Смелый экспериментатор

Смелый экспериментатор

Вертолет Г-3 и его создатель И.П. Братухин

Ровно 60 лет назад, в августе 1941 года, первый советский вертолет поперечной схемы «Омега» был передан на заводские летные испытания. Эти испытания открыли дорогу новому поколению вертолетов двухвинтовой поперечной схемы.

Автор «Омеги» – советский ученый и конструктор Иван Павлович Братухин внес огромный вклад в развитие отечественного вертолетостроения. Под его руководством был создан ряд опытных, построенных малой серией вертолетов поперечной схемы, кроме «Омеги» – «Омега-2», Г-3, Г-4 и Б-11. За свои работы И.П. Братухин был награжден орденами и медалями, удостоен Государственной премии, получил звание «Заслуженный деятель науки и техники».

Свой путь в авиастроении Иван Братухин начал в 1926 году, когда еще студентом пришел на практику в экспериментально-аэродинамический отдел (ЗАО) Центрального аэрогидродинамического института, руководимый в те годы профессором Б.Н. Юрьевым.

В конце 1926 года в ЗАО была создана специальная геликоптерная группа (в 1928 году она стала называться сектором особых конструкций). И вскоре Специалисты приступили к разработке одновинтового вертолета примерно такого типа, который был в свое время предложен Б.Н. Юрьевым. Руководил работами А.М. Черемухин, который совершил впоследствии и все 88 полетов на это необычной машине.

Первый отечественный вертолет получил название ЦАГИ-1-ЭА (экспериментальный аппарат). И.П. Братухин принимал самое активное участие как в проектировании отдельных агрегатов этого вертолета, так и в проведении экспериментов. Впоследствии, уже в 1932 году, за выполнение теоретического исследования по определению сил, действующих на автомат перекоса, он был отмечен благодарностью и премией.

ЦАГИ-1-ЭА был выполнен по одновинтовой схеме с четырехлопастным несущим винтом и двумя ротативными поршневыми двигателями. Четыре рулевых винта, установленные попарно в носовой и хвостовой частях ферменного фюзеляжа, уравновешивали реактивный крутящий момент несущего винта.

После многократных и тщательных испытаний системы и всех механизмов, исследований аэродинамических свойств аппарата начались тренировочные полеты. Уже на начальном этапе испытаний высота подъема составляла 40-50 метров. Хорошо освоив вертолет, А.М. Черемухин во время полета 14 августа 1932 года набрал высоту в 605 м. Однако выше не пошел, опасаясь затруднений при спуске аппарата. Для сравнения: рекорд высоты, установленный в 1928 году на итальянском вертолете «Асканио», составлял всего 18 м.

В процессе летных испытаний был выяснен основной недостаток, присущий схеме с жестким креплением винта – недостаточная устойчивость машины. Доработка вертолета была проведена на дублере 1-ЭА – вертолете ЦАГИ-З-ЭА. Руководителем всех проектных работ по этому аппарату был назначен И.П. Братухин.

Новый вертолет – ЦАГИ-5-ЭА был построен в 1933 году. Конструкция его мало отличалась от предыдущих, принципиально новыми были схема несущего винта вертолета и управление, предложенные Братухиным. С целью повышения устойчивости вертолета и обеспечения безопасности полета конструктор разделил функции создания подъемной силы и управления вертолетом.

Несущий винт, предложенный И.П. Братухиным, представлял собой комбинацию двух трехлопастных винтов диаметрами 12 и 7,8 м. Три большие лопасти образовывали несущий, а три малые, закрепленные на втулке между большими лопастями, составляли управляющий винт. Для повышения устойчивости аппарата лопасти несущего винта крепились к втулке при помощи горизонтальных шарниров, к которым вскоре добавили и вертикальные шарниры, а вместе с ними и фрикционные демпферы колебаний. Одновременно были поставлены упругие резиновые ограничители колебаний лопастей относительно этих шарниров для смягчения ударов при запуске двигателей, так как муфты сцепления не было. Малые лопасти винта, предназначенные для управления, были связаны с автоматом перекоса. Большие лопасти могли менять в полете лишь общий шаг. В период с 1933 по 1935 гг. на вертолете ЦАГИ-5-ЭА было совершено большое количество полетов с чисто исследовательскими целями.

Параллельно с этими работами И.П. Братухин вместе с конструктором В.А. Кузнецовым работал над автожирами. Иван Павлович большое внимание уделял изучению теории несущего винта с возможностью махового движения лопастей на режимах горизонтального полета. Основываясь на работах Глауэрта и Локка, а также собственных теоретических и экспериментальных исследованиях, он обобщил результаты в работе под названием «Автожиры. Теория и расчеты». Эта работа была опубликована в 1934 году и долгое время служила основным пособием по теории винтокрылых аппаратов. Теоретические работы Братухина вылились в постройку и испытание ряда автожиров. Ценный опыт, полученный конструктором, был использован в дальнейшем не только в работах по автожирам, но и для создания и совершенствования вертолетов. Так, уже при разработке несущего винта вертолета ЦАГИ-5-ЭА Братухин применил шарнирную схему крепления лопастей к втулке, сходную с той, что применялась на автожирах.

В эти годы сектор особых конструкций стал уже отделом особых конструкций ЦАГИ, в котором И.П. Братухин возглавил конструкторскую бригаду «Б». Задачами отдела были теоретические и экспериментальные исследования различных вариантов схем вертолетов, их основных элементов, проектирование, постройка и летные испытания винтокрылых машин. Было решено создать новый вертолет, более мощный и совершенный, с лучшими летными данными, в большей степени пригодный для эксплуатации. Проектирование вертолета, получившего обозначение ЦАГИ-11-ЭА, было начато в 1934 году.

ЦАГИ-11-ЭА был построен в середине 1936 г. Этот вертолет был значительно больше по размеру и массе, чем предыдущие аппараты. Для него конструктор предложил оригинальную комбинированную схему, позволяющую сочетать возможности вертолета (вертикальные взлет и посадка) со скоростью самолета. Двигатель жидкостного охлаждения «Кертис-Конкверор» в 630 л.с. был установлен в передней части фюзеляжа. Редуктор двигателя сняли, а на его место вмонтировали центральный редуктор вертолета с четырьмя коническими шестернями – одной ведущей и тремя ведомыми. Одна ведомая приводила во вращение вертикальный вал несущего винта, а две другие – валы рулевых винтов. Несущий винт был подобен винту вертолета 5-ЭА. Рулевые винты располагались на концах небольшого крыла. Две кабины – наблюдателя и летчика – помещались за несущим винтом. Хвостовое оперение было, как в самолете: горизонтальное и вертикальное; на крыле – элероны с двойным управлением. Поскольку элероны действовали только при наличии поступательной скорости, сохранялось и все управление вертолетного типа. Особенность его заключалась во взаимной связи несущего и рулевого винтов, левый из которых должен был иметь на режиме висения обратную тягу. На всех режимах вообще должно было быть обеспечено полное соответствие и взаимодействие всех трех винтов путем изменения их шага. Механизм управления шагом винтов работал от штурвала и педалей.

Вертолет Б-11

При испытаниях вертолета на привязи возникли трудности, которые потребовали предварительной отработки его агрегатов, и в первую очередь – на вертикальных режимах. И.П. Братухин предложил изменить схему вертолета, переделать его, заменив крыло сварными фермами большого размаха (11 м между осями рулевых винтов вместо 8 м). Трехлопастные винты диаметром 2,25 м заменили (временно) двумя парами винтов, применявшихся на вертолетах ЦАГИ-1-ЭА и ЦАГИ-З-ЭА, лопасти несущего винта сделали цельнометаллическими, внесли ряд других изменений. Получился новый вариант вертолета, названный ЦАГИ-11-ЭА ПВ (пропульсивный вариант).

…Сталинские репрессии конца 30-х не миновали и вертолетостроителей. Началось свертывание работ отдела особых конструкций ЦАГИ. Часть ведущих сотрудников была репрессирована, часть уволена. Цех винтовых аппаратов и специальный аэродром были ликвидированы, резко замедлились темпы испытаний и доводки аппарата 11-ЭА. Советское руководство приоритетным направлением сделало создание новых боевых самолетов: на пороге стояла война. Вертолет же, несмотря на очевидные достоинства, по-прежнему рассматривался как экзотический летательный аппарат.

И все же профессору Б.Н. Юрьеву удалось добиться организации специализированного ОКБ-3 в Московском авиационном институте. Туда в январе 1940 года и перешла часть сотрудников отдела особых конструкций ЦАГИ во главе с Братухиным. До марта 1940 года ОКБ-3 руководил Б.Н. Юрьев, а затем его возглавил И.П. Братухин.

Коллектив ОКБ продолжал работать над испытаниями вертолета ЦАГИ-11-ЭА ПВ, а И.П. Братухин и Б.Н. Юрьев начали разрабатывать схему принципиально нового двухвинтового вертолета с поперечным расположением несущих винтов. Эскизный проект вертолета «Омега» был закончен и утвержден в июле 1940 года.

Вертолет ЦАГИ-1-ЭА

Вертолет Г-4

Фюзеляж «Омеги» представлял собой ферменную конструкцию из стальных труб, обшитую перкалем. В носовой части размещалась двухместная кабина летчика и наблюдателя. К фюзеляжу крепились фермы, на концах которых стояли мотогондолы с двигателями воздушного охлаждения МВ-6 мощностью 220 л.с. каждый, по одному на несущий винт. Двигатели через редукторы вращали в разные стороны цельнометаллические трехлопастные винты диаметром 7 м. Редукторы были связаны валом синхронизации. Это позволяло уравновесить реактивные крутящие моменты винтов, обеспечивало продолжение полета при выходе из строя одного из двигателей и на режиме авторотации. Лопасти винтов крепились к втулке через горизонтальные, продольные и вертикальные подпружиненные шарниры, замененные впоследствии на масляные демпферы.

Необходимо отметить, что, по сравнению с более ранними вертолетами ЦАГИ, «Омега», сохранив примерно такую же тяговооруженность, имела более чем в два раза большую удельную нагрузку на ометаемую площадь несущего винта. Вертолетостроители придут к этому спустя десятки лет.

Почти год понадобился для строительства «Омеги». В августе 1941 года летчик К.И. Пономарев приступил к испытаниям вертолета. Но уже два месяца шла Великая Отечественная война, и вскоре ОКБ-3 было эвакуировано в Среднюю Азию. Эвакуация задержала первый вылет «Омеги» почти на два года. Только летом 1943 были выполнены первые вертикальные взлеты и посадки, развороты на месте, полеты по кругу с небольшими скоростями. Высокая температура воздуха снижала мощность двигателей и тягу несущего винта. Моторы воздушного охлаждения быстро перегревались, и продолжительность полета не превышала 12- 15 минут. При полетном весе 2050 кг удалось достигнуть скорости 115 км/ч и высоты 150 м, в то время как по расчетам эти параметры ожидались не менее 186 км/ч и 2900 м соответственно.

Даже эти кратковременные полеты позволили сделать главный вывод: вертолет устойчив на всех испытанных режимах полета, а управление им простое и надежное. Заменив моторы на более мощные, вертолет можно было использовать как для гражданских, так и для военных целей. В 1944 году И.П. Братухин вместе с сотрудниками 0КБ-3 возвратился в Москву, а в сентябре того же года была завершена постройка вертолета «Омега-2». Новый аппарат являлся модификацией первой «Омеги». Но, в отличие от нее, здесь рядные моторы заменили на звездообразные МГ-31Ф с новыми моторамами и редукторами. Подверглись доработкам боковые фермы, но диаметр несущего винта остался прежний. На этом этапе изменили передаточное соотношение редуктора, связывающего двигатели и несущие винты, что позволило поднять тягу винтов почти на 300 кг, а это увеличивало потолок. Но высота полета в то время была не самой главной характеристикой. Куда важней оказалась борьба с вибрациями, ведь только они не пускали машину в большую жизнь. Установка специальных демпферов лишь снизила уровень вибраций, но не устранила их. Требовалось более широко привлекать к работе научно- исследовательские институты. Но недостаточное финансирование тормозило продвижение работ над этим проектом.

К «Омеге» проявило интерес артиллерийское управление Министерства обороны, где машину рассматривали в качестве артиллерийского корректировщика.

В 1945 году были построены две машины под обозначением Г-3 «Корректировщик артиллерийского огня». На них были установлены моторы R-985 AN-1 фирмы Pratt amp;Whitney. От первых «Омег» они отличались лишь силовой установкой. Первый опытный вертолет Г-3 был выпущен в августе, но облетать его удалось лишь весной 1946 года.

В 1946 году «0мега-2» и два вертолета Г-3 впервые в истории отечественной авиации приняли участие в воздушном параде на Тушинском аэродроме. В том же году в Киеве началась подготовка к серийному производству Г-3. Это был первый серийный вертолет ОКБ-3. Главное артиллерийское управление заказало 200 машин, правительственным заданием предусматривалось выпустить к февралю восемь вертолетов, а построили только семь из-за нехватки двигателей. В мае-июне 1947 года все семь серийных вертолетов (пять из них предназначались для государственных испытаний) отправили в Москву. После прохождения этих испытаний два вертолета были переданы в Серпуховскую учебную эскадрилью. Вертолет Г-3 был одним из первых вертолетов, поступивших на вооружение ВВС.

Следующая машина с индексом Г-4 была модификацией вертолета Г-3 под отечественные двигатели АИ-26ГР конструкции А.Г. Ивченко, имевшие взлетную мощность 500 л.с. Это был первый отечественный мотор, предназначенный для установки на вертолет и снабженный вентилятором для охлаждения на режиме висения. В отличие от предыдущих конструкций несущие винты Г-4 имели диаметр 7,7 м. Под руководством И.П. Братухина сотрудниками 0КБ-3 была разработана обширная программа исследований для изучения режима безмоторного полета и посадки вертолета, тщательно продуманы методика и оснащение вертолета различной аппаратурой. За период летных испытаний вертолета Г-4 по требованию заказчика агрегаты вертолета прошли 100-часовые ресурсные испытания, ставшие в дальнейшем обязательной частью испытаний и доводки каждого нового вертолета.

Вертолет Г-3

Вертолет ЦАГИ-11-ЭА ПВ

Проект винтокрыла двухвинтовой поперечной схемы

Проект многоцелевого вертолета двухвинтовой поперечной схемы

Так на вертолетах Г-3 и Г-4, созданных в ОКБ И.П. Братухина, были проведены исключительно важные испытания, например, подробное исследование посадки вертолета с выключенными двигателями на режиме авторотации несущего винта.

В 1945-1947 годах ОКБ-3 работало над проектированием и постройкой более крупных многоцелевых вертолетов, предназначенных для перевозки людей и грузов, проведения авиаразведки и т.д. За эго время были созданы вертолеты: пассажирский Б-5, санитарный Б-9, «воздушный наблюдательный пункт» Б-10, вертолет связи Б-11. Все указанные типы вертолетов проектировались по двухвинтовой поперечной схеме.

Вертолет Б-11 был наиболее доведенной машиной из всех, разработанных в ОКБ-3. На нем были проведены ресурсные испытания планера и многих агрегатов, уточнены методы аэродинамического расчета, выбрано оптимальное направление вращения винтов и созданы цельнометаллические лопасти. Однако, несмотря на то, что работоспособность схемы и общая надежность аппарата сомнений не вызывали, доверие к вертолету после катастрофы, произошедшей с вертолетом-дублером 13 декабря 1948 года, в какой-то степени было подорвано. Принятые для несущих винтов большие нагрузки на ометаемую площадь (23-26 кг/м? ), ставшие после 1959 года обычными для всех вертолетов и позволявшие увеличивать весовую отдачу, были сочтены опасными. Предложение И.П. Братухина о внесении в конструкцию вертолета радикальных изменений поддержки не нашло, и работы по нему были прекращены.

Параллельно с этими проектами сотрудниками ОКБ-3 и непосредственно И.П. Братухиным были разработаны оригинальные эскизные проекты вертолетов разного назначения и разных принципиальных схем. Среди них были:

– многоцелевой вертолет поперечной схемы с взлетной массой 2500 кг и двумя двигателями М-14;

– комбинированный вертолет поперечной схемы с взлетной массой 5800 кг и двумя тянущими винтами (аналогичная схема была реализована позднее в проекте винтокрыла Ка-22);

– легкие вертолеты одновинтовой схемы с рулевым винтом (впоследствии эта схема стала классической).

К сожалению, все эти предложения остались на бумаге. Не были реализованы и другие интересные предложения конструктора, такие, например, как проект вертолета с реактивным приводом двухлопастного несущего винта с использованием двух ПВРД, установленных на концах лопастей.

В 1951 году руководством страны перед авиаконструкторами была поставлена задача создания в кратчайшие сроки тяжелого десантного вертолета. Решение этой задачи было поручено двум ОКБ – М.Л. Миля и А.С. Яковлева. ОКБ-3 было закрыто, И.П. Братухина назначили начальником вертолетного отдела бюро научно- технической информации (БНТИ) ЦАГИ. В эти годы Иван Павлович начал активную педагогическую работу в Московском авиационном институте на кафедре «Конструкция и проектирование вертолетов». В 1957 году профессор Братухин возглавил кафедру и руководил ею вплоть до 1984 года. В середине 50-х им была написана книга «Проектирование и конструкция вертолетов». Она долго была основным учебником студентов, изучающих вертолетостроение.

В 1953 году И.П. Братухин возглавил начавшиеся в ЦАГИ параметрические исследования перспективных тяжелых транспортных вертолетов и вертолетов-кранов грузоподъемностью до 60 тонн с реактивным компрессорным приводом несущего винта и с ТРД на концах лопастей. Эти исследования позволили определить технический уровень, необходимый для создания тяжелых транспортных вертолетов с приводом подобного типа.

Проект транспортно-десантного самолета с вертикальным взлетом и посадкой. Прообраз V-22 Ospry

…В чем же заслуга коллектива ОКБ-3 и его главного конструктора Ивана Павловича Братухина в области развития и совершенствования отечественных вертолетов? Созданные ими вертолеты впервые в России были пригодны к практическому применению и показывали высокие летные данные. Исследования на вертолетах Братухина режима безмоторного планирования и посадки подтвердили важнейший фактор безопасности полета вертолета. Новый тип цельнометаллических лопастей, разработанный ОКБ-3 и его руководителем, предвосхитил те конструкции, которые стали применяться гораздо позже.

Теоретическое и практическое наследие Братухина – велико. Его разработки в области вертолетостроения, оригинальные конструкторские решения и сейчас поражают оригинальностью и смелостью подхода к теме. Велика и «армия» подготовленных лично им квалифицированных инженеров – конструкторов вертолетов.

Галина КОРШУНОВА

ПРОЕКТИРОВАНИЕ