Знаменательная веха в истории вертолетостроения - работы Б. Н. Юрьева [1981 Изаксон А.М.

Б. Н. Юрьев пришел в МВТУ в 1907 г. Он слушал лекции Н. Е. Жуковского и вместе с другими студентами-энтузиастами участвовал в организации воздухоплавательного кружка и аэродинамической лаборатории, работал над постройкой планера и летал на нем, принимал участие в постройке силами членов кружка самолета - одного из первых самолетов, построенных в России.

Но была одна область авиации, которая больше всего привлекала молодого энтузиаста, это - вертолеты.

В 1910 г. в воздухоплавательном кружке МВТУ была создана комиссия по вертолетам, председателем которой был избран Б. Н. Юрьев.

Первое, чем занялась комиссия, был вопрос о подъемной силе несущего винта вертолета. Наиболее распространенная и известная в то время теория винта С. К. Джевецкого, применимая для расчета тянущих самолетных винтов, для несущего вертолетного винта оказалась совершенно непригодной. Несущие винты, построенные по теории С. К. Джевецкого, развивали малую тягу, недостаточную для подъема вертолета.

Работая над решением этой проблемы, Б. Н. Юрьев пришел к мысли соединить теорию С. К. Джевецкого с теорией идеального винта, учитывающей характер струи, создаваемой винтом. В этом же направлении работал и другой ученик Н. Е. Жуковского - студент Г. X. Сабинин. В результате дальнейшей совместной работы была создана стройная теория воздушного винта Сабинина - Юрьева, названная позднее импульсной теорией. Одновременно с работой над теорией несущего винта Б. Н. Юрьев с помощью других студентов - членов воздухоплавательного кружка разрабатывал эскизные проекты вертолета разных схем, строил многочисленные схематизированные летающие модели вертолета и всесторонне их испытывал, изучая поведение этих моделей в полете на разных режимах и влияние различных конструктивных параметров.

Анализ известных в то время схем вертолета приводил к весьма неутешительным выводам. Масса конструкции получалась очень большой, особенно из-за массы элементов трансмиссии (редукторов, валов и др.). Получить при таком невыгодном весовом балансе достаточный запас подъемной силы несущих винтов было весьма затруднительно. Это привело к поискам новых более рациональных схем, в результате которых вырисовывалась одновинтовая схема вертолета. Однако эта схема получила право на существование лишь после разрешения вопроса о парировании реактивного крутящего момента, возникающего при работе несущего винта, одним или несколькими рулевыми винтами изменяемого шага, с помощью которых можно было также и управлять вертолетом в путевом направлении и при соответствующем расположении рулевых винтов использовать их тягу для поступательного полета вертолета.

Управлять вертолетом в продольной и поперечной плоскостях предполагалось с помощью особых поверхностей, установленных в воздушном потоке несущего винта.

Схема вертолета Б. Н. Юрьева

В таком виде схема вертолета была доложена Б. Н. Юрьевым на заседании правления воздухоплавательного кружка и получила одобрение.

Дальнейшая более тщательная разработка этой схемы привела Б. Н. Юрьева к мысли о возможности и целесообразности иметь не два рулевых винта, а лишь один, расположенный в хвостовой части фюзеляжа, что делало схему еще более компактной, позволяло приблизить вертолет по общей форме к самолету, уменьшало его сопротивление и массу.

Неуравновешенную тягу одного рулевого винта можно было сбалансировать некоторым наклоном оси несущего винта в сторону, противоположную тяге рулевого винта.

Исследования, проведенные Б. Н. Юрьевым с летающими моделями вертолета, в сочетании с теоретической разработкой и эскизной проработкой элементов конструкции позволили уточнить основные вопросы создания вертолета.

Недоработанным оставался один существенный вопрос - система управления вертолетом в полете.

Управление вертолетом относительно оси вращения несущего винта обеспечивалось изменением тяги рулевого винта. Таким же образом можно было бы решить вопрос управления вертолетом относительно его продольной и поперечной осей. Однако подобное решение было связано с усложнением конструкции и значительным утяжелением аппарата. Нужно было искать какой-то другой выход.

Этот выход был найден. В начале 1911 г. Б. Н. Юрьев изобрел устройство, названное им автоматом перекоса, которое прочно вошло в конструкцию вертолета. Идея автомата перекоса проста, конструктивная схема очень оригинальна. Автомат перекоса обеспечивает управление вертолетом около его продольной и поперечной осей, изменение общего шага лопастей несущего винта и перевод его на режим авторотации.

Изобретение автомата перекоса явилось решающим этапом в доработке проекта вертолета одновинтовой схемы.

Принципиальная схема автомата перекоса

12 апреля 1911 г. на I Всероссийском съезде воздухоплавания в Петербурге Б. Н. Юрьев сделал доклад на тему «Критика прежних систем геликоптеров и описание нового типа геликоптера системы автора».

После того как одновинтовая схема вертолета была доработана и получила вполне законченный вид, Б. Н. Юрьев с помощью молодых студентов МВТУ, увлекавшихся авиацией, предпринял эскизное проектирование нескольких вертолетов такой схемы, различавшихся двигателями, размерами и массой.

Первым был разработан проект вертолета под распространенный в то время двигатель ротативного типа «Гном» мощностью 50 л. с.

Проект вертолета Б. H. Юрьева под двигатель в 50 л. с

Двухлопастный несущий винт вертолета диаметром 6 м имел частоту вращения 350 об/мин. Для парирования реактивного крутящего момента служил рулевой винт диаметром 2 м, отнесенный от оси несущего винта на расстояние 5 м. Рулевой винт, приводившийся во вращение с помощью ременной передачи, делал 600 об/мин.

Предполагавшаяся масса аппарата с летчиком - 256 кг. Несущий винт должен был развивать тягу 286 кгс (в лучшем случае 326 кгс).

Эскиз перекашивающего механизма в проекте вертолета Б. H. Юрьева

Поступательное передвижение в горизонтальной плоскости должно было происходить в результате горизонтальной составляющей суммарной тяги несущего винта, наклоненного вместе с аппаратом в сторону движения. Этот наклон предполагалось создавать путем сдвига точки приложения суммарной тяги с оси винта в сторону, противоположную наклону аппарата, что достигалось с помощью автомата перекоса. Автомат перекоса должен был воздействовать на специальные открылки (элероны) на лопастях несущего винта. То же можно получить, воздействуя на всю лопасть или на специальные поворотные отсеки на концах лопастей. На случай спуска при остановке двигателя первоначально предусматривался специальный парашют.

Второй проект был разработан под более мощный двигатель «Гном» мощностью 70 л. с., только что появившийся за границей. Несущий винт намечалось делать двухлопастным (по второму варианту - четырехлопастным) диаметром 9 м. Винт должен был иметь частоту вращения 215 об/мин.

Три варианта воздействия перекашивающего механизма на лопасть несущего винта в проекте вертолета Б. Н. Юрьева: а - специальным открылком; б - поворотом концевой части лопасти; в - поворотом всей лопасти

Рулевой винт диаметром 3 м отстоял от оси несущего винта на 8 м. Рулевой винт приводится во вращение ременной передачей и делал 600 об/мин. Несущий винт должен был давать подъемную силу 455 кгс (в лучшем случае 519 кгс). Суммарная полетная масса (с летчиком) оценивалась в 390 кг.

Поступательное движение и спуск при остановке двигателя намечалось осуществлять так же, как и в проекте первого вертолета. Но ввиду отсутствия нужных двигателей оба проекта остались лишь в стадии эскизной разработки и не были осуществлены.

Проект вертолета Б. Н. Юрьева под двигатель в 70 л. с

Примерно к этому же периоду относится и эскиз морского вертолета одновинтовой схемы.

В начале 1912 г. воздухоплавательный кружок МВТУ начал готовиться ко Второму всероссийскому воздухоплавательному съезду и к Международной выставке воздухоплавания и автомобилизма, открытие которой было приурочено к съезду. Возникла смелая мысль - построить к этому съезду своими силами в мастерских училища вертолет одновинтовой схемы.

Эскиз морского вертолета Б. Н. Юрьева

Ввиду невозможности достать нужный двигатель было решено построить аппарат под двигатель Анзани, имевшийся в распоряжении кружка. А так как времени до съезда оставалось немного, было принято решение строить вертолет для первых опытов без автомата перекоса. Это диктовалось также ограниченностью денежных средств.

Правление кружка ассигновало 300 руб.; 400 руб. было получено от Общества содействия изобретениям имени Леденцова. Дирекция МВТУ разрешила пользоваться мастерскими училища. К работе было привлечено около 50 студентов, в основном студентов младших курсов, работавших бесплатно. Было разрешено лишь кормить этих студентов в столовой училища за счет кружка «с тем, чтобы, - как вспоминает Б. Н. Юрьев, - затраты не превосходили на одного студента 25 коп. в день».

Корпус построенного вертолета представлял собой деревянную четырехугольную ферму, растянутую проволочными диагоналями. Хвостовая часть - также прямоугольной формы - для легкости была сделана из бамбука.

Модель вертолета Б. Н. Юрьева

В средней части корпуса был установлен трехцилиндровый двигатель Анзани, развивавший при 1700 об/мин мощность в 27- 30 л. с. Двигатель приводил во вращение двухлопастный несущий винт диаметром 8 м, вращавшийся со скоростью 140 об/мин. Передача от двигателя к винту состояла из трехоборотного червяка (на валу двигателя) и червячного колеса (на валу винта) с числом зубьев 36 (передаточное число 1:12). Конструкция лопастей была аналогична конструкции самолетных крыльев: на лонжерон из стальной трубы надевались деревянные нервюры, вся лопасть затем обшивалась материей.

Рулевой винт диаметром 2,5 м был двухлопастный и отстоял на 6 м от оси несущего винта. Он вращался со скоростью 450 об/мин и приводился во вращение ременной передачей.

Поскольку двигатель Анзани не ротативный, было предусмотрено его искусственное охлаждение с помощью трех небольших вентиляторов, обдувавших цилиндры.

Вертолет Б. Н. Юрьева с двигателем Анзани в 25 л. с. (1912 г.). Крайний слева Б. Н. Юрьев

Предполагалось получить от несущего винта подъемную силу, равную 240-260 кгс. Суммарная масса построенного вертолета составляла 203 кг.

Ввиду малой мощности двигателя было решено для облегчения аппарата лопасти несущего винта не делать поворотными с открылками. Основная цель сводилась к наблюдению за общим поведением аппарата и определению получаемой тяги. Лишь впоследствии предполагалось поставить автомат перекоса для изучения его работы.

Из-за недостатка средств, отсутствия нужных подшипников и труб из высокосортной стали, невозможности разместить заказы на некоторые ответственные механические детали аппарат был построен с большими отступлениями от проекта.

Пришлось вместо картера сделать установку червячной передачи на балке из дерева и применить тяжелые самодельные подшипники скольжения с бронзовыми вкладышами. Главный вал несущего винта вместо хромоникелевой стальной трубы с толщиной стенки 5 мм был сделан из простой стальной трубы толщиной всего 3,3 мм. Стальных труб для лонжеронов лопастей в России не изготовляли. Пришлось выписывать их из-за границы. Временно (на период выставки) лопасти были собраны на лонжеронах из водопроводных труб.

30 марта 1912 г. на заседании секции авиации и метеорологии Второго всероссийского воздухоплавательного съезда Б. Н. Юрьев сделал доклад на тему «Геликоптер собственной конструкции».

Построенный вертолет был экспонирован на выставке в здании манежа в Москве и встречен с большим интересом. Б. Н. Юрьев получил золотую медаль за теоретическую разработку проекта геликоптера и его конструктивное осуществление.

После окончания выставки предстояло закончить постройку вертолета и приступить к его испытаниям. Однако денежные средства были исчерпаны и новых поступлений не предвиделось. Пришлось ограничиться сменой лонжеронов лопастей несущего винта: временно поставленные водопроводные трубы были заменены полученными из-за границы стальными. Средств на изготовление автомата перекоса и на замену главного вала, поставленного не по расчету, уже не было.

Поздней осенью 1912 г. приступили к испытанию аппарата. Однако уже на втором запуске двигателя сломался главный вал, не выдержавший нагрузки. Стало ясно, что трехцилиндровый двигатель не годится, так как не обеспечивает плавного вращения несущего винта. На замену двигателя и на изготовление нового главного вала средств не было, и дальнейшие работы с аппаратами пришлось прекратить.

Комиссия под руководством Б. Н. Юрьева работала также над проектированием многовинтового вертолета. Еще в 1904 г. Н. Е. Жуковский показал, что эта схема по грузоподъемности имеет преимущество перед схемой двухвинтового вертолета.

Было разработано много вариантов многовинтового вертолета с различным количеством несущих винтов под двигатели мощностью 10, 15 и 20 л. с.

В основу всех этих вариантов были положены следующие общие конструктивные соображения:

Было решено построить один элемент такого многовинтового вертолета и всесторонне его испытать.

Восьмивинтовой вертолет Б. Н. Юрьева

В качестве двигателя был взят двигатель Анзани мощностью 15 л. с. Для него был спроектирован и испытан несущий винт диаметром 2 м. Начались испытания всего элемента в целом (двигателя и винта), давшие на первых порах весьма обнадеживающие результаты. Но все же было ясно, что двигатель тяжел (примерно 2,5-3 кг на 1 л. с.). Это побудило Б. Н. Юрьева заняться проектированием облегченного двухтактного двигателя, более приспособленного для установки на вертолет.

Закончить все эти работы не удалось. Началась мировая война, и он должен был на много лет прервать свою работу.

Деятельность Б. Н. Юрьева в период 1908-1913 гг. - знаменательная веха в истории вертолетостроения.

Б. Н. Юрьев вместе с Г. X. Сабининым разработал импульсную теорию винта, давшую возможность надежно проектировать винт для вертолета. Он провел обширные экспериментальные исследования полета вертолета разных схем на разных режимах с помощью летающих моделей.

Б. Н. Юрьеву принадлежит глубокий анализ известных в те годы схем вертолетов, их критическая оценка и разработка рациональной схемы одновинтового вертолета.

Применение дополнительных небольших винтов для сохранения вертолетом своего положения в пространстве и для управления им предлагали многие авторы. Однако только Б. Н. Юрьев впервые дал строгую схему одновинтового вертолета и обосновал возможность использования вспомогательных рулевых винтов для парирования реактивного крутящего момента от несущего винта, для путевого управления аппаратом и для его поступательного полета (в случае соответствующего размещения рулевых винтов).

Особенно велико значение изобретенного Б. Н. Юрьевым механизма управления вертолетом - автомата перекоса. Автомат перекоса стал важнейшим агрегатом каждого вертолета и теперь, спустя 50 лет после его изобретения, устанавливается на всех вертолетах мира.

Ручка управления многовинтовым вертолетом Б. Н. Юрьева

В процессе разработки большого количества проектов вертолета Б. Н. Юрьевым был проведен глубокий анализ основных режимов работы вертолета (поступательный горизонтальный полет, спуск на режиме авторотации и др.) и намечены пути разрешения ряда конструктивных вопросов, связанных с этими режимами.

Он много работал по многовинтовым вертолетам и оставил в этой области много ценных идей, представляющих интерес и в наши дни.

Следует, наконец, подчеркнуть, что работы Б. Н. Юрьева по вертолету, его предложения и технические идеи стояли неизмеримо выше общего уровня работ в этой области как в России, так и за границей.