Первый советский вертолет ЦАГИ 1-ЭА [1981 Изаксон А.М.

В результате тщательного анализа ряда проработанных эскизных проектов в ЦАГИ в конце 1928 г. было начато рабочее проектирование одного из обследованных вариантов - вертолета одновинтовой схемы.

Проектирование этого первого советского экспериментального вертолета, известного под маркой ЦАГИ 1-ЭА, оказалось возможным в результате обширных экспериментальных исследований работы несущего винта на специфических вертолетных режимах и испытаний несущего винта диаметром 6 м на натурном стенде.

Вертолет ЦАГИ 1-ЭА был построен по одновинтовой схеме, предложенной еще в 1909-1912 гг. Б. Н. Юрьевым. Все работы по созданию вертолета вначале проводились специальной группой, а затем секцией особых конструкций экспериментально-аэродинамического отдела ЦАГИ.

ЦАГИ 1-ЭА - одноместный, одновинтовой, двухмоторный вертолет.

Реактивный момент несущего винта уравновешивался на нем при помощи четырех рулевых винтов, размещенных попарно в носовой и хвостовой частях фюзеляжа.

На вертолете было два ротативных двигателя М-2 мощностью 120 л. с. каждый, которые были установлены по обеим сторонам центральной части фюзеляжа таким образом, что своими носками они были обращены внутрь фюзеляжа.

Первый советский вертолет ЦАГИ 1-ЭА

Двигатели передавали мощность главному редуктору через муфты свободного хода, установленные на случай необходимости безмоторного спуска вертолета на режиме авторатации несущего винта.

В главном редукторе два ведущих конических зубчатых колеса (по одному от каждого двигателя) приводили во вращение ведомое коническое зубчатое колесо, расположенное в горизонтальной плоскости. На одном валу с этим зубчатым колесом находилось центральное зубчатое колесо планетарной передачи, расположенной в верхней части главного редуктора.

Обойма сателлитов планетарной передачи была состыкована с главным валом несущего винта.

Внешнее венцовое зубчатое колесо планетарной передачи являлось одновременно центральной частью картера главного редуктора. Через нее картер главного редуктора крепился к специальной клепаной траверсе, расположенной в средней части фюзеляжа вертолета.

В главном редукторе обороты двигателя редуцировались в отношении 1 : 7,84.

Верхней опорой главного вала несущего винта служил весьма оригинальный подшипник большого диаметра нестандартного типа с четырьмя регулируемыми роликами.

Вертолет ЦАГИ 1-ЭА имел четырехлопастный несущий винт диаметром 11 м. Лопасти жестко крепились к втулке винта, имея лишь продольный шарнир, что позволяло изменять угол установки лопастей.

Лопасти крепились к втулке несущего винта на двух опорах. Первая опора располагалась непосредственно на втулке винта. Она имела радиальный и упорный подшипники. Вторая опора была вынесена на специальной сварной ферме - кабане втулки несущего винта.

Общий вид вертолета ЦАГИ 1-ЭА (сборочный чертеж)

Так как для управления несущим винтом требовался поворот лопасти в очень узком диапазоне углов, оказалось возможным на второй опоре не ставить тяжелого и громоздкого подшипника.

Вместо подшипника был создан специальный достаточно легкий параллелограммный механизм.

Лопасти несущего винта вначале были целиком металлической конструкции. Лонжерон лопасти был склепан из предварительно отштампованного дуралюминового листа и имел в сечении круглую форму. На лонжерон приклепывались выколоченные дуралюминовые нервюры; затем на нем ставились профилированные дуралюминовые стрингеры и, наконец, лопасть обшивалась тонким дуралюминовым листом.

Как показал опыт, производственные искажения геометрической формы лопастей и их профиля оказались при этой конструкции весьма существенными, что выявилось при первых же испытаниях вертолета.

Вскоре был изготовлен новый комплект лопастей уже иной конструкции. Лонжероны лопастей оставались неизменными. Нервюры и стрингеры были выполнены из дерева. Лопасть была обшита авиационной фанерой и обтянута полотном.

Для уравновешивания реактивного момента несущего винта на вертолете было установлено четыре рулевых винта диаметром 1,8 м, размещенных попарно в носовой и хвостовой частях фюзеляжа.

Главный редуктор трансмиссии вертолета ЦАГИ 1-ЭА: а - разрез в вертикальной плоскости по оси ведущих зубчатых колес; б - разрез в горизонтальной плоскости (передача к рулевым винтам)

Строго говоря, можно было бы обойтись одним рулевым винтом, расположенным в хвостовой части фюзеляжа, но пришлось пойти на некоторое усложнение и утяжеление конструкции, чтобы избежать неуравновешенных боковой силы и реактивного крутящего момента от рулевого винта. Это должно было существенно упростить управление первым экспериментальным вертолетом в полете.

Рулевые винты были двухлопастные. Лопасти рулевого винта имели лонжерон из сплющенной стальной трубы и обшивку, выколоченную из листового дуралюмина по форме и профилю лопасти. Обшивка приклепывалась прямо к лонжерону (без нервюр).

Для приведения рулевых винтов во вращение в главном редукторе были дополнительно установлены два конических зубчатых колеса, находившихся в зацеплении с большим горизонтально расположенным коническим зубчатым колесом. Хвостовики этих колес при помощи упругих муфт были связаны с длинными валами, идущими в носовую и хвостовую части фюзеляжа, вращавшимися с той же частотой вращения, что и вал двигателя.

Схема управления дифференциальным и общим шагом лопастей несущего винта вертолета ЦАГИ 1-ЭА

В носовой и хвостовой частях фюзеляжа были размещены дополнительные малые редукторы, на ведомых валах которых установлены рулевые винты, которые вращались в противоположных направлениях. В этих редукторах частота вращения повышалась в отношении 1 : 1,227 и рулевые винты делали 1470 об/мин при частоте вращения двигателя 1200 об/мин.

Фюзеляж вертолета был ферменной конструкции, сваренный из стальных труб.

Шасси вертолета имело стойки со шнуровой резиновой амортизацией. Ход амортизационных стоек был 430 мм.

Третьей опорной точкой вначале был костыль с резиновой шнуровой амортизацией. Вскоре после начала летных испытаний вертолета, в связи с опасностью поломки аппарата при случайном заднем ходе, костыль был заменен хвостовым колесом.

Управление вертолетом осуществлялось путем воздействия на углы установки лопастей несущего и рулевых винтов. В продольной и поперечной плоскостях управление аппаратом производилось при помощи ручки управления дифференциальным шагом лопастей несущего винта, соединенной системой жестких тяг и рычагов с автоматом перекоса.

Перемещение автомата перекоса вдоль вала влекло за собой одновременное изменение угла установки у всех лопастей несущего винта. Это достигалось при помощи рычага управления общим шагом, расположенного слева от летчика. При помощи этого же рычага несущий винт переводился на малый шаг, необходимый для перехода вертолета на режим авторотирующего безмоторного спуска.

Чтобы развернуть вертолет, достаточно было изменить шаг рулевых винтов, что достигалось отклонением ножных педалей, связанных тросами с поворотными механизмами рулевых винтов.

Вертолет ЦАГИ 1-ЭЛ

Поскольку скорость поступательного полета для этого вертолета имела второстепенное значение, фюзеляж для удобства обслуживания и наблюдения за работой всех агрегатов не имел обшивки.

Запуск двигателей производился сжатым воздухом (из наземных баллонов) при помощи специальных съемных пневматических устройств.

Проектирование вертолета, как указывалось выше, было начато в конце 1928 г., а его постройка (на опытном заводе ЦАГИ) - в 1929 г. и продолжалась в течение всей первой половины 1930 г.

После всесторонней тщательной регулировки всех агрегатов вертолет был впервые подвергнут наземному испытанию с многократным запуском двигателей в августе 1930 г.

В первые же дни была отработана (впервые в мировой практике) методика испытания аппарата на привязи и система его крепления при этом. Затем начался период освоения вертолета и управления им сначала на привязи, а затем и в свободных полетах.

Полеты вертолета ЦАГИ 1-ЭА проводились систематически в течение 1930-1934 гг. Бессменным летчиком-испытателем вертолета был Алексей Михайлович Черемухин. В каждом полете А. М. Черемухин демонстрировал эволюции и режимы полета, специфически присущие этому типу летательных аппаратов: взлет с места, вертикальный подъем, висение в воздухе, строго отвесный спуск и посадку в заранее намеченный пункт, поступательное движение вперед и в стороны, любой разворот при висении над заданной точкой.

Алексей Михайлович Черемухин (1932 г.)

По мере освоения летчиком этого аппарата, выявления и изучения его летных возможностей постепенно шаг за шагом увеличивалась высота полета вертолета и усложнялись производимые на нем эволюции. Особенно успешными были полеты А. М. Черемухина на вертолете ЦАГИ 1-ЭА в августе 1932 г.

В полете 1 августа наибольшая высота была 160 м, 3 августа - 230 м и 5 августа - 285 м. Наконец, 14 августа 1932 г. была достигнута высота 605 м. Для того времени это был выдающийся результат. Официально зарегистрированный рекорд высоты полета, принадлежавший итальянскому вертолету Асканио, был всего лишь 18 м. Даже вновь зарегистрированный спустя четыре года (1936 г.) мировой рекорд высоты полета вертолета Бреге-Доран составлял всего 158 м.

Как можно было судить на основе анализа барограммы и заключения летчика, высота, достигнутая 14 августа 1932 г., не являлась предельно возможной для вертолета ЦАГИ 1-ЭА.

Александр Михайлович Изаксон (1941 г.)

Наибольшая продолжительность полета была 14 мин 15 июня 1933 г. Эта цифра ни в коей мере не характеризовала технические возможности вертолета. Только желание экономить ресурс двигателей определяло небольшую продолжительность полета.

Основные задачи, стоявшие перед испытателями - изучить технические возможности вертолета, освоить технику пилотирования на нем, довести аппарат до состояния пригодности к нормальной летной эксплуатации - не требовали ни больших высот и скоростей полета, ни большей продолжительности пребывания в воздухе.

Вертолет ЦАГИ 1-ЭА в полете

Помимо чисто испытательных полетов на вертолете ЦАГИ 1-ЭА была проведена обширная программа летных исследований, так как имелось в виду всемерно использовать опыт создания первого вертолета для уточнения методики расчета, сравнения с данными лабораторных исследований и для создания последующих более совершенных аппаратов этого типа.

Естественно, что при испытании вертолета ЦАГИ 1-ЭА выявился ряд дефектов, на изучение и устранение которых было затрачено много труда и времени.

Барограмма рекордного полета вертолета ЦАГИ 1-ЭА

Из дефектов, имевших серьезный и принципиальный характер, следует отметить следующие:

Первые два дефекта удалось устранить и частично уменьшить установкой на втулке регулируемых пружинных устройств для каждой лопасти. Остальные дефекты были органически присущи принятой схеме винта с жестким креплением лопастей.

В результате больших экспериментальных исследований и глубокого теоретического анализа был сделан вывод о необходимости в целях дальнейшего совершенствования аппарата и повышения безопасности полета на нем снабдить вертолет ЦАГИ 1-ЭА несущим винтом совершенно иной конструктивной схемы.

На протяжении 1933 г. и части 1934 г. на вертолете продолжались регулярные систематические работы: тренировка летчика, изучение и доводка отдельных агрегатов и механизмов, свободные полеты. В этот период высота полета и режимы спуска были строго ограничены, чтобы предотвратить возможность попадания в зону срыва потока и потери эффективности управления дифференциальным шагом несущего винта.

После выхода на аэродром вертолета ЦАГИ 1-ЭА (осень 1930 г.) был запущен в производство второй экземпляр аппарата - дублер, получивший наименование ЦАГИ 3-ЭА. Этот вертолет строился по тем же чертежам, что и ЦАГИ 1-ЭА, однако в процессе постройки в конструкцию вносились изменения в соответствии с результатами испытаний вертолета 1-ЭА.

В 1933 г. вертолет ЦАГИ 3-ЭА поступил на аэродром для летных испытаний. Аппарат прошел всесторонние наземные испытания, на нем проводилась тренировка летчика на свободной привязи, но в свободном полете он не испытывался.

В связи с принятым решением об установке на вертолет ЦАГИ 1-ЭА нового несущего винта принципиально иной схемы вертолет- дублер (ЦАГИ 3-ЭА) был использован для переделки его в новый вертолет, названный ЦАГИ 5-ЭА.

Общее руководство эскизным проектированием вертолета ЦАГИ 1-ЭА а также предварительными исследованиями, связанными с проектированием 1 аппарата, принадлежало Б. Н. Юрьеву. Ему же принадлежала разработка принципиальной схемы аппарата.

Непосредственное руководство конструктивной разработкой этого вертолета, руководство расчетом всех элементов конструкции па прочность и бессменное пилотирование аппарата осуществлял А. М. Черемухин.

А. М. Изаксон выполнял аэродинамические расчеты и изыскания, связанные с выбором основных параметров и определением летных характеристик вертолета, и руководил экспериментально-исследовательскими работами.

В разработке общей конструктивной схемы вертолета принимал участие К. А. Бункин, он же руководил проектированием всех элементов трансмиссии, а также принимал участие в их испытаниях и доводке.

Проектирование автомата перекоса и элементов управления выполнял А. Л. Леймер.

Проектирование редукторов рулевых винтов и механизма управления ими выполнял И. Н. Виноградов.

Активное участие в конструктивной разработке отдельных элементов аппарата и в проведении ряда экспериментальных работ принимали И. П. Братухин, А. Ф. Маурин, Г. И. Солнцев.

Виктор Павлович Лаписов (1933 г.)

Значительная работа по летным испытаниям, исследованиям и доводке выполнялась инженером В. П. Лаписовым.

Первыми механиками первых советских вертолетов были И. Д. Иванов и С. А. Трефилов.

Руководил постройкой обоих вертолетов мастер опытного завода ЦАГИ А. А. Рябушкин.

Константин Александрович Бункин (1933 г.)

Работники ООК ЦАГИ, принимавшие активное участие в создании, испытании и доводке первых советских вертолетов ЦАГИ 1-ЭА и ЦАГИ 3-ЭА, были неоднократно отмечены премиями и наградами.

В декабре 1933 г. постановлением ЦИК СССР были награждены орденом Красной Звезды А. М. Изаксон и А. М. Черемухин и грамотами ЦИК - К. А. Бункин, Д. И. Антонов и Б. Н. Юрьев.