На небо под винтом: как из фантастических летательных аппаратов получились первые вертолеты

Летательные аппараты, в которых крыло представляет собой винт, одними из первых поднялись в воздух. Изобретателям казалось, что еще немного, еще чуть-чуть, и человек, вооружившись вращающимся винтом, взмоет в небо. Однако эта задача с технической точки зрения оказалась отнюдь не простой. Поэтому «вертолетный» способ перемещения по воздуху люди освоили только после того, как научились летать на самолетах.

Возможность полета всегда волновала человека. Наблюдение за птицами вызывало естественное желание подняться в воздух с помощью искусственных крыльев. Махолеты вплоть до начала XIX века были наиболее распространенным типом проектов летательных аппаратов тяжелее воздуха. Несмотря на давнюю повсеместную известность воздушного змея, идея подъема в воздух при помощи поступательно движущегося крыла почему-то не была популярной среди исследователей.

«Змеи» и первые ракеты использовались преимущественно для увеселения, а в качестве пилотируемых летательных аппаратов, как правило, не рассматривались. Зато способность вращающегося винта проникать в воздушную среду казалась энтузиастам полета не менее естественной, чем взмахи птичьих крыльев. Так, в Средние века идея использования для полетов вращающийся винт уже была популярной.

Несущий винт, как источник подъемной силы, не имеет прямых аналогов в природе. Отдаленное сходство с вертолетами можно усмотреть разве что в способности летать у птиц колибри и некоторых видов насекомых. Немного напоминают несущий винт семена-крылатки клена и ясеня, которые иногда оказываются довольно далеко от родного дерева. Старейший же искусственный предшественник вертолета — бумеранг, предположительно был изобретен австралийскими аборигенами около 10 тысяч лет назад.

Винтокрылые игрушки

Первое сохранившееся упоминание о вертолете относится к 320 году н. э. Китайский ученый Го Хун в своем опусе среди различных фантастических способов «вознесения на ужасные высоты и путешествия в безбрежных пространствах» предложил делать «летающие колесницы», поднимающиеся в воздух при помощи вращающихся лопастей. Даосист рассматривал путешествия «на ужасных высотах» и как средство борьбы с врагом.

Первый сохранившийся до наших дней европейский проект вертолета появился одновременно с проектом другого военного средства — танка. Эти два плана содержатся на одной странице рукописи великого Леонардо да Винчи и датируются 1488–1489 годами. Для привода в действие механизмов Леонардо предлагал использовать пружину. Замена раскрутки винта от наземного стартера источником энергии, расположенным на самой модели, стала важным шагом в создании реального вертолета.

Соединив упругим элементом две «летающие палочки» и «закрутив» их друг относительно друга, средневековый игрушечник получил простейшую модель вертолета. Проще всего оказалось соединить «летающие палочки» по осям так, чтобы винты вращались в разные стороны. Таким образом изобретатель решил важнейшую при проектировании летательных аппаратов задачу балансировки сил и моментов. В результате вертолет должен был не только оторваться от земли, но еще и устойчиво держаться в воздухе.

Другим элементарным решением стала замена одной из «летающих палочек» большими вертикальными «тормозными» плоскостями, не создающими подъемной силы, но мешающими вращению корпуса под действием реактивного момента винта. Такие игрушки послужили прототипами вертолетов одновинтовой схемы.

За дело берется Ломоносов

В XVII веке с моделями вертолетов экспериментировали знаменитые физики Роберт Гук (автор закона об упругой деформации) и Христиан Гюйгенс. В следующем столетии на них обратил внимание наш знаменитый соотечественник Михаил Ломоносов. Построенная им в 1754 году «аэродромическая машина» уже не была моделью-игрушкой, а представляла собой самый настоящий малоразмерный вертолет, имела фюзеляж с помещением.

В частности, в 1782 году не удалось подняться в воздух парижскому художнику и артисту Жану Бланшару, известному воздухоплавателю, равно как и многим, последовавшим за ним мечтателям. Сегодня мы уже точно знаем, что человеческих сил, увы, недостаточно для отрыва от земли вертолета-мускулолета.

Победа над воздухом

Ситуация кардинально изменилась, когда в конце XVIII века, 21 ноября 1783 года, в Париже на заполненном горячим воздухом воздушном шаре братьев Монгольфье поднялись в воздух первые аэронавты. Вскоре полеты на воздушных шарах начались и в других странах. Наступило время всеобщего увлечения воздухоплаванием, получившее саркастическое наименование «баллономании». «Победа над воздухом» с помощью аэростата привлекла внимание и к разработке летательных аппаратов тяжелее воздуха.

Вариации с мускулолетами

В 1818 году французский офицер граф Адольф де Ламбертье разработал проект многоместного боевого воздушного корабля-махолета, на котором крепился одноместный вертолет-мускулолет для «связи с землей». Летчик находился внутри цилиндрической клети, вокруг которой вращалась другая клеть со спиралевидным несущим винтом. Граф достаточно подробно проработал свой проект и даже придумал для первых вертолетчиков красивую униформу.

«Отец британской аэронавтики» лорд Джордж Кейли провел в начале XIX века исследования несущего винта с целью улучшения его аэродинамических качеств, выбора наиболее рациональной формы и параметров лопастей. Он первым обратил внимание на способность винта самостоятельно вращаться под действием набегающего воздушного потока, создавая при этом подъемную силу. В наше время эту способность называют авторотацией — она используется при аварийной посадке вертолетов в случае выхода из строя силовой установки.

Кейли первым предложил устанавливать два несущих винта на вертолете не соосно, а рядом на параллельных осях, разработав, таким образом, «поперечную» схему вертолета. Отметив бесперспективность мускулолетов, Кейли рассмотрел и возможность использования в качестве силовой установки вертолета единственно доступного в то время типа теплового двигателя — парового. Истинный британец, он разрабатывал винтокрылые машины как замену военным кораблям, как «защитников торговли и носителей прогресса».

В 60-е годы XIX века внимание многих сторонников управляемого полета переключилось на геликоптер-вертолет. «Ввинчивание в воздух» казалось куда более естественным и простым, чем разбег для взлета с неподвижным крылом. Параллельно с разработкой проектов строились модели, в том числе с тепловыми двигателями на борту, проводились экспериментальные исследования несущих винтов, продолжались попытки подъема в воздух на мускулолетах.

Наиболее интенсивно этот процесс шел во Франции — Париж стал центром мировой авиации. Большую роль в этом сыграла бурная деятельность активных сторонников несущего винта: Понтона д’Амекура, Габриэля де ла Ланделя и Надара (псевдоним Гаспара Турнашона). Энтузиасты опубликовали «Манифест воздушного движения», в котором провозгласили: «Винт — святой винт… должен в будущем вознести человека в воздух!»

Габриэль де ла Ландель написал в 1863 году книгу «Авиация, или воздушная навигация», в которой нарисовал фантастическую картину грядущего вертолетной авиации, предложил классификацию вертолетов по размерам и взлетной массе, а также по назначению. Одним из основных назначений вертолетов он считал их участие в поисково-спасательных операциях во время «наводнений, кораблекрушений и пожаров…»

От буксировщиков до электролетов

Со второй половины XIX века активные работы по вертолетам начались в России и США. «Вертолетный бум» в Америке был вызван кровопролитной гражданской войной, потребовавшей разработки новых видов вооружения. Как известно, военные кампании отличаются активным внедрением в боевые порядки новых видов техники, в данном случае — аэростатов воздушного наблюдения, которые оказались дорогими, громоздкими, немобильными. Военные вспомнили о вертолете.

Комендантом крепости «северян» Порт-Ройял служил генерал Митчелл, до войны профессор местного университета. Его авторитета оказалось достаточно, чтобы получить финансирование на постройку вертолета-разведчика. Строившаяся под руководством Митчелла «паровая летательная машина» представляла собой вертолет с двумя соосными несущими винтами диаметром по 6 м, ось которых могла отклоняться в нужную для полета сторону, крылом-парашютом на случай выхода из строя двигателя и хвостовой части.

Несущие винты располагались над и под хорошо обтекаемым сигарообразным фюзеляжем длиной 10 м. Для парового двигателя мощностью 40 л. с. в качестве топлива использовалась калорийная каменноугольная смола. Естественно, поднять в воздух многотонную машину не удалось. Первая в истории попытка построить военный вертолет закончилась неудачей.

Для армии «северян» одновременно с Митчеллом вертолеты пытались строить изобретатели М. Нельсон, Л. Кроуэл, для флота «южан» — У. Поуэрс и др. Их проекты содержали ряд оригинальных и перспективных идей. Нельсон, например, предлагал строить вертолет из алюминиевых сплавов и с двигателем внутреннего сгорания, Кроуэл — использовать свой винтокрылый летательный аппарат в качестве бомбардировщика и «буксировщика аэростатов», а Поуэрс — в качестве «прорывателя морской блокады». Однако война закончилась раньше, чем первые американские вертолетостроители вышли из стадии модельных испытаний.

Следующая после Митчелла попытка построить вертолет в натуральную величину была предпринята в 1871 году вновь в связи с войной, на сей раз Франко-прусской. Его конструктором стал выдающийся русский изобретатель-электротехник Александр Николаевич Лодыгин. В 1871 году он предложил правительству Франции проект вертолета «Электролет» для перевозки грузов и пассажиров, наблюдения, разведки и нанесения бомбовых ударов.

«Электролет» должен был иметь несущий и толкающий воздушные винты. Ось последнего могла отклоняться вбок для путевого управления. Фюзеляж конструкции имел обтекаемую форму. Вес вертолета ожидался «не более 500 пудов». В качестве силовой установки Лодыгин рассматривал электродвигатель мощностью 300 л. с.

Проект Лодыгина получил поддержку знаменитого Надара, и Комитет национальной обороны выделил изобретателю 50 тыс. франков. Постройка «Электролета» началась на заводе Шнейдера в Крезо, но война закончилась раньше, чем вертолет собрали. По воспоминаниям изобретателя, французское правительство выделило ему деньги, скорее, «от отчаяния» от военных поражений на фронте, чем из практических соображений. Первая попытка россиянина построить боевой вертолет не удалась.

В годы Русско-турецкой войны (1877—1878) проекты вертолетов для разведки и бомбометания предлагали изобретатели В.П. Богородский из Воронежа и К.П. Ярошевский из Хотина. Из-за недостаточной проработки проекты поддержки не получили.

К концу 70-х на смену более ранним упрощенным предложениям, отражавшим лишь общие взгляды авторов на принципы создания винтокрылых летательных аппаратов, пришли проекты с продуманной компоновкой и конструкцией основных частей и деталей.

В связи с тем, что вес всех известных в то время типов механических двигателей — парового, электрического, пневматического — был настолько велик, что не позволял поднять винтокрылую машину в воздух, проекты вертолетов стали сопровождаться разработкой новых типов силовых установок различного рода.

В частности, вертолет с двигателем внутреннего сгорания, работающим на порохе, пытался построить в конце 80-х годов XIX века военный инженер Потемкин. Особенно фундаментальными в России были исследования морского инженера Павла Дмитриевича Кузьминского. Его «Русолет» предполагалось оснастить первым в мире газопаротурбинным двигателем.

В 1877 году впервые поднялась в воздух оснащенная упрощенным паровым двигателем модель основателя итальянского военного воздухоплавания Энрико Форланини, в следующем году — более тяжелая и сложная модель француза Поля Кастеля.

В те же годы известный пионер английской авиации Горацио Филипс завершил постройку и провел испытания полноразмерного вертолета с мотором на борту. Однако использованный в качестве силовой установки тяжелый паровой двигатель не вырабатывал необходимой для поднятия аппарата в воздух энергии (поэтому Филлипс в начале 90-х годов предпочел заняться самолетами). То же решение принял известный пионер авиации Вильгельм Кресс, много лет пытавшийся построить для австрийской армии «привязной» вертолет с электродвигателем, который предназначался бы для «переброски солдат через препятствия».

Компоновка и конструкция геликоптеров разрабатывались в 60—80-х годах XIX века по аналогии с существующими механическими конструкциями и транспортными средствами. Наибольшее внимание помимо силовых установок уделялось конструкции несущих винтов. Теории их проектирования тогда не существовало. Поэтому разработка часто сопровождалась экспериментальными исследованиями винтов с целью подбора их наиболее выгодных параметров.

Изобретатели предлагали винтокрылые летательные аппараты всевозможных схем, в том числе преобразуемые аппараты-конвертопланы. Правда, приверженцы идеи несущего винта в основном ограничивались в своих проектах только разработкой механизма обеспечения поступательного полета и органов путевого управления. Проблема устойчивости всерьез не рассматривалась, так как считалось, что она обеспечивается «самой природой» вертолета: несущий винт определялся как точка подвеса, центр тяжести располагался ниже этой точки. В проектах иногда приводились весовые данные, но они не основывались на каких-либо расчетах.

Об одном из мускулолетов стоит упомянуть отдельно. Кустарь-игрушечник из Сергиева Посада Никита Минович Митрейкин построил в 1899 году велосипед с четырехлопастным несущим винтом диаметром 4 м, хвостовым оперением и двумя боковыми «маховыми» балансировочными крыльями. В необходимости установки последних он убедился в результате опытов: при подскоках с трамплина и отрыве колес от земли нарушалась путевая балансировка.

Митрейкин считал, что его «воздухоплавательный велосипед» окажется исключительно полезным для военных целей: «…с поля битв раненых можно буде увозить скоро, не тряся и не качая. Это, по-моему, главное…». Таким образом, кустарь-игрушечник из Сергиева Посада первым в мире предсказал одну из важнейших областей применения вертолета — в качестве медико-эвакуационного средства.

Так как к концу XIX века конструкторы уже отчетливо осознавали трудность обеспечения вертолетов достаточным запасом подъемной силы, они перестали вводить в свои разработки какие бы то ни было лишние части и агрегаты, в том числе и вооружение.

На время эти идеи оставались «воплощенными» лишь в фантастических романах, таких, например, как «Робур-завоеватель» Жюля Верна, в котором вертолет «Альбатрос» был оснащен двухдюймовой пушкой, митральезой и другим стрелковым вооружением, а также бомбами, спасательной лодкой и разным спецоснащением. Несколько позже, в романе «Необыкновенные приключения экспедиции Барсака», Жюль Верн дал описание вооруженного картечницей дистанционно-пилотируемого вертолета «Оса».

Геликоптерные формы

В 90-х годах XIX века начался последний период «героического» этапа, непосредственно предшествовавшего появлению первых вертолетов, способных подняться в воздух с летчиком на борту. Создание паровых двигателей с малым удельным весом, результаты экспериментальных исследований и испытаний летающих моделей позволили создать первые самолеты, способные оторваться от земли.

Самолет французского инженера Клемана Адера 9 октября 1890 года совершил небольшой «скачок», а в 1894 году аналогичного результата добился и англичанин Х. Максим. Возросший интерес к летательным аппаратам тяжелее воздуха стимулировали и успехи «летающего человека» О. Лилиенталя. К концу XIX века у энтузиастов авиации появилась уверенность в том, что мир находится накануне первого управляемого полета на летательном аппарате тяжелее воздуха.

В работах пионеров вертолетостроения особое внимание на переломе XIX–XX веков стало уделяться различным проблемам аэродинамики и динамики, развитию принципов проектирования вертолетов. Началось становление вертолетной науки. Ее основой послужили экспериментальные исследования несущих винтов, позволившие накопить изрядный опыт подбора оптимальных параметров.

Ученые стали предпринимать попытки создания теоретических основ расчета несущих винтов. Существенно расширились представления о характерных режимах работы вращающегося винта, в том числе в режиме авторотации. В начале XX века появились работы француза Шарля Ренара, австрийца Георгия Вельнера, русских Николая Егоровича Жуковского и Дмитрия Павловича Рябушинского и других ученых, положившие начало теории проектирования вертолетов. Тогда были заложены основы весового и аэродинамического расчетов винтокрылых летательных аппаратов, методов оптимизации их параметров.

Среди разрабатываемых схем вертолетов все большее распространение получали простые одновинтовые и двухвинтовые соосные. Профессор Московского университета Федор Алексеевич Слудский предложил в 1887 году русскому военному ведомству целую программу создания боевых «воздушных волчков» для нанесения бомбовых ударов по врагу или перенесения почты через голову противника. Модели аналогичных, летающих на режиме авторотации «воздушных торпед» для переноски бомб или освещения местности демонстрировал в 1895-м петербургский чиновник Виктор Викторович Котов.

Представления о компоновке и общем виде вертолетов эволюционировали от примитивного подражания другим летательным аппаратам и транспортным средствам до выработки специфических «геликоптерных» форм. Некоторые проекты содержали упрощенные прочностные расчеты частей и деталей.

Мнение о несущем винте как о точке подвеса было признано ошибочным, возникла необходимость обеспечения вертолета средствами управления, позволяющими осуществлять балансировку сил и моментов относительно всех трех осей, и эффективными не только при поступательном движении, но и при режиме висения. При этом конструкторы использовали как давно известные органы управления, так и разрабатывали новые, в том числе и прототипы автомата перекоса.

На переломе XIX–XX веков завершили постройку вертолетов собственной конструкции и приступили к их натурным испытаниям англичанин Г. Филипс, француз А. Филиппи, немцы К. Зенкер и Г. Гансвиндт, австриец В. Порак де Варна, американец Дж. Давидсон, канадец Л. Гэгнон, бельгиец А. Виллар.

Первые неудачи ХХ века не обескуражили вертолетостроителей. Они продолжили постройку аппаратов в натуральную величину. В определенной мере их подстегивал успех коллег-самолетостроителей. В 1903-м братьям У. и О. Райт удалось впервые осуществить на своем «Флайере-1» управляемый полет. Самолет начал уверенно завоевывать воздушное пространство, вселяя большие надежды в ряды сторонников механического полета. Строительство винтокрылых машин развернулось во всех развитых странах мира.

Первые икары

В результате быстрого прогресса автомобилестроения появился надежный бензиновый двигатель внутреннего сгорания. Моторы начала XX века имели удельную массу 4—5 кг/л. с. Появление во второй половине первого десятилетия века авиационных моторов «Антуанет» с удельным весом 2—3 кг/л. с. сделало возможным создание натурных вертолетов с энерговооруженностью, позволявшей поднять в воздух человека.

Другой важной причиной появления первых летающих вертолетов были успехи, достигнутые в результате экспериментов с несущими винтами, обладающими высокими аэродинамическими характеристиками. Особенно выдающихся успехов добился французский ученый Ш. Ренар, достигший в таких экспериментах кпд свыше 0,55. Накопленный в авиации опыт позволил строить несущие винты и другие части конструкции достаточно легкими и прочными. Размеры винтов, исследуемых на стендах, постоянно увеличивались, и в 1905 году испытательный стенд Мориса Леже, ученого из Монако, впервые оторвал от земли человека при помощи несущих винтов.

Бреге установил на вертолете четыре винта диаметром 8 м. Они приводились во вращение от двигателя «Антуанет» мощностью 45 л. с. Корпус аппарата представлял собой крестообразную ферменную расчалочную конструкцию из металлических труб. Взлетная масса составляла 578 кг. Летчик мог только управлять двигателем. Других средств управления на вертолете не было. Малый запас подъемной силы не позволил Бреге установить их на аппарат. От опрокидывания «Жироплан» предохранялся механиками, придерживавшими с четырех сторон фермы конструкции.

Вслед за «Жиропланом» стали подниматься в воздух винтокрылые аппараты других конструкторов. На них также присутствовали только те системы, которые требовались для осуществления отрыва от земли. Органы управления, не говоря уже о второстепенных видах оборудования, отсутствовали.

Вертолет француза Поля Корню, поднявший 13 ноября 1907 года в воздух своего создателя, имел двухвинтовую продольную схему, а достигнутые на нем высота и продолжительность подъема были значительно скромнее, чем на аппарате Бреге.

Еще более скромными оказались результаты, полученные при испытаниях в 1908 году двухвинтовых вертолетов поперечной схемы англичанина Говарда Райта и соосной схемы американца Эмиля Берлинера. Аппараты могли только подпрыгивать в воздух. Одновинтовые вертолеты чеха Франтишека Новака в 1910–1911 годах зависали на привязи только без летчика на борту. Уровень развития науки и техники начала XX века не позволял обеспечить необходимый запас подъемной силы на вертолетах с числом несущих винтов меньше четырех.

При двух несущих винтах, установленных продольно или поперечно, развиваемая ими суммарная тяга не превышала веса конструкции. Уменьшить ее вес можно было только за счет снижения надежности и прочности. При одновинтовой схеме изобретателям приходилось, кроме того, прибегать к всевозможным ухищрениям, чтобы уравновесить реактивный момент несущего винта. В то же время при использовании многовинтовых схем конструкторы были вынуждены решать сложнейшие задачи снижения веса, а также обеспечения прочности и надежности трансмиссии и ферм конструкции. Удавалось это немногим.

Из почти полусотни вертолетов, появившихся вслед за аппаратами Бреге и Корню, оторваться от земли довелось лишь единицам. Подавляющее же большинство винтокрылых машин осталось на земле, а тем временем авиация с неподвижным крылом добилась впечатляющего успеха. К концу первого десятилетия XX века самолеты стали полностью работоспособными машинами. В кругах энтузиастов механического полета наметилось разочарование в аппаратах с несущим винтом. Если в 1909 году их постройкой и испытаниями занималось несколько десятков изобретателей, то через два года доводкой винтокрылых машин занималось только несколько «фанатиков».

Иллюстрации Михаила Дмитриева

Материал опубликован в журнале «Вокруг света» № 4, апрель 2006, частично обновлен в октябре 2023