Вертолеты опытно-конструкторского бюро А. С. Яковлева

Вертолет Як-100

В конце 1947 г. в ОКБ А. С. Яковлева были начаты проектные работы по созданию опытного вертолета, получившего впоследствии марку Як-100.

Александр Сергеевич Яковлев

Вертолет, проектировавшийся в двух вариантах - двухместном (учебном) и трехместном, - предназначался для связи.

Вертолет Як-100 был создан по классической одновинтовой схеме, имел трехлопастный несущий винт, трехлопастный рулевой винт и был снабжен двигателем воздушного охлаждения АИ-26ГРФЛ номинальной мощностью у земли 420 л. с.

Несущий винт вертолета был трехлопастный диаметром 14,5 м.

Вертолет Як-100. Вид в трех проекциях

Лопасти несущего винта - деревянные с каркасом, состоявшим из лонжерона, склеенного из ясеня и дуба, сосновых и липовых нервюр и ясеневого и липового ободов. Обшивка лопасти - фанерная.

Каждая лопасть имела на задней кромке дуралюминовый триммер, угол установки которого регулировался на земле. На комлевую часть лопасти была надета дуралюминовая муфта, состоявшая из двух половин, стягиваемых болтами, пропущенными сквозь комель и ушки муфты.

При помощи стыковой муфты лопасти были подвешены через продольный, вертикальный и горизонтальный шарниры к втулке несущего винта.

На осях вертикальных шарниров были смонтированы фрикционные демпферы.

Передача мощности двигателя на несущий и рулевой винты осуществлялась трансмиссией, состоявшей из вертикального вала, главного редуктора, хвостового вала и хвостового редуктора.

Так как ось двигателя была расположена горизонтально, в его редукторе имелась угловая передача, передававшая крутящий момент на вертикально расположенный вал. Непосредственно в двигателе находилась комбинированная муфта включения и свободного хода.

Вертолет Як-100

Вертикальный вал с упругими резиновыми муфтами на концах входил наверху в главный редуктор, состоявший из следующих элементов: ведущего цилиндрического зубчатого колеса, хвостовик которого был соединен с тормозом несущего винта; ведомого цилиндрического зубчатого колеса, состоявшего из двух зубчатых венцов; ведущего и ведомого конических зубчатых колес, связанных через хвостовой вал с хвостовым редуктором.

Система трансмиссии обеспечивала передаточные числа: от коленчатого вала двигателя к несущему винту - 0,113; от коленчатого вала двигателя к рулевому винту - 0,69.

На вертолете Як-100 был установлен трехлопастный рулевой винт диаметром 2,6 м. Лопасти рулевого винта - деревянные, склеенные из ясеневых реек в носке и из сосновых реек в остальной части.

Комлевая часть лопасти была усилена дуралюминовыми накладками, лопасти присоединялись к втулке с помощью горизонтальных шарниров.

Схема трансмиссии вертолета Як-100

Управление вертолетом Як-100, обычное для аппаратов одновинтовой схемы, состояло из управления циклическим шагом лопастей несущего винта, объединенного управления общим шагом лопастей несущего винта и газом двигателя («Шаг - Газ») и управления шагом рулевого винта.

Управление вертолетом было дублированное.

Автомат перекоса был выполнен в виде пустотелого ползуна, перемещавшегося внутри вала главного редуктора, имел штангу, качавшуюся внутри ползуна на шаровом шарнире, и головку, помещенную на верхнем конце штанги.

На головке было установлено три рычага, связанных с поводками поворота лопастей несущего винта.

Схема управления циклическим шагом лопастей несущего винта вертолета Як-100

Штанга системой тяг и качалок соединялась с ручками управления циклическим шагом.

Рычаги объединенного управления «Шаг - Газ» при помощи жестких тяг были связаны с винтовым необратимым механизмом и с рычагом нормального газа двигателя. Винтовой механизм был связан с ползуном автомата перекоса.

Рычаг «Шаг - Газ» обеспечивал одновременное согласованное изменение общего шага лопастей несущего винта и нормального газа двигателя и допускал дополнительную корректировку нормального газа при неизменном общем шаге.

В систему управления циклическим шагом были включены специальные демпферы и пружинные разгрузочные устройства, позволявшие регулировать усилия на ручке управления. Изменение натяжения пружин производилось штурвалами, установленными на левом пульте. Управление рулевым винтом производилось ножными педалями, связанными цепью управления с механизмом изменения шага рулевого винта.

Схема управления общим шагом лопастей несущего винта вертолета Як-100

В ноябре 1948 г. был построен и передан на заводские летные испытания первый экземпляр вертолета Як-100. В июле 1949 г. был построен второй экземпляр вертолета, который также поступил на заводские летные испытания.

Заводские летные испытания обоих экземпляров были закончены в июне 1950 г.

В процессе этих испытаний, в программу которых входили доводка вертолета, ресурсные испытания и снятие летных характеристик, были получены следующие летные данные вертолета Як-100:

 максимальная скорость горизонтального полета   170 км/ч 
 статический потолок                           2720 м 
 динамический потолок                          5250 м 
 практическая дальность полета                  325 км 

Во время летных испытаний и доводки вертолета Як-100 было обнаружено явление флаттера лопастей несущего винта. При увеличении частоты вращения винта свыше 210 об/мин начиналась резкая тряска аппарата, сопровождавшаяся нарушением махового движения лопастей, «размывом» конуса несущего винта и ненормальным поведением ручки управления циклическим шагом.

С этим дефектом удалось достаточно быстро справиться путем перемещения к передней кромке центра тяжести лопастей несущего винта.

Во второй половине 1950 г. вертолет Як-100 прошел государственные испытания с положительной оценкой.

Вертолет Як-24

В конце 1951 г. в ОКБ было начато проектирование тяжелого вертолета, получившего марку Як-24.

Як-24 представлял собой двухвинтовой вертолет с продольным расположением несущих винтов (двухвинтовой вертолет продольной схемы).

На вертолете были установлены два поршневых двигателя АШ-82В номинальной мощностью по 1430 л. с. каждый с принудительным воздушным охлаждением.

Вертолет Як-24 имел два четырехлопастных несущих винта, четырехколесное неубирающееся в полете шасси и двухместную кабину летчиков с двойным управлением.

Вертолет Як-24. Вид в трех проекциях

Вращение несущих винтов в противоположные стороны было синхронизировано. Для уменьшения влияния переднего винта на задний последний устанавливался со значительным превышением над первым.

Вертолет применялся в трех вариантах: десантном: транспортном и санитарном. Кроме того, он мог быть дополнительно переоборудован для использования в качестве трубоукладчика и бензозаправщика.

Кабина летчиков была трехместная, два места - для летчиков, одно - для радиста.

В заднем конце грузовой кабины был расположен откидывающийся грузовой трап, по которому производилась загрузка и выгрузка грузов и военной техники.

В средней части пола для загрузки и разгрузки вертолета на режиме висения имелся люк, закрытый крышкой и двумя створками.

Для облегчения загрузки и выгрузки через люк пола в верхней части рамы была установлена электрическая лебедка грузоподъемностью 200 кг.

Вертолет Як-24. Грузовой трап откинут

В санитарном варианте вертолета в грузовой кабине могли быть размещены 18 унифицированных носилок, сиденье и столик для врача, а также различный санитарный инвентарь.

В этом варианте люк пола мог быть использован для подъема в грузовую кабину раненых на носилках при помощи лебедки без посадки вертолета на землю.

Конструктивно каждая из двух несущих систем вертолета Як-24 (втулки несущих винтов, лопасти с сочленениями и автоматы перекоса) была аналогична несущей системе вертолета Ми-4. Это давало возможность использовать при создании вертолета Як-24 агрегаты, испытанные и доведенные на вертолете Ми-4 неосвоенные в серийном производстве.

Трансмиссия вертолета состояла из двух главных редукторов, двух промежуточных редукторов и трансмиссионных валов, соединявших между собой двигатели и главные редукторы и обеспечивавших синхронное вращение несущих винтов.

Главный редуктор был шестеренчатый, планетарный с передаточным отношением 0,07417.

Схема трансмиссии вертолета Як-24

Планетарный механизм редуктора был двухступенчатый. Первая ступень состояла из зацепления, образованного двумя коническими зубчатыми колесами со спиральными зубьями, ведущего цилиндрического зубчатого колеса, укрепленного на хвостовике ведомого конического зубчатого колеса, неподвижного цилиндрического зубчатого колеса с внутренним зацеплением и шести сателлитных зубчатых колес, объединенных между собой общим корпусом, в верхней части которого находилось ведущее цилиндрическое зубчатое колесо второй ступени. Вторая ступень редуктора по схеме зацепления была аналогична первой ступени и состояла из ведущего цилиндрического зубчатого колеса, неподвижного зубчатого колеса с внутренним зацеплением и восьми сателлитов, корпус которых был соединен с валом редуктора.

Передний и задний промежуточные редукторы принципиально ничем не отличались друг от друга. Каждый промежуточный редуктор состоял из корпуса, внутри которого было смонтировано два конических зубчатых колеса, муфты свободного хода и привода маслонасоса.

Управление вертолетом осуществлялось изменением величины и направления силы тяги несущих винтов путем:

• одновременного и одинакового изменения общего шага обоих несущих винтов;
• одновременного дифференциального изменения общего шага несущих винтов;
• одинакового или разнозначного циклического изменения углов установки лопастей несущих винтов;
• некоторыми комбинациями этих методов.

Конструктивно система управления вертолетом состояла из автоматов перекоса, ручек управления общим и циклическим шагом, ножных педалей и целого ряда качалок, тяг и других элементов.

Для обеспечения управления общим шагом без применения летчиком больших усилий и устранения возможности передачи усилий от несущих винтов к ручкам «Шаг - Газ» в проводку управления были включены четыре гидроусилителя, по одному основному и одному резервному на каждый несущий винт.

При отклонении ручки управления «на себя» или «от себя» происходило циклическое изменение шага несущих винтов в продольном направлении и одновременно согласованное дифференциальное изменение общего шага.

В проводку продольного управления были включены гидроусилители по одному основному на каждый винт и один резервный на оба винта. Гидроусилители, включенные в систему продольного управления, были обратимые, со степенью обратимости 1 : 10. В проводку управления включались инерционные демпферы и пружинный триммер.

Управление пружинным триммером было электрическое, осуществляемое при помощи дистанционного механизма.

В проводку поперечного управления включались три гидроусилителя (два основных и один резервный) и пружинный триммер. Система гидроусилителя была необратимая. Управление триммером - электрическое дистанционное.

Путевое управление вертолетом - сдвоенное, осуществлялось оно равновеликим, но разнозначным изменением циклического шага несущих винтов.

Схема главного редуктора трансмиссии вертолета Як-24

Путевое управление вертолетом было также снабжено пружинным триммером с электрическим дистанционным механизмом.

На случай выхода из строя основных гидроусилителей в системах управления общим шагом, продольного и поперечного управления были включены резервные гидроусилители, работающие от отдельной гидросистемы. Для повышения надежности работы гидросистемы были разделены на три самостоятельные системы, из которых две основные и одна резервная.

Управление гидравлическими муфтами сцепления, расположенными внутри носков картера двигателя, было электрическое, раздельное для каждого двигателя. Управление тормозом несущих винтов вертолета - тросовое.

Схема управления вертолетом Як-24 (управление продольное общим шагом и дифференциальным общим шагом)

На вертолете устанавливался полный комплект оборудования, необходимого для выполнения полетов в сложных метеорологических условиях дня и ночи.

Вертолет Як-24 строился одновременно в четырех экземплярах: один экземпляр предназначался для статических испытаний, второй - для ресурсных испытаний, третий и четвертый - для заводских и государственных летных испытаний.

Полные испытания прошли основные элементы трансмиссии вертолета, лопасти несущих винтов и вся двигательная группа с системой питания двигателей и их искусственного охлаждения.

Статические испытания первого экземпляра прошли успешно.

Вертолет Як-24 в полете

Основные неприятности встретились в начале ресурсных испытаний. Это была вибрация вертолета, и борьба с ней потребовала больших усилий как со стороны конструкторов ОКБ, так и со стороны ученых и инженеров основных исследовательских авиационных институтов страны.

Тем временем один из экземпляров вертолета подготавливался к проведению заводских летных испытаний.

Начался период тщательного исследования нового вертолета, его изучения и освоения на режимах висения и полета на небольших высотах от земли.

3 июля 1952 г. экипаж вертолета в составе летчиков С. Г. Бровцева и Е. Ф. Милютичева совершил на вертолете Як-24 первый полет.

Это было большим достижением советского вертолетостроения: вертолет Як-24 по полетной массе, суммарной мощности двигателей и полезной нагрузке превосходил все советские и зарубежные вертолеты тех лет. Кроме того, это был первый в СССР вертолет новой принципиальной схемы - двухвинтовой продольной.

В последующих испытательных полетах стали постепенно выявляться дефекты нового вертолета, требующие изучения и устранения.

Самым трудным из них оказалась вибрация вертолета в полете, принимавшая на некоторых режимах размеры, угрожающие прочности конструкции.

Схема поперечного и путевого управления вертолетом Як-24

Из зарубежной литературы было известно, что вибрация - это самая опасная, мучительная и трудноустранимая болезнь вертолетов. Было известно, что в течение многих лет Пясецкий (США) безуспешно боролся с вибрацией своего вертолета продольной схемы УН-16; много лет потратил на устранение вибраций вертолета «Бристоль-173» его конструктор Хаффнер (Англия). Столь же трудным оказался путь борьбы с этим явлением на вертолете Як-24, что сказалось на сроках его испытания и доводки.

Некоторого уменьшения вибрации удалось достигнуть, изменив собственные частоты лопастей несущих винтов путем уменьшения их длины на 500 мм. Однако этого было недостаточно.

В результате длительных и упорных поисков была обнаружена истинная причина этого явления, которая заключалась в неблагоприятном сочетании значительных деформаций фюзеляжа и неудачного расположения кинематической цепи системы управления вертолетом.

Изменение кинематики в системе управления принесло ожидаемые результаты - вибрация вертолета резко уменьшилась и появилась возможность провести нормальные заводские летные испытания вертолета Як-24, которые были завершены в конце 1954 г.

В начале 1953 г. вертолет Як-24 был предъявлен на государственные испытания, которые проходили с перерывами и были окончены лишь в апреле 1955 г. Вертолет получил положительную оценку и был принят в серийное производство. Работы по дальнейшей доводке вертолета продолжались. Следует отметить основные из них, значительно улучшившие его конструкцию:

• ранее имевшийся стабилизатор с большим поперечным V был заменен стабилизатором площадью 9,5 м² с поперечным V = 20° и с двумя профилированными шайбами, установленными на концах стабилизатора под углом 3° 30' к продольной оси вертолета (шайбы повернуты влево); это улучшило путевую устойчивость вертолета и повысило его надежность в эксплуатации;
• была усилена конструкция некоторых узлов фюзеляжа.

Началось успешное освоение вертолета. Уже в 1955 г. на авиационном празднике четыре вертолета Як-24 приняли участие в воздушном параде, продемонстрировав высадку внушительного военного десанта.

17 декабря 1955 г. летчик Е. Ф. Милютичев поднялся на вертолете Як-24 с грузом в четыре тонны на высоту 2902 м; в тот же день летчик Г. А. Тиняков совершил подъем груза в две тонны на высоту 5082 м. В 1956 г. эти результаты были утверждены ФАИ как мировые рекорды.

О продолжительности пребывания вертолета в воздухе и о дальности его полета свидетельствует ряд беспосадочных перелетов, в частности перелет по маршруту Москва - Ленинград.

В порядке дальнейшего усовершенствования вертолета Як-24 и повышения его летно-тактических и эксплуатационных качеств была проведена его модификация.

Модифицированный вертолет, которому присвоена марка Як-24У, был построен в декабре 1957 г.

По сравнению с серийным вертолетом в конструкцию вертолета Як-24 был внесен ряд изменений:

• вновь установлены несущие винты диаметром 21 м (как это было вначале на Як-24);
• увеличены углы наклона несущих винтов переднего до 2° 30' вправо и заднего до 2° 30' влево;
• ширина грузовой кабины увеличена на 400 мм;
• предусмотрена установка устройства для наружной подвески грузов;
• изменены размеры стабилизатора и установлены шайбы;
• в системе управления вертолетом установлены автоматы демпфирования для автоматической стабилизации вертолета в полете;
• снят триммер с киля;
• улучшена конструкция и увеличена прочность рам двигателей и отдельных узлов фюзеляжа;
• увеличено количество дополнительных бензиновых баков и внесены изменения в систему их дренажирования;
• изменена ферма и установлены новые амортизационные стойки заднего шасси, устраняющие «земной резонанс».

В результате внесенных изменений:

• значительно увеличилась грузоподъемность вертолета Як-24У по сравнению с серийным вертолетом Як-24;
• увеличился полезный объем грузовой кабины, что расширило возможность применения вертолета по транспортировке крупногабаритных грузов;
• появилась возможность транспортировать по воздуху крупногабаритные грузы массой до 3,5 т в подвешенном к вертолету положении.

В процессе освоения и дальнейшей доводки вертолета Як-24 была проведена большая работа (совместно со специализированным ОКБ) по автоматической стабилизации управления вертолетом, установке на вертолет автопилота оригинальной схемы и системы автотриммирования.

В начале 1958 г. впервые в Советском Союзе с целью улучшения характеристик устойчивости и управляемости вертолета Як-24 в систему управления было включено устройство автоматической стабилизации, создающее искусственное демпфирование курса, крена и тангажа. Это устройство значительно упростило управление вертолетом; летчик получил возможность на некоторое время оставлять управление вертолетом даже при полете в сложных метеорологических условиях.

Действие автоматов парирования, применяемых в устройстве автоматической стабилизации, было основано на автоматическом отклонении автоматов перекоса на величину, пропорциональную угловым скоростям движения вертолета относительно продольной, поперечной и вертикальной осей.

Чувствительным элементом автомата являлся датчик угловой скорости - гироскоп с двумя степенями свободы.

Усиленный сигнал, пропорциональный угловой скорости движения вертолета, поступал в реверсивный электродвигатель раздвижной тяги.

При вращении электродвигателя раздвижная тяга, перемещавшаяся в ту или иную сторону в зависимости от направления угловой скорости вертолета, вызывала отклонение автомата перекоса и парировала возникшее возмущение.

В процессе летных испытаний устойчивости и управляемости вертолета Як-24 с автоматами парирования изучалось возмущенное движение вертолета, обследовалась возможность выполнения полета с полностью освобожденным управлением, а также производился облет вертолета на различных режимах с включенными автоматами парирования и без них.

Автоматическая стабилизация была установлена на всех серийных вертолетах Як-24.

В июне 1959 г. успешно прошел летные испытания автопилот, созданный по схеме ОКБ.

Автопилот, установленный на вертолете Як-24, представлял собой электромеханический регулятор с регулированием по углу и угловой скорости, состоял из агрегатов автоматов парирования и агрегатов автопилота.

При неустановившемся полете, когда летчик производил изменение режима (изменение скорости, высоты, развороты и т. д.) раздвижные тяги работали от сигналов, поступавших от автоматов парирования.

При установившихся режимах полета раздвижные тяги работали от сигналов, поступавших от агрегатов автопилота.

В системе автоматической стабилизации, установленной на вертолете Як-24, в качестве рулевых агрегатов впервые были применены раздвижные тяги, использующие только 30% запасов управления и позволявшие управлять вертолетом с включенной системой автоматической стабилизации с помощью ручки и педалей.

Автопилот обеспечивал стабилизацию полета вертолета на режимах прямолинейного горизонтального полета, набора высоты, при моторном и безмоторном планировании, на виражах, на всем диапазоне эксплуатационных скоростей и высот, включая режим висения.

Включение автопилота не требовало предварительной настройки и производилось автоматически после снятия усилий с органов управления на любом курсе и при любых положениях продольной и поперечной осей вертолета и зоне углов ± 30° относительно истинного горизонта.

Для облегчения пользования триммерными механизмами на вертолете была установлена система автотриммирования.

Управление вертолетом через автопилот не было предусмотрено; изменение режима полета вертолета производилось обычными органами управления - ручкой управления и педалями. При этом автопилот автоматически отключался и переводился в режим согласования, а в систему управления вертолетом включались автоматы парирования. Автоматическое включение и выключение автопилота осуществлялось специальным устройством, смонтированным на триммерах механизмов вертолета.

По сравнению с существующими автопилотами система автоматической стабилизации имела следующие преимущества:

• в случае заклинивания раздвижных тяг в крайних положениях запасы управления полностью сохранялись, изменялось лишь балансировочное положение органов управления;
• в случае обрыва обратных связей рулевые агрегаты плавно уходили в крайние положения, а изменившееся положение вертолета летчик легко восстанавливал органами управления;
• включение и выключение автопилота происходило плавно, без рывков;
• в полете на установившихся режимах при работающем автопилоте органы управления (ручка, педали) были неподвижны и не отвлекали внимания летчика;
• отсутствовали дополнительные органы управления, необходимые для управления вертолетом с помощью автопилота (летчик в любой момент имел возможность вмешаться в управление вертолетом, выполняя при этом обычные действия органами управления);
• была обеспечена надежная стабилизация скорости в условиях сильной «болтанки»;
• система автопилота включалась на земле перед взлетом и выключалась после посадки, не требуя в полете никаких дополнительных включений.

Система автопилота, установленная на вертолете Як-24, намного снизила утомляемость экипажа и значительно облегчила пилотирование тяжелых вертолетов в сложных метеорологических условиях на большие расстояния при сохранении заданных режимов полета.

Установленные в системах триммерных устройств продольного, поперечного и путевого управления механизмы концевых выключателей автотриммирования намного облегчили работу летчика: нажатием одной кнопки летчик приводил в действие три переключателя триммеров. При этом электромеханизмы триммеров работали до тех пор, пока не были сняты усилия с ручки (педалей) и механизмы концевых выключателей не займут исходное положение.

Благодаря большой грузоподъемности и возможности подвешивать груз на внешней подвеске вертолеты Як-24 и Як-24У нашли применение впервые в Советском Союзе в качестве летающих кранов и в строительстве. В июне 1959 г. вертолет Як-24 участвовал в восстановлении Екатерининского дворца в г. Пушкино - снимал деревянные формы и заменял их металлическими.

В июле 1959 г. вертолет Як-24 применялся при сооружении газопровода Серпухов - Ленинград.

В 1960 г. на базе вертолета Як-24У был построен 30-местный пассажирский вертолет Як-24 А с большим комфортабельным салоном. За перегородкой, в задней части салона, находились багажник с большой дверью для погрузки багажа и люк аварийного покидания вертолета.

Входная подножка, прямые линии зеркальных панелей окон и вся внешняя отделка делали вертолет Як-24 А похожим на летающий вагон.

В процессе летных испытаний, доводки и освоения вертолетов Як-24 конструкторскому коллективу пришлось столкнуться с целым рядом ненормальных явлений, весьма сложных и трудноустранимых, особенно в конструкции вертолета продольной схемы.

В результате настойчивой и напряженной работы работникам ОКБ при участии специалистов научно-исследовательских организаций удалось справиться с возникшими трудностями и ликвидировать большинство обнаруженных дефектов.

Освещая работы ОКБ А. С. Яковлева по созданию вертолетов (соосного, Як-100 и ЯК-24 с модификациями), следует отметить активную роль сотрудников ОКБ С. А. Бемова, П. П. Брылина, К. А. Виганта, Л. С. Вильдгрубе, К. С. Кильдишевой, С. Я. Макарова, Г. И. Огаркова, П. Д. Самсонова, Г. М. Семенова, Н. К. Скржинского, Л. М. Шехтера, И. А. Эрлиха и летчиков-испытателей С. Г. Бровцева, Ю. А. Гарнаева, Е. Ф. Милютичева, Г. А. Тинякова.