КА-15 - МНОГОЦЕЛЕВОЙ КОРАБЕЛЬНЫЙ ВЕРТОЛЕТ

Владимир БАРШЕВСКИЙ

В августе 1950 г. в ОКБ-2, руководимом Н.И. Камовым, приступили к разработке предэскизного проекта двухместного корабельного вертолета Ка-15. Его компоновка, в отличие от Ка-8 и Ка-10, была традиционной-«люди вперед, двигатель назад», однако для корабельного вертолета казались совершенно необходимыми поплавки. На машине предполагалось поставить двигатель АИ-14В со взлетной мощностью 245 л.с. и несущие винты с деревян-ными трапециевидными лопастями, имеющими большое сужение и отрицательную крутку, равную минус 12°. Теоретическая хорда на оси вращения равнялась 300 мм, а на конце - 100 мм. Коэффициент заполнения одного трехлопастного винта составлял 3% и, следовательно, у каждой лопасти 1%. Это был самый малый коэффициент заполнения одной лопасти в мировой практике. Таких тонких лопастей свет еще не видывал, но у «камовцев» не принято было бояться нового. Выбирал параметры несущего винта я, очевидно, под сильным влиянием исследований Л.С. Вильдгрубе, который убедительно показывал целесообразность трапециевидных и сильно закрученных лопастей для повышения относительного КПД.

Посадка Ка-15 на палубу Ка-15 на палубе китобойного судна

Один из эскизов к проекту

«Эффектная» посадка

Опытный Ка-15 с тремя «шайбами» на хвосте

Поисками оптимальной компоновки вертолета занимались мыс инженерами В.И. Бирюлиным и Б.Ю. Костиным, поскольку Главный конструктор был на госиспытаниях Ка-10 в Риге. Николай Ильич Камов, вернувшись, просмотрел с десяток придуманных нами вариантов, сразу выбрал самый простой и, на наш взгляд, самый плохой. Это была привычная компоновка с колесным шасси. По его словам, во-первых, с поплавковым шасси мы уже успели намучитья на Ка-8 и Ка-10, а для передвижения по земле все равно нужны колеса; во-вторых, посадка на землю на поплавках с режима авторотации-это почти неизбежное наличие капота и, в-третьих, даже Ка-10 при взлете и посадке страховали специально подготовленные люди, иначе машина могла войти в «земной резонанс», потому что демпфирование в баллонах было недостаточным.

Разработка эскизного проекта началась весной 1951 г.,а 9 июня того же года вышло распоряжение заместителя Председателя Совета Министров Н.И. Булганина за № 6043 о начале финансирования работ по Ка-15.

Надо сказать, что в 1951 г. кроме проработок корабельного вертолета ОКБ-2 занималось проектированием тяжелого двухвинтового вертолета продольной схемы. Это была вторая попытка Камова получить задание на большой транспортный вертолет (первая в 1946 г. с проектом «Иван Грозный» не удалась). На этот раз все складывалось гораздо серьезнее. С 25 июня 1950 г. в войне с Кореей американцы впервые начали широко применять вертолеты HRS-1 Сикорского и HRP-1 Пясецкого, показавшие высокую эффективность. Бригадный генерал К. К. Джером закончил памятную записку командованию, датированную 12 сентября 1950 г., таким восклицанием:»… вертолеты, больше вертолетов, как можно больше вертолетов в Корею». Выпуск транспортных вертолетов в США стал быстро увеличиваться. В правительстве СССР обсуждали вопрос о преодолении отставания отечественного тяжелого вертолетостроения. Для нас участие в программе по разработке транспортного вертолета означало укрепление и расширение ОКБ. Мы стали продумывать различные варианты вертолетов продольной схемы: маленький Ка-11, одномоторный Ка-12 и, наконец, Ка-14-2 с двумя двигателями Швецова АШ-82, установленными вертикально, чтобы не делать конические шестерни в редукторах. К работе над проектом были привлечены квалифицированные сотрудники, пришедшие в ОКБ-2 из ЦАГИ и других высоких организаций, где на рубеже 40-х и 50-х годов усиленно боролись с космополитизмом.

Но судьба распорядилась так, что основным для нашего ОКБ явилось продолжение работ по корабельным вертолетам. 4 августа 1951 г. командованию ВМФ был направлен проект тактико-технических требований на Ка-15, а 3 октября предъявлен эскизный проект. Началась постройка макета, который получил одобрение в конце 1951 г., когда камовский коллектив стал называться ОКБ-4 и располагался уже на другой территории - в Тушино.

Ka-l5Mc опрыскивателем над виноградниками в Молдавии

Два творения ОКБ Н.И. Камова - аэросани «Север-2» и Ка-15

Дело в том, что в начале октября 1951 г. Н.И. Камов был вызван в Кремль. Часа через три он вернулся очень расстроенный и рассказал, что на совещание кроме него были приглашены А.Н. Туполев, С.К. Ильюшин, Н.Н. Братухин и М.Л. Миль. Обсуждалась задача срочного создания транспортных вертолетов. Миль доложил проект двенадцатиместного Ми-4, а Камов-проект Ка-14-2. Срок изготовления машин был установлен в один год. Николай Ильич возразил, что ему необходимо минимум два года. Л. П. Берия остался очень недоволен его ответом. На другой день повторно в Кремль вызвали только М.О. Миля и… А.С. Яковлева и уговорили их взяться за задание, обещая неограниченную помощь. Уже 5 октября вышло Постановление правительства о создании транспортных вертолетов одновинтовой и продольной схем на 12 и 24 человека соответственно. ОКБ Миля переводилось на завод № 3, ОКБ Братухина расформировывалось, а ОКБ-2 вместе с группой СБиЖ (Старинин, Брагинский и Жеребцов) переводился в Тушино, где раньше базировался Миль. Таким образом, наш проект фактически передавали Яковлеву.

Вертолет Ми-4 начал раскрутки несущего винта в апреле 1952 г., в мае 1953 г. были закончены госиспытания, а в конце года в Саратове выпустили первые серийные машины. Як-24 совершил первый полет 3 июля 1952 г. В начале 1953 г. был передан на госиспытания, только в апреле 1955 г. завершил их и в августе его показали на параде в Тушино. Камов был прав-такую машину за год сделать нельзя, но опасно не соглашаться с высоким начальством.

А мы тем временем снова переезжали на неблагоустроенную базу, где предстояло строить по приказу МАП № 1040 от 23 октября 1951 г. войсковую серию Ка-10 и разрабатывать Ка-15.

На сравнительно небольшой территории, отгороженной от завода № 82, стояло двухэтажное здание, в котором разместилось КБ, сборочный, механический и сварочный цеха, деревообделочная мастерская и производственные отделы. В небольшом корпусе ЦЗЛ (Центральная заводская лаборатория) находились механическая, химическая и фотолаборатории, группа СБиЖ и лаборатория самолетного оборудования. В еще одном бараке располагались бухгалтерия и плановый отдел. При переезде часть сотрудников от нас ушла, но к нам пришли Б.Ф. Савин, Триденцов, Цыпина, Андеев, Нетучинский, В.П. Борисов, A.M. Зейгман, М.Г. Черемухин. Летно-испытательная станция размещалась на Захарковском аэродроме, рядом сХимкинским водохранилищем. ЛИСом командовали В.А. Карпов и A.M. Конрадов. Устроились мы довольно уютно и быстро почувствовали себя хозяивами этого небольшого заводика.

Предназначенный для кораблей вертолет Ка-15 проектировался очень компактным. Его длина была почти в два раза меньше, чем у Ми-1. Непросто разместить в небольшом объеме все оборудование, необходимое при поиске подводных лодок. От обеспечения плавучести пришлось пока отказаться, на вертолете решили установить четырехколесное шасси.

Ка-15 на поплавках с гидроакустической станцией по левому борту (опускалась в воду на лебедке)

Ка-15 на поплавках на Наташинских прудах (г. Люберцы)

Конструкция лопастей, разработанная М.А. Купфером, в отличие от Ка-10 имела фанерную обшивку и прорезанные, заполненные пенопластом отверстия в хвостовой части профиля. Это сделали с целью обеспечения как можно более «передней» центровки для предотвращения флаттера лопастей. В то время было уже известно, как «вылечили» флаттер лопастей Ми-4, явно обнаружившийся при первой раскрутке несущего винта. На вертикальных шарнирах стояли фрикционные демпфера. Разумеется, в системе управления на колонке были промежуточные ползушки, позволяющие изменять общий и дифференцированный шаг. Имелась система «шаг-газ». Фюзеляж смешанной конструкции состоял из силовой пространственной фермы из стальных труб, дюралевого каркаса и короткой клепанной хвостовой балки. На конце балки крепился стабилизатор с двумя шайбами, каждая из которых состояла из киля и руля направления. Мотор устанавливался внутри фюзеляжа в «горячем» отсеке и обдувался вентилятором. В моторном редукторе были коническая и планетарная понижающие передачи. От него мощность передавалась на двухступенчатый сателлитный распределительный редуктор, приводящий валы несущих винтов. Форма носа фюзеляжа и остекление кабины обеспечивали экипажу хороший обзор. Сдвижные двери позволяли в случае необходимости оставлять их открытыми.

14 апреля 1953 г. летчик-испытатель Д.Е. Ефремов на первом экземпляре Ка-15, предназначенном для ресурсных испытаний, впервые поднялся в воздух. А 9 июня того же года министр авиационной промышленности А.П. Хруничев прекратил финансирование работ по этой машине. С большим трудом Н.И. Камову удалось добиться распоряжения Н.И. Булганина выдавать небольшую зарплату сотрудникам. Началась длительная доводка вертолета.

Еще в процессе стендовых испытаний некоторые узлы конструкции удалось серьезно усовершенствовать. На стадии заводских испытаний были выполнены впервые в нашей практике подробные исследования напряжений в элементах конструкции. Результаты замера напряжений позволяли надеяться на высокие ресурсы. Однако доводка вертолета по вибрациям затянулась на много лет, хотя госиспытания машины успешно закончились в 1955 г.

Прочнист ЦАГИ Н.Н. Корчемнин любил говорить, что «вертолет летает потому, что трясется». Соосный вертолет с длинным тонким валом верхнего несущего винта имел особенно веские основания для тряски. С вибрациями в нашем ОКБ боролись, начиная с Ка-8. Постепенно вырисовывались способы их уменьшения, в разработку которых большой вклад внес Д.К. Ефремов при испытаниях Ка-10 и Ка-15. Тем не менее, при доводке первых серийных вертолетов и даже при начале эксплуатации приходилось не раз возвращаться к этой проблеме. В 1956 г. Николай Ильич поручил мне заняться вибрациями вертолета Ка-15. Создали специальную группу, в которую входили С. Горштейн, А. Ильченко и Ф. Фельдман. Мы изучали вибрацию на вертолетах вообще и возможность слижение ее до допустимого уровня. Имелись ввиду автоколебания («земной резананс»), флаттер лопастей и вынужденные колебания. Ближайшей задачей для нас было уменьшение вибраций вертолета Ка-15 № 3, который в отличие от № 2 трясся значительно сильнее, хотя ничем от него не отличался. В этой работе принимали участие и специалисты ЦАГИ: И.В. Ананьев, Л.С. Попов, А.П. Резник, М.С. Галкин, Б.Я. Жеребцов и другие.

Наиболее неприятными на № 3 были вынужденные колебания машины по первому тону (продольные колебания). На Ка-15 № 2 такие колебания уменьшались за счет увеличения жесткости верхнего винта путем установки третьей, так называемой «верхней» опоры и увеличения сечения вала. При подготовке к частотным испытаниям обнаружили, что из-за производственного дефекта на Ка-15 №3 третья верхняя опора вала практически отсутствовала, чем и объяснялось различие в вибрациях на № 2 и № 3. Исследования, касающиеся уменьшения неуравновешенных периодических сил верхнего винта, велись несколько лет. В процессе доводки вертолета с той же целью выполнили и ряд конструктивных мероприятий. Сначала увеличили вынос вертикального шарнира. Затем бронзовые подшипники вертикальных шарниров заменили на игольчатые. Позже установили пружинные тяги между лопастями верхнего винта и ввели трехтяговое соединение верхнего и нижнего автоматов перекоса. Для повышения жесткости опоры верхнего и нижнего винтов вновь увеличили сечение вала и установили верхнюю третью опору на 360 мм выше второй. Эти мероприятия дали возможность закончить заводские и провести государственные испытания Ка-15.

Однако на серийном заводе в Улан-Удэ именно из-за сильной тряски возникли большие трудности при сдаче машин заказчику. На завод направили С. Горштейна, трагически погибшего при проведении динамической регулировки вертолета в 1956 г. В начале 1957 г. в Улан-Удэ откомандировали меня вместе с М.А. Купфером и Д. Е. Ефремовым. В городе было оченьхолодно-за минус тридцать, сухой континентальный воздух сушил губы и они трескались. Работать рядом с вертолетом приходилось в суконных масках, так как ветер от винтов моментально обжигал и обмораживал лицо. Тело спасала от стужи летная одежда.

Проходили дни, авертолеты продолжали трястись. К вечеру мы, утомившись от безуспешных усилий, понуро и молча шли домой совершенно опустошенные. После ужина начинались споры, вырисовывались предложения и появлялась надежда на успех. А назавтра все повторялось снова. Междутем, о вынужденных колебаниях нам уже было известно если не все, то многое: форма колебаний, влияние жесткости хвостовой балки и характера загрузки фюзеляжа. А.Я.Ильченко удалось получить простую формулу для подсчета резонансной частоты. Выяснилось, что существенного изменения частоты можно ожидать за счет увеличения разноса вертикальных шарниров и жесткости вала. Уменьшив длину вала верхнего винта на 150 мм, повысили жесткость вала, что, в свою очередь, дало возможность наладить выпуск серийных машин.

Санитарный вариант Ка-18

Вскоре были установлены так называемые «зоны комфорта», границы которых нельзя переходить. Обозначены они такими оценками: незаметные, едва заметные вибрации-очень хорошо; заметные-хорошо; беспокоящие-удовлетворительно; очень неприятные-не рекомендуются; сильные-опасны для здоровья. Граница, установленная специалистами ГК НИИ ВВС, представляла собой гиперболу, в которой допустимая амплитуда колебаний понижалась по мере увеличения частоты. При повышении частоты резко возрастает воздействие вибраций на организм человека. В этом отношении оборотные вибрации на Ка-15 с частотой 350-360 кол/мин воспринимались лучше, чем лопастные вибрации на Ми-4 с частотой примерно 750 кол/мин.

С началом эксплуатации серийных Ка-15 опять пришлось заниматься вибрациями. На этот раз-флаттером лопастей, признаки которого на этом вертолете обнаружили еще в 1953 г. После непродолжительного поиска способов его устранения остановились на традиционных противовесах. На лопастях надолго обосновался «фирменный знак»-выносные противофлаттерные грузы на передней кромке. А в 1954 г. на вертолетах Ми-4 начались необычные явления, получившие вначале название «эффект Калиберного» и оказавшиеся флаттером. Проявлялся этот эфект на режиме моторного планирования на углах установки лопастей 6- 7°. Лопасти начинали вымахивать из ометаемого конуса и срубали кабину пилотов, которые погибали и не могли рассказать, как это произошло. А летчику по фамилии Калиберный повезло: он остался в живых и поведал о случившемся. Причиной оказалось набухание лопастей во время оттепели, из-за чего их центровка смещалась назад.

Вскоре и на Ка-15 появилась причина перемещения центровки лопастей назад - на этот раз в результате ремонта. Чинили лопасти заделывая небольшие трещины в районе триммеров, отгибаемых при регулировке несущих винтов. Триммеры решили прошить нитками «маккей». Но военным это показалось несолидным, и нитки заменили проволокой. Мастера перестарались, добиваясь товарного вида, и положили слишком много шпаклевки - центровка сместилась назад. После таких ремонтов на Ка-15 стали происходить непонятные летные происшествия. При их расследовании подозрение пало на флаттер. Но в ОКБ все машины после ремонта лопастей проверялись по специальной методике. На земле при максимальных оборотах летчик несколько раз отклонял ручку, провоцируя флаттер. Если при этом конус лопастей «не размывался» и фыркающие звуки отсутствовали, то машина считалась пригодной. В полете обороты всегда меньше максимальных. А по результатам, полученным в ЦАГИ, считалось, что если флаттера нет на висении, то его не будет и на скорости.

После починки лопастей нужно было вводить в строй машины в разных местах страны, и Николай Ильич разослал нас по гарнизонам. Мне достался Севастополь, где я уже бывал с лекциями. В конце лета 1958 г. дело у нас двигалось медленно, а необходимо было на всех вертолетах сначала выполнить наземную проверку на флаттер, затем облетать машину и замерить ручным вибрографом амплитуду колебаний в кабине. Летных дней было слишком мало, работа замирала, и я нервничал. Однажды в отсутствии летчика я уговорил инженера части сделать наземную проверку без пилота. Он нехотя согласился, и я сел на правое сиденье. Раскрутив винты и выйдя на максимальные обороты, инженер стал делать «дачи», а я смотрел на концы лопастей и прислушивался, Флаттерных сигналов не было, но после очередной «дачи» машина влетела в «земной резонанс». Кто видел, тот знает, что это такое. Инженер медлил со сбрасыванием «шаг-газ», пытаясь удержать соскакивающую фуражку. Я же не мог дотянуться до рычага, находящегося слева от кресла пилота. Наконец, «шаг-газ» был сброшен и машина остановилась, вдоволь попрыгав. При осмотре обнаружилась недостаточная затяжка демпферов вертикальных шарниров. Вертолет не пострадал, но мне урок впрок не пошел.

При облете одной из последних машин летчик А.Н. Воронин обнаружил сильные вибрации в полете на высокой скорости. Однако на ленте вибрографа записи были вполне благоплучные. Я заявил, что вертолет может быть принят или же полет должен быть повторен. Воронин явно рассердился и придя на следующий день на аэродром, коротко бросил: «Садись». Взяв виброграф, я с удовольствием уселся на правое сиденье. Летели мы без парашютов. Быстро набрав высоту, Воронин начал показывать мне поведение машины, постепенно увеличивая скорость. Сверху аэродром и Херсонес казались очень маленькими, кругом было море. При номинальных оборотах на скорости около 140 км/ч сильно «зафыркало» и конусы обоих винтов «размыло»-это был самый настоящий флаттер. Началась сильнейшая тряска. Мне показалось, что между лопастями верхнего и нижнего винтов остается не более 100 мм. Но почему-то я боялся сказать об этом Воронину. А он совершенно спокойно продолжал демонстрировать «высокую вибрацию». Указывает на приборную доску, скорость - 120 км/ч, и повышает обороты выше номинальных. Машину начинает просто зверски трясти. Я ему жестами объясняю, что все понял и надо спускаться, а он знай себе меняет обороты и скорости. Очевидно, эта демонстрация длилась минуты две-три. Но для меня время тянулось нескончаемо. Наконец мы сели. На вибрографе была запись «от упора до упора». Только на земле я высказал Анатолию Николаевичу свое мнение о том, что он проделал в воздухе. Затем отправил на завод телеграмму с подробным объяснением происшедшего. Почти одновременно со мной в Казахстане М.А. Купфер расследовал аварию с Ка-15, который разбился после «прошивки» триммеров. Столяр, ремонтировавший лопасти, попросил летчика покатать его на вертолете и тот согласился. В полете они попали во флаттер и лопасти схлестнулись. К счастью, машина опустилась на оставшихся обрубках и жертв не было. С тех пор в методику проверки на флаттер внесли существенное изменение. Требовалось обеспечить нормируемый запас по эффективной центровке лопастей. Так, эффективная центровка должны быть на 1 % более «передней» чем та, при которой на максимальных оборотах отсутствуют флаттерные сигналы. Обеспечение достаточного запаса по флаттеру оказалось необходимым не только для безопасности полетов, но и для снижения уровня вибраций. Отрегулировать вертолет стало значительно проще.

Полученные при испытанияхлетно-техническиехарактеристики Ка-15 оказались выше проектных. Машина перевозила коммерческий груз в 210 кг при взлетном весе 1410 кг и мощности двигателя 280 л.с. В то же время Ми-1 брал 255 кг при весе 2470 кг и мощности 575 л.с. Характеристики управляемости, свойственные соосному вертолету, и компактность машины позволяли выполнять взлеты и посадки с весьма ограниченных площадок.

После запуска Ка-15 в серию ОКБ продолжило работы над повышением ресурса и расширением областей применения вертолета. На заводе были созданы многочисленные стенды для испытаний в условиях динамических нагрузок узлов и элементов конструкций, проводились длительные ресурсные испытания, комплекс специальных летных испытаний (в том числе посадки на авторотации без пробега с включением двигателя на высоте 300 м). Выполнялись посадки на поплавковом шасси на воду, также и на авторотации. Летчики Д.К. Ефремов и Т.В. Русиян в 1957 г. провели очень сложные и небезопасные исследования «вихревого кольца», установив четкие границы попадания в этот режим и методы выхода из него.

В 1957 г. создали учебный вертолетУКа-15 с двойным управлением, дополнительными пилотажными приборами и шторками для обучения «слепому» полету. Разработали различные варианты народнохозяйственного многоцелевого вертолета Ка-15М. Его оборудовали аппаратурой для химической обработки растений, контейнерами для почты и мелких грузов, гондолами для перевозки больных, а также поплавковыми шасси.

Вертолет Ка-18 представляет собой четырехместную модификацию Ка-15.Скомпоновал машинуМ.Б. Малиновскийв 1956г. На вертолете удлинили фюзеляж и хвостовую балку, расширили кабину и увеличили площадь хвостовых шайб. Кроме летчика Ка-18 мог перевозить двух-трех пассажиров или больного на носилках с сопровождающим медработником, атакже выполнять все функции вертолета Ка-15М. В1957 г. Ка-18 успешно выдержал государственные испытания и несколько лет выпускался серийно на заводе в Улан-Удэ. На Всемирной выставке в Брюсселе в 1958 г. он был отмечен Золотой медалью.

В 1958-1963 г.г. для вертолетов Ка-15 и Ка-18 были созданы стеклопастиковые лопасти Б-7. Камов говорил, что когда-нибудь лопасти будут прессовать (выпекать). «Заложат что-то под пресс или в автоклав, а вынут сразу готовую лопасть. А потом другую, и третью, и все они будут совершенно одинаковыми». Он мечтал сделать дешевый народный вертолет и понимал, что необходимо обеспечить лопастям полную идентичность, хорошую поверхность и неизменность формы при изменении погоды. Поэтому изготавливать их быстро и дешево в массовом производстве можно было только радикально изменив конструкцию и технологию. Весьма существенный вклад в продвижении этой идеи в жизнь сделан впервые в нашей стране группой конструкторов, расчетчиков, технологов и ученых под руководством Н. И. Камова.

В автоклаве полимеризуется не вся стеклопластиковая лопасть Б-7, а только ее лонжерон-одноконтурный, замкнутого сечения, из стеклоткани, пропитанной связующим горячей полимеризации с металлическими деталями: центровочными грузами и трубками противобледенительной системы. Листы стеклоткани укладываются в пакеты и проходят предварительную опрессовку. После этого они собираются друг с другом и устанавливаются центровочные грузы с трубками противообледенительной системы. Потом в полости лонжерона размещают резиновую камеру и все закладывают в прессформу, которая оборудована электронагревателями. Давление в резиновой камере создается азотом. Внутренняя поверхность прессформы выполнена в соответствии с теоретическим профилем и имеет крутку. Опрессованный лонжерон не требует дополнительной обработки. Хвостовая часть лопасти образована хвостовыми секциями, прикрепленными к лонжерону. Сами секции, состоящие из стеклотканевой обшивки и пенопластового заполни-тетя, обработанного по контуру, формируются в горячем состоянии под прессом. Между секциями устанавливаются вкладыши из губчатой резины. Стальной узел крепления лопасти к втулке ставится в комле на болтах. Конечно, это не «положить и нажать», но трудоемкость снижается вдвое, а качество повышается. На электровинтовом стенде мы испытали 11 комплектов деревянных лопастей ЛД-10М и шесть комплектов стеклопластиковых лопастей Б-7. У несущих винтов с пластиковыми лопастями поляры практически совпадали, тогда каку винтов с деревянными лопастями наблюдался существенный разброс. Кроме того, у винтов Б-7 тяга при максимальных оборотах на 45 кг больше, чем у ЛД-10, и ресурс практически неограничен. При испытаниях отсеков лопастей на усталость разрушений в расчетных сечениях не было.

Вертолеты Ка-15 и Ка-18 находились в эксплуатации много лет и позволили накопить большой опыт практического применения машин соосной схемы.