Предыстория российского вертолетостроения

В.Р. МИХЕЕВ канд.техн. наук Институт истории естествознания и техники РАН

История разработки винтокрылых машин в нашей стране насчитывает уже несколько веков. Многие выдающиеся умы России интересовались проблемой подъема в воздух при помощи несущего винта. Критический анализ истории отечественного и зарубежного вертолетостроения показывает, что российские пионеры авиации ничуть не отставали, а часто и значительно превосходили своих иностранных коллег по широте постановки исследований и уровню проработки проектов.

Детская игрушка «летающая палочка», представляющая собой стержень с приделанным к верхнему концу винтом, который раскручивают руками и отпускают в воздух, была известна еще со средневековья. Эта идея подъема в воздух при помощи несущего винта стимулировала впоследствии разработку первых винтокрылых машин.

Великий русский мыслитель Михаил Васильевич Ломоносов соорудил в 1754 г. «аэродромическую машину» для исследования верхних слоев атмосферы. Подлинного изображения «машины» не сохранилось, но на основании архивных материалов можно сделать вывод, что великий ученый создал маленький вертолет двухвинтовой соосной схемы. В «подвешенной» под двухлопастными несущими винтами капсуле-фюзеляже размещались метеорологические приборы. Это был первый в мире малоразмерный вертолет, предназначенный для практического использования. К сожалению, уровень развития науки и техники был еще недостаточен для создания маленького летающего аппарата, и «аэродромическая машина» не поднялась в воздух. За рубежом первые попытки строительства геликоптеров начались только через три десятилетия и были столь же безуспешны.

Работы Ломоносова, как и других его современников-единомышленников, не получили широкой известности и развития. Время интереса к разработке летательных аппаратов тяжелее воздуха пришло только во второй половине XIX века, когда в просвещенной Европе и Америке начались систематическая разработка проектов и попытки строительства малоразмерных и натурных летательных машин.

К 60-м годам прошлого столетия относятся и первые после Ломоносова упоминания об отечественных разработках винтокрылых летательных аппаратов. Это модели энтузиаста М. Сауляка (1861 г.) и знаменитого пионера авиации В.В. Кресса (1864 г.), а также появившиеся в центральной прессе в 1863 г. предложения журналиста А.В. Эвальда и горного инженера П. Алексеева. В.В. Кресс одним из первых в мире обратил внимание на целесообразность придания профилю лопастей вогнутой формы. Эвальд впервые предложил многорежимный несущий винт, предназначенный как для работы на вертолетном режиме, так и на режиме ветряка.

В это же время начал свои работы по экспериментальному исследованию несущих винтов крупный ученый-метеоролог (впоследствии академик) Михаил Александрович Рыкачев. Построив на собственные средства стенд для испытания моделей несущих винтов, Рыкачев замерял развиваемую подъемную силу и затрачиваемую мощность, изменяя угол установки лопастей и частоту вращения винта. Его опыты оказали большое влияние на становление и развитие отечественных экспериментальных аэродинамических исследований, положив начало систематическим исследованиям по вертолетной тематике в России. С исследования геликоптерного винта начала формироваться отечественная научная школа авиации. Авиацией заинтересовалось и российское военное ведомство, однако финансировать пионерные, подчас утопичные, проекты оно разумно не спешило.

В 1869 году в Главное инженерное управление русской армии с проектом вертолета «Электролет» обратился молодой тульский рабочий, будущий выдающийся изобретатель- электротехник А.Н. Лодыгин. Недостаточная проработка проекта послужила причиной отказа ему в поддержке, и молодой изобретатель отправился во Францию, правительство которой, терпя поражения в войне с Германией, согласилось «от отчаяния» финансировать проект Лодыгина. Поражение Франции помешало завершению постройки «Электролета». Так закончилась первая попытка нашего соотечественника построить вертолет.

К концу 70-х годов идея геликоптера стала известной во всей Российской Империи. Об этом свидетельствуют проекты изобретателей К.П. Ярошевского из Бессарабии (1875 г.), В.П. Богородского из Воронежа (1878 г.), И.П. Ювенальева из Саратова (1880 г.), М. Карманова (1882 г.) из Варшавы и других. Уровень проработки проектов сильно возрос. Разработки Ювенальева являются первыми в России проектами вертолетов с продуманной компоновкой. Карманов опробовал на моделях винтов «прыжковый» взлет, в дальнейшем использовавшийся на автожирах.

Русский инженер И. Меликов разработал в 1879 г. в Париже первый в мире проект вертолета с турбиной в качестве двигателя. Прообразы летающей платформы с подъемными винтами в кольцевых каналах и преобразуемого аппарата с вертикальным положением фюзеляжа на старте предложил в начале 80-х годов известный петербургский изобретатель С.И. Барановский.

Врач С.А. Ноткин в 1887 г. впервые произвел расчет на прочность частей конструкции проектируемого вертолета. В следующем году смоленский чиновник И.З. Рациевич прислал в Департамент торговли и мануфактур первую в России патентную заявку на проект винтокрылой машины. Проект его вертолета не отличался оригинальностыо, в отличие от поступившего в Департамент двумя годами позже тщательно продуманного проекта москвича И.И.Сытина.

Другой москвич, Иван Осипович Ярковский, провел в те же годы фундаментальные испытания несущих винтов, сопоставимые по глубине исследования с достижениями его знаменитого современника, пионера американской авиации С. Ленгли. Проанализировав огромный накопленный эмпирический материал, Ярковский построил графики зависимости подъемной силы и сопротивления от угла установки и площади лопастей, частоты вращения винта и сделал вывод о целесообразности малого угла установки лопасти.

К концу прошлого столетия российские пионеры вертолетостроения создали ряд интереснейших проектов летательных аппаратов, содержащих зачатки аэродинамических, прочностных и энергетических расчетов. Обладая передовыми для своей эпохи эмпирическими представлениями о характеристиках и параметрических зависимостях несущих винтов, они вплотную подошли к разработке вертолетов в натуральную величину.

Центром российской научно-конструкторской авиационной мысли конца XIX века был воздухоплавательный отдел Императорского русского технического общества. Здесь собирался цвет российской научно- технической интеллигенции – ведущие отечественные ученые и инженеры, многие из которых были убежденными сторонниками подъема в воздух при помощи несущего винта. Фундаментальный анализ результатов отечественных и зарубежных исследований по теории геликоптера проделал в 1892 г. один из руководителей отдела Е.С. Федоров.

В том же году основатель отдела, выдающийся российский ученый и изобретатель С.Н. Джевецкий впервые опубликовал начала своей знаменитой теории «элемента лопасти», которая на протяжении многих лет являлась главным руководством по выбору параметров воздушных и несущих винтов. Член Технического общества Б.Д.' Потемкин первым приступил в конце 80-х годов XIX века к сооружению вертолета. Однако его трехместный «пороходвигающийся геликоптер-каптиф (привязной вертолет)» так и не был построен. Вероятно, изобретатель не продвинулся дальше опытов с силовой установкой геликоптера.

Интересных результатов добился морской инженер и изобретатель Павел Дмитриевич Кузьминский. Он был одним из организаторов и активнейших сотрудников воздухоплавательного отдела Технического общества. Из всех видов летательных аппаратов изобретатель считал наиболее целесообразным геликоптер, проект которого он разработал в начале 90-х годов. Кузьминский назвал свой двухвинтовой вертолет поперечной схемы «Русолетом», а спроектированные для него высокооборотные несущие винты – «русоидами». Конический спиралевидный «русоид» представлял собой видоизменение «архимедова винта». С современной точки зрения его использование в качестве несущего винта было нецелесообразно из-за низкого аэродинамического КПД, но в то время проблема целесообразности еще не встала на повестку дня. Расчеты Кузьминского, признанного специалиста по гидромеханике и кораблестроению, вызвали благожелательное отношение со стороны ряда оппонентов, и воздухоплавательный отдел ассигновал в 1892 г. средства на опыты с «русоидом».

По не зависящим от него причинам Кузьминский не смог сразу приступить к постройке и испытаниям «русоида» и израсходовал отпущенные ему отделом средства на сооружение опытного двигателя, правильно полагая, что создание легкой силовой установки является столь же важным условием осуществления работоспособного летательного аппарата, как и высокоэффективный несущий винт. Оригинальный двигатель собственной конструкции изобретатель назвал «газопарородом». Это был первый в мире газопаротурбинный двигатель.

Одновременно с Кузьминским попытку построить вертолет предприняли два других российских инженера. Варшавский электротехник Станислав Антонович Гроховский спроектировал в 1891 г. двухвинтовой летательный аппарат поперечной схемы с электродвигателем. Это был один из первых в мире проектов, в котором была учтена необходимость управления и балансировки силами и моментами относительно всех трех осей, причем не только при полете с поступательной скоростью, но и на специфических вертолетных режимах полета: вертикальном взлете и посадке, а также висении.

Приступая к сооружению вертолета. Гроховский прежде всего построил всю динамическую систему (трансмиссию и несущие винты), после испытания которой намеревался строить остальные части. Аппарат остался недостроенным, так как, не веря в возможность использования тяжелых электродвигателей на летательных аппаратах, официальные инстанции отказались поддерживать работу Гроховского.

Другой вертолет, также двухвинтовой поперечной схемы с электродвигателем, пытался построить в последние годы XIX столетня выдающийся русский ученый-металлург Дмитрий Константинович Чернов (1839-1921 гг.). Разработке проекта предшествовали исследования несущего винта на стенде. Научное обоснование выбора схемы винтокрылой машины, а также рациональной формы лопастей с большим относительным удлинением он опубликовал в брошюре, явившейся ярким событием в истории развития отечественной авиационной научной мысли. Ограниченные финансовые возможности не позволили Чернову осуществить задуманную постройку.

Следует упомянуть еще одну попытку построения винтокрылого летательного аппарата, предпринятую в конце XIX века. Скромный чиновник Министерства финансов Виктор Викторович Котов продемонстрировал в 1895 г. на заседании воздухоплавательного отдела Императорского русского технического общества удачно летавшие модели, в том числе и первого в мире планера-автожира. Отдел принял решение оказать поддержку изобретателю в постройке аналогичных пилотируемых планеров, но смерть Котова помешала этому начинанию.

Таким образом, все первые попытки отечественных конструкторов построить в XIX веке геликоптер не увенчались успехом. Уровень развития науки и техники был еще недостаточен для подъема в воздух посредством несущего винта. Конечно, «вознестись к небесам» можно было и на воздушном шаре, но управление им было крайне затруднено, аэростат оставался «игрушкой ветра». Преподаватель Харьковского университета, доктор медицины Константин Яковлевич Данилевский попытался найти выход из этого положения в создании гибридного летательного аппарата. Входящий в состав гибрида аэростатный баллон должен был создать подъемную силу несколько меньшую, чем собственный вес снаряженной машины. Недостающую подъемную силу предполагалось создавать несущим винтом, благодаря чему можно было обойтись без характерных для воздухоплавания балласта и стравливания газа.

В 1899 г. Данилевский построил аппарат с аэростатным баллоном и двумя поперечно расположенными несущими винтами, приводимыми во вращение мускульной силой аэронавта, и совершил ряд небольших подъемов в воздух на своем аппарате. Это было первое в России практическое использование несущих винтов для создания подъемной силы. Под баллоном этого аппарата располагалась система поворачивающихся аэродинамических поверхностей. выполнявших две функции: крыла и руля управления. При подъеме и спуске на установленных соответствующим образом поверхностях возникала аэродинамическая сила, обеспечивающая поступательное перемещение.

Параллельно с традиционной столичной научной школой начала формироваться и научная школа в Москве. Не лидер профессор Николай Егорович Жуковский уделял большое внимание разработке проблем вертолетостроения, считая винтокрылый летательный аппарат наиболее перспективным типом воздушной машины. Еще в 80-е годы XIX века он экспериментировал с моделями геликоптеров. В 1890 г. в первом же своем печатном труде «К теории летания», посвященном теоретическим вопросам авиации, Жуковский привел свои соображения о расчете тяги и мощности несущего винта. Различные вопросы вертолетостроения рассматривались им в работе «О воздухоплавании» в 1898 г.

При определении направления работ аэродинамических лабораторий Московского университета (1902 г.) и Кучинского института (1904 г.) ученый особое внимание уделил постановке экспериментальных исследований характеристик несущих винтов, руководил созданием специальных испытательных стендов. Проведенные во вновь организованных аэродинамических лабораториях исследования способствовали появлению новых научных трудов Жуковского «О полезном грузе, поднимаемом геликоптером», «Теория винта.

работающего только на растяжение», «О винтах, не подвергающихся сгибанию» (1904 г.) и «Теория гребного винта с большим числом лопастей» (1907 г.), заложивших основы отечественной теории проектировочного аэродинамического и энергетического расчета вертолетов и конструирования лопастей с гибким комлем. Помимо научных и экспериментальных исследований, ученый занимался разработкой проектов винтокрылых машин: тяжелого восьми винтового и легкого «Мотылька».

Среди аналитических работ по теории винтокрылых летательных аппаратов достойна внимания и вышедшая в 1901 г. в Ашхабаде брошюра Д. Чумакова «Основы к решению задачи воздухоплавания», в которой автор впервые, значительно опережая мировой уровень, проанализировал динамику полета винтокрылого аппарата и дал практические рекомендации по обеспечению управления и балансировки геликоптера.

На рубеже XIX и XX веков появился ряд проектов с основательно продуманной компоновкой, конструкцией узлов и деталей, упрощенными прочностными, аэродинамическими и энергетическими расчетами. Значительно продвинулись изобретатели винтокрылых машин в области развития представлен и й о проблемах устойчивости и управляемости. Речь идет о проектах горного инженера С.М. Кенигсберга (1893 г.), сподвижника Н.Е Жуковского С.С. Неждановского (1894-1896 гг.), служащего Главного инженерного управления русской армии инженера-механика JI. д'Андре (1895 г.), мастера Сестрорецкого оружейного завода В.П. Коновалова (1895 г.), отставного полковника II.М. Янушева из Ташкента (1902 г.), учителя А.В. Яблонева (1902 г.) из Ряжска, главного инженера Путиловского завода П.П. Липковского (1902-1904 гг.) и других.

В проектах д’Андре и Янушева особенно тщательно была проработана конструкция трансмиссии, в проектах Яблонева. Янушева и Липковского – система управления. Яблонев впервые в истории вертолетостроения и одним из первых в авиации разработал конструкцию автопилота, основным элементом которого является гироскоп. Янушев впервые сконструировал для своего аппарата навигационное оборудование. В связи с отсутствием в то время легкого и надежного авиационного мотора авторы практически всех проектов предложили силовые установки оригинальной конструкции.

Особенно заметное место среди пионерных отечественных работ в области вертолетостроения занимают исследования Сергея Сергеевича Неждановского. Он одним из первых в мире предложил использовать на вертолете в качестве силовой установки двигатель внутреннего сгорания. Неоспоримый приоритет принадлежит Неждановскому в разработке и предложении прямоточных воздушно-реактивных двигателей для установки на концах лопастей несущего винта. В дальнейшем инженер первым в мире разработал реактивный компрессорный привод винта с дожиганием на концах лопастей. Проектируя одновинтовые летательные аппараты с реактивным приводом, Неждановский разработал различные схемы их путевой балансировки и управления, многие из которых ранее никем в мире не предлагались.

Известный своими многочисленными изобретениями в области транспортной техники Иосиф Иосифович Липковский заинтересовался авиацией и разработал в начале XX века несколько проектов вертолетов двухвинтовой соосной схемы. Несущие винты предполагались двухлопастными с углом между передней и задней кромками более 180 градусов. вследствие чего при остановке они могли служить парашютами.

К созданию вертолета в натуральную величину инженер приступил в 1904 г. на Путиловском заводе. Для начала он соорудил один натурный несущий винт сравнительно большого размера (16 м) и замерил создаваемую им подъемную силу. Результат получился неправдоподобно высоким. Усомнившись в нем. специалисты Главного инженерного управления русской армии переправили чертежи и расчеты П.И. Липковского на отзыв Н.Е. Жуковскому. «Отец русской авиации» отметил нерационально выбранную форму лопастей, завышенный КПД несущих винтов и заниженный вес конструкции. Военное ведомство воздержалось от поддержки строительства. Еще одна попытка российского изобретателя построить вертолет окончилась неудачей.

Помимо глубоко продуманных проектов. восхищающих широтой охвата проблем вертолетостроения. в это время появлялись и более простые предложения. содержащие, однако, ряд интересных идей. Так, кустарь из Сергиева Посада Н.М. Митряйкнн прислал в 1899 г. в военное ведомство макет вертолета-мускулолета «воздухоплавательный велосипед», который предлагал использовать для того, чтобы «…с поля битв раненых вывозить скоро, не тряся и не качая», т. е. в качестве санитарно-эвакуационного средства. Донской казак А.Я. Смирнов в том же году прислал проект летательной машины, представлявшей собой прообраз будущих «ранцевых» вертолетов индивидуального пользования. Военный чиновник Усть-Двинской крепости Кузьмин спроектировал в 1900 г. прообраз автомата перекоса для управления общим и циклическим шагом лопастей винта вертолета. В дальнейшем он построил модель автомата перекоса и опробовал ее работу на модели несущего винта.

К началу XX века русскими конструкторами было создано свыше 40 проектов винтокрылых летательных аппаратов, высказаны предложения об использовании двигателя внутреннего сгорания в качестве силовой установки, проведены теоретические и экспериментальные исследования по определению параметров несущих винтов, предложены различные схемы балансировки и управления на основных режимах полета, разработана конструкция ряда агрегатов. Многие конструктивные решения были выдвинуты впервые и представляли отечественный приоритет.

К сожалению, уровень развития науки и техники не позволял тогда опробовать эти решения на аппаратах, изготовленных в натуральную величину. Время их создания наступило намного позже, в конце первой декады XX века. Опыт пионерного этапа отечественного вертолетостроения непосредственно предшествовал началу широкой постройки первых российских вертолетов.

Автор благодарит РГНФ за помощь

К И Б Е Р И Я