Автожир, геликоптер, жироплан

Инж. З. ПЕРЛЯ

9 ноября 1936 года наши газеты опубликовали сообщение об успешном испытании советского бескрылого автожира «А-14». На иллюстрации, сопровождавшей сообщение, мы видели летательную машину, очень похожую на обыкновенный самолет, но со странными крыльями, которые могли свободно вращаться на вертикальной оси и напоминали гигантский трехлопастный пропеллер, расположенный в горизонтальной плоскости. Летная характеристика этой машины: наибольшая скорость —  140 км в час, минимальная скорость без снижения — 45 км в час, потолок — 3500 м, длина разбега при взлете — 40 м, а пробег при посадке равен нулю.

Далее газетная заметка сообщала: «А-14» может взлететь с площадки, равной половине футбольного поля, а сесть на любой теннисный корт.

Такая небольшая взлетная и посадочная скорость является огромным достоинством летательного аппарата, который тяжелее воздуха. Вот уже в течение многих лет авиаконструкторы работают над проблемой создания такой летательной машины, летные качества которой позволили бы приблизиться к вертикальному взлету и посадке. Пути, по которым техническая мысль шла и идет к разрешению этой проблемы, представляют значительный интерес.

*

17 января 1923 года на Мадридском аэродроме произошло большое авиационное событие: испанец Жуан де-ла-Сиерва первый раз в истории авиации поднялся в воздух и совершил полет на изобретенном им самолете с вертящимися крыльями —  «мельницей», как их называли в те времена. Этот ycпеx тяжко достался изобретателю и имеет свою историю.

Один из первых автожиров Сиерва с вращающимся широким и жестким крылом.

Первый автожир Сиерва, построенный им в 1920 году, располагал двумя «мельницами», или роторами, вращающимися в противоположных направлениях, чтобы предотвратить опрокидывание машины. Крылья каждой «мельницы» были жестко соединены между собой. Машина не взлетела.

Судьба этого автожира оказалась неудачной. Построенный инженером Хуаном де-Си-ерва с двумя роторами, которые вертелись в противоположные стороны, автожир так и не смог оторваться от земли.

Во втором автожире число «мельниц» уменьшилось до одной, состоящей из трех крыльев, укрепленных на одной вертикальной оси. Успех был такой же, как и в первом опыте, — машина не пошла.

В третьем образце было уже пять крыльев, жестко скрепленных между собой. Эта машина сделала прыжок и... вернулась на землю, не взлетев.

В результате третьей попытки инженера Сиерва появился автожир, в котором ротор состоял из пяти лопастей, жестко прикрепленных к втулке. Машина поднялась на 2 м от земли, но затем опрокинулась и поломалась.

Отказавшись от испытания моделей натуральной величины, изобретатель начал изготовлять макеты автожиров, приводимых в движение с помощью резиновых пружин. Один из этих макетов был собран с четырьмя вращающимися крыльями, изготовленными из листьев ротанга (индийской пальмы). Листья этого дерева были более гибки, чем другие материалы, и модель полетела. Де-ла-Сиерва понял, что жесткие соединения крыльев на оси были причиной его неудовлетворительных полетов. Он построил четвертую свою машину, но на этот раз с четырьмя лопастными крыльями, гибко прикрепленными к вращающейся втулке вертикальной оси. Именно эта машина и оказалась первым автожиром, который в 1923 году совершил практически годный полет.

Автожир с четырехлопастным ротором, на котором Сиерва осуществил свой первый полет в январе 1923 г.

Начиная с этого времени, конструкция автожира все больше и больше совершенствуется, количество этих машин растет. Уже в конце 1933 года статистика насчитывала 50000 летных часов и 2,3 миллиона налетанных километров в активе автожиров всего мира.

Современный автожир по внешнему виду отличается от самолета только крыльями: количество лопастных крыльев не меньше трех, и они вращаются вокруг оси, слегка отклоненной назад от вертикали. В остальном — тот же фюзеляж, шасси, мотор с тянущим передним пропеллером, рули высоты и направления и элероны. Мотор запущен, машина приобретает поступательную скорость за счет работы тянущего пропеллера. Под действием этой скорости начинают вращаться крылья автожира, действительно напоминая этим ветряную мельницу. Как только вращение крыльев достигает 70 оборотов в минуту, создается необходимая для взлета подъемная сила. В полете число оборотов крыльев растет, примерно, до 110—130 оборотов в минуту.

По сравнению с неподвижными несущими плоскостями (крыльями) обыкновенного самолета вращающиеся крылья дают значительное увеличение подъемной силы, даже при очень небольших скоростях поступательного движения автожира. Это свойство очень облегчает посадку, которая может быть выполнена почти по строгой вертикали. Для автожиров отпадает необходимость в огромных специально подготовленных посадочных площадях — аэродромах. Но и для взлета ему не нужно больших просторов: трех лопастный ротор нашего «А-14» раскручивается перед взлетом до получения необходимого числа оборотов, обеспечивающего достаточную подъемную силу. Благодаря этому машина отделяется от земли через 40 м, в то время как без предварительного раскручивания нужно 150 м.

Но в самое последнее время за границей осуществили возможность взлета без всякого разбега. Для этого ротор предварительно раскручивается, и дальше, по словам изобретателя — авиатора Сиерва, происходят следующее:

«В тот момент, когда источник, механического запуска крыльев будет разобщен с ротором, угол атаки лопастей увеличивается до нормальной величины. Немедленно появляется подъемная сила, и, как только она делается больше веса машины, автожир отрывается от земли, следуя по траектории, весьма приближающейся к отвесной линии. В течение мгновений машина застывает в воздухе, затем начинает снижаться при одновременном резком уменьшении скорости вращения лопастей. Но во время прыжка кверху тянущий пропеллер успевает развить необходимый минимум горизонтальной скорости, и автожир не падает обратно на землю, а продолжает свой полет, начатый прыжком».

Автожир «С-24»— одна из последних моделей инженера Сиерва.

17 июля 1936 года летчик Н. А. Марч поднялся на автожире без предварительного разбега, а 23 июля он повторил этот опыт в присутствии зрителей.

Автожир, взлетающий и снижающийся по вертикали, владеющий скоростями от 0 до 150—200 км в час, несомненно, явится «воздушным такси» завтрашнего дня, и в этом, пожалуй, кроется его наибольшая значимость. Такая машина позволит осуществить внутригородское пассажирское передвижение по воздуху, с посадкой и взлетом на широкой панели, на небольшой площади и даже на плоской крыше дома.

Однако, автожир не совсем удовлетворяет требованиям, предъявляемым к совершенной летательной машине. Мы уже знаем, что «А-14» при скорости меньше 45 км в час снижается, то есть не полностью владеет своей скоростью: он не может остановиться в воздухе, не снижаясь! Кроме того, автожиры значительно уступают в скорости и полезной грузоподъемности современным самолетам с неподвижными несущими плоскостями. Совершенной летательной машиной можно назвать только такой аппарат тяжелее воздуха, который будет обладать свойствами вертикального взлета и посадки, сохраняя и улучшая при этом скорость и грузоподъемность. Кроме того, такая машина должна иметь возможность полностью затормозить горизонтальные и вертикальные перемещения в воздухе, иными словами, остановиться в одной произвольно выбранной точке атмосферы и парить в ней без движения.

Ценнейшим свойством каждой скоростной машины являются ее тормозы. Возможность в любой момент резко остановиться — это залог безопасности движения. Тормозить, если впереди опасность, тормозить, если впереди ни зги не видно, тормозить, если сложный маневр этого требует, тормозить в воздухе, если это понадобится! Есть ли такие тормозы у самолета? Может ли он вовсе остановиться в воздухе? «Нет, до сих пор существует только один вид такой летательной машины, — и это не самолет и даже не автожир, а геликоптер.

Эта машина с помощью одного или нескольких горизонтальных пропеллеров, приводимых в движение от мотора, имеет возможность работать следующим образом: отрываться от земли по строгой вертикали, подыматься и опускаться по вертикали с какой угодно малой скоростью, давать большую горизонтальную скорость, парить в воздухе в одной точке, приземляться по абсолютной вертикали и садиться (не располагая колесами) на площадку крохотных размеров.

Попытки построить такую машину встретили почти непреодолимое препятствие. Всякий каркас, снабженный горизонтальными поддерживающими винтами, очень неустойчив. Как только мотор запущен и машина отделяется от земли, происходит скольжение в сторону или резкие и быстрые качанья, которые кончаются либо столкновением с землей, либо полным опрокидыванием.

Отдельным изобретателям на своих геликоптерах удавалось держаться в воздухе около 10 минут. Один из наиболее известных «геликоптеристов», француз Эмишен, в 1923 году описал на своей машине замкнутый круг длиной в один километр, продержавшись в воздухе 9—10 минут. Это «достижение» осталось неповторимым. Но и эти незначительные результаты доставались ценою невероятных усложнений в конструкции геликоптера. Эмишен имел на своей машине 13 пропеллеров и огромное количество всяких передаточных и управляющих механизмов. Чтобы удержать машину в равновесии, одновременно работали пропеллеры-поддерживатели, пропеллеры-движители, стабилизаторы. И все же в конце концов от всех геликоптеров остались одни обломки.

Плачевные результаты заставили Эмишена перейти от экспериментов к предварительному расчету. Построенные им математические формулы показали, что необходимая устойчивость может быть достигнута только на основе законов Архимеда и Даламбера о равновесии материальных систем. Для Эмишена стало ясно, что определенная, масса воздуха, сопутствующая летательному аппарату, может содействовать восстановлению равновесия, что можно сконструировать устойчивый геликоптер, освобожденный от множества управляющих механизмов, если связать с машиной относительно небольшой объем воздуха в баллоне, расположенном над ней. Незначительное статическое давление воздуха в этом баллоне должно было обеспечить необходимое равновесие. В порядке конкурса, объявленного французским министром авиации, такой аппарат был построен, а 2 марта 1935 года на аэродроме в Орли (Франция) на нем совершили несколько успешных полетов.

Опытная модель геликостата Эмишена, на которой он совершил несколько полетов на аэродроме в Орли. Этот геликостат не располагал никакими приборами управления, за исключением механизмов, управляющих работой моторов. Его движения ограничивались вертикальным подъемом и спуском.

Попытаемся объяснить, почему определенная воздушная масса, сама находящаяся в воздушной среде, может содействовать стабилизации летательной машины.

Провозглашенный Архимедом уже около 2000 лет назад закон гласит: «Всякое тело, погруженное в жидкость, испытывает вертикально направленное снизу вверх давление, равное весу вытесненной воды». Этот закон действителен и для воздушной среды. Если мы вообразим мыльный пузырь емкостью в 100 м³, находящийся в воздухе, то его кажущийся вес почти равен нулю, в то время как его фактический вес равен около 130 кг. Это явление имеет место потому, что в центре шара приложено противоположное силе тяжести давление, равное по величине весу вытесненного мыльным пузырем воздуха, то есть почти тем же 130 кг. Пузырь почти уравновешен, но все-таки падает очень тихо под влиянием микроскопической тяжести своей оболочки — тончайшей водяной пленки.

Предположим, что мы получили бы возможность подвесить под этим пузырем какую-либо тяжесть, весом хотя бы в 100 кг, и что с помощью какого-либо особого средства, хотя бы воздушной струи, нам удалось бы некоторое время удержать пузырь в воздухе. Сила, направленная кверху, останется приложенной к центру пузыря. Но сила тяжести воздуха сложится с весом подвешенного груза и сумма их окажется уже приложенной не к центру пузыря, а к центру тяжести всей системы. В таком случае центр тяжести переместится к низу пузыря.

Если под действием какого-либо внешнего толчка или силы вся система начнет вращаться в вертикальной плоскости, хотя бы против движения часовой стрелки, немедленно проявится выпрямляющее действие пары сил, как на корабле во время качки. Эта пара сил растет вместе с углом наклона системы: максимума она достигает при угле поворота в 90°.

Заменим мыльный пузырь шаром из прорезиненного шелка, наполненным атмосферным воздухом под небольшим давлением. Подвешенный груз заменим металлическим каркасом, несущим в себе мотор мощностью в 40 л. с. и четыре пропеллера, приводимых во вращение шестернями от приводного вала На алюминиевой скамеечке (дощечке) сидит пилот или, вернее, исполняющий его обязанности, так как в его распоряжении только управление газом в шаре. И в этом будет заключаться все устройство устойчивого геликоптера.

Цифровые данные его следующие: диаметр пропеллера — 2,87 м, число обо ротов — 630 в минуту; промежуток оси между пропеллерами — 5,05 м, объем шара — 100 м³; вес общий (включая и вес пилота) — 354 кг.

Описанная машина, по ее показателям самая маленькая в мире из геликоптеров, является в то же время единственной избавленной от всех передаточных механизмов, исключая механизмы скорости своего мотора. Она показала свою устойчивость в воздухе во время испытаний в Орли 2 марта 1935 года, совершив несколько полетов общей продолжительностью в 5 минут, причем самый большой рейс продолжался 1 мин. 7 сек.

Машина, пилотируемая Эмишеном, поднялась на высоту около 20 м, на которой остановилась, едва-едва покачиваясь в воздухе. До этого дня ни один из геликоптеров, лишенный многочисленных механизмов управления, не мог подняться на высоту, большую 50 см. Воздухоплавание одержало в этот день новую большую победу, которая в перспективе открывает дверь в мир совершенных летательных машин.

Заглянем в этот мир.

Мягкий шар примет форму жесткого веретенообразного полого тела —  миниатюрного цеппелина длиною в 10—12 м. Металлический каркас станет компактнее, спрячется в кожух обтекаемой формы с двумя боковыми пропеллерами, расположенными наклонно. Рули, стабилизаторы, элероны дополнят эту машину. Один мотор, легко доступный для пилота, вращает оба пропеллера. Если ось веретена горизонтальна, машина приобретает свою максимальную скорость такого же порядка, как у самолета. Если ось веретена наклонена таким образом, что лопасти пропеллеров вращаются в горизонтальной плоскости, машина парит, «висит» в воздухе в абсолютно устойчивом равновесии. В этом случае скорость —  горизонтальная и вертикальная — равна нулю! Это уже не геликоптер, а последовательно и самолет и геликоптер, что в сумме дает новый аппарат — геликостат, удовлетворяющий всем требованиям безопасности. Сравним для примера самолет и будущий геликостат в самой трудной обстановке: непроницаемая темь — никакой видимости, кончилось горючее — необходимо приземлиться и сесть в несколько минут! Что произойдет с самолетом? Почти неминуема гибель!

Как выйдет из положения геликостат? Примет положение устойчивого равновесия, начнет парить и затем медленно снижаться по вертикали. Пилот напряженно вглядывается вниз. Если даже в пяти, в двух метрах он заметит неблагоприятный характер местности — воду, деревья, крыши домов, — он подымается, отлетает немного дальше и находит удобную площадку, то есть любой двор, полянку, сад, улицу, площадь, которые дают ему возможность спокойно, безопасно произвести посадку.

*

Третья группа искателей совершенной летательной машины пошла по схожему с первыми двумя, но все же отличному от них пути.

Еще в 1906 году, когда авиация делала свои первые шаги, француз Луи Бреге построил и испытал летательную машину, которая вместо неподвижных несущих плоскостей располагала вертящимися крыльями, но... без переднего тянущего винта, как это имеет место у современного автожира. Эта машина была названа жиропланом. Опыты, вследствие недостатка средств, были заброшены, жироплан уступил дорогу аэроплану, практическая реализация которого оказалась более очевидной и близкой. Блестящий успех автожира в 1923 году побудил Бреге продолжить свои работы, имея в виду получить и поступательное движение за счет вертящихся крыльев, без применения тянущего пропеллера. Бреге надеялся добиться благодаря этому, при сохранении и даже улучшении подъемных и посадочных качеств автожира, значительно большей скорости. Не ограничиваясь теоретическими изысканиями, изобретатель построил и испытал опытный жироплан, использовав новейшие достижения науки об аэродинамике.

Жироплан Бреге взлетает с одного из французских аэродромов.

Опытная машина Бреге по внешнему виду похожа на автожир с двумя трехлопастными, вертящимися на одной оси, но в противоположных направлениях, крыльями (друг над другом). Мотор Испано-Сюиза в 350 л. с. расположен впереди фюзеляжа и приводит эти крылья в движение через промежуточную коробку скоростей. Вся передача монтирована в коробчатой стойке, жестко скрепленной с фюзеляжем. В верхней ее части находятся места крепления лопастей крыльев. Внутри стойки расположены два концентричных вала; каждый из них вращает одно крыло из трех лопастей (в противоположных направлениях). Особенность этих лопастей, в отличие от автожира, заключается в том, что во время своего вращения они меняют угол своего наклона: каждая лопасть увеличивает свой угол наклона (угол атаки), когда крыло движется по кругу в сторону, обратную направлению движения жироплана, и уменьшает этот угол, когда оно движется по направлению движения машины. Благодаря этой особенности устройства, наряду со значительной устойчивостью в воздухе, достигается и достаточная горизонтальная скорость. Угол наклона лопастей устанавливается пилотом с помощью специального автоматического регулятора.

Схема сочленении вертящихся крыльев. Рисунок показывает, как лопасть крыла поворачивается в муфте вокруг своей оси. В свою очередь муфта закреплена в конструкции таким образом, чтобы вертящееся крыло могло осуществлять некоторое перемещение и в вертикальной плоскости (под влиянием комбинированного действия центробежной силы и поддерживающего усилия). В то же время тяга наклона лопасти (сочлененная с А и В) управляет вращением лопасти вокруг оси, от чего зависит угол атаки (наклон), величина которого изменяется на протяжении полного круга, описываемого крыльями.

Многочисленные опытные полеты жироплана ограничивались до тех пор задачей медленного подъема его по вертикали в определенную точку в воздухе и сообщения ему затем горизонтального движения.

Конструктивное оформление сочленения вертящихся крыльев жироплана. На схеме: А основание тяги, управляющей наклоном лопасти крыла, связано с движением детали, которая не изменяет плоскости своего вращения. В действительности же эта деталь представляет собой качающийся барабан с выступом, который скреплен с тягой А. Барабан связан с рычагами управления, которые и сообщают ему различные углы наклона по усмотрению пилота. Таким образом, различные углы наклона лопастей вращающихся крыльев достигаются действием двух движений: одним автоматическим — тяга АВ, вторым — управляемым летчиком (рычаги управления) и регулирующим величину первого.

Результаты оказались достаточно убедительными для того, чтобы французское министерство авиации предложило сконструировать машину, которая удовлетворяла бы следующим высоким требованиям: летать по замкнутой окружности длиною в 500 м на высоте 10 м; подняться до 50 м и летать в течение часа; затем в течение 10 минут летать на минимальной высоте в 10 м, не покидая при этом пространства, ограниченного на аэродроме квадратом со стороною в 50 м. Кроме этого, от жироплана потребовали значительной маневренности в разворотах, а именно: исполнить два последовательных виража — один вправо, другой влево —  на пространстве в 50 м. И наконец, скорость его должна сравниться со скоростью самолета и уже для первых опытов не должна быть меньше 100 км в час. Изобретатель принял все эти условия как вполне достижимые на жироплане и работает над их выполнением. Условие скорости уже выполнено: управляемый летчиком Классом жироплан показал скорость в 100 км в час. Полет по кругу в 500 м на обусловленной высоте также прошел успешно.

Возможно, что уже в недалеком будущем новая летательная машина, простая и удобная в управлении, абсолютно безопасная в эксплуатации, с исключительными маневренными качествами, превратит воздушные трассы мира в самые спокойные, безопасные и освоенные дороги, опередив в этой области и реальный автожир и перспективный геликостат.