Экспериментальный винтокрыл ЦАГИ 11-ЭА.
Разработчик: ЦАГИ, И.П.Братухин
Страна: СССР
Первый полет: 1940 г.
На основе значительного опыта, накопленного отделом особых конструкций ЦАГИ в процессе испытаний и доводки вертолётов ЦАГИ 1-ЭА и 5-ЭА, было решено создать новый вертолёт, более мощный и совершенный, с лучшими лётными данными, в большей степени пригодный для нормальной эксплуатации.
Проектирование этого вертолёта, получившего наименование ЦАГИ 11-ЭА, было начато в 1934 году. Это был двухместный одновинтовой вертолёт комбинированной схемы с несущим винтом, аналогичным несущему винту вертолёта 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 самолётное оперение v киль с рулём поворота и стабилизатор с рулём высоты. Кроме того, имелось управление вертолётного типа: дифференциальное изменение шага управляемых лопастей несущего винта при помощи автомата перекоса и рулевые винты. Принципиальная особенность вертолёта ЦАГИ 11-ЭА заключалась во взаимной связи его несущего винта и рулевых винтов, осуществляемой при помощи системы управления.
Обороты несущего и рулевых винтов, связанные единой системой трансмиссии, всегда оставались синхронным. В тоже время ввиду изменения их общего шага доля потребляемой ими мощности менялась в широких пределах.
Все три операции, связанные с переходом от парящего полёта 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 v штурвала, расположенного в кабине лётчика. Последняя из этих операций — уменьшение дифференции общего шага рулевых винтов v 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 полёта. В этом случае вся мощность двигателя потреблялась бы рулевыми винтами. Таким образом, рулевые винты превратились бы в тянущие винты, а вертолёт превратился бы в автожир.
Очевидно, что появление этой схемы, представляющей собой сочетание вертолёта и автожира, стало возможным на основе опыта создания советских автожиров.
Вертолёт ЦАГИ 11-ЭА имел фюзеляж ферменной конструкции, сваренный из хромомолибденовых труб. К фюзеляжу крепились крылья общей площадью 11,3 м2.
На вертолёте был установлен авиационный двигатель водяного охлаждения Curtiss V-1570 «Conqueror» мощностью 630 л. с. при 2450 об/мин. Двигатель был установлен на раме в передней части фюзеляжа и обращён носком вала назад. Впереди хвостовой части двигателя был установлен водяной радиатор, а сзади него v трёхлопастный вентилятор, приводимый во вращение от одного из моторных приводов. С помощью управляемых заслонок, находящихся перед радиатором, можно было регулировать степень охлаждения двигателя.
Раздача мощности осуществлялась при помощи весьма сложной трансмиссии. Редуктор двигателя был снят, а на его место был вмонтирован новый, так называемый центральный редуктор вертолётной трансмиссии. Вертикальный вал, выходящий из центрального редуктора, своим верхним концом был соединён 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 колёса центрального редуктора передавались на два рулевых винта переменного в полёте шага.
Несущий винт вертолёта ЦАГИ 11-ЭА был аналогичен несущему винту вертолёта ЦАГИ 5-ЭА. Он представлял собой комбинацию двух трёхлопастных винтов, вращавшихся в одной плоскости. Один из этих винтов (условно названный подъёмным винтом) диаметром 15,4 м имел три лопасти и создавал подъёмную силу, необходимую для полёта вертолёта. 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 вертолёта ЦАГИ 5-ЭА.
Второй винт (условно названный винтом управления) диаметром 9,2 м имел три лопасти и предназначался для управления вертолётом. Лопасти этого винта крепились ко втулке с помощью продольного шарнира. Конструктивно они были выполнены аналогично лопастям несущего винта. Рулевые винты были трёхлопастные 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 полёте, причём изменение шага можно было производить в широком диапазоне (до 45°).
Система управления вертолётом 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 лётчика. 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 лётчика. Ножное управление было связано также с отклонением руля направления.
Дифференциальный механизм обеспечивал уравновешивание реактивного момента от несущего винта на всех режимах полёта, путевое же управление осуществлялось при помощи ножных педалей.
В середине 1936 года была закончена постройка вертолёта, и он был перевезён на аэродром для лётных испытаний. После тщательной проверки и регулировки всех агрегатов и аппарата в целом начались испытания с запуском двигателя; вертолёт 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 года планы дальнейшей работы по вертолёту ЦАГИ 11-ЭА радикально изменились. Было решено не ограничиваться переходом на новую конструкцию лопастей несущего винта, а внести в конструкцию вертолёта значительные изменения, меняющие даже ранее принятую принципиальную схему аппарата. Это было вызвано желанием расчленить испытания и доводку вертолёта на ряд последовательных этапов, причём в первую очередь намечалось провести испытания вертолёта на вертикальных режимах и на режимах горизонтального полёта с использованием пропульсивной тяги.
Это решение было принято в значительной степени под влиянием двух существенных обстоятельств, выявившихся в самом начале испытаний вертолёта: некоторого перетяжеления вертолёта против проектных данных и большего по сравнению с первоначальными намётками потребления мощности рулевыми винтами для парирования реактивного момента от несущего винта в результате неудачного выбора разноса (слишком малого) рулевых винтов и, как следствие этого, v уменьшения доли мощности двигателя, используемой несущим винтом.
Так как изменения, внесённые в конструкцию вертолёта ЦАГИ 11-ЭА, были весьма существенны, то он после этих переделок получил новую марку: ЦАГИ 11-ЭА ПВ (пропульсивный вариант).
При переделке вертолёта 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 полёте 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 вертолёта 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 сечения лопасти — NACA-230.
Носовая часть лопасти представляла собой профилированный лонжерон, а хвостовая часть была выполнена из лёгких хвостовых нервюр, приклёпанных 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 проклёпаны потайной клёпкой.
Форма малых управляемых лопастей — плоская, в плане — трапециевидная. Каркас лопасти — цельнометаллический. Эти лопасти были сконструированы несколько иначе, чем большие, и отличались от них повышенной жёсткостью в плоскости тяги.
Управляемая лопасть состояла из двух частей: носовой балки и набора лёгких хвостовых нервюр, приклёпанных 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 года аппарат на аэродроме был собран, отрегулирован и проверен, и в начале 1940 года были начаты его лётные испытания. Проводил испытания вертолёта в качестве лётчика инженер Д.И.Савельев. Руководил испытаниями В.П.Лаписов.
После многочисленных рулёжек на земле в октябре 1940 года Д.И.Савельев начал совершать первые свободные подъёмы.
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 подъёма доходила до 30 м. Постепенно осваивая аппарат и совершая на нём длительные полёты, Д.И.Савельев стал переходить на поступательное передвижение с небольшой горизонтальной скоростью. Хотя интенсивность лётных испытаний в зимние месяцы резко снизилась, всё же к весне 1941 года лётные качества и возможности вертолёта ЦАГИ 11-ЭА ПВ были достаточно полно выявлены.
Ввиду указанного выше ограничения достигнутые результаты были невысоки:
-наибольшая высота подъёма 50 м;
-наибольшая горизонтальная скорость 50-60 км/ч;
-наибольшая продолжительность полёта (с экипажем 2 человека) около 1 ч.
Эти результаты не характеризовали действительных возможностей вертолёта. Лётные испытания показали, что:
-вертолёт обладал хорошей управляемостью и удовлетворительной устойчивостью;
-элементы трансмиссии, управление и система охлаждения двигателя работали безотказно и не доставляли никаких затруднений;
-вертолёт имел большой запас подъёмной силы, подъём вертолёта и полёты на нём совершались на пониженной частоте вращения двигателя, и мощность двигателя не использовалась полностью (по самым скромным подсчётам запас тяги несущего винта при условии полного использования мощности двигателя составлял 800 v 1000 кгс).
Подобная оценка возможностей вертолёта давала основание надеяться, что расчётные данные могли быть в будущем достигнуты.
Однако непредвиденный случай приостановил все дальнейшие испытания: после одного из полётов 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 вертолёта представляет некоторый интерес.
Принципиальная схема вертолёта 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.Маурина.
Проектирование лопастей несущего винта и рулевых винтов было выполнено под руководством Г.И.Солнцева.
Выбор аэродинамических параметров, многочисленные аэродинамические исследования и расчёты, частично расчёт на прочность производился под руководством Д.Т.Мацицкого и при участии Б.Я.Жеребцова. Аэродинамические изыскания и расчёты по пропульсивному варианту выполнял Б.Я.Жеребцов.
Экспериментальные исследования, связанные с проектированием вертолёта, проводились М.С.Абалдуевым, А.А.Фёдоровым и А.А.Докучаевым под руководством В.П.Лаписова.
Постройка вертолёта ЦАГИ 11-ЭА производились в цехе винтовых аппаратов (ЦВА) Завода опытных конструкций ЦАГИ под руководством начальника ЦВА А.А.Кобзарева.
Лётными испытаниями вертолёта ЦАГИ 11-ЭА и его модификации 11-ЭА ПВ руководил В.П.Лаписов.
ЛТХ:
Модификация: 11-ЭА / 11-ЭА ПВ
Диаметр несущего винта, м: 15,40 / 15,40
Длина, м: 8,50 / 8,50
Высота, м: 3,50 / 3,50
Масса, кг
пустого: —
максимальная взлетная: 2600 / 2250
Тип двигателя: 1 х ПД «Curtiss» G-V1570 / 1 х ПД «Curtiss» G-V1570
мощность, л.с.: 1 х 630 / 1 х 630
Максимальная скорость, км/ч: 50-60 / 50-60
Дальность полета, км: —
Статический потолок, м: 50 / 50
Экипаж, чел: 1+1 / 1+1.
Винтокрыл ЦАГИ 11-ЭА.
Вертолёт ЦАГИ 11-ЭА. Рисунок.
Вертолёт ЦАГИ 11-ЭА ПВ. Рисунок.
ЦАГИ 11-ЭА. Схема.
.
.
Список источников:
А.М.Изаксон. Советское вертолетостроение.
Авиация и Космонавтика. Е.Ружицкий. Навстречу 100-летию вертолета.