«Детские болезни» Ка-15

(к 50-летню первого полета)

Работы Н.И. Камова над автожирами в тридцатые годы прошлого столетия, по существу, позволили заложить основы отечественного вертолетостроения. От автожира до вертолета оставался один шаг. И Камов сделал этот шаг, построив в 1947 году свой первый сверхлегкий одноместный вертолет Соосной схемы Ка-8. В октябре 1948 года было создано вертолетное ОКБ, ставшее основным разработчиком винтокрылых летательных аппаратов для Военно-Морского Флота.

Новому конструкторскому бюро во главе с Н.И. Камовым, была поручена разработка корабельного вертолета Ка-10. От идеи до воплощения прошло совсем немного времени – уже 30 августа 1949 года вертолет совершил свой первый полет. Ка-10 успешно прошел летные испытания, подтвердив преимущества соосной схемы: малые габариты, высокую маневренность, простоту в управлении, большую, чем у одновинтового вертолета, тягу на единицу мощности. Опыт работы над этим вертолетом позволил более точно сформулировать тактико-технические требования на разработку для авиации ВМФ двухместного вертолета Ка-15.

Проектирование вертолета началось в 1951 году. На территории завода №82 в Тушино для этих целей была выделена база – ОКБ-4 МАП. Первый полет состоялся 14 апреля 1953 года, пилотировал машину летчик-испытатель Д.К. Ефремов. После успешных заводских и государственных испытаний, в 1956 году, на Улан-Удэнском, авиационном заводе начался серийный выпуск вертолетов. В этом же году на базе Ка-15 начали строить четырехместный вертолет Ка-18 (в пассажирском, санитарном и почтовом вариантах). Всего было выпущено 354 вертолета Ка-15 и 111 Ка-18.

Массовая эксплуатация вертолетов неожиданно «принесла» с собой ряд авиационных происшествий, причиной которых были «флаттер» несущих винтов, «земной резонанс», схлестывание лопастей в воздухе. Отмечались недостаточные энерговооруженность и устойчивость машин.

Вертолет Ка-15 начал эксплуатироваться с лопастями деревянной конструкции ЛД-10 (ЛД-10М). Н.И. Камов считал, что дерево, от природы имеющее свойство изгибаться, – наилучший материал для лопастей. Однако исследования показали, что из-за влажности воздуха центровка деревянной лопасти смещается назад что приводит к флаттеру. На деревянных лопастях стали устанавливать противофлаттерные грузы: сначала один, потом два. Ограничили максимально допустимую скорость величиной 130 кч/ч. Затем начали проектировать новые лопасти металлической, а позже – стеклопластиковой конструкции. Для борьбы с «земным резонансом» на втулке верхнего винта установили треугольник из пружинных тяг, связывающих лопасти и уменьшающих их колебания относительно вертикального шарнира. В результате «земной резонанс» стал проявляться реже и оканчивался лишь деформацией тяг. Пружинные тяги способствовали также уменьшению уровня вибраций. Проблему «земного резонанса» полностью решило новое шасси с двухкамерной амортизационной стойкой.

Вертолет Ка-15, имевший сбрасываемые гидроакустические буи, передающие на вертолет радиосигналы о движении подводных лодок, применялся на кораблях ВМФ разных типов. Однако его эффективность как противолодочного была невысока (малая грузоподъемность, малоэффективная аппаратура для поиска подводных лодок). Более эффективной оказалась гражданская модификация вертолета – Ка-15М (сельскохозяйственные работы, перевозка грузов и почты, обслуживание геологических партий, ледовая и промысловая разведка в море с базированием на судах). Причем особенно эффективным было применение Ка-15М на авиахимработах в интересах сельского хозяйства. Но и здесь не обошлось без авиационных происшествий, в основе которых было схлестывание лопастей.

Разобраться с причинами схлестывания поручили ЛИИ МАП, где была разработана методика измерения угла сближения лопастей. По этой методике на осциллографе с помощью потенциометрических датчиков отображаются углы взмаха лопастей верхнего и нижнего винтов. В местах их прохождения относительно друг друга замеряли разницу углов взмаха, умножали эту разницу на радиус винта и определяли, насколько сблизились лопасти. При этом предполагалось, что лопасти в плоскости взмаха не изгибаются. От ЛИИ ведущим летчиком испытаний был назначен В.В. Виницкий – один из самых опытных вертолетчиков страны. На методическом совете института много спорили о том, на какой высоте проводить испытания. Большинство было за высоту 800-1000 м, чтобы в случае схлестывания лопастей летчик мог воспользоваться парашютом. В.В. Виницкий настаивал на выполнении полетов в самых сложных режимах на высоте не более 3-5 м, и методический совет согласился с его доводами (фактически он выполнял эти полеты на высоте до 1 м).

Первые же измерения угла сближения лопастей на установившихся режимах полета показали, что их максимальное сближение отмечается при скоростях 40-60 км/ч (на этих скоростях как раз и выполнялись сельхозработы). Как выяснилось позже, причиной явления стало неравномерное индуктивное поле по диску винта. Очередные испытательные полеты проводились с учетом, информации предшествующих летных экспериментов. Анализ полученных данных позволил сделать вывод о том, что схлестывания лопастей следовало ожидать на режиме энергичного торможения с проваливанием. оборотов несущего винта (обусловленного недостаточной энерговооруженностью вертолета), при резком, перемещении ручки и правой педали. Для предотвращения неблагоприятных последствий таких действий в системе продольного и поперечного управления установили пневмодемпферы, которые усложнили пилотирование. В итоге летчики стали быстрее уставать.

Небольшое отступление. Одну десятую расстояния между втулками соосных винтов испытатели между собой называли «кам» и характеризовали сближение словами типа: «3 кама», «5 камов» и т.д. Схлестывание происходило при 10 камах. Когда начальник вертолетной лаборатории ЛИИ С.Б. Брен рассказал об этом. Камову, лично контролировавшему испытания, тот ответил, что 10 камов нужно называть уже «брен», так как звук, который возникает при схлестывании, напоминает звучание его фамилии. Николаю Ильичу даже в самые трудные периоды никогда не изменяло чувство юмора.

Вертолет Ка-15М на палубе корабля

…Случаи схлестывания лопастей отмечались и при испытаниях в ОКБ Камова. Первый случай произошел у летчика Д.К. Ефремова на режиме «вихревого кольца». Этот режим, был основательно обследован Д.К. Ефремовым и Т.В. Руссиян еще в 1957 году. Было установлено, что режим «вихревого кольца» начинается на малых скоростях полета при вертикальной скорости снижения 2-3 м/с, а заканчивается при вертикальной скорости 7-8 м/с. В начале режима имеет место вибрация большой частоты и ощущаются рывки ручки управления. При вертикальной скорости 3-7 м/с машина имеет плохую управляемость и кренится то в одном, то в другом направлении. При вертикальной скорости 7-8 м/с управляемость восстанавливается. Для выхода из режима вихревого кольца достаточно увеличить скорость плавным отклонением ручки от себя. При увеличении скорости до 50 км/ч поведение машины становится нормальным. Результаты исследований позволили выработать рекомендации для экстренного снижения, вошедшие в РЛЭ.

Второй случай схлестывания лопастей в полете произошел у летчика В.В. Громова. При этом лопасть нижнего винта отрубило примерно на 900 мм, лопасть верхнего – примерно на 700 мм. Возник дисбаланс около 500 кг на каждом винте. Таких больших дисбалансов при схлестываниях в эксплуатации не было, Громову, перегонявшему вертолет из Рязани в Москву, удалось выполнить посадку на обочине шоссе. Точно причину схлестывания не установили (противофлаттерный груз не нашли: возможно, он отлетел еще до схлестывания, по другой версии – имело место энергичное пилотирование).

В августе 1962 года на испытаниях вертолета Ка-15 с колонкой соосных винтов четвертой серии произошла катастрофа, в результате которой погибли оба члена экипажа – летчик-испытатель А. Елсуков и ведущий инженер В. Кузовлев. Катастрофы можно было избежать, если бы были обработаны и проанализированы результаты предыдущего полета. Сказалось и то, что испытания проводили на недоработанной колонке и на высоте около 50 м, а не 3-5 м, как рекомендовал В.В. Виницкий.

Проведенный в 1960 году автором данной статьи анализ причин сближения лопастей Ка-18 по материалам летных исследований показал, что случаи схлестывания происходили вовсе не по причине резких перемещений ручки управления, а в результате несоответствия угла опережения управления выбранному у ту регулятора взмаха. Как известно, для исключения боковых завалов винта при продольном, отклонении ручки необходимо, чтобы сумма углов регулятора взмаха и опережения управления составляла 90°. На Ка-15 эта сумма составляла 72°. Угол опережения управления при этом, был на 18° меньше необходимого. После того, как на ОКБ Камова разобрались с истинными причинами схлестывания, пневмодемпферы с вертолетов сняли, к большой радости летчиков эксплуатирующих организаций.

На одновинтовых вертолетах приведение опережения управления в соответствие с регулятором взмаха осуществляется соответствующим. расположением осей поворота автомата перекоса. На соосном, вертолете автоматы перекоса обоих винтов должны быть параллельны и отклоняться одновременно относительно одних и тех же осей. Мы предложили ввести в цепи управления между автоматами перекоса и лопастью треугольную качалку. Начальник бригады несущей системы А.И. Власенко вместо треугольной качалки сделал двурогую, которая сняла проблему схлестывания лопастей на вертолетах Ка-15, Ка-18, Ка-25 и Ка-26. Для Ка-15 это новшество было реализовано на колонке пятой серии, испытания которой намечались в ЛИИ.

В связи с необходимостью принятия решения по колонке Ка-25 Николай Ильич Камов потребовал подтверждения положительных результатов по исключению сближения лопастей на вертолете Ка-15 и отвел на это всего один день. Когда команда в составе М.А. Купфера, Д.К. Ефремова, В.Б. Альперовича (начальник ЛИС), Л.А. Поташника (начальник бригады аэродинамики), Т.В. Руссиян (ведущий инженер по летным испытаниям) и автора этой статьи по заданию Камова приехала в ЛИИ, выяснилось, что проводить испытания невозможно: с вертолета сняты лопасти, капоты и т.д. По словам начальника 4 отряда Ю.Н. Геращенко, на приведение вертолета в рабочее состояние понадобится не менее двух месяцев. Нас этот срок категорически не устраивал. И благодаря энергичным, усилиям М.А. Купфера примерно за час до наступления сумерек вертолет был готов, начались полеты на малой высоте. Их результаты показали, что опасное сближение лопастей значительно уменьшилось, что двурогие качалки на Ка-15 сделали свое дело. Камова это известие успокоило, и он принял соответствующее решение по вертолету Ка-25.

Наряду с деревянными и металлическими лопастями в 1963 году впервые в мире на фирме Камова для вертолетов Ка-15 и Ка-18 были созданы стеклопластиковые лопасти Б-7. Лопасть Б-7 ушешно прошла летные испытания на сближение и показала высокое аэродинамическое качество и большой ресурс (5000 часов). В дальнейшем лопасти такой конструкции стали применяться на всех камовских вертолетах (кроме Ка-25). На вертолете Ка-15 с лопастями Б-7 не было ни одного летного происшествия по причине схлестывания лопастей.

Вертолм Ка-15 в аэродинамическон трубе Т-101 ЦАГИ

Вертолет Ка-15 на кромке берегового припая

Вертолеты Ка-15 и Ка-18, по отзывам летчиков, имели продольную и боковую колебательную неустойчивость, то есть имел место так называемый «голландский шаг». На государственных испытаниях Ка-18 в ГосНИИ ГА летчик-испытатель В. Дробышевский предложил для улучшения путевой угтойчивости установить кили под углом (носиками друг к другу). Кроме того, в носовой части Ка-18 вблизи нижнего края лобового остекления был установлен интерцептор, выполненный из дюралевого уголка высотой примерно 30 мм. Однако его наличие не улучшало устойчивость вертолета, так как пограничный слой в этом месте превышает высоту уголка более чем в пять раз. Испытания по определению характеристик устойчивости Ка-15, проведенные в ЛИИ А.А. Докучаевым, подтвердили наличие продольной и боковой неустойчивости. Докучаев, понимая серьезность вопроса, обратился в ОКБ Камова с просьбой прислать специалистов для ознакомления с материалами испытаний. С этими материалами доверили ознакомиться и мне, тогда совсем, молодому инженеру.

Из отчетов ЛИИ следовало, что вертолет в путевом отношении неустойчив. Однако испытания на моделях в трубах ЦАГИ показывали, что его путевая устойчивость достаточна. По моему заданию на ЛИС завода рули направления Ка-18 отсоединили от педалей, заклинили их струбцинами. Летчик Ефремов в полете зафиксировал достаточную путевую устойчивость, наличие которой привело к боковой устойчивости вертолета. Стало ясно, что шарнирные моменты рулей направления вертикального оперения были велики из-за отсутствия у них аэродинамической компенсации и тросовая проводка, ведущая к рулям, позволяла рулям при зажатых педалях отклоняться под воздействием увеличивающегося скольжения. Этот дефект мог быть легко устранен заменой тросовой проводки на жесткую.

Решить вопрос с продольной устойчивостью было проще. Вертолет Ка-15 поступил в эксплуатацию с углом установки стабилизатора +6°. В дальнейшем для увеличения запасов продольного управления «от себя» угол установки был увеличен до +8°, что отрицагельно сказалось на продольной устойчивости. По предложению автора статьи были проведены испытания по определению влияния угла установки стабилизатора на продольную устойчивость. Испытания проводили летчик-испытатель Н.П. Бездетнов и ведущий инженер И.Д. Фурсов. Было выяснено, что оптимальный угол установки стабилизатора +2°. Запасы управления обеспечили, наклонив автомат перекоса при нейтральной ручке вперед. По мнению летчика, при выбранном угле установки стабилизатора улучшилась и путевая устойчивость. Перестановку угла и замену лопастей ЛД-10М на Б-7 проводили одновременно в эксплуатации, и летчики связывали улучшение устойчивости с новыми лопастями.

Вертолеты Ка-15 и Ка-18 имели недостаточную энерговооруженность. Для устранения этого недостатка двигатель АИ-14В мощностью 260 л.с. был заменен на двигатель АИ-14Ф мощностью 280 л.с. Двигатель большей мощности М-14Ф позволил значительно улучшить летно-технические характеристики.

… Николай Ильич очень любил вертолеты Ка-15 и Ка-18, называл их «русский сувенир». Он сравнивал вертолет соосной схемы с лодкой с двууя веслами, а одновинтовой схемы с одновесельной. Вертолет Ка-15 как корабельный в сравнительных испытаниях с Ми-1 «выиграл». На всемирной выставке в Брюсселе в 1958 году за оригинальность конструкции вертолет Ка-18 был удостоен золотой медали и диплома первой степени. За внедрение вертолетов в народное хозяйство в 1960 году Н.И. Камов был награжден большой золотой медалью ВДНХ. На вертолете Ка-15 в 1958 и 1959 годах В.В. Виницкий установил два мировых рекорда скорости.

Вертолет Ка-18

На первом плане – вертолет Ка-18, на втором – Ка-15

Вертолет Ка-18 успешно демонстрировался на выставке советской науки, техники и культуры в Гаване, где за 10 дней выполнил более 120 полетов, подняв в воздух более 250 человек (смог «полетать» каждый пятисотый посетитель выставки). Вертолет Ка-18 участвовал в съемках фильма «Русский сувенир», в котором Д.К. Ефремов сажал вертолет со знаменитой киноактрисой Любовью Орловой на палубу речного теплохода.

Много сил и энергии вложили в доводку вертолетов Ка-15 и Ка-18 заместители главного конструктора М.А. Купфер и В.Н. Иванов. С эксплуатирующими организациями тесные контакты поддерживали работники бригады эксплуатации, руководителем которой был А.И. Берлин. Особенно много для обеспечения нормальной эксплуатации делал Б.С. Кац.

Вертолеты Ка-15 и Ка-18 широко использовались в народном хозяйстве (вели ледовую разведку в составе китобойной флотилии «Слава», ледоколов «Красин» и «Ленин», оказывали помощь охотникам и рыбакам, перевозили больных, патрулировали линии электропередачи и газопроводов и т.п.). Эти машины могли бы долго и успешно работать в народном хозяйстве, но их посчитали морально устаревшими и с производства сняли.

На смену Ка-15 и Ка-18 должен был прийти вертолет с газотурбинным двигателем. Ка-19, разработка которого велась под руководством И.А. Эрлиха – заместителя Н.И. Камова. На этом вертолете хвостовое оперение крепилось на двух балках. Эта особенность конструкции впоследствии была использована при разработке вертолета Ка-26. Однако отсутствие двигателя привело к тому, что дальше технического предложения дело не пошло.

В настоящее время разрабатывается вертолет Ка-115, который придет на смену вертолетам Ка-15 и Ка-18.

Иван Григорьев, ЛИИ им. М. М. Громова

ЭКСПЛУАТАЦИЯ