АУТОХИРОПТЕРО ХУАНА ДЕ ЛЯ СИЕРВА КОДОРНИУ

В ряду созданных человеческим разумом авиационных изобретений одно из самых неожиданных — автожир. До рождения  этой машины человек знал три механизма полета летательных аппаратов тяжелее воздуха. Фантазии воплотились в реальные аппараты: орнитоптер, реализующий принцип машущего полета; самолет, оснащенный воздушным винтом и жестко прикрепленными к фюзеляжу крыльями; геликоптер с вращающими крыльями.  Аппараты-ортоптеры с вертикально вибрирующими плоскостями, равно как и некоторые другие  экзотичные машины полететь не смогли.  Автожир явил миру еще один  успешный механизм полета. Источником пропульсивной силы в виде воздушного винта, приводящего аппарат в поступательное движение, а также своими органами управлениями он подобен самолету. Подъемная сила автожира образуется несущим винтом. В отличие от геликоптера несущий винт автожира приводится во вращение не мотором, а встречным потоком воздуха.                                                                         

Идеи орнитоптера, самолета и геликоптера берут начало в далеком прошлом. Ни один из этих аппаратов не является плодом деятельности какого то единственного уникального гения. Автожир в решающей степени, от технического воплощения до названия принадлежит одному человеку, имя которого — Хуан де ля Сиерва Кодорнио (Juan de la Cierva y Codorniu). О выдающихся способностях этого человека говорят еще несколько его пионерских работ — изобретений, сделанных во имя развития автожира, и одновременно обеспечивших быстрый прогресс геликоптера.

Ничто не говорило о том, что первенец благородных Хуана де ля Сиерва Пеньяфьель  (Juan de la Cierva y Peñafiel), и Марии Кодорниу Бош (María Codorníu Bosch) станет авиационным инженером. В момент рождения сына Хуана 21 сентября 1895 года глава семьи был мэром южного провинциального испанского города Мурсии (Murcia). В окруженном горами месте почти нет циркуляции воздуха, и город называют «раскаленной сковородкой Испании».

                                          Кафедральный собор в Мурсии

 

Хуанито был хорошо развитым, способным мальчиком, проявлял способности к музыке, отлично учился, увлеченно играл со сверстниками в футбол и другие мальчишечьи игры. Начало девятнадцатого века стало праздником авиации. Полеты братьев Райт, первые подъемы геликоптеров, покорение знаменитым конструктором и пилотом Блерио Ла-Манша, воздухоплавательные соревнования, выставки во Франции, Англии, России. В 1910 году крылья моноплана Блерио блеснули под жаркими солнечными лучами Барселоны и Мадрида. В Испанию пришла авиация. Юного Хуана подхватила авиационная волна. В 1910 году, еще не окончив школу, Хуан вместе с двумя друзьями Хосе Бартчало и Пабло Диас организует акционерное общество и строит планер. Он испытывает несравнимую ни чем радость свободного полета. Кровь молодого испанца отравлена авиационным ядом. Молодые акционеры строят биплан “Ран” с 50-и сильным мотором, на котором в 1912 году летают профессиональные пилоты.

Создание авиационной техники требует хорошей подготовки, и Хуан поступает в Высшую Школу дорожных инженеров, усердно изучает сопротивление материалов, математику, начертательную геометрию. Эти дисциплины необходимы для выбранного дела,  к ним он испытывает склонность. 1919 год  —  начало самостоятельной жизни, время принятия окончательных решений. Хуану 24 года, он окончил высшую школу, сыграл свадьбу с любимой девушкой Марией Луисой Гомес-Асето (María Luisa Gómez-Aceto). Молодые сняли квартиру в фешенебельном районе Мадрида, недалеко от родителей. Продолжая семейную традицию, Хуан выставил свою кандидатуру в Кортесы, и вот он уже депутат от родной провинции. Его отец губернатор Мадрида, министр Испании. Политическая карьера мальчику обеспечена.

В этом же году,  участвуя в конкурсе военного ведомства, Хуан проектирует и строит трехмоторный бомбардировщик. 8 июня летчик Риас совершает на нем первый полет. Во время второго полета на глазах конструктора самолета развертывается воздушная драма. Пилот летит на слишком малой скорости, и машина сваливается в штопор. Летчик чудом остался жив, самолет разбит.

Врезавшиеся в память фрагменты завершающей фазы неуправляемого полета порождают напряженную работу мысли. Да, известно, самолет боится потери скорости полета. Ведь скорость полета — единственный источник подъемной силы крыла.  А скорость падения?..  Может быть, Хуану вспомнились падающие семена клена: некоторые из них быстро и беспорядочно падали на землю, другие, быстро вращаясь, плавно планировали на далекие расстояния. Или же, идею подсказали забавы  с “китайскими вертушками”. Когда терялась энергия вращения этих насажанных на палочки целлулоидных винтов, они при падении иногда вновь начинали вращаться, и скорость падения замедлялась.  Как бы то ни было,  Сиерва решил водрузить на самолет несущий винт, назначением которого  было бы создание подъемной силы, не зависящей от скорости полета. 

Несущий винт геликоптера  приводится во вращение энергией мотора. Развиваемая таким винтом сила направлена вверх и в сторону полета, создавая подъемную и тяговую составляющие. У автожира ротор, заменяющий крылья, должен приводиться во вращение набегающим потоком воздуха и создавать только подъемную силу. Такому аппарату не страшна потеря поступательной скорости, так как поток воздуха сохраняется и при вертикальном снижении. Вопрос лишь в способности самовращающегося (авторотирующего) ротора создавать достаточную подъемную силу.

Кое-что об авторотации  было известно до Сиервы. В 1895 году полеты модели планера-автожира в России демонстрировал В.В. Котов. В 1905-1906 годах самовращение пластинок в потоке воздуха изучал директор российского Кучинского Аэродинамического института Д.П. Рябушинский. Он также проводил измерения силы торможения опускающегося винта. Позднее подобные опыты проводил Г.В. Сорокоумовский,  участник образованного Н.Е. Жуковским в 1909 году “воздухоплавательного кружка”, а также ряд других исследователей. Анализ опытов Рябушинского и Сорокоумовского дал в 1912 году  Б.Н. Юрьев в “Объяснительной записке к геликоптеру сист. Юрьева (охранное свидетельство № 45212)”. В опытах Рябушинского лопасти были установлены “с небольшим шагом”, а в опытах Сорокоумовского винт самовращался при отрицательных углах установки лопастей, как у обычных ветряных мельниц. Юрьев указывал, что сила сопротивления винта с небольшим углом атаки  “почти равна силе, действующей на круг, диаметр которого равен диаметру винта”, а сила сопротивления авторотирующего с отрицательным шагом лопастей винта Сорокоумовского “вполне достаточна для безопасного спуска геликоптера в случае порчи мотора”.

Об этих исследованиях в далекой России Хуан не знал.  Он начинает работу с нуля: проводит испытания роторов, подбирает профили лопастей, меняет их углы установки. В 1920 году патентует открытие  —  способность ротора с положительными углами установки лопастей вращаться под действием набегающего потока воздуха, создавая подъемную силу. 

1 июля 1920 года Сиерва подал заявку, и  27 августа  получил патент №74322 на “новый летательный аппарат”.  7 ноября 1923  года  —  патент №49036  на слово “автожир” (вначале Сиерва назвал аппарат «аутохироптеро»).

В марте 1921 года Сиерва построил летающую модель автожира с пятилопастным  ротором и резиновым мотором, приводившим во вращение пропеллер. Демонстрационный полет модели состоялся в присутствии представителей Королевской академии наук и спортивного комиссара ФАИ Эмилио Эррера. 

Раньше я думал, что первым кто-то разобьется на геликоптере Пескары,  теперь же  уверен, что это случится на автожире, — жизнерадостно заметил один из самых авторитетных авиационных инженеров Испании Эррера после того, как модель устойчиво пролетела несколько десятков метров и плавно снизилась.

Симметрия обтекания лопастей винта в полете нарушается: у “наступающей” лопасти, движущейся в направлении полета, скорости обтекания воздухом от собственного вращения и от полета складываются, у “отступающей” лопасти вычитаются. При одинаковых углах установки лопастей тяга, развиваемая такими лопастями, становится различной и на втулке винта возникает несбалансированный опрокидывающий момент. Чтобы обеспечить равновесие летательного аппарата, конструкторы первых геликоптеров применяли систему нескольких несущих винтов встречного вращения. Обычно это была система двух расположенных на одной оси винтов.

На своем первом автожире «С-1» Сиерва использует два соосных      диаметром 6 м каждый четырехлопастных ротора, которые устанавливает на фюзеляж  моноплана “Депердюсси”. Полетный вес автожира  —  350 кг. Для летных испытаний «С-1» в октябре 1920 года перевезли на аэродром Хетафе (Getafe).  Пилотом необычного аппарата согласился стать шурин Сиервы капитан Фелипе Гомес-Асебо (Felipe Gomes-Acebo), фанатик авиации, готовый летать на чем угодно. Изумленный сумасшедшим видом мелькающих  лопастей аэродромный люд дал аппарату название «Ла бронка» — «Потасовка». После первоначальной раскрутки несущих винтов пилот начал пробежку. Оба ротора начали вращаться в противоположных направлениях, однако нижний винт вращался намного медленнее верхнего,  и машина при разбеге пыталась опрокинуться.

Два года Сиерва ищет решение проблемы устойчивости автожира в полете: строит модели с одним ротором, конструирует системы управления циклическим шагом лопастей. В начале 1922 года он приходит к решению сочленять лопасть ротора с втулкой при помощи так называемого горизонтального шарнира (ГШ), позволяющего лопасти свободно махать в вертикальном направлении. Тем самым ГШ исключал передачу опрокидывающих моментов на втулку (впервые универсальный шарнир, исключающий передачу опрокидывающих моментов на втулку, в 1904 году предложил французский ученый Шарль Ренар;  в 1908 году патент на такую конструкцию выдан Луи Бреге). Чтобы ограничить свес неподвижной или медленно вращающейся лопасти,  Сиерва подвешивает ее к втулке резиновыми шнурами.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        

15 ноября 1922 года изобретателю вручается патент №81406 на способ “Улучшения аэропланов с вращающимися крыльями”. 31 января 1923 года полутонный автожир «С-4» с одним шарнирным ротором диаметром 8 м совершил свой первый успешный полет длиной около 4 км по замкнутому маршруту. Пилотировал машину профессиональный летчик и друг создателя автожира Александр Гомес Спенсер (Alejandro Gómez Spencer). На этом аппарате скорость полета достигла 100 км/ч.

Взмах лопасти относительно горизонтального шарнира приводит к уменьшению расстояния масс лопасти относительно оси вращения и, по закону сохранения количества движения лопасть стремится ускорить движение. При опускании лопасти возникает противоположный эффект. Возникают так называемые силы Кориолиса, нагружающие лопасть в плоскости своего вращения.  Первый раз эти силы дали о себе знать в апреле 1923 года, когда на пробеге от усталости сломался лонжерон лопасти автожира «С-5». Сиерва делает следующий логический шаг: он вводит второй шарнир, дающий лопастям свободу маховых движений в горизонтальной плоскости. Впоследствии такой шарнир получит название вертикального (ВШ). Патент на двухшарнирное крепление лопасти Сиерва получает в 1925 году, а впервые применяет его на автожире «С-7» (после того как 7 февраля 1927 года  на автожире  «С-6» в полете оторвались одна за другой две лопасти).

Каждый новый шарнир механической системы — еще одна степень свободы. Воспользоваться свободой  — святой долг. На первых пробежках автожира «С-7», оснащенного двух — шарнирным ротором, проявился новый механизм инерционных автоколебаний, известный в настоящее время под названием “земной резонанс”. С введением ВШ лопасть в плоскости вращения лопасть стала вести себя подобно маятнику, колеблющегося относительно оси вертикального шарнира; при этом роль восстанавливающей равновесие силы, которую у обычного маятника играет сила тяжести, у вращающейся лопасти выполняют центробежные силы. При определенной форме колебаний лопастей их общий центр тяжести уходит с оси вращения и вращается в направлении, противоположном направлению вращения винта. Возникает несбалансированная центробежная сила, раскачивающаяся весь аппарат на своих упругих шасси.  Беда, если колебания самой машины и колебания лопастей усиливают друг друга. Стремительно нарастающая энергия колебаний ищет выход, разрушаясь от нерасчетных сил, лопасти разлетаются, машину бросает на землю…  Чтобы разорвать механизм автоколебаний, Сиерва связывает между собой лопасти в плоскости вращения упругими расчалками,

апробирует еще несколько  изобретений. В их числе “автодинамическая” втулка с косыми ГШ, обеспечивающая дополнительное демпфирование маховых движений лопасти, наклонный вертикальный шарнир, лопасть со стальным трубчатым лонжероном, механизмы отклонения втулки ротора для поперечного управления, механизмы ротора от двигателя, давшие возможность автожиру совершать “прыжковый” взлет без разбега.

Эффектные полеты автожиров приносят их автору известность и коммерческий успех. В 1925 году с автожиром «С-6» знакомится король Испании. Хуану де ля Сиерва присваивается титул кавалера Гражданского ордена Альфонса Х11. В этом же году Сиерва переезжает в Англию, где при поддержке шотландского предпринимателя Джемса Г. Вейра основывает  акционерное общество «Сиерва Автожиро компани» (Cierva Autojro Co.), которое начинает производить автожиры совместно с компанией Avro Aircraft.  В 1928 году на автожире «С-8» Сиерва осуществляет успешный перелет Париж-Лондон. В 1929 году в США образуется  компания “Питкерн Сиерва аутожайро компани оф Америка”. 12 апреля 1931 года летчица Амалия Эрхард на американском автожире РСА-2, построенным при непосредственном участии Х. Сиервы, поднимается на высоту 5613 м. Автожир РС-2 осуществляет успешные взлеты и посадки на палубе авианосца. В 1929 году автожиры «С-19» с взлетным весом 635 кг и диаметром ротора 10,4 м начинают строиться серийно. 22 апреля 1931 года американский президент Герберт Гувер вручает президенту компании Гарольду Питкерну приз Колье “за разработку и применение автожира и демонстрацию его возможностей и перспектив использования в качестве надежного воздушного транспорта”. По итогам 1932 года Хуану де ля Сиерва присуждается Золотая медаль ФАИ.

В 1932 году совершил первый полет автожир «С-30»,  которому было суждено стать самым удачным аппаратом испанского изобретателя.  Автожир имел две кабины пилотов – переднюю и заднюю, был оснащен звездообразным мотором мощностью 140 л.с. Ротор крепился шаровым шарниром так, чтобы каждый из двух летчиков мог изменять  положение оси ротора  расположенными в кабинах ручками управления.  Это давало возможность эффективного управления аппаратом на малых скоростях полета. Крыло  на  «С-30» отсутствовало – оно стало не нужным.

Серийная модификация машины получила обозначение «С-30А». Лопасти ротора на серийной машине складывались, колея шасси стала шире. В августе 1934 года серийный  аппарат экспонировался на авиационной выставке в Копенгагене.  Завод «Авро» (Avro)  в Манчестере построил 77 автожиров «С-30А», 28 из которых экспортировали зарубежным заказчикам.  Еще порядка 60 таких машин изготовили по лицензии заводы  Германии и Франции. В 1934 году автожир «С-30А» демонстрирует возможность успешного взлета с палубы стоящего на рейде Валенсии корабля. 28 октября 1934 года летчица Алан-Мария на доработанном автожире этого типа осуществляет “прыжковый” взлет.  В начале второй мировой войны  несколько восстановленных автожиров «С-30А» приняли участие в боевых действиях в составе Королевских ВВС Великобритании.  Автожиры патрулировали побережье Балтики, искали и подрывали плавающие мины, доставляли продовольствие и медикаменты на вмерзшие в лед корабли, использовались в спасательных операциях.

Всего за свою жизнь испанский конструктор создал более тридцати типов автожиров, начиная с «С-1» и кончая «С-30» Мк-111. Он написал несколько книг, среди которых “Теория напряжений в лопастях автожира”, статьи с проектами преобразуемых аппаратов, автожиров, у которых в полете винт превращается в крыло.

Творческому потенциалу Х. Сиерва не суждено было реализоваться полностью: он погиб в авиационной катастрофе 9 декабря 1936 года. Самолет Дуглас ДС-2, направляющийся в Германию, вскоре после взлета, в тумане врезался в нежилое здание. На роковой рейс конструктору автожиров достался последний билет.

За выдающиеся заслуги в развитии авиационной науки и техники английское Королевское авиационное общество 26 апреля 1937 года посмертно наградило Хуана де ля Сиерву Золотой медалью.

К моменту гибели  изобретателю автожира исполнился 41 год. Большую часть своей жизни он посвятил авиации. Авиация взяла его жизнь.

 

WordPress SEO