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STORIA DELLA TECNOLOGIA, DELLA TECNOLOGIA, DEGLI OGGETTI INTORNO A NOI
Elicottero. Storia dell'invenzione e della produzione
Elenco / La storia della tecnologia, della tecnologia, degli oggetti che ci circondano Un elicottero è un velivolo ad ala rotante in cui le forze di sollevamento e propulsive (motrici) in tutte le fasi del volo sono generate da uno o più rotori principali azionati da uno o più motori.
Per quasi quarant'anni dopo la sua apparizione, l'aereo ha regnato sovrano nell'aria. Durante questo periodo, la velocità e la capacità di carico dei veicoli alati aumentarono molte volte, trasformandosi da goffi "cosa" di compensato in potenti uomini belli del jet, incarnando le conquiste tecniche più avanzate del pensiero umano. Tuttavia, nonostante tutti i suoi pregi, qualsiasi aeromobile ha un importante inconveniente: per rimanere in aria, deve muoversi costantemente e ad una velocità sufficientemente elevata su un piano orizzontale, perché l'alzata delle sue ali dipende direttamente dalla velocità di movimento . Da qui la necessità di una corsa di decollo e atterraggio, che incatena l'aereo all'aerodromo. Nel frattempo, è spesso necessario un aeromobile del genere che abbia una forza di sollevamento che non dipenda dalla velocità di volo, possa salire e atterrare verticalmente e, inoltre, sia in grado di "librarsi" nell'aria. Questa nicchia, dopo una lunga ricerca progettuale, è stata occupata da un aeroplano: un elicottero. Possedendo tutte le qualità di volo insite in un aeromobile, un elicottero ha, inoltre, una serie di notevoli proprietà specifiche: può decollare da un luogo senza una corsa preliminare di decollo, rimanere immobile in aria all'altezza desiderata, muoversi progressivamente in in tutte le direzioni, girate in qualsiasi direzione come nel momento del movimento in avanti e durante il volo stazionario; infine, può atterrare su una piccola piattaforma senza una corsa successiva. La creazione di un apparato che possedesse un complesso di queste qualità si è rivelato un compito estremamente difficile, poiché la teoria di un elicottero è molto più complicata della teoria di un aeroplano. Ci sono voluti anni di duro lavoro da parte di molti progettisti prima che l'elicottero iniziasse a sentirsi sicuro nell'aria e fosse in grado di condividere le preoccupazioni del trasporto aereo con l'aereo. Il primo velivolo ad ala rotante (elicotteri e autogiri) apparve quasi contemporaneamente al primo velivolo. Nel 1907 l'elicottero a quattro rotori dei francesi Breguet e Richet riuscì per la prima volta a decollare da terra e sollevare un uomo sopra qualcuno. Successivamente, molti inventori hanno proposto vari modelli di elicotteri. Tutti avevano uno schema multirotore complesso, in cui diverse viti servivano a mantenere il dispositivo in aria e molte altre per spingerlo nella giusta direzione. Lo schema a rotore singolo (a cui appartiene il 90% di tutti gli elicotteri ai nostri tempi) all'inizio non è stato preso seriamente in considerazione da nessuno. Ed era reale? Solleva il dispositivo in aria con una sola vite - tutto bene. Ma come dirgli il moto di traslazione orizzontale? Come gestirlo? Quegli inventori che erano abbastanza esperti di aerodinamica hanno sottolineato un altro grave inconveniente dello schema a rotore singolo: la presenza di un momento reattivo. Il fatto è che quando il rotore principale era azionato da un motore rigidamente collegato alla gondola, quest'ultima doveva far ruotare non tanto l'elica stessa quanto (in senso opposto) il corpo dell'apparato. Sembrava che fosse possibile paralizzare il momento del getto solo quando nella progettazione dell'elicottero venivano utilizzati diversi rotori principali che ruotavano in direzioni opposte. Inoltre, queste viti potrebbero essere posizionate sia separatamente l'una dall'altra (schemi longitudinale e trasversale), sia sullo stesso asse, una sotto l'altra (schema coassiale). Mi sono venuti in mente anche altri vantaggi dello schema multivite. Dopotutto, avendo diverse viti di controllo, era più facile dirigere l'auto nella giusta direzione. Ma presto si è scoperto: più viti ha un elicottero, più problemi ha: calcolare il dispositivo anche con una vite è stato un compito molto difficile; si è rivelato generalmente impossibile tenere conto dell'influenza reciproca di molte eliche (almeno nel primo quarto del XX secolo, quando l'aerodinamica muoveva solo i primi passi e la teoria dell'elica stava appena iniziando a prendere forma ). Un contributo significativo al superamento di molti di questi problemi è stato dato dall'inventore russo Boris Yuryev. Ha fatto le sue scoperte più importanti all'epoca in cui era studente alla Scuola Tecnica Superiore di Mosca ed era un membro attivo del Circolo Aeronautico del famoso scienziato russo Zhukovsky. Interessato a uno schema a rotore singolo, Yuryev, prima di tutto, si è posto la domanda: come dire all'elicottero il movimento in avanti nella giusta direzione? La maggior parte degli inventori all'inizio del XX secolo, come già accennato, era sicura che per questo fosse necessario dotare l'apparato non solo di rotori, ma anche di eliche. Tuttavia, sperimentando molti modelli diversi, Yuryev ha scoperto che inclinando l'asse del rotore principale era possibile ottenere una buona velocità di volo orizzontale senza realizzare una speciale elica di spinta orizzontale. Il movimento di traslazione dell'elicottero può essere ottenuto anche inclinando in avanti il corpo dell'apparato. In questo caso, la forza della grande vite si scompone in due forze: sollevamento e spinta e l'apparato inizia a muoversi in avanti. E maggiore è l'inclinazione dell'apparato, maggiore sarà la velocità di volo. Il problema successivo era come bilanciare il momento reattivo agendo sulla gondola. Yuryev ha suggerito che ciò potrebbe essere ottenuto più facilmente con una piccola elica situata sulla coda dell'elicottero e azionata da un ingranaggio leggero. A causa del fatto che la forza creata dal rotore di coda veniva applicata al braccio lungo (rispetto al baricentro dell'apparato), la sua azione compensava facilmente il momento reattivo. I calcoli hanno mostrato che ciò richiederebbe l'8-15% della potenza del motore. Yuryev ha inoltre proposto di realizzare le pale di questa elica con un passo variabile. Aumentando o diminuendo l'angolo di inclinazione di queste pale rispetto al piano di rotazione, è stato possibile aumentare o diminuire la spinta di questa elica. Con una spinta elevata, il rotore di coda doveva sopraffare il momento reattivo del rotore principale e far girare la gondola nella giusta direzione.
Ma la difficoltà maggiore è stata la creazione di un sistema di controllo affidabile. Il pilota doveva disporre di dispositivi che gli permettessero di cambiare rapidamente l'orientamento della macchina rispetto a tutti e tre gli assi: cioè ruotarla in qualsiasi direzione rispetto all'asse verticale, inclinare il corpo su e giù, e anche arrotolalo a destra e a sinistra. Il problema di virata è stato risolto con un piccolo rotore di coda. Per questo, come già notato, è bastato rendere le sue pale girevoli e collegare il meccanismo per la loro rotazione con i timoni. Ma come garantire la controllabilità rispetto agli assi longitudinale e trasversale? Il mezzo più semplice sarebbe il dispositivo di altri due rotori di coda, posti sulle console a una certa distanza dal baricentro della macchina e che fanno girare l'elicottero nella direzione necessaria al pilota. Qui la vite 1 serve a compensare il momento reattivo e funge anche da timone; l'elica 2 rotola ed è simile nella sua azione agli alettoni (i piani di deformazione delle ali di un aereo) e l'elica 3 funge da una specie di ascensore. Ma questo sistema, oltre ad essere eccessivamente complesso, presentava anche lo svantaggio di rendere l'elicottero molto instabile in volo. Yuryev ha iniziato a pensare alla domanda: è possibile disporre il rotore principale in modo tale che lui stesso crei i due momenti necessari per controllare l'elicottero? La sua ricerca terminò nel 1911 con l'invenzione di uno dei dispositivi più straordinari nella storia di un elicottero: la creazione di un piatto oscillante.
Il principio di funzionamento di questa macchina è molto semplice. Ogni pala dell'elica descrive un cerchio durante la rotazione. Se le pale del rotore principale sono mobili rispetto ai loro assi longitudinali, in modo da poter cambiare l'angolo di inclinazione rispetto al piano di rotazione, allora il movimento dell'elicottero può essere controllato molto facilmente. Infatti, se parte del cerchio da esso delineato passa attraverso la lama con un angolo di installazione ampio e l'altra parte con uno più piccolo, allora, ovviamente, la spinta da un lato sarà maggiore e dall'altro minore, e il rotore principale (e con esso tutta la macchina) girerà nella direzione appropriata. Il piatto oscillante ha fornito solo la necessaria installazione delle lame. Per fare ciò, è stato installato un anello sull'albero del rotore principale su una sospensione cardanica, a cui, con l'aiuto di cerniere, sono stati fissati i guinzagli alle leve che ruotano le lame. L'anello ruotava insieme all'albero dell'elica. Da due lati era coperto da un anello fisso che vi si sedeva liberamente. Quest'ultimo anello poteva essere ruotato liberamente per mezzo di tiranti di sterzo e dotato di un'eventuale inclinazione su due piani. In questo caso, anche l'anello interno si è inclinato mentre ruotava contemporaneamente all'interno dell'anello fisso. È facile vedere che in questo caso l'anello interno compirà un'oscillazione completa in un giro, che a sua volta farà oscillare ogni lama ad esso associata: tutti cambieranno l'angolo di installazione da un valore minimo a un massimo durante la rivoluzione. Questi angoli dipenderanno dall'inclinazione dell'anello fisso associato alle leve di comando. Se il pilota aveva bisogno di girare la sua auto in qualsiasi direzione, doveva puntare l'anello esterno del piatto oscillante in quella direzione. In questa modalità, l'angolo di inclinazione di ciascuna lama è stato modificato indipendentemente dalle altre lame. Ma è stato facile fare in modo che il piatto oscillante, se necessario, potesse cambiare l'angolo di installazione in una volta per tutte le lame contemporaneamente. Ciò era necessario, ad esempio, in caso di avaria del motore in una modalità chiamata autorotazione, quando, sotto l'influenza di un flusso d'aria, l'elica di un elicottero in caduta iniziava a ruotare spontaneamente, agendo come un paracadute. Allo stesso tempo, l'elicottero sembrava stesse pianificando (in natura, questo effetto può essere osservato nella caduta dei semi d'acero). Per fare ciò è bastato far scorrere il gimbal del piatto oscillante lungo l'albero dell'elica (dall'alto verso il basso). Alzando o abbassando il piatto oscillante, il pilota ha immediatamente ruotato tutte le pale dell'elica in una direzione, aumentando o diminuendo così l'angolo di installazione o rendendolo negativo (cioè capace di ruotare nella direzione opposta, che era esattamente quello che era richiesto durante l'autorotazione) . Così, nel 1911, uno studente di 22 anni della Scuola tecnica superiore di Mosca Boris Yuryev sviluppò in termini generali l'intero schema di un elicottero a rotore singolo. Non poteva brevettarlo, perché non aveva i soldi per farlo. Nel 1912, secondo il progetto di Yuryev, gli studenti della Scuola tecnica superiore di Mosca assemblarono un modello di elicottero non volante a grandezza naturale. Alla mostra internazionale dell'aeronautica e dell'automobilismo, tenutasi nello stesso anno a Mosca, questo modello ha ricevuto una piccola medaglia d'oro. Tuttavia, la scuola non aveva i fondi per costruire una macchina funzionante. La prima guerra mondiale, iniziata subito dopo, e poi la guerra civile, hanno distratto Yuryev dal lavoro sul suo progetto per molto tempo.
Nel frattempo, modelli di elicotteri multirotore hanno continuato ad apparire in altri paesi. Nel 1914, l'inglese Mumford costruì il suo elicottero. È stato il primo a volare con velocità di traslazione. Nel 1924, il francese Emishen fece volare per la prima volta il suo elicottero in cerchio chiuso. Allo stesso tempo, Yuryev, dopo aver assunto la carica di capo del dipartimento aerodinamico sperimentale di TsAGI, ha cercato di implementare il suo schema a rotore singolo. Sotto la sua guida, Alexei Cheremuchin costruì il primo elicottero sovietico 1-EA.
Questa macchina aveva due viti di coda e due motori Ron con una potenza di 120 CV ciascuno. a testa. Per la prima volta è stato anche dotato di un piatto oscillante. I primissimi test nel 1930 diedero un brillante risultato. L'elicottero pilotato da Cheremuchin si sollevò con sicurezza da terra e salì facilmente a un'altezza di diverse centinaia di metri, descrivendo liberamente otto e altre figure complesse nell'aria. Nel 1932 Cheremuchin fece volare questo elicottero a un'altezza di 605 m, stabilendo così un record mondiale assoluto. Tuttavia, questo elicottero era ancora molto lontano dall'essere perfetto. Era instabile. Il rotore principale è stato reso rigido (le pale non hanno cambiato il volano), il che ha reso il suo lavoro insoddisfacente. Successivamente sono stati sviluppati e costruiti altri modelli. Nel 1938, sotto la guida di Bratukhin, fu creato il primo elicottero sovietico a doppio rotore 11-EA dello schema trasversale. Ma in generale, negli anni '30, l'industria degli elicotteri non ricevette il sostegno statale in URSS. A quel tempo, la teoria divenne molto popolare, secondo la quale un aeroplano è incomparabilmente più perfetto di un elicottero sia in termini di velocità che di capacità di carico, e un elicottero è solo un giocattolo costoso. Solo nel 1940 Yuryev, con grande difficoltà, riuscì a ottenere il permesso di creare uno speciale ufficio di progettazione, che dirigeva. Ben presto carico di molto lavoro di insegnamento, consegnò la guida del dipartimento a Ivan Bratukhin. Un anno dopo, iniziò la guerra e la creazione di un elicottero perfetto fu nuovamente posticipata a tempo indeterminato. A quel tempo, la Germania era il leader nel settore degli elicotteri. Il talentuoso designer Fokke ha creato negli anni '30 diversi elicotteri trasversali a doppio rotore perfetti. Nel 1937, sul suo elicottero FW-61 furono stabiliti record mondiali: altitudine - 2439 m, velocità - 123 km / he autonomia - 109 km di volo. Nel 1939, il nuovo elicottero Fokke raggiunse un'altitudine di 3427 m e nel 1941 la sua macchina FA-223 fu lanciata in una piccola serie. La guerra pose fine al suo sviluppo, ma il successo dei Focke-Wulf per lungo tempo attirò l'attenzione dei progettisti sullo schema trasversale.
Il fatto che lo schema a rotore singolo si sia comunque affermato come quello dominante nel settore degli elicotteri, un enorme merito appartiene al progettista di aeromobili americano Igor Sikorsky. (Di origine russa, emigrò in America nel 1919 e nel 1923 fondò qui la sua compagnia Sikorsky.) Durante la sua vita, Sikorsky sviluppò diverse dozzine di modelli di aerei, ma la creazione di un elicottero gli portò fama mondiale. Fu lui che per primo portò alla perfezione il classico schema di Yuryev a vite singola. Sikorsky costruì il suo primo elicottero S-46 (VC-300) nel 1939. Abbandonò immediatamente l'idea di determinare tutti i parametri dell'apparato mediante calcoli e decise di creare un elicottero in cui le modifiche progettuali potessero essere facilmente apportate durante le prove di volo. La sua vettura aveva un aspetto marcatamente primitivo: era assemblata una semplice fusoliera a forma di traliccio in tubo d'acciaio, il pilota sedeva apertamente su una seggiolina davanti al motore. Propulsione da un piccolo motore da 65 CV. Era trasmessa per mezzo di cinghie fino al cambio, da cui veniva azionato un rotore principale a tre pale e tre cardini, dal design semplice. Il rotore di coda a lama singola era montato su una lunga trave a forma di scatola.
Già i primi test hanno rivelato numerosi difetti di progettazione. Il piatto oscillante ha funzionato molto male, in quanto è stato cronometrato in modo errato; per questo motivo, l'elicottero non ha obbedito bene al volante e ha oscillato durante il sollevamento. Alla fine si è capovolto e si è rotto gravemente. Quindi Sikorsky abbandonò il piatto oscillante e introdusse tre viti di coda (implementando così il primo schema di Yuryev, menzionato sopra). In questo progetto, l'elicottero ha mostrato una buona manovrabilità. Nel maggio 1940, Sikorsky dimostrò pubblicamente la sua progenie a Bridgeport davanti ai piloti americani. La sua macchina ha fatto una grande impressione sui presenti: l'elicottero si muoveva liberamente su e giù, lateralmente e all'indietro, restava immobile e girava sul posto. L'elicottero aveva un solo inconveniente: ostinatamente non voleva volare in avanti. Ci sono voluti diversi mesi per scoprire il motivo della sua "testardaggine". Si è scoperto che i vortici d'aria creati dal rotore principale avevano un forte effetto sul funzionamento dei rotori di coda, così che ad alta velocità si rifiutavano di lavorare. Con i rotori di coda spostati fuori dalla portata del rotore principale, la manovrabilità e il controllo del VS-300 sono immediatamente migliorati notevolmente. In generale, il VS-300 era di grande importanza per Sikorsky. Durante i due anni di voli di prova, su di esso sono stati testati diversi sistemi di controllo, vari tipi di eliche e strutture ed è stata elaborata la forma stessa dell'elicottero. Il numero di miglioramenti strutturali apportati al modello originale fu così significativo che nel 1942 del precedente elicottero rimasero solo il sedile del pilota, la parte centrale della fusoliera, il serbatoio del carburante e le due ruote del carrello di atterraggio principale. Grazie a questi test, la realizzazione dei seguenti elicotteri è stata molto più semplice. Presto, il comando dell'aeronautica americana ordinò a Sikorsky di sviluppare un elicottero militare che potesse essere utilizzato per il controllo del fuoco e la comunicazione. Il nuovo campione è stato chiamato VS-316 (S-47). Numerosi guasti alla prima macchina convinsero il progettista che il piatto oscillante era assolutamente necessario per un circuito monovite. Questa volta la macchina è stata progettata con grande cura, che ha predeterminato il successo del modello. Nel gennaio 1942 iniziarono le prove di volo dell'elicottero finito. Ad aprile, l'auto è stata già mostrata ai militari. Il pilota collaudatore Charles Maurice, seduto al timone, ha potuto dimostrare le enormi capacità del velivolo ad ala rotante. Si librava sopra le teste degli spettatori attoniti, decollò e atterrò di nuovo al suo vecchio posto: proprio nei recessi delle ruote, si muoveva avanti, indietro, di lato, girava sul posto. Quindi sollevò il sacchetto di corda con le uova con un tubo speciale, lo portò in un altro posto e lo abbassò senza romperne nemmeno uno. Sono state dimostrate anche altre acrobazie, ad esempio la discesa e la salita di un passeggero su una scala di corda in un elicottero in bilico da terra. Ora questo, ovviamente, non sorprende, ma a quel tempo era una curiosità e stupiva fino in fondo i generali mondani. Uno degli alti funzionari presenti esclamò: "Questa cosa può fare tutto ciò che può fare un cavallo!" E il famoso collaudatore inglese Bree ha ammesso: "Eravamo presenti al miracolo". Alla fine, Maurice ha dimostrato una velocità di crociera: circa 130 km / h, è salito da terra di 1500 m, quindi è atterrato con il motore spento in autorotazione. Nel maggio 1942, il VS-316 fu adottato dall'esercito americano con il nome XR-4 e messo in produzione in serie. Sono stati costruiti un totale di 130 di questi elicotteri. Nel 1944 furono testati per la prima volta in condizioni di combattimento in Birmania. La guerra qui era nella giungla e l'elicottero era l'unico veicolo adatto a rifornire le truppe. I combattenti giapponesi lanciarono una vera caccia ai "giradischi" a bassa velocità, ma non potevano abbatterne nemmeno uno: al minimo pericolo, l'elicottero premette contro il suolo, si nascose tra gli alberi e così eluse facilmente la battaglia. Nel 1943, la compagnia Sikorsky rilasciò un nuovo elicottero XR-5, che si distingueva per velocità e carico utile molto maggiori. Per la prima volta è stato sviluppato uno speciale motore per elicotteri. Sono state costruite in totale 65 di queste macchine, poiché il Ministero della Difesa ha annullato i suoi ordini a causa della fine della guerra. Nel frattempo, nel 1944, Sikorsky aveva già pronto un nuovo modello: l'S-49 (ne furono prodotti in totale 229). Dopo la guerra, gli elicotteri iniziarono a diffondersi rapidamente in tutto il mondo. Sikorsky non mantenne a lungo il monopolio della loro produzione, poiché solo negli Stati Uniti 300 aziende iniziarono a sviluppare i propri modelli di aeroplani. Tuttavia, Sikorsky aveva importanti vantaggi su di loro: un design consolidato e una produzione consolidata. Nonostante la concorrenza, la sua azienda non solo prosperò, ma ampliò anche la produzione. Nel 1946 sviluppò il modello S-51 (sono stati prodotti in totale 554 veicoli), che trovò la più ampia applicazione sia in ambito militare che economico. Questo elicottero è stato il primo ad essere dotato di un pilota automatico, che ha notevolmente facilitato il controllo. Tuttavia, il più grande successo è arrivato con gli elicotteri S-55 Chickasaw (1949) e S-58 Seabat (1954).
Solo nello stabilimento di Sikorsky furono assemblati 1828 pezzi di elicotteri del primo modello e 2261 del secondo. Inoltre, molte aziende in diversi paesi hanno acquisito una licenza per la loro produzione. Nel 1952, due S-55 effettuarono il primo volo attraverso l'Oceano Atlantico (con un rifornimento sul ponte di una portaerei) dall'America all'Europa. L'S-58 è stato riconosciuto come il miglior elicottero della prima generazione. Divenne anche il "canto del cigno" dello stesso Sikorsky. Nel 1957, il designer 68enne si è dimesso dalla guida dell'azienda. Durante questi anni, lo sviluppo degli elicotteri in URSS era in pieno svolgimento. Dopo la guerra, Yuriev riuscì a organizzare due nuovi uffici di progettazione: Mikhail Mil, che si impegnò a sviluppare un elicottero a rotore singolo, e Nikolai Kamov, che scelse uno schema coassiale. Anche l'ufficio di progettazione Yakovlev si è unito al lavoro sulla progettazione dell'elicottero. Bratukhin ha continuato il suo lavoro sugli elicotteri trasversali. Nel 1946 apparve il suo elicottero G-3. Nel 1947 ha prodotto il suo primo elicottero Ka-8 Kamov. Ma quando alla fine degli anni '40 fu indetto un concorso per il miglior modello sovietico, fu vinto dall'elicottero Mil Mi-1, creato secondo lo schema a rotore singolo di Yuryev. Nel 1951 fu messo in produzione. Autore: Ryzhov KV
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