Проблемы несущего винта

При запуске в серийное производство вертолета Ми-4 проблем по всем агрегатам было множество, но самыми важными и сложными были вопросы, связанные с изготовлением лопастей несущего винта. Постоянного представительства ОКБ на Казанском вертолетном заводе тогда не было, и все возникавшие в процессе работы вопросы решали приезжающие на завод москвичи.

В начале 1954 г. завод приступил к летным испытаниям головной машины Ми-4. 27 февраля на очередном, восьмом, полете произошла катастрофа, вызванная разрушением лопастей. Погибли пилот Владимир Стародубцев и бортинженер Александр Куроптев. Я помню, как подавлены и ошеломлены были этим трагическим событием заводчане. На завод приехала государственная комиссия, в работе которой участвовал Михаил Леонтьевич Миль.

После осмотра упавшего вертолета и исследования характерных повреждений фюзеляжа Миль определил, что причиной разрушения лопастей был флаттер – опасное самовозбуждающееся колебание лопастей несущего винта изгибно-крутильного характера. Это явление возникает на предельных режимах в случае недоведенности конструкции лопасти по центровке.

Всю ответственность за случившееся взял на себя Генеральный конструктор. В ОКБ начались расчетно-исследовательские работы по устранению обнаруженного дефекта. Были увеличены противофлаттерные грузы, переносившие вперед, к носку, центр тяжести в сечениях лопасти, введена наземная контрольная проверка лопасти на флаттер, во время которой на триммер в хвостовике лопасти устанавливался груз, смещавший назад, во вредную сторону, центр тяжести. Так обеспечивался необходимый и надежный запас в центровке лопасти, гарантирующий отсутствие флаттера в полете.

Вскоре после выпуска опытного образца вертолета завод перешел к серийному производству Ми-4. Но было очевидно, что лопасти вертолета нуждались в дальнейшей доводке и усовершенствовании.

Это обстоятельство понимало и руководство Казанского вертолетного завода. Для всех инженерных служб и работников цехов-изготовителей производство лопастей стало главной работой.

Конструкция лопасти, разработанная М.Л. Милем, для своего времени была совершенной по технологическим, весовым и прочностным характеристикам.

Приведем ее краткое описание.

Лопасти вертолета – смешанной конструкции. Их основной стержневой элемент – лонжерон – был выполнен из закаленной хромансилевой трубы. Эта труба длиной в десять метров имела переменную толщину и сужающийся к концу профиль сечения. К лонжерону на хомутах и розетках крепились 57 нервюр из соснового переклея.

В самом носке профиля лопасти была установлена стальная пластина, груз-противовес, крепившийся к лонжерону на хомутах и кронштейнах. Груз окантован носовым буковым стрингером. По нервюрам и стрингерам лопасть оклеивалась полуторамиллиметровой фанерой и полотном. Затем шпатлевалась, полировалась, окрашивалась.

Возник вопрос: как крепить нервюры к лонжерону? Болтами – нежелательно: не хотелось дырявить лонжерон. Сварка тоже отпадала. Осталась безвредная на первый взгляд припайка стальных розеток хомутов нервюр к лонжерону с местным лужением зон контакта.

Лонжерон лопасти – цельная труба – был заказан на Первоуральском трубном заводе, но освоение такой трубы задерживалось. Первые опытные и серийные вертолеты Ми-4 пришлось делать, используя лонжероны, состыкованные из трех частей: наконечника, комлевой и эллипсовидной. Их соединение – стыковка на заклепках – было вынужденной и сложной операцией. К тому же, какой бы идеальной ни была конструкция состыкованного лонжерона, в условиях постоянно действующей в полете знакопеременной нагрузки стык – источник повышенной опасности.

Значение цельных лонжеронов для вертолетных лопастей было трудно переоценить, и когда на Первоуральском трубном заводе заработала установка, выдававшая прокат цельной десятиметровой трубы переменного сечения, все вздохнули с облегчением.

Итак, первым успехом было внедрение цельных лонжеронов, которые КВЗ начал получать с начала 1957 г. Однако лонжерон после прокатки требовалось прокаливать. На заводе была создана уникальная шахтная установка для закалки трубы в вертикальном положении. Труба, вращаясь вокруг своей оси, медленно опускалась внутри индукционной катушки высокочастотного нагрева. После закалки она поступала в масляную ванну, расположенную внизу. Перед сборкой свежекаленую трубу лонжерона правили, устраняли отклонения от прямолинейности и по закрутке.

К производству предъявлялись строгие требования по чистоте наружной и внутренней поверхности трубы. Трубу зачищали, полировали, по внутренней поверхности она просматривалась специальным перископом. Поверхности отверстий под болты крепления трубы с наконечником упрочнялись методом дорнования (формирование поверхностного наклепа).

С годами при эксплуатации возникали непредвиденные случаи поломок несущего винта. Работа лопастей в полете – чрезвычайно сложный процесс. Вращаясь, каждая лопасть то встречает, то провожает встречный поток воздуха, изгибаясь вверх и вниз. Это движение совершается миллионы раз всего за сотни летных часов.

Хотя в конструкцию лопасти заложены свойства, обеспечивающие ее динамическую прочность и сводящие к минимуму опасные последствия усталости, из-за знакопеременных нагрузок в лонжероне усталость материала все же накапливается, что приводит к разрушению. К этому добавляются возможные отклонения при изготовлении трубы-лонжерона, погрешности в ходе сборочных работ, также снижающие прочность лопасти.

По результатам летных испытаний опытного образца машины и ресурсных испытаний был определен срок безопасной эксплуатации вертолета. Первоначально это было 150 летных часов, затем 300, после чего лопасти должны были заменяться.

Тем не менее, в эксплуатации вновь возникли отказы, проявлялись дефекты у лопастей, не выработавших своего ресурса. В 1961 году под Ленинградом из-за разрушения лопастей, имевших небольшую наработку в эксплуатации, упал вертолет Ми-4. Вскоре после этого произошла еще одна катастрофа «четверки», в которой погибли генерал Колпакчи и сопровождавшие его офицеры.

На завод приехали М.Л. Миль и Председатель Госкомитета по авиационной технике П.В. Дементьев. Правительственная комиссия начала работать на месте катастрофы, а затем на Казанском вертолетном заводе. Была приостановлена эксплуатация всего парка вертолетов Ми-4, остановлено производство лопастей.

Можете представить, какое настроение было тогда у руководителей КВЗ. Помню диалог директора завода Максимова с начальником лопастного цеха Рыковым:

«Что, Василий Степанович, стоишь?»

«Да, Владимир Петрович, но лучше стоять, чем сидеть».

Результаты изучения первой катастрофы вертолета под Ленинградом показали, что она была вызвана микротрещинами лонжерона лопасти в зонах пайки хомутиков нервюр.

Выяснилось, что процесс пайки оловом каленой хромансилевой трубы изменяет структуру материала в худшую сторону. Соединение нервюр с лонжероном методом пайки было признано неудачным. Это был конструктивный дефект.

Во второй катастрофе вертолета Ми-4 под Одессой обнаружились другие дефекты – трещины материала трубы, возникшие в ходе ее производства на трубопрокатном заводе. Причиной, видимо, стало нарушение температурного режима.

Строгие требования были предъявлены теперь трубопрокатному производству. Туда с целью повышения контроля качества и проведения совместных работ выезжали представители вертолетного ОКБ, филиала и вертолетного завода.

Михаил Леонтьевич Миль и руководители завода добились чрезвычайного решения – приостановки полетов всех вертолетов, проведения специального осмотра всех без исключения лопастей и проверки их лонжеронов на отсутствие трещин.

В этот кризисный момент на помощь КВЗ пришли конструкторы ОКБ из Москвы, сотрудники Казанского филиала конструкторского бюро. По всей стране и за рубежом работали специально созданные выездные пункты рентгеновского контроля лопастей.

В сомнительных случаях на перепроверку выезжали ведущие специалисты, производили отбраковку и продление ресурса качественных лопастей. Были проверены тысячи лопастей, и только на одной из них обнаружены опасные трещины. Лопасть была заменена новой.

Проведенные во Всесоюзном институте авиационных материалов (ВИАМ) и в лаборатории ОКБ исследования клеев, способных заменить пайку в лопастях, позволили М.Л. Милю принять решение об использовании клея ПУ-2 для соединения нервюр и кронштейнов противовеса с лонжероном лопасти. Этот клей был признан подходящим по прочности и долговечности.

Но в этом случае прежняя конструкция деталей хомутов и розеток нуждалась в переделке, в увеличении контактной площади соединения с лонжероном. Менялось много чертежей деталей и сборки лопасти. Эту работу быстро и ответственно выполнила бригада казанских конструкторов лопастей.

После утверждения измененного комплекта чертежей завод продолжал производство лопастей, но уже по новой технологии сборки. Одновременно были развернуты работы по существенному увеличению их ресурса, в которых, кроме инженерных служб завода, участвовала бригада Казанского филиала научно-исследовательского института авиационной технологии, прочнисты ЦАГИ, конструкторы-лопастники ОКБ и филиала, специалисты Казанского авиационного института.

Чтобы повысить выносливость лонжерона, было введено поверхностное упрочнение трубы. После шлифовки наружной поверхности трубы производился наклеп, т.е. силовая ударная обкатка трубы движущимися в круговой обойме стальными шариками, так называемый ротационный наклеп. Была введена также полировка внутренней поверхности трубы лонжерона до закалки, очистка от масляной пленки после термообработки.

Осмотр внутренней поверхности трубы производился с особой тщательностью с помощью специального перископа, наши конструкторы и технологи исследовали процесс правки лонжерона после термообработки. Были разработаны способы правки, ограничения, запреты недопустимых деформаций по перегибам и закрутке трубы.

Положительные результаты столь тщательной и творческой работы не замедлили сказаться: ресурс лопастей смешанной конструкции был повышен до 400, 600, а затем до 1000 летных часов. Это уже был предел, хотя и не удовлетворяющий полностью главного конструктора и заказчиков, но обеспечивающий надежную и успешную эксплуатацию всего парка вертолетов Ми-4 на долгие годы.

Надо сказать, что уже с середины пятидесятых годов в ОКБ прорабатывалась новая конструкция лопасти – цельнометаллическая, в которой использовался появившийся опыт клеевых соединений, легких сотовых конструкций и прессования длинномерных замкнутых дюралевых профилей. В ней вместо стальной трубы лонжерона и каркаса из нервюр использован пустотелый профиль из алюминиевого сплава, повторяющий теоретический контур носовой и средней части лопасти, а вместо деревянных нервюр с фанерной обшивкой – ряд хвостовых отсеков из тонкой авиалевой обшивки с легким сотовым заполнителем.

В 1962 г., после трагических катастроф вертолетов Ми-4 из-за дефектов стального лонжерона, на правительственном уровне было принято решение о замене этих лопастей цельнометаллическими, производство которых на заводе № 387 планировалось начать еще в 1956 г.

Для завода такая революционная перестройка – создание принципиально нового, необычного и сложного производства – была тяжелой и трудновыполнимой задачей. Впрочем, это была даже не заводская, а отраслевая задача, решение которой было важно для всей нашей авиационной промышленности. Лопасти, созданные для вертолета Ми-4, использовались затем на Ми-8 и разных его модификациях. Изготовление их продолжается до сих пор.

Опытные образцы цельнометаллических лопастей сначала изготовлялись на Ростовском вертолетном заводе. В их конструкции не было сотовых блоков, были обычные дюралевые нервюры и химически травленая обшивка в хвостовой части. Лонжерон лопасти прессовался в цехе Всесоюзного института легких сплавов (ВИЛС) в Сетуни. В проектировании этих лопастей, а затем в создании их конструкции для серийного производства в Казани участвовали ведущие работники МВЗ.

Лонжерон новой лопасти изготавливался из материала АВТ-1, прессовался из слитка материала в горячем состоянии и сваривался из двух частей. Эти части – верхняя и нижняя – соединялись по плоскости хорд.

Внутренняя полость лонжерона, оребренная, в дальнейшем не обрабатывалась. По наружной поверхности оставляли припуск материала на фрезерную обработку. Вес такой заготовки лонжерона – 330 кг, после обработки – 90 кг, ее длина – 10,4 м.

Поступая на лопастное производство, каждая заготовка лонжерона проходила несколько видов контроля, в том числе ультразвуковой, контроль механических свойств материала, состояния поверхности снаружи и внутри профиля оптическим перископом, а также контроль состояния сварного шва по носку и задней стенке профиля.

Пройдя контроль геометрических размеров и внешнего вида, лонжерон лопасти поступал на стенд виброупрочнения поверхности. Размещенный в контейнере лонжерон с засыпанными внутри и снаружи стальными шариками устанавливался на вибростенд. Положение лонжерона менялось, чтобы получить равномерный наклеп поверхности агрегата.

Последняя операция перед общей сборкой лопасти – серно-кислотное анодирование внутренней и наружной поверхностей, дополнительное грунтовое покрытие внутренней полости. Для улучшения антикоррозийной защиты и обеспечения высоких адгезионных свойств перед началом общей сборки лонжерон покрывался клеем ВК-32-200 горячего отвердения и сушился в специальных печах.

Хвостовая часть лопасти состояла из 21 отсека. Каждый отсек собирался (склеивался) из обшивки листа АВТ-1 толщиной 0,3 мм и сотового блока из фольги Ат-1 толщиной 0,04 мм, склеенной на жидком клее Вк-3.

Завод полностью механизировал изготовление пакетов сотовых блоков. Пакеты из 90 листов собирались на автоматах. На листы наносились клеевые полосы и дренажные отверстия. Пакеты прессовались с нагревом в печах. Затем следовала их фрезеровка по теоретическому контуру сечения лопасти. Потом шел процесс изготовления отсеков. Растянутые до нужных размеров сотовые блоки склеивались по торцам с обшивкой и двумя нервюрами. Соединение производилось с помощью клея Вк-3.

Изготовление хвостовых отсеков лопастей в серийном производстве – это высокомеханизированная полуавтоматическая линия. В ней заложены оригинальные и совершенные технические решения, обеспечившие высокую производительность и стабильность качества хвостовых отсеков. Создавалась эта линия Казанским филиал НИАТ и вертолетным заводом.

Общая сборка лопасти заключалась в клеевом соединении лонжерона с хвостовыми отсеками, а также в клееболтовом соединении его с наконечником в комлевой части и законцовкой в концевой части. Сборка осуществлялась в стапеле. Склейка производилась на пленочном клее Вк-3 в режиме горячей запрессовки и отвердения.

Разработанная конструкция лопасти до гениальности проста, но чтобы ее осуществить, понадобились усилия десятка многочисленных инженерных коллективов и огромных, по тем временам, ассигнований.

Прежний лопастной цех завода был непригоден для производства лопастей новой конструкции. И этому производству отдается новый большой производственный корпус.

К освоению лопастей подключился Самарский металлургический завод, его инженеры создали нужное оснащение, разработали технологию прессования уникального профиля.

Создание всей оснастки, фрезерных станков, поточной линии, стендов поручилось Казанскому филиалу научно-исследовательского института авиационной технологии.

Отработку технологии всех клеевых работ вел Московский всесоюзный институт авиационных материалов. В работе принимали участие ученые, специалисты Казанского авиационного института, лаборатории Московского вертолетного завода.

Казанский завод № 387 – ныне КВЗ – сумел в короткий срок освоить новое, сложное, ответственное и многопрофильное производство цельнометаллических лопастей.

Симон МАЗО, ветеран веотолетосгооения

ВЕРТУШКА