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 г.
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 – 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 – штурвала, расположенного в кабине
лётчика. Последняя из этих операций – уменьшение дифференции общего шага рулевых
винтов – 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 м^2.
На вертолёте был установлен авиационный двигатель водяного охлаждения
"Кертисс-Конкверер" 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
– 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 г. 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 г. 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, – 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 бˊольшим 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 г. аппарат на аэродроме был собран, отрегулирован и проверен, и в
начале 1940 г. 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 г. 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 г. 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 – 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.