Создатель автожира Хуан де ла Сьерва (1895-1936)

В 1911 г. студент Московского технического училища (впоследствии академик) Б. Н. Юрьев разработал проект оригинального геликоптера. В средней его части размещался двигатель «Гном» мощностью 70 л. с. Машина имела несущий и рулевой винты. Для обеспечения управляемости геликоптера в полете был предусмотрен автомат перекоса, который позволял менять направление тяги несущего винта, а следовательно, и направление полета. В конце 1911 г. Юрьев разработал второй вариант (построен он был только в начале 1912 г.) — одновинтовой геликоптер, у которого диаметр двухлопастного несущего винта составлял 8 м. Реактивный момент несущего винта компенсировался с помощью рулевого винта, установленного в конце хвостовой фермы. Оба винта приводились во вращение двигателем мощностью 32 л. с. через трансмиссию. Весной 1911 г. этот геликоптер демонстрировался на Второй Международной воздухоплавательной выставке в Москве. Конструктору была присуждена золотая медаль за разработку принципиально новых конструктивных элементов геликоптера. Этот аппарат по ряду причин не смог подняться в воздух, но его схема и автомат перекоса дают полное право считать его прародителем современных вертолетов [3, с. 207].

В начале 20-х годов геликоптеры поднимались на высоту нескольких метров и совершали полеты на расстояние в несколько сот метров (мировой рекорд дальности полета по прямой геликоптера Эмишена 17 апреля 1924 г. составлял 736 м [4, vol. 6, р. 323]). Причинами такого медленного улучшения летных характеристик были сильные вибрации, плохая управляемость и устойчивость и невозможность планирования при остановке двигателя. Конструкторы настойчиво искали пути разрешения проблем, работали над устранением этих недостатков, но ничего революционного, принципиально нового пока никто предложить не мог.

Наряду с попытками создания нормального летающего геликоптера велась научно-исследовательская работа, в том числе в аэродинамических институтах, среди которых Николай Егорович Жуковский в 1910 г. отмечал три первых по значению: Римский, Институт Цама в США и Аэродинамический институт в Кучине [5, с. 123], созданный в 1904 г. и являвшийся первым в России учреждением такого рода. Создание этого института и начальный период его деятельности связаны с именем Н. Е. Жуковского. Научные результаты, полученные в Кучинском институте и опубликованные в его «Бюллетенях», получили положительную оценку не только в России, но благодаря их изданию на французском языке и за границей [4].

Теперь мы сделаем небольшое отступление, которое может иметь прямое отношение к изобретению де ла Сьервы. Вот что пишет основатель и директор Кучинского института Д. П. Рябушинский в брошюре, посвященной десятилетию института: «Главные результаты, которые я получил в Аэродинамическом институте, состоят в следующем: я систематически исследовал гребные винты и нашел общие законы функционирования этого замечательного механизма. В этих исследованиях я не ограничился изучением области пропеллеров, но захватил также область ветряных мельниц и область, в которой винты бросают жидкость по направлению движения, — это дало мне возможность получить очень полную картину явления. Добытые результаты я выразил при помощи нескольких простых формул, которые в настоящее время используются на практике. Мною были указаны основания вихревой теории винта и графический метод, в котором по осям координат непосредственно отлагаются отношения нулевого размера. Я изучил также опытно и теоретически винты, гребущие на месте и при боковом ветре; нашел и объяснил несколько любопытных явлений, имеющих большой теоретический интерес, как самовра-щение (курсив мой. — Г. К.) тонких пластинок» [6, с. 5].

Будем снисходительны к стилю изложения автора и персонализации им всех институтских работ. Отметим только, что результаты исследования воздушных винтов и самовращения симметричной пластинки были опубликованы в 1909 г. в «Бюллетене» Кучинского института на французском языке. Учитывая тот факт, что ла Сьерва хорошо знал французский язык и в то время читал об авиации все, что могло попасть в его руки, не так уж невероятно, что он мог ознакомиться с «Бюллетенем». В этом случае зерно могло упасть на давно подготовленную почву, искра могла вызвать огонь мысли.

После анализа уже накопленного человечеством опыта по изучению проблем орнитоптера и геликоптера ла Сьерва посчитал их довольно сложными в механическом и аэродинамическом планах. Он пришел к выводу, что проблему безопасности в значительной степени можно решить, если удастся создать систему крыльев, которые двигались бы относительно аппарата, будучи с ним конструктивно связанными, и, кроме того, поддерживали бы это относительное движение без необходимости применять двигатель. По утверждению некоторых биографов ла Сьервы, и в частности Хосе Варлеты, первоначальная идея исходила от детской игрушки — так называемой «китайской вертушки». Наблюдая плавные снижения «вертушки», ла Сьерва пришел к мысли, что существуют режимы, на которых винт может самовращаться (авторотировать) [7].

На практике же проблема состояла в том, чтобы результирующая подъемной силы каждого крыла задуманной системы одновременно побуждала бы его к движению относительно аппарата. Ла Сьерва изучил различные варианты и остановил свой выбор на системе крыльев, которые вращались бы вокруг почти вертикальной оси. Он назвал ее ротором. Ротор был предназначен для выполнения тех же функций, что и несущий винт вертолета, но в отличие от последнего ротор аппарата не приводился в движение двигателем, он свободно вращался под действием набегающего потока воздуха — авторотировал. Для поддержания авторотации необходимо, чтобы набегающий поток подходил к диску с некоторой составляющей, направленной кверху, т. е. диск всегда должен иметь положительный угол атаки по отношению к набегающему потоку. Для поступательного движения аппарат должен иметь двигатель с тянущим (или толкающим) винтом, как у обычного самолета. В набегающем потоке ротор способен поддерживать режим авторотации на углах атаки до 90°, т. е. при вертикальном снижении аппарата.

Конструктор геликоптеров Пескара [5] за несколько лет до этого запатентовал самовращающийся ротор, но с отрицательным шагом лопастей, т. е. как у обычной ветряной мельницы. Особенность открытия ла Сьервы состояла в том, что ротор с положительным углом установки лопастей в несколько градусов, будучи раскрученным, при поступательном движении аппарата продолжал вращаться в набегающем потоке и создавал подъемную силу. Набегающий поток побуждал ротор к вращению, но при этом в отличие от ветряной мельницы ротор вращался в другом направлении. Эффект авторотации ла Сьерва открыл, когда ему было 25 лет. Он сразу же его запатентовал и приложил максимум усилий, чтобы использовать этот эффект на практике.

Ла Сьерва поначалу назвал систему самовращающихся крыльев «аутохироптеро» (ауто — само, хиро — вращение), потом сократил это слово до «аутохиро» («autogiro»), поскольку оно показалось ему «слишком греческим, слишком длинным и слишком тяжелым». К нам же слово «автожир» пришло из французского (autogire).

Решив применить принцип авторотации на летательном аппарате, ла Сьерва, как и все его предшественники, пытавшиеся создать геликоптер, столкнулся с проблемами асимметрии ротора в горизонтальном полете. Известно, что лопасть, которая идет вперед навстречу набегающему потоку, при том же угле атаки создает большую подъемную силу, чем та, которая идет назад, в силу чего появляется опрокидывающий момент в поперечной плоскости в сторону лопасти, идущей по потоку. Чтобы избежать асимметрии, ла Сьерва принял обычную для того времени схему двух соосных роторов, вращающихся в противоположных направлениях.

1 июля 1920 г. ла Сьерва подал заявку на получение патента «Новый авиационный аппарат». Патент № 74322 был выдан 27 августа 1920 г. Он охватывал основные принципы свободно вращающегося ротора для создания подъемной силы. В черновике к этому патенту есть слово «автожир», однако в окончательной редакции оно было опущено. Уже после нескольких успешных полетов автожира ла Сьерва направил 10 февраля 1923 г. запрос на регистрацию слова «автожир» — «чтобы отличать летательные аппараты с вращающимися крыльями». Сертификат № 49038 был выдан 7 ноября 1923 г. [7, р. 28].