Проектирование вертолета-гиганта

 

Народное хозяйство и особенно Вооруженные силы СССР часто нуждались в перевозке неразъемных грузов массой свыше 20 тонн с помощью летательных аппаратов вертикального взлета и посадки. Первые работы по созданию сверхтяжелого вертолета грузоподъемностью 20–25 тонн, получившего обозначение В-12 (Ми-12), начались в ОКБ М. Л. Миля в 1959 году. Постановление Совета Министров СССР о разработке В-12 с грузовой кабиной, аналогичной грузовой кабине самолета Ан-22, вышло 3 мая 1962 года.

В задании на разработку В-12 предусматривалась перевозка баллистических и крылатых ракет (в их числе самая тяжелая УР-500), средств ПВО, самоходных артиллерийских установок (включая Су-100), танков Т-54 и ПТ-76, бронетранспортеров — всего свыше 80 различных видов боевой техники.

Подобно тому, как задумывалась транспортная пара — «самолет Ан-12 — вертолет Ми-6», создавался и дуэт «Ан-22 — В-12». «Антей» должен был доставлять боевую технику на аэродром, а В-12 — на близлежащую позицию, размеры грузовой кабины обеих машин предполагалось сделать одинаковыми. Заместителем главного конструктора Миля М. Л. по проекту Ми-12 был назначен Н. Т. Русанович, в 1968 году его сменил на этом посту М. Н. Тищенко, затем Г. Н. Ремезов. Ведущими инженерами по летным испытаниям были Д. Т. Мацицкий и В. А. Изаксон-Елизаров.

Все созданные в ОКБ вертолеты — Ми-1, Ми-4, Ми-6, Ми-10 — строились по одновинтовой схеме. Поскольку для такой схемы нужно было разрабатывать новые двигатели и сверхмощный редуктор и попутно решать другие сложные технические задачи, то М. Л. Миль с сотрудниками искали иную схему расположения винтов, обдумывали несколько вариантов. Каждый подвергался внимательному анализу, при котором учитывались все обстоятельства, включая условия будущего производства машины. Рассматривался, например, вариант одновинтового вертолета с реактивными двигателями на концах лопастей. Редуктор для него был не нужен, однако требовалось спроектировать новую несущую роторную систему, другие узлы и детали, проще говоря, создать новый вертолет. Рассматривались также различные варианты схем с удвоением винтомоторной группы.

В начале 60-х М. Л. Миль в соавторстве с молодыми конструкторами А. В. Некрасовым, А. С. Браверманом, Л. Н. Гродко и М. А. Лейкандом опубликовал книгу «Вертолеты. Расчет и проектирование», в которой не только прослеживалась история развития вертолетостроения, но и обобщался опыт проектирования, накопленный в ОКБ. В одной из глав теоретически рассматривалось развитие вертолетов по грузоподъемности. «Как создать больший по весу вертолет? Вычислить параметры оптимальной конструкции не удается — слишком много противоречий должен «взвесить» конструктор… Рано или поздно перед ним встает вопрос о целесообразности дальнейшего увеличения диаметра несущего винта и переходе на двух- или многовинтовую схему… Комбинаций, по существу, не так уж много: двухвинтовые (продольная или поперечная схема) и трехвинтовые вертолеты».

Рассматривались трехвинтовая и даже четырехвинтовая схемы, но обе были отвергнуты: анализ показал, что необходимую грузоподъемность (25 тонн) можно обеспечить двумя винтами. В результате было решено использовать две винтомоторные группы вертолета Ми-6. Но как строить «мосты», соединяющие несущие винты, — поперечно или продольно? Большинство отечественных и зарубежных авторитетных специалистов считали, что для вертолета большой грузоподъемности рационально использовать продольную схему. Для изучения достоинств и недостатков продольной схемы на летной станции проводили испытания трех вертолетов Як-24 и вертолета США «Боинг-Вертол» V-44. Этот вертолет М. Л. Миль приобрел по решению правительства в США в 1960 году.

На этих вертолетах летали и изучали летные характеристики, в частности, взаимодействие влияния винтов и распределение между ними мощности, определение потребной мощности двигателей на различных режимах полета. Выполняли эту работу летчики-испытатели В. П. Колошенко, Р. И. Капрелян и Г. Р. Карапетян. Во время испытаний Як-24 были обнаружены неравномерная загрузка переднего и заднего редукторов, большие вибрации, неустойчивость вертолета в полете. Те же самые явления проявились и при испытаниях американского вертолета. Вариант компоновки В-12, в котором винтомоторные группы Ми-6 располагались продольно, прорабатывался, но был отвергнут в связи с недостатками, выявленными при испытаниях. В результате в ОКБ остановились на поперечной схеме. Вертолет такой конструкции FW-61 построил в Германии перед войной Генрих Фокке. В СССР вертолеты поперечной схемы проектировали И. П. Братухин и Н. И. Камов. В ОКБ был объявлен конкурс на лучшее конструкторское решение. В нем участвовали две группы: А. С. Браверман, А. М. Блок и М. Л. Миль, О. П. Бахов и другие конструкторы. Началась работа над эскизным проектом. Сначала нарисовали ферму. Трудность состояла в том, чтобы избежать нежелательных колебаний, присущих поперечной схеме, и опасных резонансных колебаний, которые могли вызвать подвешенные на концах фермы двигатели. Миль М. Л. предложил блестящее решение: вынести силовые установки на пространственных фермах в стороны от фюзеляжа, преобразовав часть поддерживающих их подкосов в крылья обратного сужения. Они предполагались узкими у фюзеляжа (здесь скорость воздушного потока от несущих винтов максимальна) и расширяющимися к концу (где скорость потока минимальна). Выигрыш в подъемной силе достигал 9 тонн, что позволило обеспечить требуемую грузоподъемность. На эту абсолютно оригинальную схему М. Л. Миль и О. П. Бахов получили патенты в Англии, США, Франции и Италии. Комиссия, возглавляемая директором ЦАГИ В. М. Мясищевым, одобрила решение строить вертолет В-12 по такой схеме.

Интересной была конструкция гондол для двигателей В-12. Откидной капот позволял обслуживать двигатели без дополнительных наземных стремянок. Можно было выйти из кабины, пройти по крылу, встать на откинутый капот гондолы, как на трап, и заняться мотором. Четыре двигателя ГТД-25Ф конструкции П. Ф. Соловьева мощностью 6500 л.с. каждый работали попарно, передавая вращение двум главным редукторам, на выходных валах которых были установлены пятилопастные несущие винты. Двигатели, главные редукторы, втулки и автоматы перекоса взяли от выпускавшихся серийно вертолетов М-6 и Ми-10. Они были значительно усовершенствованы: двигатель стал на 1000 л с. мощнее, каждая лопасть — легче на 300 килограммов, появился новый лонжерон.

Важный вопрос для вертолета поперечной схемы — выбор направления вращения винтов. Этой теме посвящена теоретическая работа М. Л. Миля «Устойчивость и балансировка вертолетов поперечной схемы». Он рассмотрел силы и моменты, действующие на вертолет при вращении винтов в двух направлениях: от фюзеляжа наружу — типа «брасс» и в противоположном направлении — «баттерфляй». Миль пришел к выводу, что в случае вращения винтов по схеме «брасс» вертолет более управляем. Этот вывод противоречил мнению многих специалистов, которые настойчиво подталкивали его к выбору направления вращения винтов внутрь к фюзеляжу типа «баттерфляй».

В своей работе М. Л. Миль писал, что «глубоко задумывается обо всех аспектах задачи только первооткрыватель, далее удачная и проверенная схема находит себе сотни последователей и подражателей, которым нет уже необходимости представлять себе все аспекты проблемы. Поэтому очень интересно было бы узнать, какими соображениями руководствоваться профессор Фокке, выбравший это направление первым. По счастливой случайности автор этих строк встретился с Францем Боде, который был первым пилотом фирмы Фокке и испытывал вертолеты фирмы. На вопрос о выборе направления винтов он ответил просто, чтобы получался координированный разворот, т. е. направление от фюзеляжа наружу. Т. е. чтобы рыскание, возникающее при крене, было направлено в сторону крена».

Полеты показали очень хорошую устойчивость и управляемость В-12. Пилотирующий его летчик В. П. Колошенко рассказывал, что вертолет устойчиво летал с брошенной ручкой управления от 3 до 7 минут.

М. Л. Миль писал: «Как создать следующий, больший по весу вертолет? Вычислить параметры оптимальной конструкции почти не удается — слишком много противоречивых соображений должен взвесить конструктор… Рано или поздно перед ним встает вопрос о целесообразности дальнейшего увеличения диаметра несущего винта и переходе на двух- или многовинтовую схему… Комбинаций, по существу, не так много: двухвинтовые (продольная или поперечная схема) и трехвинтовые вертолеты».

Рассматривались трехвинтовая и даже четырехвинтовая схемы, но обе были отвергнуты: анализ показал, что необходимую грузоподъемность (25 тонн) можно обеспечить двумя винтами.

М. Л. Милю предстояло доказать правильность своего выбора в высоких инстанциях и получить возможность работать дальше. Решение принимала специальная комиссия во главе с начальником ЦАГИ, известным конструктором самолетов В. М. Мясищевым. 21 января 1965 года Миль пишет в дневнике: «Вчера с блеском прошла конференция в Панках. Мой доклад всем понравился. Были из ЦК Редькин, Максимов, весь аппарат Совмина, Пышнов из ВВС, всего 450 человек. Выступил Вильдгрубе, он охаял В-12, сказал, что, не меняя нагрузку, можно было сделать машину по продольной схеме вдвое легче. Мы решили его бить. Выступили Тишенко, Некрасов, Радин и я. Повторно выступил Вильдгрубе, его надо было видеть». Через 5 дней новая запись в дневнике: «Уже неделя, как почти каждый день с утра приезжает к нам на полдня начальник ЦАГИ Мясищев со своими помощниками (8 человек). Вместе с Федуловым и Вильдгрубе они разбираются в моей новой схеме, сравнивая ее с продольной. А мы, конечно, засиживаемся вечерами. Сегодня уже почти окончательная победа. Мясищев за нас…

Послезавтра комиссия. Вместо того чтобы оказаться вдвое хуже, наша машина вдвое лучше продольной, да и вообще решение великолепное».

Кончилось все тем, что и В. М. Мясищев, и министр авиационной промышленности П. В. Дементьев поддержали Миля. По решению правительства на заводе приступили к реализации проекта.

Фюзеляж В-12 был выполнен в виде полумонокока и походил внутри, по образному выражению одного из иностранных специалистов, на гигантский готический собор. Его переднюю часть занимала двухэтажная кабина экипажа. На нижнем этаже располагались два летчика, бортинженер и бортэлектрик, на верхнем — штурман и бортрадист. В хвостовой части фюзеляжа находились силовой трап и боковые створки, которые при раскрытии образовывали проем для въезда самоходной техники и погрузки различных грузов с помощью мощных электролебедок и тельферов. Центральную часть фюзеляжа занимал большой грузовой отсек размерами 28,15 х 4,4 х 4,4 м. В нем могли разместиться 196 солдат или 158 раненых. Сзади под фюзеляжем располагалось «самолетное» хвостовое оперение с рулями высоты и направления и двумя вертикальными шайбами. Руль направления предназначался для повышения эффективности путевого управления. Управление рулем высоты осуществлялось синхронно с управлением общим шагом несущих винтов. Величина подъемной силы регулировалась одновременным изменением общего шага несущих винтов. Дифференциальное управление общим шагом обеспечивало управление по крену. Изменение продольной балансировки и величины пропульсивной силы осуществлялось изменением циклического шага обоих винтов с помощью автоматов перекоса. Дифференциальное изменение циклического шага обеспечивало путевое управление.

Шасси вертолета В-12 было трехопорное. Передняя опора с самоориентирующимися сдвоенными колесами находилась под кабиной экипажа, основные опоры со сдвоенными колесами — под левой и правой фермами. Все стойки шасси имели пневмомасляные амортизаторы. Сзади фюзеляжа располагались дополнительные хвостовые опоры, позволяющие загружать в грузовую кабину тяжелую технику.

В апреле 1965 года вышло постановление Совета Министров о строительстве первого опытного вертолета. На Саратовском авиационном заводе была начата подготовка к выпуску первой войсковой серии из пяти вертолетов В-12. В начале 1966 года государственная комиссия окончательно одобрила натурный макет, и началась сборка первого опытного образца.

Построенный вертолет было решено превратить в испытательную модель и проверить на ней всевозможные нежелательные колебания. Вместо лопастей на втулки винтов поставили вибраторы — электромоторы с несбалансированным грузом, а чтобы смоделировать условия полета, подвесили вертолет на амортизационных шнурах. Вертолет буквально напичкали исследовательской аппаратурой. Испытания проводили по ночам, а днем обрабатывали полученную информацию. Так продолжалось месяц. Летом 1967 года первый летный образец был признан готовым к летным испытаниям. 27 июня 1967 года летчик-испытатель В. П. Колошенко впервые поднял В-12 в воздух с заводской площадки в Панках.

Весной 1967 года увидеть первый полет В-12 в заводской летно-испытательный комплекс съехались создатели вертолета, представители НИИ, заводов и смежных предприятий, Министерства авиационной промышленности, военные. Под марш авиаторов «Мы рождены, чтоб сказку сделать былью» мощный тягач вытащил вертолет из цеха. Он не мог там развернуться и выезжал хвостом вперед. Кто-то сказал тихо: «Плохая примета». Михаил Леонтьевич услышал это и помрачнел, он был суеверен. Пилот В. П. Колошенко развернул вертолет против ветра, порулил вправо, влево — машина слушалась. Затем он начал наращивать обороты двигателей, подготавливаясь к старту. Наконец вертолет плавно оторвался от земли и повис. И вдруг машина заплясала, начала медленно раскачиваться из стороны в сторону, затем накренилась и, не подчиняясь ручке управления, так с перекосом и пошла вниз. Когда вертолет коснулся земли, покрышки загнулись на одну сторону и колеса ударились о бетон ребордой. Одна из них сломалась, и камера с громким хлопком лопнула… Столько надежд рухнуло!

Очень скоро после неудачи Миль заболел, и недостатки системы управления В-12, обнаруженные после аварии, исправляли без него, хотя регулярно и обстоятельно докладывали обо всем Генеральному и получали в ответ указания и советы.

В этом полете был отмечен новый, неизвестный ранее вид автоколебаний типа «система управления — конструкция». Новое динамическое явление было проанализировано и под руководством М. Н. Тищенко быстро устранено путем увеличения жесткости системы управления. На концах стабилизатора появились дополнительные вертикальные шайбы.

Доработки во время госиспытаний касались преимущественно оборудования вертолета. Были установлены дополнительно к специально спроектированному автопилоту АП-44 опытный автопилот ВУАП-2, который позднее заменили на АП-34Б1, радиолокационная станция «Лоция», подвесные топливные баки и т. п. На В-12 были опробованы новые лопасти композитной конструкции: стальной лонжерон со стекпопластиковыми носовой частью и законцовкой с фольгированным сотовым заполнителем.

Наконец настал день, когда решили снова поднять машину в воздух. Опять собралось много народу, приехал и Михаил Леонтьевич. На этот раз полет прошел успешно, хоть и вытаскивали вертолет из ангара, как и в первый раз, хвостом вперед.

Громадина весом около 100 тонн поднялась с удивительной легкостью, в небе она была необыкновенно красива. В сопровождении двух Ми-10 вертолет перелетел на испытательный аэродром, откуда совершил больше ста полетов. Все запланированные испытания были закончены, началась подготовка новой машины к серийному производству.

С декабря 1967 года начались систематические подъемы В-12. Вся программа заводских испытаний была выполнена за месяц без осложнений. Осенью 1968 года В-12 поступил в ЛИИ на первый этап совместных государственных испытаний, который закончился в 1970 году дальним перелетом Москва — Ахтубинск — Москва.

В ходе государственных испытаний 22 февраля 1969 года экипаж В. П. Колошенко установил абсолютный мировой рекорд грузоподъемности, подняв груз 31 т на высоту 2350 м, а 6 августа того же года экипаж В-12 поднял груз 40,2 т на высоту 2250 м. Этот рекорд не побит до сих пор. Всего на В-12 установлено семь мировых рекордов. За установление рекорда грузоподъемности М. Л. Миль и его сотрудники получили в 1969 году второй приз Игоря Сикорского «За выдающиеся достижения в области проектирования вертолетов».

В конце октября 1970 года Государственная комиссия рекомендовала запустить вертолет в серийное производство. В мае — июне 1971 года В-12 демонстрировался на Международном салоне авиации и космонавтики в Ле Бурже под Парижем, где вертолет был признан «звездой салона». Затем последовали показательные полеты в Париже, Копенгагене и Берлине.

Собранный в 1972 году на опытном производстве МВЗ второй экземпляр В-12 целый год простоял в цехе в ожидании двигателей. 28 марта 1973 года он совершил первый подъем в воздух, а на следующий день его перегнали на летную станцию для продолжения государственных испытаний. От первого экземпляра, проходившего в это время переборку и дефектацию, второй экземпляр отличался более жесткими элементами управления и усиленными хвостовыми опорами. Заказчик неожиданно отказался принять В-12 на второй этап госиспытаний. В 1974 году все работы по доводке двух опытных машин были остановлены. Первый экземпляр В-12 остался на вечное хранение на заводе, а второй передали в Музей ВВС в Монино.

Вертолет В-12 успешно прошел все запланированные заводские испытания, выполнил 122 полета и 77 висений, полностью подтвердивших расчетные летные данные и надежность систем. В-12 отличали хорошие пилотажные характеристики как с включенным, так и с выключенным автопилотом, низкая потребная мощность двигателей в поступательном полете, высокие показатели управляемости на режиме авторотации, низкий уровень вибраций и шума, комфорт в пилотской кабине. Вертолет продемонстрировал способность продолжать полет при выходе из строя двух двигателей, возможность существенного повышения грузоподъемности при взлете с разбегом. Несмотря на то что по сравнению с Ми-6 объем грузовой кабины В-12 увеличился в 7,2 раза, его удельные весовые характеристики оказались на уровне показателей Ми-6.

Однако, несмотря на свои уникальные характеристики, В-12 так и не поступил в серийное производство и эксплуатацию. Причин тому было несколько. Главная заключалась в том, что задача, для выполнения которой создавался В-12, — обеспечение мобильного базирования баллистических ракет стратегического назначения — к концу 60-х годов потеряла актуальность. Другие виды военных грузов не нуждались в таком дорогостоящем средстве доставки, как вертолет. Кроме того, Саратовский авиационный завод, готовившийся к производству В-12, к моменту принятия решения о запуске гиганта в серию оказался загруженным изготовлением другого вида продукции. Началась разработка тяжелого вертолета третьего поколения Ми-26, уступающего В-12 по грузоподъемности, но превосходящего его по технико-экономическим показателям.

Гордость всего отечественного вертолетостроения — непревзойденный В-12 остался в двух экземплярах, но опыт проектирования и испытаний этих исключительных машин не пропал даром. Разработка В-12 позволила создать комплексный метод анализа и выбора оптимальных параметров вертолета с учетом явлений динамической неустойчивости конструкции, подтвердить преимущества вертолетов поперечной схемы, доказать целесообразность использования метода «удвоения» винтомоторных групп для увеличения грузоподъемности винтокрылых летательных аппаратов.