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HISTÓRIA DA TECNOLOGIA, TECNOLOGIA, OBJETOS AO REDOR DE NÓS
Helicóptero. História da invenção e produção
Diretório / A história da tecnologia, tecnologia, objetos ao nosso redor Um helicóptero é uma aeronave de asa rotativa na qual as forças de sustentação e de propulsão (motriz) em todos os estágios do vôo são criadas por um ou mais rotores acionados por um ou mais motores.
Por quase quarenta anos após sua aparição, a aeronave reinou suprema no ar. Durante esse tempo, a velocidade e a capacidade de carga das máquinas aladas aumentaram muitas vezes, que se transformaram de desajeitados "coisas" de compensado em poderosos homens bonitos, incorporando as conquistas técnicas mais avançadas do pensamento humano. No entanto, apesar de todos os seus méritos, qualquer aeronave tem uma desvantagem importante - para permanecer no ar, ela deve se mover constantemente e a uma velocidade suficientemente alta em um plano horizontal, porque a sustentação de suas asas depende diretamente da velocidade do movimento. . Daí a necessidade de corrida de decolagem e corrida de pouso, que encadeiam a aeronave ao aeródromo. Enquanto isso, muitas vezes há a necessidade de uma aeronave que tenha uma força de elevação que não dependa da velocidade de vôo, possa subir e pousar verticalmente e, além disso, seja capaz de "pairar" no ar. Este nicho, após uma longa pesquisa de design, foi ocupado por um helicóptero - um helicóptero. Possuindo todas as qualidades de voo inerentes a uma aeronave, um helicóptero possui, além disso, uma série de propriedades específicas notáveis: pode decolar de um local sem uma corrida preliminar de decolagem, ficar imóvel no ar na altura desejada, mover-se progressivamente em todas as direções, fazer curvas em qualquer direção como no momento do movimento para frente e durante o pairar; finalmente, ele pode pousar em uma pequena plataforma sem uma corrida subsequente. A criação de um aparelho que possuísse um complexo dessas qualidades acabou sendo uma tarefa extremamente difícil, pois a teoria de um helicóptero é muito mais complicada do que a teoria de um avião. Foram necessários anos de trabalho árduo de muitos projetistas antes que o helicóptero começasse a se sentir confiante no ar e pudesse compartilhar as preocupações do transporte aéreo com a aeronave. Os primeiros helicópteros (helicópteros e autogiros) surgiram quase ao mesmo tempo que os primeiros aviões. Em 1907, o helicóptero de quatro rotores dos franceses Breguet e Richet pela primeira vez conseguiu decolar e levantar um homem acima de alguém. Depois disso, vários projetos de helicópteros foram propostos por muitos inventores. Todos eles tinham um esquema multi-rotor complexo, no qual vários parafusos serviam para manter o dispositivo no ar e vários outros para empurrá-lo na direção certa. O esquema de rotor único (ao qual pertencem 90% de todos os helicópteros em nosso tempo) não foi seriamente considerado por ninguém a princípio. E ela era real? Levante o dispositivo no ar com um único parafuso - ainda bem. Mas como dizer a ele o movimento de translação horizontal? Como gerenciá-lo? Aqueles inventores que eram bastante versados em aerodinâmica apontaram outra grande desvantagem do esquema de rotor único - a presença de um momento reativo. O fato é que quando o rotor principal era acionado a partir de um motor rigidamente conectado à gôndola, esta última tinha que girar não tanto a própria hélice quanto (na direção oposta) o corpo do aparelho. Parecia que era possível paralisar o momento do jato apenas quando vários rotores principais girando em direções opostas são usados no projeto do helicóptero. Além disso, esses parafusos podem ser localizados separadamente um do outro (esquemas longitudinais e transversais) e no mesmo eixo - um sob o outro (esquema coaxial). Outras vantagens do esquema multi-parafuso também vieram à mente. Afinal, tendo vários parafusos de controle, era mais fácil direcionar o carro na direção certa. Mas logo ficou claro: quanto mais parafusos um helicóptero tem, mais problemas ele tem - calcular o dispositivo mesmo com um parafuso era uma tarefa muito difícil; tornou-se geralmente impossível levar em conta a influência mútua de muitas hélices (pelo menos no primeiro quartel do século XNUMX, quando a aerodinâmica estava apenas dando seus primeiros passos, e a teoria da hélice estava apenas começando a tomar forma ). Uma contribuição significativa para superar muitos desses problemas foi feita pelo inventor russo Boris Yuryev. Ele fez suas descobertas mais importantes quando estudava na Escola Técnica Superior de Moscou e era um membro ativo do Círculo Aeronáutico do famoso cientista russo Zhukovsky. Interessado em um esquema de rotor único, Yuryev, antes de tudo, se perguntou: como dizer ao helicóptero para avançar na direção certa? A maioria dos inventores no início do século XNUMX, como já mencionado, tinha certeza de que para isso era necessário equipar o aparelho não apenas com rotores, mas também com hélices. No entanto, experimentando muitos modelos diferentes, Yuryev descobriu que, inclinando o eixo do rotor principal, era possível obter uma boa velocidade de vôo horizontal sem fazer uma hélice de empuxo horizontal especial. O movimento de translação do helicóptero também pode ser obtido inclinando o corpo do aparelho para a frente. Nesse caso, a força do parafuso grande é decomposta em duas forças - elevação e empuxo, e o aparelho começa a se mover para frente. E quanto maior a inclinação do aparelho, maior será a velocidade de vôo. O próximo problema foi como equilibrar o momento reativo agindo na nacele. Yuryev sugeriu que isso poderia ser mais facilmente alcançado com uma pequena hélice localizada na cauda do helicóptero e acionada por uma engrenagem leve. Devido ao fato de que a força criada pelo rotor de cauda foi aplicada ao braço longo (em relação ao centro de gravidade do aparelho), sua ação facilmente compensou o momento reativo. Os cálculos mostraram que isso levaria de 8 a 15% da potência do motor. Yuryev propôs ainda fazer as pás desta hélice com um passo variável. Ao aumentar ou diminuir o ângulo de inclinação dessas pás ao plano de rotação, foi possível aumentar ou diminuir o empuxo dessa hélice. Com alto empuxo, o rotor de cauda teve que superar o momento reativo do rotor principal e girar a gôndola na direção certa.
Mas a maior dificuldade foi a criação de um sistema de controle confiável. O piloto tinha que ter à sua disposição dispositivos que lhe permitissem alterar rapidamente a orientação da máquina em relação a todos os seus três eixos: ou seja, girá-la em qualquer direção em relação ao eixo vertical, inclinar o corpo para cima e para baixo e também role-o para a direita e para a esquerda. O problema de giro foi resolvido com um pequeno rotor de cauda. Para fazer isso, como já observado, bastava tornar suas pás giratórias e conectar o mecanismo de rotação aos lemes. Mas como garantir a controlabilidade em relação aos eixos longitudinal e transversal? O meio mais simples seria o dispositivo de mais dois rotores de cauda, colocados nos consoles a alguma distância do centro de gravidade da máquina e girando o helicóptero na direção necessária para o piloto. Aqui, o parafuso 1 serve para compensar o momento reativo e também atua como leme; a hélice 2 rola e é semelhante em sua ação aos ailerons (planos empenados das asas de uma aeronave), e a hélice 3 serve como uma espécie de profundor. Mas este sistema, além de ser excessivamente complexo, também tinha a desvantagem de tornar o helicóptero muito instável em voo. Yuryev começou a pensar sobre a questão: é possível organizar o rotor principal de tal maneira que ele mesmo crie os dois momentos necessários para controlar o helicóptero? A busca por ele terminou em 1911 com a invenção de um dos dispositivos mais notáveis da história de um helicóptero - a criação de um swashplate.
O princípio de funcionamento desta máquina é muito simples. Cada pá da hélice descreve um círculo durante a rotação. Se as pás do rotor principal forem movidas em relação aos seus eixos longitudinais, de modo que possam mudar o ângulo de inclinação para o plano de rotação, o movimento do helicóptero pode ser facilmente controlado. De fato, se parte do círculo delineado por ele passar pela lâmina com um grande ângulo de instalação e a outra parte com um menor, então, obviamente, o empuxo por um lado será maior e, por outro, menor, e o rotor principal (e com ele toda a máquina) será girado na direção apropriada. O swashplate apenas forneceu a instalação necessária das lâminas. Para fazer isso, um anel foi instalado no eixo do rotor principal em uma suspensão de cardan, ao qual, com a ajuda de dobradiças, foram presas trelas às alavancas que giravam as pás. O anel girou junto com o eixo da hélice. De dois lados estava coberto por um anel fixo sentado livremente sobre ele. Este último anel podia ser girado livremente por meio de hastes de direção e receber qualquer inclinação em dois planos. Neste caso, o anel interno também inclinou enquanto girava simultaneamente dentro do anel fixo. É fácil ver que neste caso o anel interno fará uma oscilação completa em uma volta, o que por sua vez fará oscilar cada lâmina associada a ele: todas elas mudarão o ângulo de instalação de um valor mínimo para um máximo durante o revolução. Esses ângulos dependerão da inclinação do anel fixo associado às alavancas de controle. Se o piloto precisasse virar seu carro em qualquer direção, ele tinha que apontar o anel externo do swashplate nessa direção. Neste modo, o ângulo de inclinação de cada lâmina foi alterado independentemente das outras lâminas. Mas era fácil fazê-lo para que o swashplate, se necessário, pudesse alterar o ângulo de instalação de uma só vez para todas as lâminas ao mesmo tempo. Isso era necessário, por exemplo, em caso de falha do motor em um modo chamado autorrotação, quando, sob a influência de um fluxo de ar, a hélice de um helicóptero em queda começava a girar espontaneamente, agindo como um pára-quedas. Ao mesmo tempo, o helicóptero parecia estar planejando (na natureza, esse efeito pode ser observado na queda de sementes de bordo). Para fazer isso, bastava fazer o gimbal swashplate deslizar ao longo do eixo da hélice (de cima para baixo). Levantando ou abaixando o swashplate, o piloto imediatamente girou todas as pás da hélice em uma direção, aumentando ou diminuindo o ângulo de instalação ou tornando-o negativo (ou seja, capaz de girar na direção oposta, que era exatamente o que era necessário durante a autorrotação) . Assim, em 1911, um estudante de 22 anos da Escola Técnica Superior de Moscou Boris Yuryev desenvolveu em termos gerais todo o esquema de um helicóptero de rotor único. Ele não podia patenteá-lo, porque não tinha dinheiro para isso. Em 1912, de acordo com o projeto de Yuryev, os alunos da Escola Técnica Superior de Moscou montaram um modelo não voador em tamanho real de um helicóptero. Na exposição internacional de aeronáutica e automobilismo, realizada no mesmo ano em Moscou, este modelo foi premiado com uma pequena medalha de ouro. No entanto, a escola não tinha recursos para construir uma máquina de trabalho. A Primeira Guerra Mundial, que começou logo depois, e depois a Guerra Civil, distraiu Yuryev do trabalho em seu projeto por um longo tempo.
Enquanto isso, modelos de helicópteros multirotores continuaram a aparecer em outros países. Em 1914, o inglês Mumford construiu seu helicóptero. Foi o primeiro a voar com velocidade de translação. Em 1924, o francês Emishen voou seu helicóptero pela primeira vez em um círculo fechado. Ao mesmo tempo, Yuryev, tendo assumido o cargo de chefe do Departamento de Aerodinâmica Experimental TsAGI, tentou implementar seu esquema de rotor único. Sob sua liderança, Alexei Cheremukhin construiu o primeiro helicóptero soviético 1-EA.
Esta máquina tinha dois parafusos de cauda e dois motores Ron com potência de 120 hp cada. cada. Também foi equipado com um swashplate pela primeira vez. Os primeiros testes em 1930 deram um resultado brilhante. O helicóptero pilotado por Cheremukhin decolou com confiança do chão e subiu facilmente a uma altura de várias centenas de metros, oitos livremente descritos e outras figuras complexas no ar. Em 1932, Cheremukhin voou este helicóptero a uma altura de 605 m, estabelecendo assim um recorde mundial absoluto. No entanto, este helicóptero ainda estava muito longe de ser perfeito. Ele era instável. O rotor principal era rígido (as pás não alteravam o volante), o que tornava seu trabalho insatisfatório. Posteriormente, outros modelos foram desenvolvidos e construídos. Em 1938, sob a liderança de Bratukhin, foi criado o primeiro helicóptero soviético de dois rotores 11-EA do esquema transversal. Mas, em geral, na década de 30, a indústria de helicópteros não recebeu apoio estatal na URSS. Naquela época, tornou-se muito popular a teoria, segundo a qual um avião é incomparavelmente mais perfeito que um helicóptero tanto em velocidade quanto em capacidade de carga, e um helicóptero é apenas um brinquedo caro. Somente em 1940, Yuryev, com grande dificuldade, conseguiu obter permissão para criar um escritório de design especial, que ele chefiava. Logo carregado com muito trabalho docente, ele entregou a liderança do departamento a Ivan Bratukhin. Um ano depois, a guerra começou e a criação de um helicóptero perfeito foi novamente adiada indefinidamente. Naquela época, a Alemanha era líder na indústria de helicópteros. O talentoso designer Fokke criou nos anos 30 vários helicópteros transversais de rotor duplo perfeitos. Em 1937, foram estabelecidos recordes mundiais em seu helicóptero FW-61: altitude - 2439 m, velocidade - 123 km / he alcance - 109 km de voo. Em 1939, o novo helicóptero Fokke atingiu uma altitude de 3427 m e, em 1941, sua máquina FA-223 foi lançada em uma pequena série. A guerra pôs fim ao seu desenvolvimento, mas o sucesso dos Focke-Wulfs por muito tempo chamou a atenção dos designers para o esquema transversal.
O fato de o esquema de rotor único, no entanto, ter se estabelecido como o dominante na indústria de helicópteros, um grande mérito pertence ao designer de aeronaves americano Igor Sikorsky. (Russo de origem, emigrou para a América em 1919 e em 1923 fundou sua empresa Sikorsky aqui.) Durante sua vida, Sikorsky desenvolveu várias dezenas de modelos de aeronaves, mas a criação de um helicóptero lhe trouxe fama mundial. Foi ele quem primeiro trouxe à perfeição o esquema clássico de Yuryev de parafuso único. Sikorsky construiu seu primeiro helicóptero S-46 (VC-300) em 1939. Ele imediatamente abandonou a ideia de determinar todos os parâmetros do aparelho por cálculos e decidiu criar um helicóptero no qual as alterações de design pudessem ser feitas facilmente durante os testes de voo. Seu carro tinha uma aparência marcadamente primitiva: uma fuselagem simples foi montada na forma de uma treliça de tubos de aço, o piloto sentou-se abertamente em uma pequena cadeira na frente do motor. Propulsão de um pequeno motor de 65 hp. Ele era transmitido por meio de correias até a caixa de engrenagens, a partir da qual era acionado um rotor principal de três pás e três dobradiças, de design simples. O rotor de cauda de lâmina única foi montado em uma longa viga em forma de caixa.
Já os primeiros testes revelaram inúmeras falhas de design. O swashplate funcionou muito mal, pois foi cronometrado incorretamente; por isso, o helicóptero não obedeceu bem ao volante e balançou ao levantar. No final, virou e quebrou feio. Então Sikorsky abandonou o swashplate e introduziu três parafusos de cauda (implementando assim o esquema inicial de Yuryev, mencionado acima). Neste projeto, o helicóptero apresentou boa manobrabilidade. Em maio de 1940, Sikorsky demonstrou publicamente sua prole em Bridgeport na frente de pilotos americanos. Seu carro causou grande impressão nos presentes: o helicóptero movia-se livremente para cima e para baixo, para os lados e para trás, pairava imóvel e girava no lugar. O helicóptero tinha apenas uma desvantagem - teimosamente não queria voar para a frente. Demorou vários meses para descobrir o motivo de sua "teimosia". Descobriu-se que os vórtices de ar criados pelo rotor principal tiveram um forte efeito na operação dos rotores de cauda, de modo que em alta velocidade eles se recusaram a funcionar. Com os rotores de cauda movidos para fora do alcance do rotor principal, a manobrabilidade e o controle do VS-300 imediatamente melhoraram significativamente. Em geral, o VS-300 foi de grande importância para a Sikorsky. Durante os voos de teste de dois anos, vários sistemas de controle, vários tipos de hélices e estruturas foram testados e a forma do próprio helicóptero foi trabalhada. O número de melhorias estruturais feitas no modelo original foi tão significativo que em 1942 apenas o assento do piloto, a parte central da fuselagem, o tanque de combustível e duas rodas do trem de pouso principal permaneceram do helicóptero anterior. Graças a esses testes, a criação dos seguintes helicópteros foi muito mais fácil. Logo, o comando da Força Aérea dos EUA ordenou que Sikorsky desenvolvesse um helicóptero militar que pudesse ser usado para controle de fogo e comunicação. A nova amostra foi nomeada VS-316 (S-47). Numerosas falhas com a primeira máquina convenceram o projetista de que o swashplate era absolutamente necessário para um circuito de parafuso único. Desta vez a máquina foi projetada com muito cuidado, o que predeterminou o sucesso do modelo. Em janeiro de 1942, começaram os testes de voo do helicóptero acabado. Em abril, o carro já foi demonstrado aos militares. O piloto de testes Charles Maurice, que estava sentado no leme, conseguiu demonstrar as enormes capacidades do helicóptero. Ele pairou sobre as cabeças dos espectadores atônitos, decolou e pousou novamente em seu antigo lugar - bem nos recessos das rodas, moveu-se para frente, para trás, para os lados, virou no lugar. Então ele levantou o saco de barbante com ovos com um tubo especial, levou-o para outro lugar e baixou-o sem quebrar nenhum. Outras acrobacias também foram demonstradas, por exemplo, a descida e subida de um passageiro em uma escada de corda até um helicóptero pairando acima do solo. Agora, isso, é claro, não é surpreendente, mas naquela época era uma curiosidade e surpreendeu os generais mundanos até o âmago. Um dos altos funcionários presentes exclamou: "Esta coisa pode fazer tudo o que um cavalo pode fazer!" E o famoso piloto de testes inglês Bree admitiu: "Estivemos presentes no milagre". No final, Maurice demonstrou velocidade de cruzeiro - cerca de 130 km / h, subiu acima do solo em 1500 m e depois pousou com o motor desligado em autorrotação. Em maio de 1942, o VS-316 foi adotado pelo Exército dos EUA sob a designação XR-4 e colocado em produção em massa. Um total de 130 desses helicópteros foram construídos. Em 1944, eles foram testados pela primeira vez em condições de combate na Birmânia. A guerra aqui era na selva, e o helicóptero era o único veículo adequado para abastecer as tropas. Os caças japoneses lançaram uma verdadeira caça às "plataformas giratórias" de baixa velocidade, mas não conseguiram derrubar uma única - ao menor perigo, o helicóptero pressionou o chão, se escondeu entre as árvores e, assim, evitou facilmente a batalha. Em 1943, a empresa Sikorsky lançou um novo helicóptero XR-5, que se distinguiu por uma velocidade e carga útil muito maiores. Pela primeira vez, um motor de helicóptero especial foi desenvolvido para ele. Um total de 65 dessas máquinas foram construídas, pois o Ministério da Defesa cancelou seus pedidos devido ao fim da guerra. Enquanto isso, em 1944, a Sikorsky já tinha um novo modelo pronto - o S-49 (foram produzidos um total de 229). Após a guerra, os helicópteros começaram a se espalhar rapidamente pelo mundo. A Sikorsky não manteve por muito tempo o monopólio de sua produção, pois apenas nos EUA 300 empresas começaram a desenvolver seus próprios modelos de helicópteros. No entanto, a Sikorsky tinha vantagens importantes sobre eles - um design bem estabelecido e uma produção bem estabelecida. Apesar da concorrência, sua empresa não apenas prosperou, mas também expandiu a produção. Em 1946, desenvolveu o modelo S-51 (foram produzidos 554 veículos), que encontrou a mais ampla aplicação tanto na esfera militar quanto na econômica. Este helicóptero foi o primeiro a ser equipado com piloto automático, o que facilitou muito o controle. No entanto, o maior sucesso foi com os helicópteros S-55 Chickasaw (1949) e S-58 Seabat (1954).
Somente na fábrica da Sikorsky foram montadas 1828 peças de helicópteros do primeiro modelo e 2261 do segundo. Além disso, muitas empresas em diferentes países adquiriram uma licença para sua produção. Em 1952, dois S-55 fizeram o primeiro voo através do Oceano Atlântico (com um reabastecimento no convés de um porta-aviões) da América para a Europa. O S-58 foi reconhecido como o melhor helicóptero da primeira geração. Também se tornou a "canção do cisne" do próprio Sikorsky. Em 1957, o designer de 68 anos deixou a liderança da empresa. Durante esses anos, o desenvolvimento de helicópteros na URSS estava em pleno andamento. Após a guerra, Yuriev conseguiu organizar dois novos escritórios de design: Mikhail Mil, que se comprometeu a desenvolver um helicóptero de rotor único, e Nikolai Kamov, que escolheu um esquema coaxial. O Yakovlev Design Bureau também se juntou ao trabalho de design do helicóptero. Bratukhin continuou seu trabalho em helicópteros transversais. Em 1946, seu helicóptero G-3 apareceu. Em 1947 ele produziu seu primeiro helicóptero Ka-8 Kamov. Mas quando uma competição para o melhor modelo soviético foi anunciada no final dos anos 40, ela foi vencida pelo helicóptero Mil Mi-1, criado de acordo com o esquema de rotor único de Yuryev. Em 1951 foi colocado em produção. Autor: Ryzhov K.V.
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