Реферат: Fairey Gyrodyne

Разработчик: Fairey Страна: Великобритания Первый полет: 1946 Тип: Легкий вертолет В 30-е годы XX века Великобритания считалась лидером мирового вертолетостроения. В эту страну съезжались конструкторы винтокрылых ЛА со всей Европы. Большинство из них получало поддержку Королевского министерства авиации. Особенно знаменательным событием в истории британского вертолетостроения стал переезд в Англию выдающегося испанского авиаконструктора Х.де ла Сьерва (J.de la Cierva). Им был изобретен в 1918 г принципиально новый тип ЛА - автожир (Gyroplane), занимающий промежуточное место между вертолетом и самолетом. Автожир не мог работать на многих характерных для геликоптера режимах полета, но зато обладал куда более простой конструкцией. Благодаря поддержке британских правительственных и деловых кругов, Сьерва сравнительно быстро довел свое изобретение до работоспособного состояния и в 1931 г. наладил в Англии его серийное производство. За полтора десятилетия де ла Сьерва ухитрился так усовершенствовать свое детище, что в середине 30-х годов автожир уже мог вертикально взлетать и садиться. Единственное, чего автожир не мог делать по сравнению с вертолетом, так это неподвижно висеть в воздухе, совершать продолжительные вертикальные перемещения, а также маневрировать со скоростью, близкой к нулевой. Для этого требовалось обеспечить постоянный привод несущего винта, т.е. превратить автожир в вертолет. Выполнять этот маленький шажок Сьерва упорно не желал, будучи твердо уверен, что его изобретение - это не "неполноценный вертолет", а совершенно самостоятельный тип ЛА, способный и далее развиваться параллельно с самолетом и вертолетом. Дальнейшее направление развития автожира Сьерва видел в оснащении ротора приводом кратковременного действия - механическим или реактивным. Благодаря ему ЛА получал возможность зависать, маневрировать вертикально или на минимальных скоростях. Такие "геликоптерные" режимы испанец считал временными и не основными. При поступательном перемещении привод должен был отключаться, а автожир -продолжать полет в режиме авторотации, наиболее безопасном и экономичном, по мнению Сьервы. Осуществить свои замыслы он не успел. Конструктор погиб в авиакатастрофе в 1936 г на самой вершине своей славы. Между тем конкуренты автожиров - геликоптеры быстро развивались. Накопленный в автожиростроении опыт и общий достигнутый машиностроением технологический и научный уровень позволили создать работоспособный вертолет. Во всех передовых странах авиаконструкторы приступили к строительству именно таких винтокрылых машин. Автожиры они признавали уже пройденным этапом. С этим, однако, не соглашались британские инженеры, наследники творчества де ла Сьерва. Одним из их лидеров был доктор Джеймс Беннет (J.A.J.Bennett), считавший целесообразным развивать автожиростроение по пути так называемых "геликожиров", то есть, винтокрылых ЛА, способных взлетать и садиться по-вертолетному, а полет и поступательные перемещения осуществлять "по-автожирному". Помимо "автожирно-вертолетных" органов управления и балансировки, геликожиры того времени часто оснащали еще и крылом, превращая их в ЛА, именуемый в настоящее время винтокрылом или комбинированным вертолетом. Не желая использовать распространенное слово "геликожир", подчеркивая оригинальность концепции и преемственность от автожира, Дж.Беннет присвоил своей воздушной машине наименование Gyrodyne (от двух слов: gyratory - вращательный и aerodyne - ЛА тяжелее воздуха). На аппарате предусматривался механический привод ротора - несущего винта. Он включался при взлете и посадке, а также при неподвижном зависании или маневрировании на малой скорости. Возникающий при этом реактивный момент Беннет предпочитал уравновешивать рулевым воздушным винтом на консолях крыла. Этот же винт должен был создавать пропульсивную силу при поступательном перемещении. На этом режиме на пропеллер передавали всю мощность двигателя, а несущий винт превращался в авторотирующий ротор. Перевод несущего винта в режим авторотации должен был уменьшить потребную мощность и расход топлива. Кроме того, постоянно работающий на режиме авторотации винт, как полагали, обеспечит и максимальную безопасность при отказе силовой установки. На протяжении почти всей истории вертолетостроения одним из основных требований заказчиков было повышение скорости полета. К концу 30-х годов среди конструкторов общепринятой стала точка зрения, что лучшее средство поступательного перемещения на вертолете - несущий винт. Однако с ростом скорости увеличивались наклон вертолета и нагрузки на несущий винт, возникала опасность срыва на лопастях. Решением проблемы достижения на винтокрылом аппарате больших скоростей была признана установка дополнительного движителя- воздушного винта. При использовании несущего винта только для создания подъемной силы его лопасти работали на более выгодных углах атаки, и срыв отступал. Но при дальнейшем увеличении скорости полета вновь возникала опасность появления срыва на отступающей лопасти и быстрого роста волнового сопротивления на наступающей. Столь вредные явления резко увеличивали потребную мощность, а также вибрации и нагрузки на конструкцию, уменьшали ресурс (и без того низкий у первых вертолетов) Поэтому для конструкторов стала очевидной необходимость использовать на скоростных винтокрылых аппаратах не только пропеллер, но и крыло для разгрузки несущего винта Использование последнего только для создания подъемной силы, кроме того, уменьшало вредное сопротивление фюзеляжа и самого винта. Так сформировалась принципиальная схема Gyrodyne. Другой особенностью проекта Дж.Беннета было использование на Gyrodyne автодинамической втулки, изобретенной де ла Сьервой и хорошо отработанной на автожирах с "прыжковым стартом". На втулке такого типа отсутствовали осевые шарниры, т.е. управление общим шагом лопастей несущего винта За счет использования совмещенного горизонтального шарнира и соответствующего подбора углов установки вертикальных шарниров на автодинамической втулке достигалось автоматическое изменение углов установки лопастей в зависимости от величины действующих аэродинамических и инерционных сил Под воздействием крутящего момента лопасть принимала максимальный угол установки, а при отключении привода возвращалась на угол, оптимальный для режима авторотации. Отсутствие осевых шарниров на автодинамических втулках должно было, по мнению Беннета, обезопасить несущий винт от срывных явлений - одной из острейших в то время проблем - и обеспечить надежный автоматический переход на авторотацию при отказе силовой установки. Третьей характерной особенностью проекта Gyrodyne было использование для продольно-поперечного управления винтокрылом не общепринятого в то время на вертолетах изменения циклического шага лопастей, а отработанного Сьервой на автожирах непосредственного управления втулкой ротора - несущего винта. Теория эквивалентного винта тогда еще не получила должного развития, и Беннет считал, что непосредственное управление позволит совместить в горизонтальном полете ось конуса лопастей с осью несущего винта и таким образом уменьшить маховое движение и кориолисовы силы, которые, по существовавшим в то время представлениям, являлись главным источником вибраций. На самом деле, источником вибраций является совокупность всех переменных сил на винте, но существовавшие представления о природе возникновения вибраций, а также стремление снизить сопротивление фюзеляжа послужили основными причинами предпочтения непосредственного управления втулкой несущего винта. Еще одним доводом в пользу принятия такого решения послужила большая механическая и кинематическая сложность автоматов перекоса того периода. Беннет разработал для Gyrodyne оригинальную конструкцию втулки на кардане, управление наклоном которой обеспечивалось при помощи системы по типу автомата перекоса. Проект Gyrodyne был разработан на фирме Cierva в 1939 г., но события следующего года - Дюнкерк и капитальная перестройка всей британской авиационной промышленности - остановили все изыскания по вертолетной тематике. Фирма прекратила свое существование на несколько лет, а ее руководитель доктор Дж.Беннет отправился за океан обмениваться опытом с американскими конструкторами винтокрылой техники и обеспечивать получение авиационной техники по Ленд-Лизу. Во время приездов на родину доктор помогал Р.Хафнеру в разработке автожиров-планеров. Возможность вернуться к проекту Gyrodyne появилась у Беннета только после окончания Второй мировой войны. К тому времени фирма Cierva возобновила свою деятельность, но уже совсем с другим составом конструкторского персонала во главе с С.Пуллиным. О ее недолгой деятельности рассказано в прошлом номере журнала. Дж.Беннет места себе там не нашел. Окончание Второй мировой войны и обвальное падение военных заказов вынудило самолетостроительные компании Великобритании заняться поиском новых сфер бизнеса. Некоторые из них обратили внимание на вертолетостроение. Крупная самолетостроительная фирма Fairey Aviation насчитывала к тому времени уже почти тридцатилетнюю историю. Она прославилась поставкой королевскому флоту замечательных самолетов, в том числе знаменитых торпедоносцев Swordfish. Предложенный Дж.Беннетом проект Gyrodyne вдохновил руководство фирмы открыть на одном из заводов компании в Хэйез, графство Мидлсекс, вертолетное отделение. В июне 1945 г. доктор получил должность главного конструктора Fairey Aviation. Он убедил, что винтокрыл "объединит достоинства вертолета и автожира, минимизировав их недостатки". Беннет остался верен своей идее и при проектировании винтокрылого аппарата ни на шаг не отступил от первоначальной концепции. "Мой аппарат уступит вертолетам Сикорского только на режимах вертикальных скоростей, а они не есть основные", - утверждал упрямый англичанин и обещал восстановить первенство Великобритании на "винтокрылом фронте". Королевское министерство субсидирования открыло финансирование по проекту. Первый опытный винтокрыл Fairey Gyrodyne FB-1 (Fairey Bennett-1) собрали в конце 1946 г. Сваренный из стальных труб полумонококовый фюзеляж с дюралевой обшивкой имел хорошо обтекаемую "самолетную" форму и состоял из трех частей. В передней части фюзеляжа располагалась кабина. Два летчика размещались рядом на передних креслах. За ними стоял удобный диван для трех пассажиров. Остекление обеспечивало хороший обзор. Доступ в кабину обеспечивался через две боковые двери. В средней части фюзеляжа FB-1 помещался носком вперед девятицилиндровый звездообразный двигатель воздушного охлаждения Alvis Leonides мощностью 525 л с Он приводил главный редуктор, мощность с которого распределялась на несущий и воздушный винты. Высокая ферма поддерживала несущий винт-ротор и механизм непосредственного управления втулкой. Трехлопастной винт-ротор имел диаметр 15,72 м. Большая высота выноса была обусловлена необходимостью устранения опасности схлестывания лопастей несущего и воздушного винтов. В передней части высокого кабана-обтекателя находился воздухозаборник. Через него воздух поступал к вентилятору, насаженному прямо на ось выходного вала двигателя. Топливный бак располагался под редуктором, практически в центре тяжести винтокрыла. На хвосте фюзеляжа крепилось горизонтальное оперение с рулем высоты и разнесенными шайбами-килями с высокоразвитыми рулями направления. На правом конце примыкавшего к центральной части фюзеляжа свободнонесущего двухлонжеронного крыла размахом 4,8 м установили обтекаемую гондолу с концевым редуктором и двухлопастным тянущим воздушным-рулевым винтом. Трансмиссионный вал проходил между лонжеронами крыла. Общий шаг винта мог изменяться для обеспечения путевого управления и балансировки, а также изменения скорости поступательного перемещения. Шасси было трехопорным с передним колесом. Высота стоек шасси обеспечивала безопасный зазор для лопастей воздушного винта. Масса пустого винтокрыла Fairey Gyrodyne составляла 1633 кг, взлетная масса - 2177 кг. Первый раз FB-1 поднялся в воздух 7 декабря 1946 г. Полтора года продолжались всесторонние заводские испытания, в ходе которых инженеры встретились с многочисленными проблемами, присущими необычной схеме и оригинальной конструкции агрегатов. Только летом 1948 г. испытатели фирмы Fairey смогли приступить к демонстрации выдающихся качеств машины. 28 июня летчик-испытатель Б.Аркел достиг на базе в 3 км скорости полета 200 км/ч, чем установил абсолютный мировой рекорд, первый мировой рекорд в истории британского вертолетостроения. Рекорд подтвердил целесообразность использования схемы винтокрыла для достижения повышенных, по сравнению с обычным вертолетом, скоростей полета. Вскоре к программе летных испытаний присоединился второй экземпляр винтокрыла Fairey FB-1. Он отличался только увеличенным комфортом в кабине и рассматривался как предсерийный. Но в апреле 1949 г. произошла катастрофа, первый летный экземпляр разбился из-за усталостного разрушения втулки несущего винта. Погибли два летчика. Дальнейшие полеты приостановили. Предполагавшаяся постройка FB-3 несколько увеличенных размеров не состоялась. Испытания Fairey Gyrodyne FB-1 выявили многочисленные недостатки схемы с боковым рулевым воздушным винтом, такие как: дополнительный вес и вредное сопротивление консоли рулевого винта; асимметрия схемы, усложняющая балансировку и управление; в три (!) раза большие, чем при классической одновинтовой схеме, затраты мощности на привод рулевого винта (достигавшие 35%). Для обеспечения путевой балансировки на винтокрыле пришлось увеличить площадь вертикального оперения. Неудачной оказалась и система непосредственного управления втулкой несущего винта. Необходимость, в отличие от автожиров, подводить мощность на несущий винт, обеспечив при этом постоянную угловую скорость его вращения, настолько усложнила конструкцию системы, что она оказалась тяжелой и ненадежной. Большие нагрузки на ручку управления, запаздывание и вредное взаимовлияние продольного и поперечного управлений привели конструкторов к решению установить на FB-1 обычное управление циклическим шагом лопастей и гидравлические усилители. Единственным преимуществом непосредственного управления был признан "гладкий переход" от висения к поступательной скорости. Отсутствие управления общим шагом несущего винта также создавало проблемы при пилотировании винтокрыла - не позволяло эффективно регулировать подъемную силу и обеспечивать "подрыв" при посадке на авторотации. Был сделан вывод о нецелесообразности использования в дальнейшем автодинамических втулок на вертолетах. Так, шаг за шагом, потерпела неудачу концепция Дж.Беннета. Проводившееся комиссией министерств авиации и субсидирования расследование установило, что созданный Дж.Беннетом винтокрыл Fairey Gyrodyne FB-1 представлял собой, по сути, транспортный самолет, у которого с целью обеспечения вертикального взлета и посадки имелся еще и несущий винт, переходящий на режим авторотации в поступательном полете. Дополнительные массы крыла, движителя и трансмиссии, а также потери от обдувки крыла винтами ухудшили весовую отдачу и уменьшили полезную нагрузку по сравнению с аналогичными "чистыми" вертолетами. Ситуацию усугубили большие затраты мощности на привод рулевого винта с малым выносом, а также "автожирные рудименты" в конструкции. По этой причине винтокрыл Gyrodyne признали неудачной попыткой создания альтернативы ставшим классическими вертолетам И.И.Сикорского. Министерство закрыло финансирование программы. Летно-технические характеристики Модификация FB-1 Диаметр несущего винта, м 15. 77 Длина,м 7. 62 Высота ,м 3.10 Масса, кг пустого 1633 максимальная взлетная 2177 Тип двигателя 1 ПД Alvis Leonides Мощность, л.с. 1 х 520 Максимальная скорость, км/ч 225 Крейсерская скорость, км/ч 165 Практическая дальность, км Практический потолок, м Экипаж, чел 2 Литература Аэрокосмическое обозрение. Вадим Михеев. Вертолеты Великой Британии Максим Старостин. Все вертолеты Мира. Fairey "Gyrodyne" G.Apostolo. The Illustrated Encyclopedia of Helicopters Дональд Д. Полная энциклопедия мировой авиации: Самолеты и вертолеты XX столетия