Протягом майже сорока років після своєї появи літак безроздільно панував в повітрі. За цей час багаторазово зросли швидкість і вантажопідйомність крилатих машин, які з незграбних фанерних «етажерок» перетворилися на потужних реактивних красенів, що втілювали в собі самі передові технічні досягнення людської думки.
Однак при всіх своїх перевагах будь-який літак має один важливий недолік — для того щоб залишатися в повітрі, він повинен постійно і з досить великою швидкістю переміщатися в горизонтальній площині, адже підйомна сила його крил безпосередньо залежить від швидкості руху. Звідси необхідність розбігу при зльоті та пробігу при посадці, які приковують літак до аеродрому.
Тим часом часто виникає необхідність у такому літальному апараті, який володіє підйомною силою, що не залежить від швидкості польоту, може вертикально підніматися і сідати, а крім того, здатний «зависати» в повітрі. Ця ніша після довгих конструкторських пошуків була зайнята гвинтокрилої машиною — вертольотом.
Володіючи всіма льотними якостями, властивими літаку, вертоліт має, крім того, цілий ряд чудових специфічних властивостей: він може злітати з місця без попереднього розбігу, нерухомо висіти в повітрі на потрібній висоті, пересуватися поступально у всіх напрямках, проводити повороти в будь-якому напрямку як під час поступального руху, так і при зависанні; нарешті, він може сідати на маленький майданчик без подальшого пробігу.
Створення апарату, якийби мав комплекс цих якостей, виявилося надзвичайно складною справою, оскільки теорія вертольота набагато складніше теорії літака. Знадобилися роки наполегливої ??праці багатьох конструкторів, перш ніж вертоліт став впевнено почувати себе в повітрі і зміг розділити з літаком турботи про повітряні перевезення.
Перші гвинтокрилі апарати (гелікоптери та автожири) з’явилися чи не в один час з першими літаками. У 1907 році чотирьох — гвинтовий вертоліт французів Бреге і Ріше вперше зміг відірватися від землі і підняти над нею людини.Після цього багатьма винахідниками були запропоновані різні конструкції вертольотів.
Всі вони мали складну многовінтовую схему, в якій кілька гвинтів служили для підтримки апарату в повітрі, а ще кілька інших — для того, щоб штовхати його в потрібному напрямку. Одногвинтова схема (до якої в наш час належить 90% всіх вертольотів) ніким спочатку всерйоз не розглядалася.
Та й чи була вона реальна? Підняти апарат у повітря за допомогою одного гвинта — ще куди не йшло. Але як заставити його рухатись в горизонтальному напрямку? Як їм управляти? Ті винахідники, які досить добре розбиралися в аеродинаміці, вказували ще на один великий недолік одногвинтової схеми — наявність реактивного моменту. Справа в тому, що при застосуванні приводу несучого гвинта від двигуна, жорстко з’єднаного з гондолою, останній обертав не стільки сам гвинт, скільки (в протилежну сторону) корпус апарату.
Здавалося, що паралізувати реактивний момент можна лише тоді, коли в конструкції вертольота використовується кілька несучих гвинтів, що обертаються в протилежних напрямках. Причому гвинти ці могли розташовуватися як окремо один від одного (поздовжня і поперечна схеми), так і на одній осі — один під іншим (співісна схема). Приходили на розум і інші достоїнства багатогвинтової схеми. Адже маючи кілька керуючих гвинтів, було легше направляти машину в потрібному напрямку.
Але незабаром виявилося: чим більше у вертольота гвинтів, тим більше у нього проблем — розрахунок апарату навіть з одним гвинтом вдавав із себе дуже складну задачу, врахувати ж взаємний вплив багатьох гвинтів виявилося взагалі неможливо (принаймні, в першій чверті XX століття, коли аеродинаміка робила тільки перші кроки, а теорія повітряного гвинта тільки-тільки починала формуватися).
Значну лепту у подолання багатьох з перерахованих проблем вніс російський винахідник Борис Юр’єв. Найбільш важливі свої відкриття він зробив ще в ту пору, коли був студентом Московського вищого технічного училища і складався активним членом Повітроплавального гуртка відомого російського вченого Жуковського.
Зацікавившись одногвинтової схемою, Юр’єв, насамперед, задався питанням: як повідомити вертольоту поступальний рух в потрібному напрямку? Велика частина винахідників на початку XX століття, як уже говорилося, була впевнена, що для цього необхідно забезпечити апарат не тільки несучими гвинтами, а й пропелерами. Однак, експериментуючи з безліччю різних моделей, Юр’єв встановив, що за допомогою нахилу осі несучого гвинта можна отримати хорошу горизонтальну швидкість польоту, не роблячи спеціального гвинта-пропелера з горизонтальною тягою.
Поступального руху вертольота можна домогтися також нахилом уперед корпусу апарату. У цьому випадку сила великого гвинта розкладається на дві сили — підйомну і тягу, і апарат починає рухатися поступально. І чим більше нахил апарат, тим більше буде швидкість польоту.
Наступна проблема полягала в тому, як врівноважити реактивний момент, що діє на гондолу. Юр’єв припустив, що легше всього цього можна домогтися за допомогою маленького гвинта, розташованого на хвості вертольота і приводиться в обертання легкої передачею. За рахунок того, що сила, створювана хвостовим гвинтом, додавалася до довгого плеча (щодо центру ваги апарату), дія її без праці компенсувало реактивний момент.
Вертоліт Юр’єва
Розрахунки показували, що на це піде 8-15% потужності двигуна. Юр’єв запропонував далі зробити лопаті цього гвинта із змінним кроком. Збільшуючи або зменшуючи кут нахилу цих лопатей до площини обертання, можна було збільшувати або зменшувати тягу цього гвинта. При великій тязі хвостовий гвинт повинен був пересилювати реактивний момент головного гвинта і розгортати гондолу в потрібному напрямку.
Але найбільшу складність представляло створення надійної системи управління. Пілот повинен був мати у своєму розпорядженні пристрою, що дозволяли йому швидко змінювати орієнтацію машини відносно всіх її трьох осей: тобто повертати її в будь-яку сторону щодо вертикальної осі, нахиляти корпус вгору і вниз, а також крениться його вправо і вліво. Проблема повороту дозволялася за допомогою невеликого хвостового гвинта.
Для цього, як уже зазначалося, досить було зробити його лопаті повертаються і з’єднати механізм їх повороту з рулями. Але як забезпечити керованість щодо поздовжньої і поперечної осей? Найпростішим засобом було б пристрій ще двох рульових гвинтів, винесених на консолях на деяку відстань від центру тяжіння машини і повертають вертоліт в потрібну для пілота сторону.
Тут гвинт 1 служить для компенсації реактивного моменту, а також виконує роль керма напряму; гвинт 2 дає крен і аналогічний за своєю дією елерони (перекошуватися площинах крил літака), а гвинт 3 служить як би кермом висоти.Але ця система, крім того, що була надмірно складною, володіла ще тим недоліком, що робила вертоліт дуже нестійким у польоті. Юр’єв став роздумувати над питанням: чи не можна основний несучий гвинт влаштувати таким чином, щоб він сам створював два необхідних для управління вертольотом моменту? Пошуки його завершилися в 1911 році винаходом одного з найчудовіших в історії вертольота пристроїв — створенням автомата перекосу.
Принцип дії цього автомата дуже простий. Кожна лопать гвинта описує при обертанні коло. Якщо лопаті несучого гвинта зробити рухливими щодо своїх поздовжніх осей, таким чином, що вони зможуть змінювати кут нахилу до площини обертання, то можна дуже легко управляти рухом вертольота.
Дійсно, якщо частина окреслює нею кола лопать пройде з великим кутом установки, а іншу частину — з меншим, то, очевидно, тяга з одного боку буде більше, а з іншого менше, і несучий гвинт (а разом з ним і вся машина) буде повертатися у відповідну сторону.
Автомат перекосу якраз і забезпечував необхідну установку лопатей. Для цього на валу несучого гвинта на карданном підвісі встановлювалося кільце, до якого за допомогою шарнірів були приєднані повідці, що йдуть до важелів, повертають лопаті. Кільце оберталося разом з валом гвинта. З двох сторін воно було охоплено вільно сидить на ньому нерухомим кільцем. Це останнє кільце можна було вільно повертати за допомогою рульових тяг і давати йому будь нахил в двох площинах.
При цьому внутрішнє кільце також нахилялося, одночасно обертаючись усередині нерухомого кільця. Легко бачити, що при цьому внутрішнє кільце буде здійснювати за один оборот повне коливання, що в свою чергу змусить коливатися кожну пов’язану з ним лопать: всі вони протягом обороту будуть міняти інсталяційний кут від якоїсь мінімальної величини до максимальної. Кути ці будуть залежати від нахилу нерухомого кільця, пов’язаного з важелями управління.
Якщо пілотові було потрібно повернути в будь-який бік свою машину, він повинен був направити в цю сторону зовнішнє кільце автомата перекосу. У цьому режимі кут нахилу кожної лопаті змінювався незалежно від інших лопатей. Але легко було зробити і так, щоб автомат перекосу в разі потреби міг змінювати кут установки відразу у всіх лопатей одночасно. Це було потрібно, наприклад, при поломці мотора в режимі, званому авторотації, коли під дією повітряного потоку гвинт падаючого вертольота починав мимовільно обертатися, діючи як парашут.
Вертоліт при цьому як би планував (у природі цей ефект можна спостерігати у падаючих насіння клена). Для цього достатньо було зробити кардан автомата перекосу, ковзаючим вздовж вала гвинта (зверху вниз). Піднімаючи або опускаючи автомат перекосу, пілот відразу повертав все лопаті гвинта в одну сторону, тим самим збільшуючи або зменшуючи інсталяційний кут або роблячи його негативним (тобто здатним обертатися в протилежну сторону, що якраз і було потрібно при авторотації).
Таким чином, до 1911 року 22-річний студент МВТУ Борис Юр’єв розробив у загальних рисах всю схему одногвинтового вертольота. Запатентувати її він не зміг, так як не мав на це грошей. У 1912 році за проектом Юр’єва студенти МВТУ зібрали нелітаючий макет вертольота в натуральну величину. На міжнародній виставці повітроплавання і автомобілізму, що проходила в тому ж році в Москві, ця модель була удостоєна малої золотої медалі. Однак коштів на те, щоб побудувати діючу машину, у училища не знайшлося. Розпочата незабаром Перша світова, а потім і Громадянська війни надовго відвернули Юр’єва від робіт над його проектом.
Тим часом в інших країнах продовжували з’являтися моделі многовінтових вертольотів. У 1914 році побудував свій гелікоптер англієць Мамфорд. На ньому вперше був здійснений політ з поступальною швидкістю. У 1924 році француз Емішен вперше пролетів на своєму вертольоті по замкнутому колу. У той же час Юр’єв, зайнявши пост начальника Експериментального аеродинамічного відділу ЦАГІ, спробував реалізувати свою одногвинтових схему.
Під його керівництвом Олексій Черьомухін побудував перший радянський вертоліт 1-ЕА. Ця машина мала два рульових гвинта і два мотори «Рон» потужністю по 120 к.с. кожен.Вона також була вперше забезпечена автоматом перекосу. Перші ж випробування 1930 дали блискучий результат. Пілотований Черьомухін вертоліт впевнено відривався від землі і легко злітав на висоту декількох сот метрів, вільно описував у повітрі вісімки та інші складні фігури.
У 1932 році Черьомухін піднявся на цьому вертольоті на висоту 605 м, поставивши тим самим абсолютний світовий рекорд. Однак і цей вертоліт був ще дуже далекий від досконалості. Він був нестійкий. Несучий гвинт був зроблений жорстким (лопаті не змінювали махового руху), що робило його роботу незадовільною. Надалі були розроблені і побудовані інші моделі. У 1938 році під керівництвом Івана Павловича Братухіна був створений перший радянський двухвінтовой вертоліт 11-ЕА поперечної схеми.
Але в цілому в 30-і роки вертольотобудування не отримало в СРСР державної підтримки. У цей час велику популярність здобула теорія, згідно якої літак незрівнянно досконаліше вертольота і за швидкістю, і за вантажопідйомністю, а вертоліт — це лише дорога іграшка. Тільки в 1940 році Юр’єву з великими труднощами вдалося домогтися дозволу на створення спеціального конструкторського бюро, яке він і очолив. Незабаром завантажений великий викладацькою роботою, він передав керівництво відділом Івану Братухіна. Через рік почалася війна, і створення досконалого вертольота знову отдвінулось на невизначений термін.
У цей час лідером у вертольотобудуванні була Німеччина. Талановитий конструктор Генріх Фокке створив у 30-ті роки кілька скоєних двухвінтових вертольотів поперечної схеми. У 1937 році на його вертольоті FW-61 були встановлені світові рекорди: висоти — 2439 м, швидкості — 123 км / год і дальності — 109 км польоту. У 1939 році новий вертоліт Фокке досяг висоти 3427 м, а в 1941 році його машина FA-223 була запущений в невелику серію. Війна поклала кінець його розробкам, але успіхи «Фокке-Вульфов» надовго прикували увагу конструкторів до поперечної схеми.
У тому, що одногвинтових схема все-таки утвердилася в вертольотобудуванні як чільна, величезна заслуга належить американському авіаконструктору Ігорю Сікорському. (Українець за походженням він в 1919 г емігрував до Америки, а в 1923 р заснував тут свою фірму «Сікорський».) За своє життя Сікорський розробив кілька десятків моделей літаків, але світову славу йому принесло створення вертольота. Саме він вперше довів до досконалості класичну одногвинтових схему Юр’єва.
Свій перший вертоліт S-46 (VC-300) Сікорський побудував у 1939 році. Він відразу відмовився від думки визначити всі параметри апарату шляхом розрахунків і вирішив створити такий вертоліт, в який в ході льотних випробувань можна було б легко вносити конструктивні зміни. Його машина мала підкреслено примітивний вигляд: простий фюзеляж був зібраний у вигляді ферми зі сталевих труб, льотчик відкрито сидів у маленькому кріслі попереду двигуна. Рух від невеликого двигуна в 65 л.с. передавалося за допомогою ременів вгору на редуктор, від якого наводився простий по конструкції трилопатевий і трехшарнирной несучий гвинт. Хвостовій однолопастний рульової гвинт встановлювався на довгій коробко-подібної балці.
У травні 1942 року VS-316 був прийнятий на озброєння армії США під найменуванням XR-4 і запущений в серійне виробництво. Всього було побудовано 130 таких вертольотів. У 1944 році вони були вперше випробувані в бойових умовах в Бірмі. Війна тут йшла в джунглях, і вертоліт виявився єдиним транспортним засобом, придатним для постачання військ. Японські винищувачі розгорнули справжнє полювання за тихохідними «вертушками», але не змогли збити жодного — при найменшій небезпеці вертоліт притискався до землі, переховувався між деревами і таким чином легко ухилявся від бою.
У 1943 році фірма Сікорського випустила новий вертоліт XR-5, що відрізнявся набагато більшою швидкістю і вантажопідйомністю. Для нього вперше був розроблений спеціальний вертолітний двигун. Всього було побудовано 65 таких машин, так як через закінчення війни міністерство оборони анулювало свої замовлення. Тим часом у 1944 році у Сікорського вже була готова нова модель — S-49 (всього їх було випущено 229 штук).
Після війни вертольоти почали швидко поширюватися по всьому світу.Сікорський недовго зберігав монополію на їх виробництво, оскільки тільки в США 300 фірм приступили до розробки своїх моделей гвинтокрилих машин. Однак Сікорський мав перед ними важливі переваги — добре відпрацьовану конструкцію і налагоджене виробництво.
Незважаючи на конкуренцію, його фірма не тільки процвітала, а й розширювала виробництво. У 1946 році він розробив модель S-51 (всього випущено 554 машини), яка знайшла найширше застосування як у військовій, так і в господарській сферах. Цей вертоліт був вперше оснащений автопілотом, який значно полегшив управління.
Однак найбільший успіх випав на вертольоти S-55 «Чікасо» (1949) і S-58 «Сібет» (1954). Тільки на заводі Сікорського було зібрано 1828 штук вертольотів першої моделі і 2261 — другий. Крім того, безліч фірм в різних країнах придбала ліцензію на їх виробництво. У 1952 році два S-55-х вперше здійснили переліт через Атлантичний океан (з одного дозаправкою на палубі авіаносця) з Америки до Європи. S-58 був визнаний кращим вертольотом першого покоління.Він став також «лебединою піснею» самого Сікорського. У 1957 році 68-річний конструктор відійшов від керівництва компанією.
У ці роки повним ходом розгорнулася розробка вертольотів в СРСР. Після війни Юр’єв зумів домогтися організації двох нових КБ: Михайла Міля, який взявся розробляти одногвинтової вертоліт, і Миколи Камова, що обрав співвісну схему. У роботу з проектування вертольота включилося також КБ Яковлєва. Продовжував свої роботи над вертольотами поперечної схеми Братухін.
У 1946 році з’явився його вертоліт Г-3. У 1947 році випустив свій перший вертоліт Ка-8 Камов. Але коли в кінці 40-х років був оголошений конкурс на кращу радянську модель, його виграв вертоліт Миля Мі-1, створений за одногвинтовою схемою Юр’єва. У 1951 році він був запущений у виробництво.