хранящемуся в архивах Академии наук СССР, ее винты вращались в разные стороны и уравновешивали друг друга. Блестящий экспериментатор, Ломоносов весьма остроумно справился с главной трудностью опыта, "ликвидировав" собственный вес довольно тяжелого пружинного механизма. Как гласит протокол от 1 июля 1754 года, "машина подвешивалась на шнурке, протянутом через два блока, и удерживалась в равновесии грузиками, привешенными с противоположной стороны, при заведенной пружине тотчас поднималась вверх и тем обещала желаемое действие" (см. рис. на заставке).

Из проектов далекого прошлого отметим конструкцию Лануа и Бьенвеню (рис. 2).

Новые надежды для вертолета, или, как его раньше называли, геликоптера, породили идеи Надара и... паровая машина, непрерывное совершенствование которой заставляло ожидать появления легкой, невиданной тогда мощности авиационной силовой установки.

"Еж", запущенный Надаром в черепную коробку современных ему изобретателей, очень скоро вызвал волну проектов прекрасно летавших моделей и даже тяжелых, в несколько килограммов весом, устройств с паровыми машинами. Классической среди них считается модель соратника Надара - Понтон д'Амекура, великолепно изготовленная механиком Жозефом. И хотя при высоте в 62 см она весила без топлива и воды всего 2,7 кг, изящно выполненный "паровик" так и не смог поднять ее в воздух. Зато конструктор оставил потомкам созданную им схему привода двух соосно расположенных винтов, вращавшихся навстречу друг другу (рис. 4).

3. Проект де ла Ланделля, 1864 г.

Вслед за Понтоном д'Амекуром вертолетами занялся никому еще не известный выпускник Московского военного училища Александр Лодыгин. Увлеченный чудом XIX века - электричеством, он в 1869 году предложил военному министерству проект "электролета" - аппарата геликоптерного типа с электродвигателем на борту. Получив отказ, Лодыгин вынужден был обратиться к соотечественникам Надара, но постройке вертолета помешала франко-прусская война.

Потерпев неудачу в качестве авиационного конструктора, 23-летний Лодыгин изобрел электрическую лампу накаливания, что сделало его всемирно известным электротехником.

Надо сказать, что русские имена очень часто встречаются в истории вертолетостроения. В 1871 году, лишь через год после одобрения лодыгинского "электролета" во Франции, другой наш соотечественник, будущий академик Михаил Рыкачев, в работе "Первые опыты над подъемною силою винта, вращаемого в воздухе" первым сумел разобраться, каких усилий стоит вертикальный полет с использованием несущего винта. И хотя многочисленные энтузиасты продолжали наводнять патентные бюро проектами геликоптеров-мускулолетов (один из них представлен на рис. 7), специалистам стало ясно: вертикальный старт и полет возможны только с помощью легкого и вместе с тем очень мощного двигателя.

Несколько проектов, выполненных во второй половине XIX - начале XX века, воспроизведены на рисунках 3, 5 и 6.

4. Модель д'Амекура, 1863 г.

Но как только конструкторы, поверив в схему удачной модели, сооружали ее увеличенную копию, вертолет начисто утрачивал способность летать. Оказалось, что при всех ухищрениях вес машины увеличивался отнюдь не в прямой пропорции с ростом мощности двигателя.

Новый шанс пока еще не стартовавшему геликоптеру мог дать лишь недавно изобретенный бензиновый мотор внутреннего сгорания.
5. Проект Бинена, 1896 г.

6. Проект Вельнера, 1902 г.

7. Проект Быкова, 1897 г.

В ПОИСКАХ СХЕМЫ

Вертолет Б.И. Юрьева (Россия, 1912). Двигатель - Анзани, трехцилиндровый, воздушного охлаждения, мощностью 27-30 л.с. Несущий винт - двухлопастный, диаметр 8 м, скорость вращения 140 об/мин. Конструкция лопастей аналогична конструкции самолетного крыла - лонжерон из стальной трубы, деревянные нервюры, полотняная обшивка. Рулевой винт - двухлопастный, диаметром 2,5 м. Привод ременный. Суммарная масса построенного вертолета 203 кг.

В самом конце февральского номера журнала "Библиотека воздухоплавания" за 1910 год была опубликована рецензия на только что вышедшую в Париже книгу о перелете Блерио через Ла-Манш. Отдав должное конструкторскому таланту и настойчивости великого француза, рецензент повествует, как Блерио "приветствуют и чествуют министры, лорд - мэр Лондона, депутаты и общественные деятели, и стотысячная толпа в Англии и Франции встречает его восторженными овациями". А заключение неожиданно с заупокойной ноткой сетует, что "невольно вспоминается наша грустная история с Татариновым, которую можно назвать историей Блерио, но наоборот".

Даже беглый просмотр предыдущих номеров "Библиотеки воздухоплавания" и других популярных изданий объясняет, почему эта унылая фраза звучит как некролог русскому геликоптеру, в который было поверило тогдашняя общественность. Да и как не поверить, если в них одновременно с сенсационными сообщениями о полетах зарубежных пионеров авиации публиковались обнадеживающие вести о работах В.В.Татаринова. В самом деле, коль аэроплан смог пересечь Ла-Манш, то почему бы другому аппарату тяжелее воздуха не взлететь вертикально и не повисеть на месте? Да и модель "аэромобиля", продемонстрированная Татариновым специалистам Главного инженерного управления, смогла поднять с места груз в 6,5 кг. Военное ведомство выделило изобретателю 50 тыс. рублей, мастерскую-лабораторию и стало терпеливо ждать летающий полноразмерный образец.

8. "Аэромобиль" В. В. Татаринова (Россия, 1909-1910). Конструкция неоднократно переделывалась изобретателем, в окончательном варианте представляла собой платформу на четырех колесах. Двигатель двухцилиндровый, бензиновый, воздушного охлаждения, мощностью 20 л.с. Вертикальную тягу должны создавать четыре "центрофугальных" пропеллера с короткими желобообразными лопастями, горизонтальную - такой же винт в носовой части "аэромобиля". Привод - с помощью карданных валов.

Лишь после грандиозного скандала с вмешательством Государственной думы общественность узнала, какую эволюцию претерпел аппарат Татаринова за семью замками секретной лаборатории. Выколотив из военных средства с помощью модели ортоптера (махолета), Татаримов вскоре отчаялся в этом принципе применительно к большому аппарату и втайне от заказчика принялся строить геликоптер нелепой, заранее обреченной конструкции. А когда вышли все сроки, искренне верящего в свои идеи неудачника объявили авантюристом, военных обвинили в нерациональном расходовании государственных средств.

"История с геликоптером Татаринова крайне болезненно отразилась на дальнейших работах в России по геликоптерам, - констатировал спустя десятилетия выдающийся советский ученый, автор самой. распространенной в мире одновинтовой схемы вертолета, академик Борис Николаевич Юрьев, - так как военное ведомство, опасаясь опять попасть впросак, вообще перестало оказывать какую-либо реальную помощь изобретателям в этой области".

9. Вертолет Корню (Франция, 1907). Двигатель - "Антуанетт" мощностью 24 л.с., диаметр несущих винтов изменяемого шага 6 м. Привод ременный. Вес без пилота - 203 кг. Первый подъем состоялся в августе 1907 года. При испытаниях аппарат оторвался от земли сначала на 30 см (полная масса 260 кг), затем на 1,5 м (полная масса 328 кг). Последующие испытания проводились на привязи.

Выпускник Московского кадетского корпуса Борис Юрьев, как он сам вспоминал, "заинтересовался идеей геликоптера под влиянием романов Жюля Верна, что и побудило поступить в Московское высшее техническое училище, где тогда преподавал профессор Н.Е. Жуковский, о котором в Москве говорили, что он близок к полному решению задачи о полете человека в воздухе". Вместе с сокурсником Г.X. Сабининым, Юрьев создает так называемую импульсную теорию воздушного винта, которая в отличие от всех предыдущих позволила надежно рассчитывать винты любой формы. Назвав теорию именами авторов, Жуковский включил ее в "Теоретические основы воздухоплавания" - литографированные лекции по авиации. Столь же высокой чести удостоено исследование другого студента, Сорокоумовского, проделавшего опыты с авторотирующими винтами. Он доказал, что, если откажет мотор геликоптера, машина вовсе не обречена: воздушный поток, набегающий снизу, раскрутит винт аппарата, замедлив падение, - эффект окажется как у парашюта того же диаметра.

Каким быть геликоптерному винту, Юрьев уже знал - большого диаметра с узкими лопастями. А сам аппарат? Многовинтовой, как у предшественников? Нет, из анализа студенческих проектов было ясно, что трансмиссия от мотора к винтам окажется слишком тяжелой, немало весила и сложная пространственная ферма, служившая опорой для несущей системы и передачи. Казалось, что проще и легче одного-единственного винта, вращаемого через понижающий обороты редуктор! Увы, студенты-механики прекрасно понимали, что огромный реактивный момент заставит вращаться сам корпус геликоптера в обратную сторону.

На первых порах Юрьев рассчитывал парировать его воздействие самим винтом. Только на корпусе надо установить особую рулевую поверхность, дефлектор, отклоняющий поток воздуха, отбрасываемый винтом в сторону, противоположную вращению фюзеляжа. Тогда возникнет новый момент относительно оси винта, который и уравновесит систему. Однако "дефлекторное" решение годилось только для опытов с простейшими летающими моделями. Но для реальной машины в условиях полета с изменяющимися скоростью, оборотами винта, обтеканием корпуса и дефлекторов этот вариант не подходил: слишком громоздкой и тяжелой получалась схема.

10. Схема вертолета Б.И.Юрьева, запатентованная в 1910 году. Патентная формула гласила: "Одновинтовой геликоптер, отличающийся тем, что момент вращения, Произведенный подъемным винтом, уничтожается моментом сил двух малых винтов, действующих на концах некоторого плеча, перпендикулярного к оси большого винта".

Юрьев нашел выход в схеме с дополнительными рулевыми винтами, расположенными на концах поперечной фермы справа и слева от несущего винта. Постоянно вращаясь, один создавал тягу назад, другой - вперед. Шаг винтов, угол установки их лопастей изменялся, и пилот мог легко уравновесить машину, развернуть ее вправо или влево. Если же заставить оба винта тянуть вперед (разумеется, с разной силой - для парирования реактивного момента несущего винта), то решается проблема горизонтального полета. Для поперечного и продольного управления Юрьев предусмотрел на корпусе дефлекторы, положение которых в струе от винта менял сам пилот.

В сентябре 1910 года молодой конструктор получил на эту схему от патентного бюро департамента торговли и мануфактур охранную грамоту за № 45212. Патент получен, схема одобрена единомышленниками по Воздухоплавательному кружку, сам Жуковский благословил талантливого ученика, но Юрьев опять берется за проект. Предельно упрощая компоновку машины, он вместо поперечной фермы с двумя рулевыми винтами обходится продольным (самолетным) фюзеляжем с одним рулевым пропеллером на хвосте. И наносит последний штрих - снабжает геликоптер автоматом перекоса, решив принципиальную проблему балансировки и управляемости. Этим устройством и поныне оснащается любой вертолет, каких бы размеров и веса он ни был.

Идея этого устройства проста и чрезвычайно остроумна. Наклонив вперед ось несущего винта, считал Юрьев, можно направить машину в горизонтальный полет - горизонтальная составляющая его полной тяги придаст аппарату поступательное движение. Наклоном винта вправо или влево решается задача поперечного управления, а хвостовой рулевой винт поможет изменить курс.

Вместе с энтузиастами из МВТУ, Юрьев спроектировал несколько одновинтовых вертолетов, но только в 1912 году, накануне Второго всероссийского воздухоплавательного съезда и международной выставки воздухоплавания и автомобилизма, принялся строить машину в металле. Отсутствие средств, качественных материалов, подходящего двигателя помешало воплотить задуманное. Поэтому в московском Манеже был представлен полноразмерный макет, а не готовая конструкция. Однако золотая медаль за теоретическую разработку проекта геликоптера, которой удостоили Бориса Николаевича Юрьева, ознаменовала его важнейший вклад в историю винтокрылых машин.

В АРЬЕРГАРДЕ АВИАЦИИ



Вертолет Э. Эмишена (Франция, 1922 год). Ротативный двигатель "Рон", 120 л.с. Диаметр несущих винтов наборной конструкции по продольной оси - 6,4 м, по поперечной оси - 7,5 м. Общая площадь несущих винтов - 41,1 м2. Привод винтов - трубчатыми валами через редуктор.

Непросто было энтузиастам заниматься вертолетным делом накануне первой мировой войны. "Аэропланщики" запросто говорили о многочасовых полетах, 200-километровой скорости, десятках килограммов груза. Обширные перспективы открывались перед самолетостроителями!

А что же Юрьев и его товарищи по воздухоплавательному кружку? В их активе, помимо теоретических разработок, эксперименты с летающими моделями и... масса технических, производственных и финансовых проблем. Нет денег на постройку выставочного образца, некому изготовить из дефицитной хромоникелевой стали главный вал несущего винта, нигде не найти подходящих стальных труб для лонжеронов лопастей. Подшипники и те надо выписывать из-за границы.

Казна и не подумала поддержать изобретателей. "К частной инициативе нам, студентам, не хотелось прибегать, да и предложений таких никто не делал, - вспоминал впоследствии академик Б. Юрьев. - Те немногие предприниматели, которые заинтересовались авиацией, предпочитали копировать "проверенные" заграничные образцы".

Бесчисленные проволочки с заказами в частных мастерских вынудили Юрьева и его товарищей приостановить постройку одновинтового вертолета (как оказалось, до 1921 года) и взяться за многомоторную схему - ее исследовал Н. Жуковский в работе "О полезном грузе, поднимаемом геликоптером".

11. Вертолет Г. Берлинера (США, 1921 год). Двигатель - ротативный, 110 л.с. Несущие винты - двухлопастные, постоянного шага, деревянные, диаметр - 4,5 м; скорость вращения - 560 об/мин. Полетный вес - 600 кг. Для перехода из вертикального взлета в горизонтальный полет служил винт диаметром 1 м в хвостовой части аппарата.

Одновременно "юрьевцы" экспериментировали со специально построенным несущим винтом. Подходящего двигателя у них не оказалось, и Юрьев приспособил для этой цели легкий двухтактный мотор. Но началась война, многие ученики Жуковского, в том числе и Борис Николаевич, надели военную форму.

Геликоптерщики за рубежом тоже не слишком преуспели, а война и вовсе приостановила их работу. Лишь Австро-Венгрия проявила особый интерес к винтокрылым аппаратам. В 1916 году Петроцци, офицер одной из австрийских летных школ, предложил проект геликоптера - ему предстояло сменить привязные аэростаты, с которых офицеры наблюдали за перемещениями противника и корректировали по телефону орудийную стрельбу. Ведь неприятель старался - и часто не без успеха - сбить опасного, но, увы, неподвижного соглядатая.

И вот венские стратеги посчитали, что компактный привязной вертолет будет менее уязвимой целью. Аппарат Петроцци, оснащенный 300-сильным электромотором "Даймлер", получал питание по кабелю и мог как угодно долго оставаться в воздухе.

Похожий проект разработали и реализовали профессор Т. Карман (впоследствии всемирно известный аэродинамик, один из творцов теории сверхзвукового обтекания летательных аппаратов) и инженер Цуровец. Условия военного времени помешали "довести" привязные вертолеты. Зато огромный экспериментальный материал - только Петроцци провел множество опытов с большими, около 6 м в диаметре, винтами - весьма пригодился после войны ученым-аэродинамикам и конструкторам-практикам.

12. Вертолет Пескара (Испания, 1922 год). Двигатель - "Испано-Сюиза", 180 л.с. Диаметр соосных бипланных винтов противоположного вращения - 7,2 м. С помощью ножных педалей летчик увеличивал углы атаки лопастей одного винта, одновременно уменьшая их на другом. При неизменной общей подъемной силе появлялась разница моментов и вертолет разворачивался.

Во Франции профессор Лакоэн и инженер Дамблан построили вертолет, как сказали бы сегодня, поперечной схемы. Машина так и не летала, но ее особенность - передача, связавшая оба винта, и потенциальная способность летать при отказе одного двигателя - позднее стала присуща любому многовинтовому вертолету.

За океаном, в предместьях Вашингтона, инженер Г. Берлинер в 1919-1923 годах построил два вертолета, один из которых показал неплохие по тем временам результаты. Поначалу конструктор соорудил аппарат без фюзеляжа с двумя соосными, противоположного вращения винтами. Небольшая плоскость позади пилота служила для управления машиной. Поднявшись на 5-6 м, Берлинер убедился, что аппарат неустойчив, и взялся за совершенно иную схему. Он разместил по бокам самолетного фюзеляжа два небольших, четырехметровых винта, а на хвосте рулевой пропеллер с вертикальной осью вращения - он должен был "задирать" хвост аппарата, чтобы у винтов появлялась горизонтальная составляющая тяги для движения вертолета вперед. Для поперечного управления служили поверхности (типа элеронов) на концах фермы для несущих винтов. Позднее эти фермы превратились в трипланную коробку, благодаря чему машина приобрела "самолетную" способность планировать и вертолетное управление: оси несущих винтов можно было разом или порознь наклонять в любом направлении.

13. Вертолет Г. Ботезата (США, 1922 год). Ротативный двигатель "Рон", 180 л.с. Четыре шестилопастных несущих винта изменяемого шага диаметром 8,08 м. Винты вращались попарно в противоположных направлениях. Длина и ширина аппарата - 19,8 м, высота - 3,05 м. Полетный вес - 1700 кг. Повороты вокруг вертикальной оси - с помощью двух пропеллеров горизонтальной тяги.

В декабре 1922 года в Дайтоне - городе знаменитых братьев Райт - начались полеты геликоптера Г. Ботезата, бывшего профессора Петроградского технологического института. Ботезат обратился к многовинтовой схеме: дифференциальное, раздельное управление тягой винтов сулило надежное управление поворотами в вертикальной плоскости или, попросту говоря, изменением положения носовой части вертолета относительно линии горизонта. Четыре шестилопастных винта располагались на концах крестообразной фермы из стальных труб с растяжками из рояльных струн. Два небольших винта с горизонтальной тягой служили для путевого управления и поворотов в режиме висения.

До весны 1923 года Г. Ботезат, пилоты Т. Бейн и А. Смит совершили несколько удачных полетов. В одном из них вертолет поднял на 4 м полезный груз весом 450 кг.

Серию удачных аппаратов создал испанский конструктор П. Пескара. Первый вертолет соосной схемы он построил в 1919-1920 годах в Барселоне, но машина провисела лишь около минуты на высоте 1,5 м. Полеты других моделей, одна из которых представлена на рисунке 12, были более продолжительными.

Чрезвычайно сложный аппарат создал в 1923 году французский инженер Э. Эмишен, оснастив четырехвинтовую машину еще шестью небольшими пропеллерами, чтобы поддерживать равновесие машины и управлять ею относительно всех осей. А два других винта, служили для горизонтального полета.

Для большей устойчивости Эмишен поставил на вал мотора массивный волчок-гироскоп, который к тому же накапливал механическую энергию на случай остановки двигателя. В результате вертолет полминуты спокойно вел себя и при брошенной ручке управления. В этом убедились члены комиссии, наблюдавшие 4 мая 1924 года его восьмиминутный полет по треугольному маршруту длиной 1100 м.

"ЗОЛОТОЙ ВЕК" АВТОЖИРА



Автожир СИЕРВА С-2 (Испания, 1921). Фюзеляж самолетного типа с традиционным хвостовым управлением, рулями высоты и направления. Ротор трехлопастный, угол установки лопастей можно было несколько изменять на земле.
В истории техники немного изобретателей, чье единовластное авторское право не вызывает сомнений у современников и потомков. Как ни проста идея летательного аппарата принципиально нового типа, мысль о нем посетила лишь одного человека - испанского авиаконструктора Хуана де ля Сиерву. Счастливому озарению предшествовала драма: построив в 1919 году для испанского воздушного флота трехмоторный биплан, Сиерва вскоре стал свидетелем гибели своего детища.

Трагическое, о заурядное для тех времен событие потрясло конструктора, хотя никто и не винил его в катастрофе. Построенный на уровне своего века, самолет страдал общим для всех его "сверстников" пороком - не переносил потери скорости. Пытаясь "поддержать" проваливающуюся машину, летчик манипулировал ручкой управления, задирал нос аэроплана. И без того обессиленный воздушный поток начинал обтекать крыло под слишком большим, закритическим углом атаки, наконец отрывался от поверхности, подъемная сила крыла резко падала, обреченный самолет устремлялся к поджидавшей его земле.

В авторотирующем, вращающемся под действием набегающего потока воздуха несущем винте, роторе, увидел Сиерва панацею от этой аэропланной беды. Пусть, размышлял он, летательный аппарат замедлит свой полет до опасной для самолета скорости. Угрозы нет, ибо массивный, с длинными лопастями ротор - весьма инерционная система, своеобразный маховик, запасающий впрок механическую энергию. В худшем случае аппарат начнет снижаться, но останется устойчивым, управляемым. К тому же винт, потеряв часть энергии, вновь наберет обороты благодаря обдувающему его снизу потоку.

14. Автожир Сиерва С-19МкIII (Англия, 1930). Двигатель - "Дженет", 80 л.с. Диаметр ротора - 9,14 м. Полетный вес - 390 кг. Вес пустого - 340 кг. Нормальная нагрузка - 250 кг. Скорость макс. - 153 км/ч. Скорость мин. - 16 км/ч. Первый автожир, выпускавшийся серийно.