Характеристика вертолетов
Вертолет, летательный аппарат тяжелее воздуха с вертикальными взлетом и посадкой, подъемная сила в котором создается одним или несколькими (чаще двумя) несущими винтами.
Слово "вертолет" введено вместо иностранного "геликоптер". Вертолет взлетает вертикально вверх без разбега и совершает вертикальную посадку без пробега, неподвижно висит над одним местом, допуская поворот вокруг вертикальной оси в любую сторону, производит полет в любом направлении со скоростями от нуля до максимальной. При вынужденной остановке двигателей в полете вертолет может совершить планирующий спуск и посадку, используя самовращение (авторотацию) несущих винтов. Во избежание срыва потока с лопастей и для увеличения скорости полета некоторые вертолеты имеют небольшое крыло, разгружающее несущие винты.
В зависимости от способа уравновешивания реактивного момента несущего винта различают вертолеты: одновинтовые (с хвостовым винтом или с реактивным приводом несущего винта), двухвинтовые (соосные; продольной схемы; с перекрещивающимися осями несущих винтов; с поперечным расположением несущих винтов, или поперечной схемой) и многовинтовые. Из них получили распространение вертолеты: одновинтовые с хвостовым винтом (без крыла и с крылом); двухвинтовые соосные и вертолеты продольной схемы.
Вертолеты любой схемы состоят из планера аналогичного самолетному (фюзеляж, шасси, органы управления, электро-, радио- и навигационное оборудование и т.д.), винтовой несущей системы (несущих винтов), двигательной (силовой) установки, трансмиссии (привода). Одновинтовые вертолеты с механическим приводом, кроме того, имеют хвостовой винт и систему управления им.
Подавляющее большинство конструкций несущих винтов вертолетов выполнено с шарнирной подвеской лопастей. Такая подвеска дает возможность лопастям совершать маховое движение, обеспечивающее балансировку вертолета во всем диапазоне скоростей полета. В то же время маховое движение лопастей ставит предел увеличению скорости полета вертолета свыше 350-370 км/час из-за срыва потока на них. В 1965 году появились вертолеты американской фирмы "Локхид" с безшарнирными полужесткими винтами, у которых маховое движение концов лопастей осуществляется вследствие упругого изгиба лопастей. А в 60-е годы ХХ века начались разработки конструкций жестких винтов, у которых практически устранено маховое движение.
Такие винты могут быть применены только в двухвинтовой соосной системе, обеспечивающей балансировку и управление вертолета. Жесткие соосные винты не имея срыва потока позволят довести скорость полета до 500-600 км/час. Основные три типа конструктивного выполнения лопастей - смешанная конструкция со стальным трубчатым лонжероном; цельнометаллическая конструкция с прессованным из алюминиевого сплава лонжероном; цельностеклопластиковая лопасть. Аэродинамическая компановка лопастей зависит от назначения вертолета и определяется условиями взлета, значением максимальной скорости конца лопасти при максимальной скорости полета.
Управление несущими винтами состоит из двух систем: циклического управления шагом лопастей и управления общим шагом лопастей. Циклическое управление шагом лопастей выполняется автоматом перекоса, изобретенным Б.Н.Юрьевым в 1911 году.
Автомат перекоса расположен на оси винта и состоит из двух колец, подвешенных на кардане к неподвижной опоре. Внутреннее кольцо соединено с тягами продольного и поперечного управления; внешнее кольцо - с тягами управляющими лопастями.
Под действием тяг управления внутреннее кольцо автомата перекоса наклоняется, вызывая синусоидальное изменение углов установки лопастей в осевом шарнире и появлением горизонтально составляющей тяги несущего винта, которая вызывает поступательное движение вертолета и наклоняет его в сторону движения. Управление общим шагом лопастей осуществляется одновременным поворотом их в осевом шарнире относительно продольной оси лопасти посредством рычагов и тяг и служат для изменения вертикального режима полета: при одновременном увеличении угла установки всех лопастей вертолет поднимается; при одновременном уменьшении углов - опускается. Продольное и поперечное управление вертолетом осуществляется через автоматы перекоса; путевое управление - изменением шага лопастей хвостового винта (на одновинтовых вертолетах) или одновременным изменением общего шага лопастей в противоположных направлениях (на соосных вертолетах). При переходе на режим безмоторного планирования (режим самовращения несущих винтов) опусканием рычага общего шага уменьшают угол установки лопастей до 3-5 градусов.
Наибольшего развития вертолетостроение достигло в России (научно-конструкторские коллективы под руководством М.Л.Миля и Н.И.Камова), в США (фирмы "Сикорский", "Боинг", "Белль", "Каман"). Франции ("Сюд-авиасьен"), Англии ("Уэстленд") и Италии ("Агуста"). Вертолеты широко применяются в народном хозяйстве, на работах по борьбе с сельскохозяйственными вредителями и болезнями садов, виноградников и ценных технических культур, а также по подкормке посевов; для транспортных и пассажирских перевозок, при проведении геологоразведочных работ, для гравеметрической съемки, для разведки ледовой обстановки, для патрулирования линий высокого напряжения, газо- и нефтепроводов, для перевозки и монтажа крупногабаритного обородувания, установки мачт и других монтажных работ, для санитарных и спасательных работ и т.д.
Вертолеты "Ми"
Опытно-конструкторское бюро им. М.Л.Миля было создано в 1947 году. К этому времени коллектив ОКБ завершил работу над проектом одновинтового летательного аппарата. Первый полет вертолета был выполнен в 1948 году. Он успешно выдержал летные и государственные испытания: машина хорошо зависала, продемонстрировала высокую маневременность и удовлетворительную устойчивость. В 1950 году началось серийное производство первого в стране вертолета, который получил название МИ-1. И уже в следующем году на воздушном параде, проходившем на Московском аэродроме в Тушино, участвовала группа этих машин.
Представляет определенный интерес заявление,сделанное в то время английским пилотом Дж.Фрикером, который сравнивал МИ-1 с аналогичными западными вертолетами S-51 и "Сикамор": "МИ-1 по сравнению с "Сикамором" располагает полезным избытком мощности, обеспечивающим хорошие летные показатели в тропических условиях и на больших высотах полета. "Сикамор" всегда считался одним из лучших вертолетов из-за небольших вибрация6 но пожалуй, МИ-1 даже лучше его и не имеет ни одной из обычно наблюдающихся форм вибраций малых амплитуд...
МИ-1 также приятен относительно небольшим уровнем шума: неслышно скрежета трансмииссий и, в отличие от многих вертолетов, его двигатель работает мягче. Второй полет на вертолете подтвердил эти первоначальные впечатления о грамотном инженерном решении конструкции и о разумном его выполнении. В своей категории МИ-1 не уступает ни одной из западных машин по летным характеристикам". ("Airplane", 1956, N 2346). Вертолет МИ-1 сразу нашел широкое применение в народном хозяйстве: для сельскохозяйственных авиахимических работ, разведки с палуб ледокольных и китобойных судов, подсчета запасов леса, обслуживания геологических партий, спасения рыбаков и т.д.
Зарубежным заказчикам было поставлено несколько сот машин этого типа. С 1957 года их начали строить по советской лицензии в Польской народной республике.
ФАИ официально утверждено 23 мировых рекорда установленных на МИ-1 советскими и польскими вертолетчиками.
В 1951 году ОКБ получило задание создать вертолет, который по своим данным, в частности по грузоподъенмности и потолку, превосходил бы лучшие аналоги того времени. В самые сжатые сроки коллектив ОКБ разработал новый вертолет и в конце 1952 года началась подготовка его к серийному производству. Это был получивший широкую известность транспортный вертолет МИ-4, оснащенный поршневым двигателем АШ-82В - вертолетным вариантом известного двигателя конструкции А.Д.Швецова. После успешного завершения государственных испытаний МИ-4 был принят в эксплуатацию.
МИ-4 был первым вертолетом с задним погрузочным люком и трапом для погрузки в фюзеляж различной колесной техники. В настоящее время такое компановочное решение, впервые тогда предложенное в ОКБ, стало общепринятым для транспортных машин.
В процесе разработки МИ-4 был сделан значительный шаг вперед в развитии конструкции основных агрегатов. Впервые в систему управления вертолетом были включены гидробустеры. В частности, это был первый летательный аппарат с полностью необратимым бустерным управлением.
Наиболее трудной проблемой было создание надежных лопастей несущего винта. После проработки множества вариантов ресурс лопастей был доведен со 150 до 2000-2500 часов с одновременным повышением их надежности. Проводились также исследования по повышению ресурса других основных жизненно важных агрегатов машины. МИ-4 стал одним из самых надежных вертолетов в мире.
В ходе доводки и при эксплуатации МИ-4 пришлось столкнуться с явлениями флаттера и земного резонанса. Под руководством и при личном участии М.Л.Миля эти проблемы были решены. Широкую известность получили теоретические работы по этим вопросам его учеников А.В.Некрасова и Л.Н.Гротко. Разработка теории флаттера и земного резонанса помогла исключить возможность их возникновения в последующих конструкциях вертолетов.
Кроме основного транспортного, появились пассажирский, санитарный и сельскохозяйстве
На вертолетах МИ-4 было установлено 7 мировых рекордов. В 1958 году на Всемирной выставке в Брюсселе творческий труд создателей вертолета был отмечен Золотой Медалью.
В 1953 году ОКБ приступило к разработке транспортного вертолета для перевозки 6 тонн груза на расстояние до 600 км. Первый полет нового вертолета одновинтовой схемы МИ-6 с двумя турбовинтовыми двигателями состоялся в 1957 году. В том же году во время испытательного полета был установлен первый мировой рекорд - поднят груз 12 тонн. В 1962 году - груз весом 20,1 тонны. С 1959 по 1964 г.г. на МИ-6 серийного производства установлено еще 12 мировых рекордов.
Применение автопилота, дополнительного навигационного оборудования, электротепловой, антиобледенительной системы, введение в состав экипажа штурмана позволили использовать МИ-6 практически в любое время дня и ночи и в любую погоду.
По сути дела он стал первым всепогодным вертолетом и с 1964 года успешно эксплуатируется в народном хозяйстве нашей страны.
В 1965 году МИ-6 вместе с вертолетом-краном МИ-10 впервые демонстрировался на авиационной выставке в Париже. Зарубежная пресса оценивая успех советского вертолетостроения, констатировало, что при создании МИ-6 (и МИ-10) "были решены такие инженерные проблемы, к которым до сих пор не осмеливаются приблизиться конструкторы западных фирм" ("Interavia", 1965 год, N 8). Напомним, что это писалось спустя 8 лет после первого полета МИ-6. Значение этой машины не исчерпывается ее большой грузоподъемностью и размерами.
МИ-6 - первый в мире вертолет перешагнувший рубеж скорости 320 км/час, который, как считалось одно время, никогда не будет достигнут аппаратами этого типа.
МИ-6 - первый в мире вертолет серийного производства, оснащенный двумя турбовинтовыми двигателями со свободной турбиной. Его компановочная схема признана классической.
В июне 1960 года МИ-10 совершил первый полет. В процессе испытаний было установлено, что вертолет может транспортировать грузы длиной до 20 метров, высотой до 3,5 метров, шириной до 5 метров (при крестообразной форме груза - до 10 метров), весом 12 тонн на расстояние до 250 км и весом 15 тонн - на более короткие расстояния.
В 1965 году на специально подготовленном вертолете МИ-10 с шасси от МИ-6 установлено два мировых рекорда: груз 25,1 тонны поднят на высоту 2840 метров, а груз 5 тонн - на 7150 метров.
В последующие годы в ОКБ проводились плодотворные работы по созданию средних и легких вертолетов с турбинными двигателями. В 1960 году началась работа над пасажирским вертолетом с турбинной силовой установкой (на базе МИ-4). Первый вариант вертолета имел один двигатель со свободной турбиной конструкции ОКБ А.Г.Ивченко. В 1961 году эта машина уже участвовала в показе новой авиационной техники в Тушино.
В дальнейшем было решено применить двухдвигательную силовую установку, обеспечивающую нормальное продолжение полета при выходе из строя одного из двигателей. Первый такой вертолет - МИ-8 с двумя турбовинтовыми двигателями конструкции ОКБ С.П.Изотова в 1965 году поступил в серийное производство.
В 1960 году ОКБ начало проектировать легкий вертолет на базе МИ-1 с двумя двигателями конструкции С.П.Изотова. Создание такого вертолета - МИ-2, было шагом вперед в развитии машин такого класса. Двухтурбинная схема для легких вертолетов, впервые примененная для МИ-2, получила в настоящее время общее признание. Он обладает значительными преимуществами перед МИ-1 как по грузоподъемности, так и по скорости.
Эта машина как бы перешла по своим данным в класс МИ-4, оставаясь по размерам и взлетному весу в классе МИ-1. В 1967 году в воздух поднялся самый большой из когда-либо существовавших вертолетов В-12. В одном из испытательных полетов он поднял груз весом более 40 тонн. Вертолет был построен по поперечной схеме с крылом обратного сужения. По оценкам специалистов появление такого экспериментального вертолета подтвердило возможность перехода к созданию винтокрылых аппаратов с взлетным весом 100 тонн.
В дальнейшем были созданы: многоцелевой вертолет МИ-17, с успехом использующийся в народном хозяйстве нашей страны, и вертолет МИ-26 - самый грузоподъемный серийный вертолет создававшийся для выполнения уникальных монтажных работ.
Вертолеты "КА"
1948 год. Воздушный парад на Тушинском аэродроме, посвященный Дню Воздушного Флота. Внимание зрителей привлекает автомобиль, на грузовой платформе которого размещается вертолет. Он взлетает, делает круг над аэродромом и снова садится на платформу. Создатель "летающего мотоцикла" (как его назвали журналисты) - Николай Ильич Камов, в течение многих лет конструировавший автожиры. Одноместный вертолет с мотоциклетным двигателем, с двумя соосными несущими винтами, вращающимися в противоположных направлениях, - новая его конструкция.
После успешной демонстрации вертолета создается опытно-конструкторское бюро во главе с главным конструктором Н.И.Камовым, которому поручается разработка одноместного корабельного вертолета для разведки, связи и наблюдения. Новый вертолет КА-10 имел ту же принципиальную схему, что и "летающий мотоцикл", но более мощный авиационный поршневой двигатель воздушного охлаждения АИ-4Г с взлетной мощностью 55 л.с., разработанный в ОКБ А.Г.Ивченко.
Испытания КА-10 в 1949-1951 г.г. продемонстрировали свойственную вертолетам соосной схемы исключительную маневренность и хорошую управляемость. На вертолете КА-10, а затем и на его модифицированном варианте КА-10А были отработаны такие принципиальные конструктивные решения, как система управления соосными несущими винтами и двухкилевое оперение, которые в дальнейшем легли в основу всех разработанных ОКБ вертолетов.
С этого времени создание двухвинтовых соосных вертолетов самого разнообразного назначения и различных весовых категорий становится главным направлением творческой деятельности ОКБ Н.И.Камова.
Следующий этап работы ОКБ - создание семейства 2-3-х местных близких по характеристикам соосных вертолетов КА-15, КА-15М, КА-18. Эти многоцелевые вертолеты, имея общую несущую систему, редуктор и двигатель, отличались друг от друга назначением и конструкцией фюзеляжа. Для них было спроектировано различное съемное оборудование: аппаратура для опыления, опрыскивания, генерации аэрозолей, подвесные контейнеры для грузов и почты, гондолы для перевозки больных, поплавковое шасси, второе управление в учебном варианте.
В результате поиска новых более эффективных компановочных и конструктивных решений в 1964 и 1965 годах был создан многоцелевой вертолет КА-26. На основе схемы "летающего шасси" была достигнута высокая весовая отдача вертолета с двумя поршневыми двигателями. Комплект быстросъемного навесного оборудования: пассажирская кабина, грузовая платформа, аппаратура для опрыскивания и внесения минеральных удобрений, присбособление для транспортировки грузов на внешней подвеске - позволяет бригаде из 3 человек за 1,5-2,0 часа переоборудовать вертолет из одного варианта в другой.
К конструктивным особенностям вертолета, кроме схемы "летающего шасси", двухдвигательной силовой установки и системы создания избыточного давления в кабине пилота для защиты от химикатов на сельхозработах следует отнести и широкое применение стеклопластика. Из него на вертолете изготовлены не только различные обтекатели, капоты, пол кабины, бункер для химикатов, но и такие важнейшие элементы конструкции, как лопасти несущего винта. По сравнению с дюралевыми такие лопасти практически не имеют ограничения ресурса по условиям усталостной прочности, исключается необходимость применения сложной дорогостоящей оснастки и обработки на станках.
Совместно с различными исследовательскими институтами в течение нескольких лет проводились эксперименты по подбору материала, клея, режимов прессования по отработке конструкции лопастей, по испытанию отсеков и натурных лопастей. В результате была разработана конструкция и технология серийного изготовления стеклопластиковых лопастей, несущих винтов вертолета КА-15 (диаметром 10 метров) и вертолета КА-26 (диаметром 13 метров) и впервые в мировой практике вертолетостроения стеклопластиковые лопасти были внедрены в широкую эксплуатацию.
Зарубежная пресса отмечала, что все специфические проблемы вертолетостроения в конструкции вертолета КА-26, который выполняет виражи с большим креном, трудноосуществимым на других винтокрылых машинах, решены на высоком уровне. Пилоты при управлении этой машины выявили редкие для вертолета устойчивость и легкость управления.
Опыт эксплуатации показывает, что использование вертолетов КА-26 наиболее эффективно на агрохимических работах.
Здесь в наибольшей степени подтверждается преимущество соосной схемы. С одной стороны - исключительная маневременность соосного вертолета позволяет совершать полеты в непосредственной близости от обрабатываемых сельскохозяйственных угодий сложного рельефа. С другой стороны - кольцеобразные вихри, индуцируемые соосной несущей системой, способствуют проникновению химикатов в густую крону растений по всей их высоте. Благодаря этому КА-26 успешно используется на виноградных плантациях, на полях пшеницы и хлопчатника, сахарной свеклы и риса, на горных пастбищах и в садах. По заключениям зарубежных специалистов, применение вертолета КА-26 для защиты растений обходится значительно дешевле, чем использование любых наземных средств.