Решение проблемы прочности винта

 

В начале эксплуатации серийных вертолетов Ми-4 произошло несколько тяжелых происшествий, причиной которых, как удалось установить, был обрыв лопасти рулевого винта. Разрушение происходило по резьбе наконечника (лопасть применявшегося в то время винта В1Х1 конструкции ОКБ Н. И. Петрова ввинчивалась на резьбе в стакан осевого шарнира втулки) от изгиба в плоскости вращения винта и носило усталостный характер.

В связи с этим были начаты обширные исследования динамической прочности рулевых винтов в ОКБ, ЦАГИ и ЛИИ. Оказалось, что разобраться в причинах разрушения винтов достаточно трудно.

Приведенное здесь описание работ по исключению флаттера в полете принадлежит М. Л. Милю.

Тщательно проведенные расчеты переменных изгибающих моментов в плоскости вращения винта с учетом кориолисовых сил и коэффициента динамичности давали весьма низкие значения переменных напряжений в наконечнике лопасти, которые ни в какой мере не могли объяснить происходящих разрушений. Поэтому было решено провести всесторонние изменения напряжений в полете, возникающих на различных режимах, в частности при резких маневрах. Эта работа проводилась в ЛИИ под руководством Р. А. Михеева, в ней принимал также активное участие от ЦАГИ инженер А. Ф. Селихов.

Одновременно были предприняты шаги по созданию новых конструкций рулевого винта, разработка которых проводилась в ОКБ Н. Н. Петрова и Г. М. Заславского.

В ОКБ Н. Н. Петрова в 1953 году был спроектирован усиленный рулевой винт В1Х1-У2, а в 1956-м был создан рулевой винт В-531X2.

Втулка этого винта была спроектирована в ОКБ М. Л. Миля М. А. Лейкандом, а лопасти прямоугольной формы в плане Г. И. Целиковым в ОКБ Г. М. Заславского. В этом винте, в частности, было устранено крепление лопасти с помощью резьбы на наконечнике — крепление осуществлялось с помощью двух болтов и гребенки, т. е. так, как это делалось у лопастей несущего винта.

При испытаниях вертолета с этим винтом на режиме висения, при разворотах вертолета вокруг вертикальной оси были обнаружены резкие всплески переменных напряжений в плоскости вращения, которые не согласовывались ни с расчетом, ни вообще с какими-либо известными фактами.

Было сделано предположение, что на этих режимах возникает срывной флаттер винта, который очень плохо поддается расчетному анализу. В связи с этим были проведены специальные испытания винта в аэродинамической трубе Т-101 ЦАГИ. Однако эти испытания не подтвердили версии срывного флаттера.

Истинная причина наблюдавшихся в полете резких увеличений переменных напряжений была объяснена А. Ф. Селиховым на основании чисто теоретических соображений. А. Ф. Селихов проводил ряд расчетов и лабораторных испытаний с целью уточнить значение частоты собственных колебаний лопасти в плоскости вращения, от которой зависит коэффициент динамичности. Ему удалось построить теорию связанных колебаний лопасти в обеих плоскостях и выявить сильную зависимость частоты собственных колебаний основного тона от угла установки лопасти винта. Оказалось, что с увеличением угла установки эта частота резко снижается и всплеск напряжений на осциллограмме при развороте вертолета на висении соответствует проходу через резонанс этой снижающейся частоты со второй гармоникой нагрузок к числу оборотов винта. После этого М. Л. Милем была высказана мысль, что если подобрать режим разворота на висении, при котором шаг винта соответствует резонансу, то можно получить длительно действующие большие переменные напряжения в комле лопасти.

Чтобы это проверить, М. Л. Миль предложил провести специальный эксперимент в ЛИИ с попыткой «оторвать» лопасть винта при быстром развороте на режиме висения. Такой эксперимент был проведен летчиком-испытателем В. В. Виницким. Подготовка этого уникального эксперимента была сделана Р. А. Михеевым. При угловой скорости разворота 1 рад/сек, в три раза превышающей допустимую по теперешней инструкции, произошел отрыв лопасти рулевого винта.

Во время эксперимента проводились записи всех нагрузок на винте. Отрыв произошел при переменном изгибающем моменте 1000 кгм, который в 2,5 раза превосходил все моменты, ранее встречавшиеся при летных испытаниях.

Так, при тесном взаимодействии теории и эксперимента был получен один из наиболее важных результатов в области динамики и прочности рулевого винта.

Поняв причину появления высоких нагрузок в рулевом винте, нетрудно было создать конструкцию, где бы эти нагрузки имели приемлемые значения.

Так был в 1960 году создан рулевой винт B531-X3, который эксплуатировался на вертолете Ми-4 более 20 лет без случаев его поломки от недостаточной динамической прочности.

Впоследствии на основе тщательного изучения динамики рулевых винтов были разработаны новые типы винтов, обеспечивающие умеренные нагрузки на лопасть от кориолисовых сил. Вертолет Ми-4 имел еще больший успех в эксплуатации, чем Ми-1. Число построенных машин этого типа более чем в полтора раза превосходит число выпущенных вертолетов Ми-1.

В 1954 году вертолет Ми-4 впервые участвовал в воздушном параде в Тушино. Крупный десант с артиллерией, эффектно высаженный соединением вертолетов Ми-4 во время парада, произвел сильное впечатление на всех присутствующих.

Вертолеты Ми-4 начинают поступать на службу в народное хозяйство. Довольно скоро становится ясно, что очень многие виды работ производить без вертолета невозможно и еще больше таких работ, участие в которых этих машин увеличило производительность в десятки раз.

Создаются модификации. Помимо основного транспортного появляются варианты: пассажирский (1954 г.), салон «Люкс», санитарный; строится первый вариант сельскохозяйственного вертолета; для операций над водой вертолет оборудуется поплавковым шасси.

Ми-4 используются для перевозки народно-хозяйственных грузов и для перевозки пассажиров на открывшихся регулярных линиях. На этих линиях перевезено около 2 млн. пассажиров. После того как вертолет оборудуется специальной наружной подвеской, он успешно используется в качестве летающего крана. Вертолеты Ми-4 начинают использовать для борьбы с лесными пожарами. Тысячи людей обязаны жизнью летчикам вертолетов Ми-4, успешно проводившим спасательные операции во время наводнений и других стихийных бедствий. Вертолеты Ми-4 показали, что они могут отлично работать в крайних климатических условиях: на севере (обслуживание экспедиций в Арктике), на юге, в тропиках и пустынях (обслуживание геологоразведочных партий).

На вертолетах Ми-4 было установлено 7 официальных мировых рекордов. Наиболее значительный из них — 25 апреля 1956 года груз в 2 тонны был поднят на высоту 6017 метров. В 1958 году на Всемирной выставке в Брюсселе вертолет Ми-4 был отмечен золотой медалью.

Начинается поставка этих машин иностранным заказчикам. Высокие летно-технические характеристики и высокая эксплуатационная надежность делают Ми-4 популярным за границей. По 1966 год включительно в 34 страны мира было поставлено более 700 вертолетов этого типа. Одним из наиболее крупных импортеров вертолета Ми-4 стала Индия, закупившая свыше 100 машин. В борьбе за индийский рынок впервые столкнулось в официальном соревновании искусство советских и американских вертолетостроителей. Представляет определенный интерес история конкурентной борьбы за индийский вертолетный рынок, в ней принял участие и советский вертолет.

В 1960 году индийское правительство объявило о своем намерении закупить для армии большую партию средних десантно-транспортных вертолетов. Главными конкурентами на последнем этапе оценочных испытаний в условиях реальной эксплуатации в Индии оказались вертолеты ОКБ Миля и фирмы Сикорского.

Еще до объявленного, как сегодня сказали бы, тендера в ряде отечественных организаций неоднократно проводились сравнения характеристик вертолета Ми-4 и вертолета Сикорского S-58 как наиболее вероятного конкурента нашей машины. Большинство авторов таких сравнений приходило к выводу, что поскольку при меньшем весе конструкции и меньшей мощности вертолет S-58 может перевозить практически столько же, сколько советский вертолет Ми-4, то, следовательно, американская машина лучше и обладает поэтому большей конкурентоспособностью. При сравнении как-то упускалось из виду, что, во-первых, грузоподъемности этих машин примерно равны только при работе на небольших высотах и, во-вторых, для заказчика весовое совершенство машины само по себе не может служить критерием при ее оценке. Если заказчика удовлетворяют летно-технические характеристики машины и степень ее надежности, то его выбор определяется экономическими факторами.

Следует напомнить, что вертолет Ми-4 завоевал репутацию не только одного из самых надежных летательных аппаратов, но и одного из наиболее экономичных вертолетов, который имеет по сравнению с другими машинами своего класса самую низкую себестоимость изготовления. Это предопределило его преимущество на мировом рынке как вертолета с наименьшей в своей категории себестоимостью тонно-километра, особенно при эксплуатации на больших высотах. С учетом указанных преимуществ вертолета Ми-4 было принято решение о продаже одной машины этого типа Индии для проведения сравнительных оценочных испытаний.

Между тем выяснилось, что вертолет S-58 вообще не может участвовать в борьбе с Ми-4. С увеличением высоты полета его возможности быстро уменьшались. Поэтому фирма Сикорского предложила Индии свой новейший в то время вертолет с турбинным двигателем S-62B, специально приспособленный для полетов в горах, на котором для этой цели вместо стандартного трехлопастного несущего винта с диаметром 18,1 м был установлен четырехлопастный с диаметром 17,09 м (от вертолета S-58).

Начались сравнительные испытания по сложной программе: индийцам нужна машина для работы в Гималаях. События приобретают драматический характер. Терпит аварию первая американская машина. Вертолет Ми-4 совершает вынужденную посадку высоко в горах на высоте порядка 4000 м. Западная техническая пресса пытается раздуть сенсацию вокруг этого случая. По мнению английского журнала «Флайт», опасность «красного экспорта» была устранена. Тяжелое происшествие с американской машиной замалчивается. Фирма Сикорский для продолжения испытаний посылает второй вертолет S-62B. ОКБ М. Л. Миля командирует в Индию своих специалистов. На вертолете Ми-4 заменяется фильтр маслосистемы, и он благополучно взлетаете места вынужденной посадки. Причина происшествия — использование масла несоответствующего сорта, из-за чего на фильтре образовалась пленка и плохо работал регулятор смеси. Соревнования продолжаются. Ми-4 летает выше, возит больше груза и оказывается победителем. За вертолетом Ми-4 среди иностранных заказчиков закрепляется репутация лучшей машины для полетов в горах.

За создание этого вертолета и за решение ряда принципиальных проблем вертолетостроения группе работников ОКБ во главе с М. Л. Милем в 1958 году присуждается Ленинская премия.

Лауреатами Ленинской премии стали: М. Л. Миль, Н. Г. Русанович, А. Э. Малаховский, А. К. Котиков, В. А. Кузнецов, Г. В. Козельков, И. С. Дмитриев, М. П. Андриашев и И.В, Ананьев.

Ми-4 находился в производстве на Казанском вертолетном заводе до 1966 года. Всего в Казани было изготовлено 3155 экземпляров. Несколько лет Ми-4 оставался самым грузоподъемным вертолетом мира. На нем были установлены 8 мировых рекордов высоты и скорости полета.