Ка-22 (Проект «X») — советский винтокрыл

Ка-22 (Проект «X») — советский винтокрыл

В середине 50-х годов ОКБ принимает революционное решение строить по тактико-техническим требованиям, заданным Министерством обороны, экспериментальный винтокрыл Ка-22 поперечной схемы с двумя несущими винтами на концах консолей крыла и двумя тянущими винтами. Это был новый для отечественной авиации тип летательного аппарата, сочетающего в себе достоинства вертолета, способного выполнять вертикальные взлет и посадку, и самолета, имеющего большие, по сравнению с вертолетом, грузоподъемность, дальность и скорость полета.

Винтокрыл Ка-22 — видео

Главное внимание коллектива создателей винтокрыла Н.И.Камов сосредоточил на конструировании скоростных несущих винтов, определявших возможность достижения комбинированным летательным аппаратом скорости 400…450км/ч. На больших скоростях полета крыло аппарата должно было максимально разгрузить несущие винты, обеспечив малые коэффициенты сопротивления. Это позволяло иметь окружную скорость концов лопастей, равную скорости звука, а несущему винту работать на режиме, близком к режиму авторотации. Принципиально важным оказалось решение Н.И.Камова на больших скоростях полета машины сохранить на несущих винтах минимально необходимую нагрузку, достаточную для демпфирования их колебаний и обеспечения устойчивого поведения при маневрировании.

Создание и доводка Ка-22 потребовали выполнения большого объема теоретических и экспериментальных исследований. Под руководством С.Я.Финкеля был разработан пакет методик выбора параметров и основных летных характеристик аппарата, аэродинамического расчета, компоновки лопастей несущего винта машины, расчета внешних нагрузок, балансировки и др. Проводились специальные исследования для обеспечения оптимальных характеристик переходных режимов полета винтокрыла, подбора жесткостных характеристик элементов конструкции, предотвращения флаттера лопастей несущих винтов и явления «земного резонанса». Большое внимание было уделено решению проблем, связанных с устойчивостью и управляемостью комбинированного летательного аппарата. Результаты теоретических методов расчета удалось подтвердить на многочисленных моделях, стендах и специальных установках, а также в процессе летных испытаний. Большой вклад в создание этой машины внесли С.Б.Гарштейн, А.И.Дрейзин, З.З.Розенбаум, А.Г.Сатаров, Э.А.Петросян, Л.А.Поташник, В.Н.Квоков и другие специалисты ОКБ, а также сотрудники ЦАГИ М.К.Сперанский, И.О.Факторович, Э.В.Токарев.
Работами по созданию уникальной силовой установки и оборудования машины руководил заместитель главного конструктора Н.Н.Приоров, несущей системы и планера — заместитель главного конструктора М.А.Купфер. Ведущим конструктором по Ка—22 был назначен Ю.С.Брагинский, а ведущим инженером по испытаниям — В.Б.Альперович.

Необычный летательный аппарат первым поднял в воздух 15 августа 1959 года летчик—испытатель Д.К.Ефремов. За все работы по винтокрылу отвечал первый заместитель главного конструктора В.И.Бирюлин. Большую помощь в доводке машины по характеристикам устойчивости и управляемости, особенно на малых переходных скоростях полета, камовцам оказали сотрудники ЛИИ, в том числе летчики—испытатели Ю.А.Гарнаев и В.В.Виницкий. В 1961 году экипаж ОКБ во главе с Д.К.Ефремовым установил на Ка—22 восемь мировых рекордов, в том числе рекорды скорости — 356.3км/ч, и максимальной массы груза, поднятого на высоту 2000м — 16485кг, которые не побиты до настоящего времени. В этой связи обращают на себя внимание данные винтокрыла: максимальная взлетная масса — 42500кг; размеры грузовой кабины: длина — 17.9м; высота — 2.8м; ширина — 3.1м. Чтобы представить масштабность решенной ОКБ задачи, достаточно сравнить максимальную взлетную массу Ка—22 (42500кг) и самого большого, к тому времени, вертолета Ка-25 (7000кг).
К сожалению, роковую роль в судьбе Ка—22 сыграли два тяжелых летных происшествия, причину которых в то время так и не удалось установить однозначно. Руководство ВВС после этого не смогло преодолеть возникшее недоверие к летательному аппарату и не предоставило ОКБ возможность довести машину. Тем не менее проектирование, строительство и испытания такого сложного и большеразмерного винтокрылого аппарата позволили специалистам фирмы подняться на новый, более высокий научно-технический уровень.

Экспериментальный винтокрыл Ка—22 представляет собой комбинированный летательный аппарат, занимающий промежуточное положение между вертолетом и самолетом по принципам создания подъемной силы и управления ею. Этот десантно—транспортный аппарат планировалось использовать для перевозки людей, крупногабаритных грузов и техники в большеразмерной грузовой кабине, по объему превосходящей кабину десантно—транспортного самолета Ан—12.
Хронология создания: начало проектирования — 1953 год; первый подъем в воздух — 1959 год; завершение заводских испытаний — 1964 год. Построено три экземпляра винтокрыла. Специалисты ОКБ Н.И.Камова вместе с сотрудниками ЦАГИ и ЛИИ проделали множество теоретических и экспериментальных исследований, разработали новые методы аэродинамического расчета, расчета устойчивости и управляемости, определения внешних нагрузок и расчетных случаев. Испытаниям винтокрыла предшествовали моделирование динамики полета аппарата на тренажере, исследования и испытания основных агрегатов, узлов и систем, предварительная отработка несущего винта на стенде и окончательная — на летающей лаборатории, созданной на базе вертолета Ми—4. Для винтокрыла требовалось создать сложную силовую установку мощностью более 8000кВт с двумя двигателями, разнесенными на 20м. Для доводки силовой установки и системы автоматического регулирования (САР) вместе с несущими и тянущими винтами в ОКБ Н.И.Камова был построен ряд установок, в том числе специальный натурный стенд на летно—испытательной станции (ЛИС) в Подмосковье. Большое внимание к элементам силовой установки, САР при проектировании и испытаниях на стендах позволило создать надежную конструкцию, хорошо проявившую себя в летных испытаниях.

Проем в фюзеляже Ка-22 для погрузки-выгрузки грузов и техники

Отдельное направление работ было связано с созданием скоростных несущих винтов винтокрыла и обоснованием его динамической компоновки. Была построена механизированная модель винтокрыла с работающими несущими винтами. Испытания модели проводились в аэродинамической трубе в ЦАГИ. Скорость потока воздуха в трубе доводили до 125м/с. При этом безразмерная тангенциальная составляющая скорости воздуха в плоскости винта достигала 0.58, а скорость концов лопастей — скорости звука. На электровинтовом стенде ЛИС было испытано более 20 различных компоновок лопастей. Варьировались форма лопасти в плане, диаметр несущего винта, число лопастей, коэффициент заполнения и другие параметры. Несколько моделей несущих винтов диаметром 7.2м были испытаны в ЦАГИ. Натурный винт с окончательно выбранной компоновкой испытывался в ЛИИ на вертолете Ми—4.
Несущая система летательного аппарата комбинированного типа состоит из крыла и двух несущих винтов на его концах. Несущие винты, создавая необходимую тягу, обеспечивают взлет и посадку по—вертолетному, а также полет на малых скоростях. Большие по площади закрылки на режимах висения и полета на малых скоростях отклоняются вниз на 90°, уменьшая потери тяги от обдувки крыла винтами. По мере увеличения скорости подъемная сила крыла возрастает, разгружая несущие винты. На больших скоростях результирующая подъемная сила на 80…90% создается крылом, пропульсивная сила несущих винтов имеет минимальное значение, а продольная сила практически полностью формируется тянущими винтами с изменяемым шагом. Это позволяет достичь на винтокрыле существенно больших, чем на вертолете, скоростей полета. В испытательном полете винтокрыл развивал скорость 370км/ч. Разгрузка несущих винтов на больших скоростях положительно сказывается на ресурсе агрегатов, узлов и систем, подвергающихся воздействию динамических нагрузок.

Кабина пилотов Ка-22

Для управления и балансировки винтокрыл располагает как вертолетными, так и самолетными органами управления. Продольное управление осуществляется путем циклического изменения углов установки лопастей несущих винтов и отклонения самолетного руля высоты, поперечное — путем дифференциального изменения общего шага винтов и отклонения элеронов, а путевое — путем дифференциального изменения циклического шага левого и правого несущих винтов и отклонения руля направления. Кроме того, на винтокрыле имеется система управления общим шагом несущих винтов, система управления режимами работы двигателей и автоматическая гидравлическая система управления шагом тянущих винтов, которая обеспечивает «переливание» мощности двигателей с несущих винтов на тянущие по мере увеличения скорости полета.
Управление винтокрылом с рабочих мест пилотов осуществляется с помощью рычагов управления: штурвала, педалей, рычага общего шага и сектора газа. Рычаги через жесткую проводку воздействуют в четырех каналах управления на золотники гидроусилителей, которые отклоняют органы управления винтокрылом. Такая сложная система управления с большим количеством нелинейных элементов и обратных связей требовала создания тренажера для формирования методики управления и отработки летчиками навыков пилотирования. На тренажере летчик доводил необходимые навыки до автоматизма, после чего пилотирование винтокрыла на режиме висения не представляло особой сложности.

На этапе летных испытаний при освоении поступательного движения машины на стандартные управляющие действия пилота винтокрыл отвечал непредсказуемой реакцией. Моделирование поведения винтокрыла помогло разобраться в этом явлении. После тщательного анализа результатов испытаний на винтокрыле и тренажере система управления была подвергнута существенной переделке. Ввели механизмы отключения самолетных и вертолетных органов управления на определенных режимах полета. Элероны жестко зафиксировали и исключили из системы поперечного управления. Изменили диапазон отклонения органов управления. Проведенные доработки системы управления существенно улучшили управляемость винтокрыла, однако на некоторых режимах полета она оставалась неудовлетворительной. Было принято решение об установке на Ка—22 дифференциального автопилота, завершившего формирование системы управления аппаратом.
Таким образом в результате моделирования, экспериментальных исследований на тренажере и летающей лаборатории, летных испытаний машины были достигнуты приемлемые характеристики устойчивости и управляемости винтокрыла Ка—22. Это подтвердили и успешно завершившиеся заводские испытания винтокрыла, а затем и установленные на нем восемь мировых рекордов. В летной оценке, приведенной в отчете по заводским испытаниям, летчик—испытатель Ю.А.Гарнаев отметил: «Винтокрыл является летательным аппаратом, который удачно сочетает в себе качества самолета и вертолета. Достаточно хорошо управляем от висения до Vмакс., а также на высотах до практического потолка».

Грузовой отсек винтокрыла Ка-22

Планер винтокрыла — полумонококового типа с продольно—поперечным набором из стрингеров, балок, шпангоутов, диафрагм и работающей обшивки, выполненных из дюралюминиевых сплавов. Планер состоит из фюзеляжа, хвостового оперения классического самолетного типа, высокорасположенного свободнонесущего крыла и шасси. На концах консолей крыла крепятся мотогондолы силовой установки. В каждой мотогондоле компактно размещаются двигатель (главного конструктора П.А.Соловьева) и редуктор (главного конструктора А.Г.Ивченко). На выходном переднем валу двигателя крепится винт изменяемого шага (ВИШ), а на выходном валу редуктора — несущий винт. Трансмиссия, расположенная в крыле, объединяет два редуктора, обеспечивая синхронизацию частоты вращения левого и правого несущих винтов, а также их вращение при одном работающем двигателе.
В носовой части фюзеляжа находится кабина штурмана с его рабочим местом и необходимым навигационным и радиоэлектронным оборудованием. Фонарь кабины штурмана имеет большую площадь остекления для удобства визуального ориентирования на местности. Носовой отсек и кабина штурмана с помощью петель на правом борту соединяются с силовым стыковочным шпангоутом фюзеляжа. На левом борту носовой части фюзеляжа имеются силовые механические замки фиксации этого отсека в закрытом положении. Носовой отсек выполнен поворачивающимся на угол не менее 90° в целях образования проема в фюзеляже для погрузки и выгрузки техники и грузов. Над носовым отсеком (с некоторым смещением назад) расположена кабина пилотов и бортинженера. На рабочих местах пилотов размещены кресла, приборные доски, пульты и рычаги управления винтокрылом. Входная дверь в кабины штурмана и пилотов находится на левом борту кабины штурмана в районе ее стыковки с фюзеляжем.

Левая мотогондола, несущий и тянущий винты Ка-22

Шасси — трехопорное, неубирающееся в полете, передняя опора — рычажного типа с двумя самоориентирующимися колесами. Амортизационная стойка основной опоры — телескопического типа, имеет одну точку крепления на нижней плоскости консоли крыла и с помощью двух подкосов фиксируется на уровне силового пола фюзеляжа для предотвращения перемещения в продольном и поперечном направлениях. Амортизационная стойка и два подкоса образуют жесткую пространственную треугольную ферму. Шток стойки оканчивается осью, на которой монтируется два колеса тормозного типа. Колея шасси составляет 7.86м, а база — 8.08м.
Четырехлопастный несущий винт крепится на выходном валу редуктора с помощью втулки. Втулка имеет четыре трехшарнирных рукава, к которым болтами пристыковываются лопасти винта. Кинематика системы управления лопастями винтов с использованием автомата перекоса не имеет принципиальных отличий от кинематики аналогов, реализованных на вертолетах одновинтовой схемы. Конструктивное отличие втулки винта заключается в значительном выносе вертикальных шарниров относительно оси его вращения, что обеспечивает уменьшение уровня вибраций и предотвращение автоколебаний аппарата типа «земной резонанс». В целях уменьшения опасности возникновения флаттера лопастей на больших скоростях полета значение угла регулятора взмаха было уменьшено до нуля.

Кабина летчиков Ка-22

Лопасть несущего винта ЛД24-С11 трапециевидной формы в плане с отрицательной геометрической круткой 8° изготавливалась с применением естественных природных композитов. Конструктивно она включает носовую часть лонжеронной конструкции с обшивкой из дельта—древесины и авиафанеры. К носовой части лопасти сзади в виде секций приклеены хвостовые отсеки, образованные нервюрами и обшивкой. Внутреннее пространство отсеков заполнено пенопластом. В носовой части вдоль передней кромки лопасти расположен свинцовый противовес. Передняя кромка носовой части сверху по всей длине закрыта оковкой из секций листовой нержавеющей стали. Для регулировки соконусности лопасть имеет два триммера в комлевой и концевой частях в конце хвостовых отсеков. Комель лопасти оканчивается металлическим силовым узлом для стыковки с рукавом втулки.
В 1953 г. ОКБ Н.И. Камова начало разработку экспериментального винтокрылого аппарата, способного вертикально взлетать, как вертолет, и летать с большой скоростью, как самолет. Разработка велась по объединенным тактико-техническим военным и гражданским требованиям, предусматривающим создание десантно-транспортного винтокрылого аппарата для перевозки десантников, военной техники и крупногабаритных грузов в большой грузовой кабине с грузовым люком. В соответствии с этими ТТТ ОКБ М.Л. Миля начало разработку тяжелого транспортного вертолета Ми-6 одновинтовой схемы с рулевым винтом, а ОКБ Н.И. Камова — транспортного десантного винтокрыла Ка-22, выполненного по двухвинтовой поперечной схеме и снабженного двумя ГТД установленными в гондолах на крыле и приводящими несущие винты и тянущие воздушные винты. Схема такого винтокрыла была предложена ведущим специалистом ОКБ по аэродинамике В.Б. Баршевским, которым ранее был разработан проект скоростного винтокрылого аппарата «X».

В этом проекте предлагалось известный пассажирский и транспортный самолет Ли-2 снабдить установленными сверху фюзеляжа соосными несущими, винтами с приводом от основных двигателей для обеспечения вертикального взлета и посадки. Проект винтокрыла двухвинтовой поперечной схемы с крылом и тянущими винтами исследовался также в ОКБ И.П. Братухина как дальнейшее развитие опытного вертолета двухвинтовой поперечной схемы Б-11.
Винтокрыл Ка-22 по размерам и взлетной массе значительно превосходил вертолеты Ка-15 и Ка-18 и отличался оригинальной компоновкой и многими новыми техническими решениями, что потребовало проведения огромного объема исследований в ОКБ и в ЦАГИ, а затем в летно-исследовательском институте (ЛИИ) им. М.М. Громова. Была построена модель винтокрыла с приводом несущих и воздушных винтов, испытанная в аэродинамической трубе ЦАГИ при скоростях потока до 125 м/с, соответствующих скорости полета 450км/ч, при которой концы наступающих лопастей обтекались со сверхзвуковой скоростью. Особенно большое внимание было уделено аэродинамической компоновке лопастей с использованием сверхзвуковых профилей: было испытано 20 различных компоновок лопастей в ЦАГИ и в ЛИИ на электровинтовом стенде; модель несущего винта диаметром 7.2м была испытана в ЦАГИ, а затем натурный несущий винт был испытан на вертолете Ми-4 в ЛИИ. Для доводки силовой установки с двумя ГТД и сложной системой трансмиссии для привода несущих и воздушных винтов в ОКБ при участии специалистов Центрального института авиационного моторостроения (ЦИАМ) был построен специальный натурный стенд с системой автоматического регулирования.

Постройка экспериментального винтокрыла Ка-22 была завершена в начале 1959 г, 17 июня 1959 г. летчик-испытатель Д.К. Ефремов оторвал винтокрыл от земли, 19 июля выполнил полет на режиме висения, а 15 августа совершил полет по кругу. В 1960 г. было принято решение о производстве винтокрыла малой серией на авиационном заводе в Ташкенте; руководство всеми работами по Ка-22 было возложено на заместителя главного конструктора В. И. Бирюлина.
Во время заводских летных испытаний винтокрыла Ка-22 летчиками-испытателя- ми Д.К. Ефремовым и В.В. Громовым в 1961 г. было установлено 8 мировых рекордов для винтокрылов, среди которых абсолютные мировые рекорды скорости 356.3км/ч и высоты 2588м и подъема максимального груза 16,485кг на высоту более 2000м, не превзойденные до настоящего времени. В 1961 г. винтокрыл Ка-22 демонстрировался на воздушном празднике в Тушино. В феврале 1962 г. было принято решение провести на двух летных экземплярах винтокрыла специальные испытания ОКБ совместно с Министерствами обороны и гражданской авиации, чтобы представить предложение о дальнейшей разработке, однако летом 1962 г. при перегоночном полете двух винтокрылов один из них с экипажем, возглавляемым Д.К. Ефремовым, потерпел катастрофу, из-за чего испытания были прерваны.
Летом 1964 г. второй винтокрыл после многочисленных доделок был предъявлен на государственные испытания ВВС для совместных полетов с летчиками-испытателями Ю.А. Гарнаевым из ЛИИ и С. Г. Бровцевым из ГК НИИ ВВС и инженерами-испытателями. При завершении испытательного полета 6 июля 1964 г. винтокрыл, пилотируемый С.Г. Бровцевым, потерял управление и стал падать. Ю. А. Гарнаев и инженеры ВВС В.И. Бахров и В.С. Дордан успели выпрыгнуть на парашютах, а С. Г. Бровцев и инженер А.С. Рогов погибли. Из-за произошедших двух катастроф и выявившейся при испытаниях большой сложности конструкции винтокрыла и его системы управления в 1964 г. было принято решение прекратить его разработку, несмотря на достигнутые при испытаниях высокие летно-технические характеристики.

Тактико-технические характеристики винтокрыла Ка-22

Экипаж
4 человека

Грузоподъёмность
5000-8000 кг

Размеры
Длина: 26,75 м
Размах крыла: 23,8 м
Диаметр несущих винтов: 22,5 м
Высота: 10,37 м

Масса
Нормальная взлётная масса: 31 000 кг
Максимальная взлётная масса: 32 000 кг
Масса топлива во внутренних баках: 4600 кг

Силовая установка
2 × Д-25ВК

Мощность двигателей
2 × 5500 л.с.

Максимальная скорость
370 км/ч

Крейсерская скорость
316 км/ч

Практическая дальность
720 км

Практический потолок
4300 м

Статический потолок
5500 м

Длина разбега
800 м

Единиц произведено
4

Фото винтокрыла Ка-22 во время посадки

Источник

SergTovar