Русский винтокрыл

Русский винтокрыл

В 40-50-е годы в вертолетостроении шел поиск рациональных схем, позволяющих наиболее просто гасить реактивный крутящий момент от несущего винта вертолета. Решение этой задачи заставило многих конструкторов вертолетной техники обратиться к исследованию возможностей двухвинтовых схем вертолетов. Их несущие винты, вращаясь в противоположных направлениях, взаимно уравновешивали появляющиеся крутящие моменты.

Как известно, пионером в области серийного вертолетостроения стала Германия: первые серийные вертолеты были построены здесь еще в 30-е годы. Будущее вертолетостроения конструкторы связывали с вертолетом FA-223, созданным Генрихом Фокке именно по поперечной схеме. Но Германия, потерпев поражение во Второй мировой войне, утратила лидерство в области создания и производства авиационной техники. Судьба авиации решалась теперь не в этой стране. Вертолетостроители дружно осваивали одновинтовую схему, которая стала называться «классической», а двухвинтовые винтокрылые машины «ушли в тень».

Однако решение новых технических задач заставило конструкторов обратиться к опыту создания FA-223. У этого вертолета опоры несущих винтов размещались симметрично по обе стороны фюзеляжа на специальных фермах. Возникла идея для улучшения аэродинамики вместо фермы поставить крыло и установить тянущие винты. Так родился винтокрыл, совмещающий в себе свойства самолета и вертолета: вертикальный взлет и горизонтальный полет с большей, чем у вертолета, максимальной скоростью.

Специальные исследования в этом направлении проводились в ЦАГИ еще в 1925 году. В 40-х годах к созданию комбинированных вертолетов поперечной двухвинтовой схемы обратилось ОКБ И.П. Братухина. Первыми летательными аппаратами такого класса стали вертолеты Г-3, Г-4 и Б-11. Но полеты этих машин сопровождались большими вибрациями, которые не могли устранить, и дальнейшие испытания были прекращены.

После окончания Второй мировой войны к разработке винтокрылов приступила английская фирма Fairey. В 1947 году в воздух поднялся ее первый винтокрыл Jyrodyne, а спустя 10 лет – Rotordyne. Однако из-за малом весовой отдачи аппараты не пошли в серию.

В 1953 г. по заказу Минобороны к работам по созданию экспериментального винтокрыла поперечной схемы приступило ОКБ Н.И. Камова. Машина получила обозначение Ка-22. Ее планировалось использовать для перевозки людей, крупногабаритных грузов и техники на большие расстояния и в любой местности. К работе приступила группа конструкторов, в которую вошли Владимир Баршевский, Владимир Сорин и Юрий Брагинский.

Через шесть лет был создан опытный образец. Постройке винтокрыла предшествовало множество совместных теоретических и экспериментальных исследований ЦАГИ и ЛИИ: разработка новых методов аэродинамического расчета, расчета устойчивости и управляемости, определения внешних нагрузок и расчетных случаев. Для доводки силовой установки и системы автоматического регулирования был построен ряд установок в ОКБ Н.И. Камова и специальный натурный стенд в ЛИИ. Все это позволило создать надежную конструкцию, хорошо проявившую себя в летных испытаниях.

Отдельное направление работ при постройке винтокрыла было связано с созданием скоростного несущего винта, а также с обоснованием его динамической компоновки. Была построена механизированная модель с работающими несущими винтами, испытания которой проводились в аэродинамической трубе в ЦАГИ. На электровинтовом стенде летно-испытательной станции было испытано более 20 различных компоновок лопастей: варьировались их форма в плане и количество, диаметр несущего винта, коэффициент заполнения и другие параметры. Натурный винт с окончательно выбранной компоновкой испытывался в ЛИИ на вертолете Ми-4.

Члены правительственной делегации наблюдают за полетом Ка-22. ЛИС, 1961 г.

Несущая система Ка-22 состояла из крыла и двух несущих винтов на его концах. Управление четырехлопастными несущими винтами осуществлялось, как и у обычных вертолетов, посредством изменения циклического и общего шага лопастей. Мощность двигателей в зависимости от скорости полета автоматически распределялась между несущими и тянущими винтами. По мере увеличения скорости полета мощность, передаваемая к тянущим винтам, увеличивалась, а передаваемая к несущим – уменьшалась. Несущие винты при максимальной скорости переходили на режим, близкий к самовращению от встречного потока, подобно несущим винтам автожира.

Для уменьшения потери тяги от обдувки крыла винтами в него по всей длине были встроены закрылки большой площади, которые отклонялись на 90° на режимах висения и в полете на малых скоростях. На больших скоростях результирующая подъемная сила на 80-90% создавалась крылом, а продольная сила практически полностью формировалась тянущими винтами с изменяемым шагом. Это позволило винтокрылу во время одного из испытательных полетов достичь скорости 370 км/ч, что было значительно больше скоростей, доступных вертолету. Это было не единственным достоинством винтокрыла: разгрузка несущих винтов на больших скоростях сберегала ресурс агрегатов, узлов и систем, подвергавшихся воздействию динамических нагрузок.

Каким же он был, этот огромный серебристый красавец, для строительства которого пришлось увеличить сборочный цех завода им. Ухтомского, сделав к нему стеклянную пристройку?

Длина планера – 27 м, высота – 10,7 м, длина грузовой кабины – 17,9 м, высота - 2,8 м, ширина – 3,1 м (грузовая кабина Ка-22 превосходила по размерам кабину десантно-транспортного самолета Ан-12). Взлетная масса винтокрыла составляла 43500 кг, масса перевозимого внутри кабины груза – 16500 кг. На вертолете были установлены два газотурбинных двигателя Д-25ВК, два четырехлопастных тянущих винта диаметром 5,7 м, два четырехлопастных несущих винта диаметром 22,5 м. Максимальная скорость винтокрыла достигала 345 км/ч, динамический потолок – 5500 м, практическая дальность полета с топливом во внутренних баках – 450 км/ч.

Планер винтокрыла (полумонокок) состоял из фюзеляжа, хвостового оперения классического самолетного типа, высоко расположенного свободнонесущего крыла и шасси. На концах консолей крыла были закреплены мотогондолы силовой установки, в которых размещались двигатели конструкции П.А. Соловьева и редукторы А.Г. Ивченко. На выходном переднем валу двигателей крепились винты изменяемого шага, а на выходном валу редукторов – несущие винты. Трансмиссия, расположенная в крыле, объединяла два редуктора, обеспечивая синхронизацию частоты вращения левого и правого несущих винтов, а также их вращение только при одном работающем двигателе.

В носовой части фюзеляжа находилась кабина штурмана, имевшая для удобства ориентирования на местности большое остекление.

Носовой отсек по правому борту соединялся с фюзеляжем при помощи петель, а по левому борту фиксировался силовыми механическими замками. При погрузке- выгрузке техники и грузов замки открывались, и отсек поворачивался на 90°, образуя свободный проем в фюзеляже. Над носовым отсеком располагалась кабина пилотов и бортинженера.

Так как винтокрыл сочетал в себе свойства вертолета и самолета, то и в системе управления должны были сочетаться органы летательных аппаратов обоих классов. Разрабатывая ее, конструкторы пришли к такому выводу: на вертолетных режимах, на скорости до 130 км/ч, когда обычные самолетные рули неэффективны, Ка-22 должен управляться по-вертолетному, с помощью несущих винтов, а на скорости более 130 км/ч – рулями высоты, то есть по- самолетному.

Митинг после первого полета Ка-22. Ташкент, 1962 г.

На вертолетных режимах полета вся мощность двигателей практически шла на несущие винты. На самолетных же, по мере увеличения скорости полета, все большая доля мощности силовой установки передавалась тянущмм винтам. Для обеспечения такого «переливания» мощности и поддержания постоянных оборотов несущих и тянущих винтов (и всей трансмиссии) на Ка-22 была применена система автоматического управления двигателями и тянущими винтами. Автоматическое регулирование осуществлялось по контуру подачи топлива и по контуру изменения угла установки лопастей тянущих винтов (как на самолетах с турбовинтовыми двигателями). Эти функции выполнялись регулятором оборотов, автоматами подачи топлива и винтами изменяемого шага.

Важной особенностью винтокрыла являлось то, что после перехода на крейсерский режим полета его жизненно важные агрегаты (несущие винты, главные редукторы и другие) несли лишь 20-40% обычной нагрузки. А это означало существенно больший ресурс и надежность работы этих агрегатов.

Система управления на вертолетных режимах была довольно сложной, требовала создания специальных тренажеров для отработки методики управления и приобретения летчиками навыков пилотирования. Она неоднократно дорабатывалась. Ее окончательное формирование завершилось установкой дифференциального автопилота.

Лопасти несущих винтов Ка-22 имели шарнирное крепление к втулкам, кинематика системы управления лопастями с использованием автомата перекоса не имела принципиальных отличий от кинематики вертолетов одновинтовой схемы. В плане лопасть была трапециевидной формы. Лопасти изготавливались с использованием природных композитов. Шасси винтокрыла – трехопорное, не убирающееся в полете, передняя опора – рычажного типа, с двумя самоориентирующимися колесами.

Интересно, что взлетно-посадочные характеристики Ка-22 были практически такими же, как у легкого самолета O.K. Антонова «Пчелка» (Ан-14). Взлетная дистанция винтокрыла (до преодоления препятствия высотой 24 м) была всего около 300 м, а посадочная дистанция – 13 м.

Первый полет Ка-22 состоялся 20 апреля 1960 года. Осваивая машину и устраняя недостатки, конструкторы и летчики-испытатели доработали ее до характеристик, предусмотренных в проекте. В ходе испытаний при работе двигателей на полную мощность (11 тыс. л.с.) винтокрыл достигал скорости 375 км/ч. Летчик-испытатель Ю. Гарнаев, буквально влюбленный в Ка-22, отмечал, что винтокрыл хорошо управляем на любых скоростях (от скорости висения до максимальной) и высотах полета (до практического потолка).

В 1961 году экипаж в составе командира Д. Ефремова, летчика В. Громова, штурмана М. Савельева, ведущего инженера Е. Филатова и бортрадиста В. Батова установил на Ка-22 восемь мировых рекордов, в том числе рекорды скорости (356,3 км/ч) и максимальной массы груза (16485 кг), поднятого на высоту 2557 м. Было ясно, что появилась действительно необыкновенная машина.

9 мая 1962 года Ка-22 был продемонстрирован на авиационном празднике в Тушино, где произвел настоящую сенсацию. Машина получила высокую оценку руководства страны. Было решено построить опытную партию на Ташкентском заводе.

К сожалению, приступить к серийному производству Ка-22 не удалось. Неудачи начали преследовать машину одна за другой. При перелете из Ташкента летом 1962 г. винтокрыл потерпел катастрофу, в результате которой погиб весь экипаж и его командир Дмитрий Ефремов, один из лучших летчиков ОКБ. Испытания были продолжены только через два года. И вновь катастрофа, в июле 1964 г. И опять с человеческими жертвами – в полете отвалилась правая мотогондола, два члена экипажа погибли. Эти катастрофы и перечеркнули работы по программе Ка-22.

Точные причины катастроф до сих пор не обнародованы. Трудно сказать, является ли это каким-то политическим «ходом» в области авиастроения или достаточно полный анализ катастроф не проводился просто потому, что опальный проект перестал интересовать руководство страны. Говорили о малоизученных явлениях в области аэродинамики нового летательного аппарата, о сложности системы управления и т.д. Н.И. Камов еще какое-то время пытался вернуться к теме винтокрыла, в ОКБ разрабатывали новые эскизы, проекты, но безрезультатно. Работы над винтокрылом приказали закрыть.

Н.И. Камов, Л.И. Брежнев и Д.Ф. Устинов на ЛИС Ухтомского вертолетного завода, 1961 г.

Позже идею летательного аппарата с поперечным расположением винтов воплотили в ОКБ M.JI. Миля. Здесь был создан сверхтяжелый вертолет В-12 (Ми-12) грузоподъемностью 40 тонн. Но и эта машина, несмотря на свои уникальные характеристики, не поступила в серийное производство. Главная причина заключалась в том, что задача обеспечения мобильного базирования баллистических ракет стратегического назначения, для выполнения которой создавался В-12, к концу 60-х годов потеряла актуальность.

Надо сказать, что на Западе работы по созданию винтокрылов, или, как их еще стали называть, конвертопланов, продолжались, несмотря на то, что примерно в те же годы разрабатываемый в США аппарат, очень похожий на Ка-22, также потерпел две катастрофы. После выяснения их причин было решено продолжить работы над проектом. Речь идет об V-22 Osprey. Судьба этого аппарата непроста, его тоже преследуют трагедии, многие поговаривают о роковом совпадении номера машин – 22. Но работы американцы все же продолжают.

…А опыт создания Ка-22 в нашем вертолетостроении пока так и остается невостребованным.

Елена ШАТУНОВА

АВТОМАТИЗАЦИЯ