Вертолет ЦАГИ 11-ЭА

На основе значительного опыта, накопленного отделом особых конструкций ЦАГИ в процессе испытаний и доводки вертолетов ЦАГИ 1-ЭА и 5-ЭА, было решено создать новый вертолет, более мощный и совершенный, с лучшими летными данными, в большей степени пригодный для нормальной эксплуатации.

Проектирование этого вертолета, получившего наименование ЦАГИ 11-ЭА, было начато в 1934 г.

Это был двухместный одновинтовой вертолет комбинированной схемы с несущим винтом, аналогичным несущему винту вертолета ЦАГИ 5-ЭА. Реактивный крутящий момент от несущего винта уравновешивался тягой двух рулевых винтов изменяемого шага, расположенных с боков фюзеляжа на концах небольших крыльев.

Двухместная кабина с тандемным расположением сидений помещалась сзади кабана, на котором крепился несущий винт. Двигатель был установлен впереди фюзеляжа. Аппарат имел нормальное самолетное оперение - киль с рулем поворота и стабилизатор с рулем высоты. Кроме того, имелось управление вертолетного типа: дифференциальное изменение шага управляемых лопастей несущего винта при помощи автомата перекоса и рулевые винты. Принципиальная особенность вертолета ЦАГИ 11-ЭА заключалась во взаимной связи его несущего винта и рулевых винтов, осуществляемой при помощи системы управления.

Вертолет ЦАГИ 11-ЭА

Обороты несущего и рулевых винтов, связанные единой системой трансмиссии, всегда оставались синхронными. В то же время ввиду изменения их общего шага доля потребляемой ими мощности менялась в широких пределах.

Все три операции, связанные с переходом от парящего полета к режиму горизонтальных скоростей (уменьшение шага несущего винта, увеличение шага рулевых винтов и уменьшение дифференциального различия в шагах рулевых винтов), производились с помощью одного органа - штурвала, расположенного в кабине летчика. Последняя из этих операций - уменьшение дифференции общего шага рулевых винтов - могла производиться при помощи специального механизма, независимо от управления изменением шага рулевых винтов, осуществляемого педалями.

Постепенное изменение шага несущего и рулевых винтов могло производиться в пределах, обеспечивающих переход несущего винта на режим авторотирующего полета. В этом случае вся мощность двигателя потреблялась бы рулевыми винтами. Таким образом, рулевые винты превратились бы в тянущие винты, а вертолет превратился бы в автожир.

Очевидно, что появление этой схемы, представляющей собой сочетание вертолета и автожира, стало возможным на основе опыта создания советских автожиров.

Вертолет ЦАГИ 11-ЭА имел фюзеляж ферменной конструкции, сваренный из хромомолибденовых труб. К фюзеляжу крепились крылья общей площадью 11,3 м².

На вертолете был установлен авиационный двигатель водяного охлаждения «Кертисс-Конкверер» мощностью 630 л. с. при 2450 об/мин. Двигатель был установлен на раме в передней части фюзеляжа и обращен носком вала назад. Впереди хвостовой части двигателя был установлен водяной радиатор, а сзади него - трехлопастный вентилятор, приводимый во вращение от одного из моторных приводов. С помощью управляемых заслонок, находящихся перед радиатором, можно было регулировать степень охлаждения двигателя.

Вертолет ЦАГИ 11-ЭА ПВ

Раздача мощности осуществлялась при помощи весьма сложной трансмиссии.

Редуктор двигателя был снят, а на его место был вмонтирован новый, так называемый центральный редуктор вертолетной трансмиссии.

Вертикальный вал, выходящий из центрального редуктора, своим верхним концом был соединен через муфту включения с валом главного редуктора, расположенного во втулке несущего винта.

Главный редуктор представлял собой двухступенчатую планетарную передачу. Вращающаяся опора сателлитов главного редуктора через муфту свободного хода приводила во вращение втулку несущего винта с подвешенными к ней лопастями.

Общее передаточное число всей трансмиссии (от коленчатого вала двигателя до втулки несущего винта) было равно 1 : 13,4.

Часть мощности двигателя через боковые ведомые конические зубчатые колеса центрального редуктора передавалась на два рулевых винта переменного в полете шага.

Несущий винт вертолета ЦАГИ 11-ЭА был аналогичен несущему винту вертолета ЦАГИ 5-ЭА. Он представлял собой комбинацию двух трехлопастных винтов, вращавшихся в одной плоскости. Один из этих винтов (условно названный подъемным винтом) диаметром 15,4 м имел три лопасти и создавал подъемную силу, необходимую для полета вертолета. Лопасти этого винта были подвешены ко втулке с помощью горизонтальных, вертикальных и продольных шарниров. Конструкция лопастей была та же, что и конструкция лопастей несущего винта вертолета ЦАГИ 5-ЭА.

Второй винт (условно названный винтом управления) диаметром 9,2 м имел три лопасти и предназначался для управления вертолетом.

Лопасти этого винта крепились ко втулке с помощью продольного шарнира. Конструктивно они были выполнены аналогично лопастям подъемного винта.

Рулевые винты были трехлопастные диаметром 2,25 м; они были рассчитаны на максимальную мощность 250 л. с. и 1800 об/мин. Лопасти винтов были выполнены из дуралюмина. Это были винты с переменным шагом лопастей в полете, причем изменение шага можно было производить в широком диапазоне (до 45°).

Система управления вертолетом включала в себя:

• управление общим шагом больших лопастей несущего винта;
• управление дифференциальным шагом малых лопастей;
• управление шагом рулевых винтов;
• управление рулями глубины и направления;
• управление муфтой включения.

Управление общим шагом больших лопастей несущего винта осуществлялось штурвалом, расположенным в кабине летчика.

Управление дифференциальным шагом малых (управляемых) лопастей несущего винта осуществлялось автоматом перекоса, расположенным между центральным и главным редукторами.

Управление шагом рулевых винтов было связано с ножными педалями и, кроме того, могло производиться специальным дифференциальным механизмом, приводимым в движение от штурвала, расположенного в кабине летчика.

Ножное управление было связано также с отклонением руля направления.

Дифференциальный механизм обеспечивал уравновешивание реактивного момента от несущего винта на всех режимах полета, путевое же управление осуществлялось при помощи ножных педалей.

В середине 1936 г. была закончена постройка вертолета, и он был перевезен на аэродром для летных испытаний.

Вертолет ЦАГИ 11-ЭА ПВ в полете

После тщательной проверки и регулировки всех агрегатов и аппарата в целом начались испытания с запуском двигателя; вертолет во время этих испытаний был на глухой привязи на специально оборудованной якорной площадке.

Вскоре было принято решение перейти на новый тип лопастей - целиком металлической конструкции.

В начале 1938 г. планы дальнейшей работы по вертолету ЦАГИ 11-ЭА радикально изменились. Было решено не ограничиваться переходом на новую конструкцию лопастей несущего винта, а внести в конструкцию вертолета значительные изменения, меняющие даже ранее принятую принципиальную схем аппарата.

Это было вызвано желанием расчленить испытания и доводку вертолета на ряд последовательных этапов, причем в первую очередь намечалось провести испытания вертолета на вертикальных режимах и на режимах горизонтального полета с использованием пропульсивной тяги.

Это решение было принято в значительной степени под влиянием двух существенных обстоятельств, выявившихся в самом начале испытаний вертолета: некоторого перетяжеления вертолета против проектных данных и большего по сравнению с первоначальными наметками потребления мощности рулевыми винтами для парирования реактивного момента от несущего винта в результате неудачного выбора разноса (слишком малого) рулевых винтов и, как следствие этого, - уменьшения доли мощности двигателя, используемой несущим винтом.

Так как изменения, внесенные в конструкцию вертолета ЦАГИ 11-ЭА, были весьма существенны, то он после этих переделок получил новую марку: ЦАГИ 11-ЭА ПВ (пропульсивный вариант).

При переделке вертолета ЦАГИ 11-ЭА в него были внесены следующие конструктивные изменения:

• сняты крылья и вместо них были установлены сварные трубчатые фермы;
• вместо двух рулевых винтов переменного в полете шага установлено четыре рулевых винта меньшего диаметра с большим разносом (11 м вместо 8 м);
• в связи с этим заменены редукторы рулевых винтов; соответственно конструктивно изменена система управления рулевыми винтами;
• установлены новые лопасти несущего винта целиком металлической конструкции;
• установлен в сочленении больших лопастей компенсатор взмаха с коэффициентом компенсации 0,5 и фрикционные демпферы на вертикальном шарнире заменены пружинно-масляными.

Новые рулевые винты и их редукторы были взяты с вертолета ЦАГИ 5-ЭА.

Конструкция новых больших лопастей несущего винта была цельнометаллическая, дуралюминовая. Корень лопасти оканчивался трубой из термически обработанной хромомолибденовой стали. Форма лопасти - плоская, в плане - трапециевидная. Профиль сечений лопасти - NACA-230.

Носовая часть лопасти представляла собой профилированный лонжерон, а хвостовая часть была выполнена из легких хвостовых нервюр, приклепанных к балке и обшитых тонким дуралюминовым листом толщиной 0,8 и 0,5 мм.

Носовая балка состояла из целого дуралюминового носика, двух дуралюминовых полос толщиной 3,5 и 2,5 мм и двух внутренних корытообразных профилей. Все детали были проклепаны потайной клепкой.

форма малых управляемых лопастей - плоская, в плане - трапециевидная. Каркас лопасти - цельнометаллический. Эти лопасти были сконструированы несколько иначе, чем большие, и отличались от них повышенной жесткостью в плоскости тяги.

Управляемая лопасть состояла из двух частей: носовой балки и набора легких хвостовых нервюр, приклепанных к балке.

Носовая балка представляла собой профилированный лонжерон, выколоченный из толстого дуралюминиевого листа. Внутри балки были включены в продольном направлении два корытообразных профиля.

В декабре 1939 г. аппарат на аэродроме был собран, отрегулирован и проверен, и в начале 1940 г. были начаты его летные испытания. Проводил испытания вертолета в качестве летчика инженер Д. И. Савельев. Руководил испытаниями В. П. Лаписов.

После многочисленных рулежек на земле в октябре 1940 г. Д. И. Савельев начал совершать первые свободные подъемы.

Самым неприятным было то, что стоявший на аппарате двигатель был уже основательно изношен и имел малый ресурс, а заменить его было нечем. Несмотря на ограничения, фактическая высота подъема доходила до 30 м. Постепенно осваивая аппарат и совершая на нем длительные полеты, Д. И. Савельев стал переходить на поступательное передвижение с небольшой горизонтальной скоростью.

Хотя интенсивность летных испытаний в зимние месяцы резко снизилась, все же к весне 1941 г. летные качества и возможности вертолета ЦАГИ 11-ЭА ПВ были достаточно полно выявлены.

Ввиду указанного выше ограничения достигнутые результаты были невысоки:

 наибольшая высота подъема                                        50 м 
 наибольшая горизонтальная скорость                            50-60 км/ч 
 наибольшая продолжительность полета (с экипажем 2 человека) около 1 ч 

Эти результаты не характеризовали действительных возможностей вертолета. Летные испытания показали, что:

• вертолет обладал хорошей управляемостью и удовлетворительной устойчивостью;
• элементы трансмиссии, управление и система охлаждения двигателя работали безотказно и не доставляли никаких затруднений;
• вертолет имел большой запас подъемной силы, подъем вертолета и полеты на нем совершались на пониженной частоте вращения двигателя, и мощность двигателя не использовалась полностью (по самым скромным подсчетам запас тяги несущего винта при условии полного использования мощности двигателя составлял 800-1000 кгс).

Подобная оценка возможностей вертолета давала основание надеяться, что расчетные данные могли быть в будущем достигнуты.

Однако непредвиденный случай приостановил все дальнейшие испытания: после одного из полетов была обнаружена стружка в масляном фильтре. Потребовалась переборка двигателя. В связи с отсутствием запасного двигателя это было равносильно полной консервации аппарата.

Следует отметить, что и сейчас, спустя 40 лет, схема этого вертолета представляет некоторый интерес.

Принципиальная схема вертолета ЦАГИ 11-ЭА и затем его модификации - пропульсивного варианта - была предложена И. П. Братухиным. Он же руководил проектированием аппарата, будучи начальником конструкторской бригады «Б» отдела особых конструкций ЦАГИ.

Конструктивная разработка элементов трансмиссии, втулки несущего винта, автомата перекоса и некоторых других механических агрегатов производилась под руководством К. А. Бункина и А. Ф. Муарина.

Проектирование лопастей несущего винта и рулевых винтов было выполнено под руководством Г. И. Солнцева.

Выбор аэродинамических параметров, многочисленные аэродинамические исследования и расчеты, частично расчет на прочность производился под руководством Д. Т. Мацицкого и при участии Б. Я. Жеребцова. Аэродинамические изыскания и расчеты по пропульсивному варианту выполнял Б. Я. Жеребцов.

Экспериментальные исследования, связанные с проектированием вертолета, проводились М. С. Абалдуевым, А. А. Федоровым и А. А. Докучаевым под руководством В. П. Лаписова.

Постройка вертолета ЦАГИ 11-ЭА производилась в цехе винтовых аппаратов (ЦВА) Завода опытных конструкций ЦАГИ под руководством начальника ЦВА А. А. Кобзарева.

Летными испытаниями вертолета ЦАГИ 11-ЭА и его модификации 11-ЭА ВП руководил В. П. Лаписов.