Введение
Автожир (от греческого αὐτός [а́втос] – "сам" и γύρος [ги́рос] – "вращающийся"), или гироплан, — это класс летательных аппаратов, использующих немоторизованный ротор в свободном автовращении для создания подъёмной силы. Хотя внешний вид ротора автожира похож на ротор вертолёта, для его вращения необходим поток воздуха, направленный вверх по диску ротора. Движение вперёд обеспечивается независимо, двигателем, приводящим в действие воздушный винт. Изначально аппарат был назван автожиром его испанским изобретателем и инженером Хуаном де ла Сьервой в его попытке создать летательный аппарат, способный безопасно летать на малых скоростях. Первый полёт состоялся 9 января 1923 года в аэропорту Куатро-Вьентос в Мадриде. Аппарат напоминал самолёты с фиксированным крылом того времени, с передним расположением двигателя и воздушного винта. Термин «Автожир» был зарегистрирован как торговая марка компанией Cierva Autogiro Company. Автожир де ла Сьервы считается предшественником современного вертолёта. Термин «жирокоптер» (происходит от «вертолёт») был использован Э. Берком Уилфордом, который в первой половине двадцатого века разработал гироплан Reiseler Kreiser, оснащённый ротором с изменяемым углом установки лопастей. Позднее компания Bensen Aircraft зарегистрировала «Гироплан» как свою торговую марку. Успех автожира вызвал интерес промышленников, и в 1920-х и 1930-х годах компании Pitcairn & Kellett, работавшие по лицензии де ла Сьервы, внесли дальнейшие усовершенствования. Автожиры поздних моделей, созданные по образцу Buhl A 1 Autogyro Этьена Дормоя и конструкций Игоря Бенсена, имеют двигатель и воздушный винт, расположенные в задней части фюзеляжа по толкающей схеме.
An autogyro (from Greek and , "self turning"), or gyroplane, is a class of rotorcraft that uses an unpowered rotor in free autorotation to develop lift. While similar to a helicopter rotor in appearance, the autogyro's unpowered rotor disc must have air flowing upward across it to make it rotate. Forward thrust is provided independently, by an engine driven propeller. It was originally named the autogiro by its Spanish inventor and engineer, Juan de la Cierva, in his attempt to create an aircraft that could fly safely at low speeds. He first flew one on 9 January 1923, at Cuatro Vientos Airport in Madrid. The aircraft resembled the fixed wing aircraft of the day, with a front mounted engine and propeller. The term Autogiro became trademarked by the Cierva Autogiro Company. De la Cierva's Autogiro is considered the predecessor of the modern helicopter. The term gyrocopter (derived from helicopter) was used by E. Burke Wilford who developed the Reiseler Kreiser feathering rotor equipped gyroplane in the first half of the twentieth century. Gyroplane was later adopted as a trademark by Bensen Aircraft. The success of the Autogiro garnered the interest of industrialists and under license from de la Cierva in the 1920s and 1930s, the Pitcairn & Kellett companies made further innovations. Late model autogyros patterned after Etienne Dormoy's Buhl A 1 Autogyro and Igor Bensen's designs feature a rear mounted engine and propeller in a pusher configuration.
Принцип действия
Автожир характеризуется свободно вращающимся ротором, который приводится во вращение за счет потока воздуха, проходящего через ротор снизу. Вертикальная составляющая общей аэродинамической реакции ротора создает подъемную силу, удерживающую аппарат в воздухе. Отдельный винт обеспечивает поступательную тягу и может быть расположен в конфигурации тянущего винта, с двигателем и винтом в передней части фюзеляжа, или в конфигурации толкающего винта, с двигателем и винтом в задней части фюзеляжа. В то время как вертолет заставляет лопасти ротора перемещаться в воздухе, захватывая воздух сверху, лопасть ротора автожира генерирует подъемную силу так же, как крыло планера, изменяя угол атаки воздушного потока. Свободно вращающиеся лопасти вращаются за счет авторотации; лопасти ротора установлены под углом таким образом, что они не только создают подъемную силу, но и этот угол заставляет подъемную силу ускорять скорость вращения лопастей, пока ротор не достигнет стабильной скорости, при которой сила сопротивления и сила тяги находятся в равновесии. Поскольку аппарату необходимо двигаться вперед относительно окружающего воздуха, чтобы обеспечить прохождение воздуха через ротор, автожиры, как правило, не способны к вертикальному взлету (за исключением сильного встречного ветра). Некоторые модели, такие как Air & Space 18A, продемонстрировали возможность короткого взлета или посадки. Управление тангажом осуществляется наклоном ротора вперед и назад, а управление креном – наклоном ротора вбок. Наклон ротора может осуществляться с помощью шарнирного узла (Cierva), скользящей муфты (Air & Space 18A) или сервоклапанов. Руль направления обеспечивает управление рысканием. На автожирах с толкающим винтом руль направления обычно располагается в потоке от винта для максимального управления рысканием на малой скорости (но не всегда, как, например, на McCulloch J 2, где установлены два руля направления за пределами окружности, описываемой винтом).
Управление полетом
Существует три основных органа управления полетом: ручка управления, педали руля направления и рычаг управления двигателем. Как правило, ручка управления называется циклическим шагом и наклоняет ротор в нужном направлении для обеспечения управления по тангажу и крену (некоторые автожиры не наклоняют ротор относительно фюзеляжа, или делают это только в одной плоскости, и имеют традиционные рули для изменения остальных степеней свободы). Педали руля направления обеспечивают управление рысканием, а рычаг управления двигателем – регулировку мощности двигателя. К вторичным органам управления полетом относятся муфта роторной передачи, также известная как предвращатель, которая при включении раскручивает ротор перед взлетом, и механизм изменения угла установки лопастей (коллективный шаг) для уменьшения угла атаки лопастей перед началом вращения ротора. Механизмы коллективного шага обычно не устанавливаются на автожиры, но встречаются на моделях Air & Space 18A, McCulloch J 2 и Westermayer Tragschrauber и могут обеспечивать характеристики, близкие к вертикальному взлету и посадке (VTOL).
Конфигурация толкателя и трактора
Современные автожиры обычно соответствуют одной из двух основных компоновок. Наиболее распространенной является схема с толкающим винтом, где двигатель и воздушный винт расположены за кабиной пилота и мачтой ротора, как, например, в автожире Bensen "Gyrocopter". Основными преимуществами этой схемы являются простота и легкость конструкции, а также неограниченный обзор. Она была разработана Игорем Бенсеном в десятилетия после Второй мировой войны, который также основал Популярную ассоциацию роторных аппаратов (PRA), чтобы способствовать её распространению. Менее распространенной в настоящее время является схема с тянущим винтом. В этой компоновке двигатель и воздушный винт расположены в передней части аппарата, перед кабиной пилота и мачтой ротора. Это была основная компоновка ранних автожиров, но она стала менее популярной после развития автожиров в целом. Тем не менее, схема с тянущим винтом имеет некоторые преимущества по сравнению со схемой с толкающим винтом, а именно – большую устойчивость по рысканью (так как центр масс находится дальше от руля направления) и более легкую возможность согласования центра тяги с центром масс для предотвращения "клевка" (когда тяга двигателя превышает управление тангажом).
История
Хуан де ла Сиерва был испанским инженером, изобретателем, пилотом и увлеченным авиаконструктором. В 1921 году он участвовал в конкурсе на разработку бомбардировщика для испанской армии. Де ла Сиерва спроектировал трехдвигательный самолет, но во время одного из первых испытательных полетов бомбардировщик свалился в штопор и потерпел крушение. Де ла Сиерва был обеспокоен явлением сваливания и решил разработать самолет, способный безопасно летать на малых скоростях. Результатом стал первый успешный роторный аппарат, который он назвал автожиром в 1923 году. Автожир де ла Сиерва использовал фюзеляж самолета с передним пропеллером и двигателем, несущий винт, свободно вращающийся на мачте, и горизонтальный и вертикальный стабилизаторы. Его аппарат стал предшественником современного вертолета.
Раннее развитие
После четырех лет экспериментов де ла Сиерва изобрел первый практичный роторный самолет – автожиро (autogiro на испанском языке) в 1923 году. Его первые три конструкции (C.1, C.2 и C.3) были нестабильны из-за аэродинамических и конструктивных недостатков роторов. Четвертый проект, C.4, совершил первый задокументированный полет автожиро 17 января 1923 года, пилотируемый Алехандро Гомесом Спенсером на аэродроме Куатро Вьентос в Мадриде, Испания (9 января по данным де ла Сиервы). Спустя три дня двигатель вышел из строя вскоре после взлета, и самолет медленно и круто снизился к безопасной посадке, подтверждая усилия де ла Сиервы по созданию самолета, способного безопасно летать на малых скоростях. Де ла Сиерва разработал модель C.6 при поддержке испанского военного авиационного ведомства, израсходовав все свои средства на разработку и строительство первых пяти прототипов. C.6 впервые совершил полет в феврале 1925 года, пилотировал капитан Хоакин Лорига, включая перелет из аэродрома Куатро Вьентос в аэродром Гетафе примерно за восемь минут, что было значительным достижением для любого роторного аппарата того времени. Вскоре после успеха де ла Сиервы с C.6, он принял предложение шотландского промышленника Джеймса Г. Уэйра основать компанию Cierva Autogiro Company в Англии, после демонстрации C.6 перед британским министерством авиации в RAE Farnborough 20 октября 1925 года. Великобритания стала мировым центром разработки автожиро. Авария в феврале 1926 года, вызванная разрушением основания лопасти, привела к усовершенствованию конструкции роторного узла. В дополнение к шарниру, допускающему отклонение лопастей, был добавлен шарнир, позволяющий каждой лопасти двигаться вперед и назад и снижать напряжения в плоскости, возникающие как побочный продукт отклонения. Это развитие привело к созданию Cierva C.8, который 18 сентября 1928 года совершил первый перелет автожиро через Английский канал, за которым последовал тур по Европе. Американский промышленник Гарольд Фредерик Питкэрн, узнав об успешных полетах автожиро, посетил де ла Сиерву в Испании. В 1928 году он посетил его снова в Англии, после совершения испытательного полета на C.8 L. IV, пилотируемого Артуром Х. К. А. Роусоном. Особенно впечатленный безопасной возможностью вертикального снижения автожиро, Питкэрн приобрел C.8 L. IV с двигателем Wright Whirlwind. Прибыв в Соединенные Штаты 11 декабря 1928 года в сопровождении Роусона, этот автожиро был переобозначен как C.8W. Ранние автожиро де ла Сиервы были оснащены фиксированными роторными узлами, небольшими неподвижными крыльями и органами управления, подобными самолетам с фиксированным крылом. На малых скоростях органы управления становились неэффективными и могли легко привести к потере управления, особенно при посадке. В ответ де ла Сиерва разработал роторный узел с прямым управлением, который пилот мог наклонять в любом направлении. Прямое управление де ла Сиервы было впервые разработано на Cierva C.19 Mk. V и реализовано в серийном производстве Cierva C.30 в 1934 году. В марте 1934 года этот тип автожиро стал первым роторным аппаратом, взлетевшим и приземлившимся на палубу корабля, когда C.30 прошел испытания на борту испанского военно-морского гидросамолета Dédalo у берегов Валенсии. Позже в том же году, во время левого восстания в Астурии в октябре, автожиро совершил разведывательный полет для правительственных войск, ознаменовав первое военное применение роторного аппарата. С появлением более практичных вертолетов автожиро в значительной степени были забыты. Кроме того, они были подвержены резонансу земли.
Зимняя война
Во время Зимней войны 1939–1940 годов ВВС Красной Армии использовали вооружённые автожиры Kamov A-7 для корректировки огня артиллерийских батарей, совершив 20 боевых вылетов. А-7 был первым винтокрылым самолётом, разработанным для боевых действий, вооружённым одним 7,62×54 ммР пулемётом ПВ-1, парой пулемётов Дегтярёва и шестью ракетами РС-82 или четырьмя бомбами ФАБ-100.
Вторая мировая война
Автогир Avro Rota, военная версия Cierva C.30, использовался Королевскими ВВС для калибровки прибрежных радиолокационных станций во время и после битвы за Британию. Во время Второй мировой войны Германия разработала очень маленький гиропланерный роторный планер Focke Achgelis Fa 330 "Бахстельце" (wagtail), буксируемый подводными лодками для обеспечения воздушной разведки. Императорская японская армия разработала автожир Kayaba Ka 1 для разведки, корректировки артиллерийского огня и борьбы с подводными лодками. Ka 1 был основан на Kellett KD 1, впервые импортированном в Японию в 1938 году. Изначально аппарат был разработан для использования в качестве наблюдательной платформы и для задач корректировки артиллерийского огня. Армии понравился короткий разбег автожира и особенно его низкие требования к техническому обслуживанию. Производство началось в 1941 году, и машины были переданы артиллерийским подразделениям для корректировки падения снарядов. Экипаж состоял из двух человек: пилота и корректировщика. Позже японская армия построила два небольших авианосца, предназначенных для береговой противолодочной обороны. Позиция корректировщика на Ka 1 была модифицирована для переноски одного небольшого глубинного заряда. Автожиры Ka 1 ASW базировались как на береговых аэродромах, так и на двух небольших авианосцах. По имеющимся данным, они потопили по крайней мере одну подводную лодку. С началом немецкого вторжения в СССР в июне 1941 года советские ВВС организовали новые курсы для подготовки экипажей Камова А-7 и наземного технического персонала. В августе 1941 года, по решению Главного артиллерийского управления Красной Армии, на базе обученной летной группы и пяти боеготовых А-7 автожиров была сформирована 1-я автожирная эскадрилья артиллерийской разведки, которая вошла в состав 24-й армии ВВС СССР, действовавшей в районе Ельни под Смоленском. С 30 августа по 5 октября 1941 года автожиры совершили 19 боевых вылетов для корректировки артиллерийского огня. Ни один автожир не был потерян в бою, однако в 1942 году подразделение было расформировано из-за нехватки исправных машин. B 8M был разработан для использования избыточных двигателей McCulloch, применяемых на беспилотных летательных аппаратах-мишенях. Кен Уоллис разработал миниатюрный автожир, Wallis autogyro, в Англии в 1960-х годах, и автожиры, построенные по его конструкции, появлялись на протяжении многих лет. Конструкции Кена Уоллиса использовались в различных областях, включая военную подготовку, полицейскую разведку, поиски Лох-Несского чудовища, а также в фильме о Джеймсе Бонде 1967 года "Живи только дважды". Три различных конструкции автожиров были сертифицированы Федеральным авиационным управлением для коммерческого производства: Umbaugh U 18/Air & Space 18A образца 1965 года, Avian 2/180 Gyroplane образца 1967 года и McCulloch J 2 образца 1972 года. Все они оказались коммерчески неудачными по разным причинам. Kaman KSA 100 SAVER (Stowable Aircrew Vehicle Escape Rotorseat) – это спасательное устройство в виде укладываемого в самолет гиропланера, разработанное и построенное для ВМС США. Предназначенный для установки в морские боевые самолеты в качестве части системы катапультирования, был построен только один экземпляр, который так и не поступил на вооружение. Он был оснащен турбовентиляторным двигателем Williams WRC 19, что сделало его первым реактивным автожиром.
Гирокоптер Бенсена
Основная конструкция гирокоптера Бенсена представляет собой простой каркас из квадратных алюминиевых или оцинкованных стальных труб, усиленный треугольниками из более легких труб. Конструкция выполнена таким образом, чтобы напряжение приходилось на трубы или специальные фитинги, а не на болты. К хвостовой балке крепится рулевое переднее колесо, сиденье, двигатель и вертикальный стабилизатор. Основные колеса расположены на отдельных осях. Некоторые модели могут быть оснащены поплавками типа гидросамолета для эксплуатации на воде. Автожиры типа Бенсена используют толкающую конфигурацию для простоты и улучшения видимости для пилота. Питание может осуществляться от различных двигателей. В конструкциях типа Бенсена использовались двигатели McCulloch, морские двигатели Rotax, автомобильные двигатели Subaru и другие типы. Ротор устанавливается на вертикальную мачту. Роторная система всех автожиров типа Бенсена имеет конструкцию с двумя лопастями и свободным шарниром. Хотя у этой конструкции ротора есть некоторые недостатки, ее простота облегчает сборку и обслуживание, что является одной из причин ее популярности. В ранних конструкциях Бенсена использовалась авиационная береза, а в конструкции Уоллиса, установившей мировой рекорд скорости, применяется композит из дерева и стали. Лопасти ротора гироплана изготавливаются из других материалов, таких как алюминий и композиты на основе стеклопластика. Успех Бенсена послужил толчком к разработке нескольких других конструкций, некоторые из которых оказались фатально ошибочными из-за смещения между центром тяжести и линией тяги, что создавало риск силового клевка (PPO или опрокидывания), приводившего к гибели пилота и создававшего гиропланам в целом плохую репутацию, в отличие от первоначальных намерений де ла Сиервы и ранней статистики. Большинство современных автожиров теперь защищены от силового клевка.
Развитие и использование в XXI веке
В 2002 году самолет Hawk 4 компании Groen Brothers Aviation обеспечивал патрулирование периметра на зимних Олимпийских и Паралимпийских играх в Солт-Лейк-Сити, штат Юта. Самолет выполнил 67 миссий и наработал 75 часов летного времени без обслуживания в течение 90-дневного оперативного контракта. Во всем мире более 1000 автожиров используются правоохранительными органами и военными. Первыми в США автожир оценили полицейские Томболла, штат Техас, получив грант в размере 40 000 долларов от Министерства юстиции США и средства из городского бюджета. Стоимость автожира значительно ниже, чем у вертолета – 75 000 долларов за покупку и 50 долларов в час за эксплуатацию. Несмотря на способность приземляться при боковом ветре до 40 узлов, произошел незначительный инцидент, когда ротор не был зафиксирован при порыве ветра. С 2009 года в Иракском Курдистане было реализовано несколько проектов. В 2010 году первый автожир был передан курдскому министру внутренних дел, господину Кариму Синджари. Целью проекта для министерства внутренних дел было обучение пилотов контролю и мониторингу трасс захода на посадку и взлета в аэропортах Эрбиля, Сулеймании и Дохука для предотвращения террористических угроз. Пилоты автожиров также составляют основу летного состава курдской полиции, которые проходят обучение пилотированию вертолетов Eurocopter EC 120 B. В течение 18 месяцев, с 2009 по 2010 год, немецкая пилотская пара Мелани и Андреас Штуцфор совершили первое кругосветное путешествие на автожире, облетев на различных типах гиропланов Европу, южную Африку, Австралию, Новую Зеландию, Соединенные Штаты и Южную Америку. Это приключение было задокументировано в книге "WELTFLUG – The Gyroplane Dream" и в фильме "Weltflug.tv – The Gyrocopter World Tour".
Автогирация вертолета
Хотя автожиры и не являются вертолетами, вертолеты способны к авторотации. В случае отказа двигателя вертолета, пилот может изменить шаг несущего винта, чтобы поддерживать его вращение, создавая достаточную подъемную силу для посадки и скольжения с относительно мягким приземлением за счет авторотации несущего винта.
Сертификация в Соединенном Королевстве
Некоторые автожиры, такие как Rotorsport MT03, MTO Sport (открытый тандем) и Calidus (закрытый тандем), а также Magni Gyro M16C (открытый тандем) и M24 (закрытый бок о бок), имеют одобрение типа от Управления гражданской авиации Соединенного Королевства (CAA) в соответствии с британскими требованиями к гражданской летной годности CAP643, раздел T. Другие эксплуатируются на основании разрешения на полет, выданного Ассоциацией любительской авиации, аналогичного сертификации экспериментальных летательных аппаратов в США. Однако утверждение CAA о том, что автожиры имеют неудовлетворительные показатели безопасности, означает, что разрешение на полет будет выдаваться только для существующих типов автожиров. Все новые типы автожиров должны быть представлены для получения полного одобрения типа в соответствии с разделом T CAP643. CAA разрешает полеты на автожирах над оживленными районами. В 2005 году CAA выпустило обязательную директиву по разрешению (MPD), которая ограничивала эксплуатацию одноместных автожиров и впоследствии была включена в CAP643, выпуск 3, опубликованный 12 августа 2005 года. Федеральное управление гражданской авиации США (FAA) выдает стандартный сертификат летной годности квалифицированным автожирам. Летательные аппараты, построенные любителями или из комплектов, эксплуатируются на основании специального сертификата летной годности в экспериментальной категории. В соответствии с FAR 1.1, FAA использует термин "гироплан" для всех автожиров, независимо от типа сертификата летной годности.