Решение проблемы земного резонанса

Скачок в размерности несущих винтов от диаметра 14,3 м до диаметра 21 м выявил новое, ранее не встречавшееся явление. В апреле 1952 года при первом запуске вертолета Ми-4 присутствующие на испытании вдруг увидели, как после начала раскрутки несущего винта лопасти начали произвольно взмахивать все сильнее и сильнее, изгибаясь и грозя задеть за конструкцию. Это, несомненно, был флаттер лопастей несущего винта, хотя по выполненным в то время расчетам флаттер мог возникнуть лишь при скорости вращения 500 об/мин, но никак не при 100–110 об/мин, как это было в действительности. Многие специалисты даже отказывались признать это явление за флаттер. Как выяснилось позже, основной причиной была недостаточная жесткость автомата перекоса и завышенное значение компенсатора взмаха — 1,0. Нечего было и думать о полетах на вертолете, так как флаттер начинался значительно раньше, чем достигались рабочие обороты несущего винта.

Весьма поучительно, как в этот ответственный момент действовал главный конструктор и ученый М. Л. Миль. Заставив теоретиков разбираться в причинах расхождения расчета и опыта и уточнять свои методы, он без колебаний назвал полученное явление флаттером, спроектировал контргрузы, которые уже на следующий день были установлены на лопастях. Флаттер на машине был устранен, в то время как причины его появления были по-настоящему выяснены теоретически и подтверждены экспериментально только спустя 3 года.

Однако самое неприятное заключалось в том, что доработки конструкции не исключали возможности появления флаттера в полете. Это выяснилось много позже. В январе 1953 года на вертолете Ми-4 произошло летное происшествие, причина которого не могла быть объяснена в течение почти трех лет.

При расследовании были обнаружены следы удара лопастей о кабину летчика. Ни в каких других случаях этого не наблюдалось. При нормальном маховом движении лопасть не может задеть за кабину, так как для этого необходимо, чтобы в воздухе были сбиты нижние ограничители свеса лопастей. В течение 1954 года многие летчики наблюдали в полете необычное явление, которое получило название «эффект Калиберного» (по фамилии летчика, впервые заметившего его).

Калиберный установил, что на режиме моторного снижения, примерно на угле установки лопастей 6–7°, лопасти начинают вымахивать из описываемого ими конуса. После перекомплектовки лопастей, имеющих, как известно, несколько различную поперечную центровку, это явление прекращалось. Но однажды, через два года, при проверке в полете комплекта лопастей на отсутствие «эффекта Калиберного», то есть при выполнении в полете моторного снижения с углом общего шага 6–7°, это явление проявилось в такой степени, что с трудом была произведена вынужденная посадка. Вблизи земли при переходе на другой режим взмахивание лопастей прекратилось. После полета были обнаружены порванные замки лопастей, что свидетельствовало об изгибе лопасти в плоскости вращения. Исследование лопастей показало, что их эффективная центровка примерно на 1 % хорды более задняя, чем была при выпуске лопастей на заводе. Случай с этим вертолетом произошел во время оттепели, когда влажность воздуха была высокой. При набухании и утяжелении фанерной обшивки центр тяжести лопасти сместился к задней кромке, так как центр тяжести обшивки располагался примерно на половине хорды. Было установлено, что характер махового движения лопастей и усилия на ручке управления в полете на режиме «эффекта Калиберного» совершенно аналогичны тем, которые записывались на земле при испытаниях, когда лопасти вводились во флаттер искусственно. Этот сложный путь позволил установить, что явление, возникшее в полете, идентично тому, которое было на земле. Так было установлено, что «эффект Калиберного» есть не что иное, как начало флаттера в полете. На основе этого заключения и возникла догадка, что необъяснимое ранее летное происшествие с ударом лопастей по кабине летчика также есть флаттер лопастей в полете, возникший при оборотах несущего винта, при которых на земле он не проявлялся.

При эксплуатации вертолетов Ми-4 пришлось неоднократно сталкиваться с явлением земного резонанса. Был случай земного резонанса при работе вертолета на привязи. Несколько случаев произошло, когда вертолет при рулении перед полетом или после посадки лишь слабо касался земли колесами. Это поставило перед ОКБ задачу глубокого теоретического изучения вопроса.

В настоящее время имеется теория земного резонанса, которая объясняет все важнейшие черты этого явления и позволяет рассчитывать характеристики конструкции, от которых зависит земной резонанс. Эта теория была создана в результате многочисленных теоретических и экспериментальных исследований земного резонанса.

Основными средствами борьбы с этим явлением стали:

— установка демпферов на вертикальных шарнирах лопастей несущего винта со специально подобранными характеристиками;

— введение специальных демпфирующих элементов в конструкцию амортизаторов шасси или правильный выбор характеристик гидравлического сопротивления амортизаторов на прямом и обратном ходах, а также характеристик жесткости амортизаторов и пневматиков.

Овладение теорией таких явлений, как флаттер и земной резонанс, привело к тому, что их появление на вертолетах прекратилось.