ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЕ РАБОТЫ ПО АВТОЖИРАМ В СССР (1925-1940). А.М. ИЗАКСОН

УДК 629.735.43(091)

В планах специализированного подразделения ЦАГИ, где были сосредоточены работы по созданию винтовых летательных аппаратов, - в секции особых конструкций экспериментально-аэродинамического отдела (СОК ЭАО), реорганизованной в конце 1932 г. в Отдел особых конструкций ЦАГИ (ООК), значительное внимание уделялось автожирам, летательным аппаратам винтового типа, занимающим промежуточное положение между самолетами и вертолетами.

За период 1925 - 1940 гг. был создан целый ряд автожиров разных типов, грузоподъемности и назначения. Созданию этих автожиров предшествовал и сопутствовал большой объем теоретических и экспериментально-исследовательских работ, которые обеспечили успешные результаты испытываемых автожиров и явились в дальнейшем значительным вкладом в наши познания в области вертолетостроения [6 - 9].

В данной статье дан впервые в нашей печати краткий обзор этих работ, представляющих значительный интерес для более полного понимания всего хода деятельности ЦАГИ по созданию винтовых летательных аппаратов, встречавшихся трудностей и путей их преодоления.

При оценке общего объема и характера работ в этой области необходимо иметь в виду большую техническую сложность всей проблемы в целом, полную ее новизну для нашей страны и для ЦАГИ, неизбежность идти сплошь и рядом мелкими этапами, часто наощупь.

В целом весь комплекс этих работ характеризуется двумя особенностями:

• - большим разнообразием отдельных тем и направлений. Необходимо иметь в виду, что все эти работы были сосредоточены в секции особых конструкций (позднее в Отделе особых конструкций) ЦАГИ и нигде в другом месте или в другом подразделении ЦАГИ такие работы не велись;
• - большой целенаправленностью этих работ, их «утилитарностью». Постановка задачи, ее программа, масштаб работы - все это определялось и диктовалось конкретными потребностями создания автожиров или их модификаций в процессе проектирования, летных испытаний, доводки, устранения тех или иных выявившихся дефектов, объяснения случавшихся аварий.

Полностью оценить весь комплекс проделанной работы, осмыслить внутреннюю логическую связь между отдельными направлениями и темами можно лишь в сочетании с внимательным ознакомлением с ходом создания всех автожиров и их доводки.

Строго классифицировать тематику этой работы на отдельные конкретные направления весьма затруднительно, так как любое из них охватывало теоретические, экспериментально-исследовательские работы и летные исследования.

Ниже дается обзор основных проделанных работ.

Началу проектных работ по автожиру ЦАГИ 2-ЭА предшествовало обстоятельное ознакомление сотрудников СОК И. П. Братухина и В. А. Кузнецова с зарубежными теоретическими материалами по автожирам (теория Глауэрта). В результате этого появилась книга и две статьи в журнале ТВФ И. П. Братухина с изложением теории автожира и инженерного метода его аэродинамического расчета. Этой книге и статьям выпала счастливая доля - стать настольной книгой всех аэродинамиков вертолетов и автожиров на протяжении по крайней мере 15 - 20 последующих лет [1 - 3].

Это был первый шаг в разработке теории и метода аэродинамического расчета автожира. Все последующие годы вплоть до 1940 г. в бригаде аэродинамики СОК (ООК) проводилась систематическая настойчивая и планомерная работа по дальнейшему уточнению теории и метода аэродинамического расчета автожира.

В этом направлении самым ценным и надежным подспорьем служили результаты летных испытаний наших автожиров и сопоставление их с расчетными данными.

Нужно отметить, что в результате уточнения методики расчета и внесения ряда уточняющих поправочных коэффициентов надежность предварительного аэродинамического расчета сильно возросла и повысилась сходимость результатов расчета с фактическими данными, получаемыми в результате летных испытаний. Большая и ценная работа в этом направлении была выполнена начальником бригады ООК М. Л. Милем и под его руководством сотрудниками бригады В. К. Квашниным, А. Н. Михайловым и др.

Одновременно с разработкой метода аэродинамического расчета И. П. Братухиным был разработан метод расчета продольной балансировки автожира. Дальнейшему уточнению метода расчета балансировки (продольной и поперечной), расчету устойчивости (относительно всех осей аппарата) было посвящено большое количество работ в бригаде аэродинамики. Исходным материалом для этих уточнений были многочисленные исследования в аэродинамических трубах и столь же многочисленные результаты замеров в процессе летных испытаний построенных автожиров. В отработанном виде вопросы балансировки автожиров и их устойчивости были изложены М. Л. Милем в ТВФ в 1934 г. [13].

Взлетно-посадочные качества имели для оценки автожиров важнейшее значение. Естественно, что при летных испытаниях автожира замер длины разбега и пробега при разных параметрах машины и характере пилотирования производился со всей тщательностью и систематически.

Была разработана методика расчета длины разбега и пробега, и эти данные обязательно фигурировали в аэродинамическом расчете. В разработку методики этих расчетов внес большой вклад М. Л. Миль [12].

В процессе начальных летных испытаний автожира ЦАГИ 2-ЭА выявилось одно новое, для нас неизвестное явление - неуправляемые развороты машины после посадки при некоторых сочетаниях характера посадки, скорости приземления и скорости ветра. Это было даже причиной аварий. Разобраться в этом вопросе взялся М. Л. Миль - начальник бригады аэродинамики ООК. Он внес ясность в этот вопрос и дал соответствующие конкретные предложения о необходимых конструктивных мерах и методе пилотирования для предотвращения разворотов [15].

В первых полетах нового автожира ЦАГИ А-4 было выявлено ненормальное поведение ротора: сильная тряска и пониженные обороты против расчетных [9, 24, 25].

Методу расчета лопастей ротора у нас всегда уделялось большое внимание. После первых полетов А-4 по инициативе М. Л. Миля им была проделана большая работа по уточнению действующих на лопасть сил и моментов и были даны рекомендации по внесению необходимых конструктивных изменений. После постановки на автожир А-4 нового комплекта лопастей, изготовленных в соответствии с рекомендациями этой работы, тряска прекратилась и обороты ротора совпали с расчетными. Результаты этой научной работы имели важнейшие результаты для всей последующей работы ООК. Статья М. Л. Миля «О динамическом закручивании лопастей ротора автожира в полете» была опубликована в ТВФ за 1937 г. [16].

При летных испытаниях автожира ЦАГИ А-6 встретились с новым неизвестным явлением, получившем позднее название «земной резонанс».

Вновь были развернуты большие теоретические и экспериментальные изыскания, которые подсказали метод устранения этого явления [9]. На протяжении ряда лет в бригаде аэродинамики ООК проводились большие расчетные работы по анализу различных схем автожира, по влиянию изменения некоторых параметров на летные характеристики машин. Часть этих работ проводилась силами студентов МАИ, делавших по нашему заданию свои дипломные проекты. Результаты этих работ значительно расширяли горизонты конструкторов и оказали некоторое влияние на дальнейшие планы ООК. Нельзя не отметить, что появлению в плане ООК автожиров ЦАГИ А-12 и А-15 предшествовали большие изыскания в бригаде аэродинамики. [7, 9].

Значительно возросли по объему и сложности теоретические расчеты после решения о переходе на бескрылые автожиры с непосредственным управлением втулкой ротора. Нужно было разработать новую методику расчета таких машин, особенно их управляемости, устойчивости и проч. Вновь проводились многочисленные изыскания влияния разных параметров на летные качества автожиров новой схемы. Появилась новая тема для обширных теоретических изысканий: анализ втулок ротора различных схем. Из них следует отметить многочисленные расчеты втулки с пересекающимися осями горизонтальных шарниров.

С началом работ по созданию бескрылых автожиров с непосредственным управлением втулкой ротора, особенно с их летными испытаниями в планах бригады аэродинамики, появилась новая тема, потребовавшая непрерывной большой работы на протяжении целого ряда лет: усилия в системе управления автожиром и поведение ручки пилота («вождение», потряхивание, усилия). Нужно было разобраться в этом вопросе, разработать методику расчетов, научиться правильно рекомендовать средства для снижения нагрузок на ручку, «лечения» других «болезней». В этой области много работал М. Л. Миль и под его руководством В. К. Квашнин. Теоретические работы в этом направлении в значительной степени влияли на конструктивные решения по ряду агрегатов автожиров.

Выбор схемы втулок ротора ряда автожиров производился исключительно на базе проведенных расчетов с учетом сделанных рекомендаций. Неприятные летные происшествия, имевшие место в период 1936 - 1937 гг. с бескрылыми автожирами А-14 и А-12, заставили сосредоточить внимание на углубленном анализе вопросов устойчивости автожира в полете, вновь и вновь пересмотреть все проведенные ранее расчеты. В этот период возникали многочисленные гипотезы, объяснявшие эти происшествия, они подвергались обсуждению, многие отбрасывались, некоторые ставились под сомнение, некоторые оставались опять-таки как более или менее вероятные объяснения.

После большой теоретической работы в 1937 - 1938 гг. появился совершенно оригинальный труд М. Л. Миля об аэродинамике ротора автожира при криволинейном движении [17, 18]. Он был с интересом встречен, переведен и напечатан за рубежом.

Значительный интерес представляла работа А. Н. Михайлова «Теория ротора автожира с переменным углом установки лопасти», опубликованная в 1940 г. в ТВФ [19].

Большие расчетные работы велись в ООК по бескрылым автожирам, взлетающим без разбега («прыгающие» автожиры). За 1935 - 1938 гг. было опвбликовано несколько статей на эту тему, в частности в ТВФ [14].

Основные технические данные автожиров ЦАГИ

Наряду с осуществлением большой программы разносторонних теоретических расчетов в ООК проводились значительные экспериментально-исследовательские работы [9, 20, 21]. Основное внимание было обращено на разработку методики испытания моделей автожира в аэродинамических трубах.

В полный комплекс этих испытаний входило снятие поляры, балансировочных кривых и полных характеристик устойчивости модели (продольной, поперечной и путевой).

Полный аэродинамический расчет автожира производился путем наложения на кривые, полученные из продувок в аэродинамической трубе, соответствующих характеристик ротора, полученных чисто расчетным теоретическим путем. Было очевидно, что значительно надежнее было бы получать экспериментальные данные в результате продувок полной модели, вместе с ротором. Однако это было невозможно по двум причинам: 1) не умели делать модели лопастей ротора, подобные натурным (подобие аэродинамическое, характеристики весовые и массовые); 2) не было прибора, с помощью которого можно было бы осуществлять соответствующую раскрутку ротора во время эксперимента в аэродинамической трубе.

В этот период все внимание было сосредоточено на уточнении методики аэродинамических испытаний моделей автожира без ротора.

С началом работы в ООК инженера В. Г. Петрунина, назначенного заместителем начальника бригады аэродинамики автожиров и экспериментальных исследований, ему было поручено заняться усовершенствованием методики аэродинамических испытаний в трубах, созданием прибора для раскрутки ротора и соответствующих лопастей. Примерно в 1936 г. такой прибор был спроектирован и построен, в это же время были изготовлены первые комплекты таких лопастей. Начались доводочные работы по прибору и по лопастям, которые производились на специальном стенде, построенном в одной из комнат ООК (9].

Расчетно-теоретические работы и лабораторные экспериментальные исследования дополнялись результатами летных испытаний.

Ни одна программа летных испытаний не ограничивалась снятием летных характеристик. Программа обязательно включала определение взлетно-посадочных качеств, характеристик виража, снятие самых подробных балансировочных кривых при разных весах машины, разных центровках, разных режимах, на автожире ЦАГИ 2-ЭА была снята поляра на планировании [10], на автожире ЦАГИ А-7 было исследовано маховое движение лопастей в широком диапазоне режимов (запись махового спроектированного им для вертолета ЦАГИ 5-ЭА). На бескрылых автожирах с непосредственным управлением втулкой ротора систематически производился замер усилий на ручке управления.

Приступив к проектированию первого автожира, пришлось столкнуться с отсутствием норм прочности для аппаратов этого типа.

Для автожира ЦАГИ 2-ЭА А. М. Черемухиным были разработаны временные нормы, базирующиеся в основном на самолетных нормах прочности. По мере расширения опыта и наших познаний аэродинамики эти нормы уточнялись и корректировались [9].

Начиная примерно с 1932 г., когда появился некоторый опыт летных испытаний и эксплуатации автожиров, нормы прочности стали ежегодно пересматриваться, расширяться и уточняться. Эта работа проводилась специально созданной в ООК комиссией под председательством А. М. Черемухина. В эту комиссию входили конструкторы И. П. Братухин, В. А. Кузнецов, Н. И. Камов, Н. К. Скржинский, аэродинамик М. Л. Миль, специалисты по прочности А. Я. Бахур, Б. В. Богатырев.

Эти нормы выпуска 1937 г. были положены в основу создаваемых примерно в эти годы норм прочности для вертолетов.

Деятельность ЦАГИ по созданию автожиров за период 1925 - 1940 гг. представляет несомненный интерес для истории авиационной техники и нуждается в более подробном рассмотрении.

ЛИТЕРАТУРА

1. Братухин И. П. Теория ротора автожира. - ТФВ, 1933, № 7.

2. Братухин И. П. Аэродинамический расчет автожира. - ТВФ, 1934, № 3.

3. Братухин И. П. Автожиры. Теория и расчет. М.: ОНТИ, 1934.

4. Изаксон А. М. Работа воздушного винта на режиме авторотации. - Труды ЦАГИ, 1930, вып. 47.

5. Изаксон А. М. Пути и перспективы советского автожиростроения. - ТВФ, 1933, № 7.

6. Изаксон А. М. Работы ЦАГИ по созданию винтовых летательных аппаратов (1925 - 1940 гг.). Машинописные отчеты (хранятся в музее Н. Е. Жуковского). Разд. 5. Советские крылатые автожиры. Ч. I, II, 1959. Разд. 6. Советские бескрылые автожиры с непосредственным управлением, 1960. Разд. 7. Теоретические и экспериментально-исследовательские работы по автожирам, 1963. Разд. 8. Организационно-технические вопросы, 1961.

7. Изаксон А. М. Советское вертолетостроение. М., 1964, гл. II, VII.

8. Изаксон А. М. ЦАГИ и советское вертолетостроение на первом этапе его развития (1925 - 1940 гг.). - В кн.: Из истории авиации и космонавтики. М., 1970, вып. 9.

9. Изаксон А. М. На заре советского вертолетостроения: (Воспоминания. Дела и люди). - В кн.: Из истории авиации и космонавтики. М., 1975, вып. 26.

10. Миль М. Л., Кузнецов В. А. Экспериментальный аппарат ЦАГИ 2-ЭА типа автожира. - ТВФ, 1933, № 5.

11. Кузнецов В. А. Автожир ЦАГИ А-6. - Бюл. ЦАГИ, 1933, № 21.

12. Миль М. Л. О разбеге автожира. - ТВФ, 1934, № 5.

13. Миль М. Л. Балансировка и устойчивость автожира. - ТВФ, 1934, № 10.

14. Миль М. Л. Автожир, взлетающий без разбега. - ТВФ, 1935, № 8.

15. Миль М. Л. Неуправляемые развороты автожира при посадке и разбеге. - ТВФ, 1936, № 1.

16. Миль М. Л. О динамическом закручивании лопастей ротора автожира в полете. - ТВФ, 1937, № 2.

17. Миль М. Л. Аэродинамика ротора автожира при криволинейном движении. - ТВФ, 1939, № 1.

18. Миль М. Л. Аэродинамика несущего винта с шарнирным креплением лопастей при криволинейном движении. - Труды ЦАГИ, 1940, № 465.

19. Михайлов А. Н. Теория ротора автожира с переменным углом установки лопасти. - ТВФ, 1940, № 3.

20. Петрунин В. Г. Испытания в аэродинамической трубе отсека лопасти в натуру. - Труды ЦАГИ, 1936, № 256.

21. Петрунин В. Г. Круговая обдувка четырех профилей. - ТВФ, 1936, №№8, 9.

22. Проскуряков А. П. Колебания лопасти ротора автожира относительно вертикального шарнира. - Труды ЦАГИ, 1938, № 379.

23. Проскуряков А. П. Влияние нестационарности потока на аэродинамику лопасти автожира. - Труды ЦАГИ, 1939, № 460.

24. Скржинский Н. К., Миль М. Л. Опытный автожир А-4 конструкции ЦАГИ. - ТВФ, 1933, № 10.

25. Скржинский Н. К. Автожир А-4 ЦАГИ. М., 1934.

26. Черемухин А. М. Работы ЦАГИ по машинам типа автожира. - Бюл. ЦАГИ, 1933, № 16.