На небо под винтом
Летательные аппараты, в которых крыло представляет собой винт, одними из первых поднялись в воздух. Изобретателям казалось, что еще немного, еще чуть-чуть, и человек, вооружившись вращающимся винтом, взмоет в небо. Однако эта задача с технической точки зрения оказалась отнюдь не простой. Поэтому «вертолетный» способ перемещения по воздуху люди освоили только после того, как научились летать на самолетах.
Возможность полета всегда волновала человека. Наблюдение за птицами вызывало естественное желание подняться в воздух с помощью искусственных крыльев. Махолеты вплоть до начала XIX века были наиболее распространенным типом проектов летательных аппаратов тяжелее воздуха. Несмотря на давнюю повсеместную известность воздушного змея, идея подъема в воздух при помощи поступательно движущегося крыла почему-то не была популярной среди исследователей. «Змеи» и первые ракеты использовались преимущественно для увеселения, а в качестве пилотируемых летательных аппаратов, как правило, не рассматривались. Зато способность вращающегося винта проникать в воздушную среду казалась энтузиастам полета не менее естественной, чем взмахи птичьих крыльев. Так, в Средние века идея использования для полетов вращающийся винт уже была популярной.
Несущий винт, как источник подъемной силы, не имеет прямых аналогов в природе. Отдаленное сходство с вертолетами можно усмотреть разве что в способности летать у птиц колибри и некоторых видов насекомых. Немного напоминают несущий винт семена-крылатки клена и ясеня, которые иногда оказываются довольно далеко от родного дерева. Старейший же искусственный предшественник вертолета — бумеранг, предположительно был изобретен австралийскими аборигенами около 10 тысяч лет назад. Однако было бы слишком смело предполагать, что колибри, семя-крылатка или бумеранг послужили прототипами несущего винта. Скорее всего, для «вертолетостроителей» античности и раннего Средневековья прототипами послужили другие разновидности винтов и лопаточных машин: водоподъемная спираль и ветряная мельница. А понимание лопасти винта именно как движущегося по кругу крыла пришло к пионерам полета только в результате настоящих инженерных экспериментов в оборудованных лабораториях.
Прообраз несущего винта появился столь же рано, как и лопаточные машины других типов. Правда, в отличие от них несущий винт не получил практического применения и использовался только в качестве игрушки. Существует предположение, что широко распространенная игрушка «летающая палочка» (или «воздушный волчок»), представляющая собой маленький винт, ось которого раскручивают руками или обмотанной вокруг нее веревкой, а затем отпускают, была известна в Китае еще в самом начале нашей эры. В Европе «воздушные волчки» активно закрутились в XIV—XV веках.
Винтокрылые игрушки
Первое сохранившееся упоминание о вертолете относится к 320 году н. э. Китайский ученый Го Хун в своем опусе среди различных фантастических способов «вознесения на ужасные высоты и путешествия в безбрежных пространствах» предложил делать «летающие колесницы», поднимающиеся в воздух при помощи вращающихся лопастей. Даосист рассматривал путешествия «на ужасных высотах» и как средство борьбы с врагом. Первый сохранившийся до наших дней европейский проект вертолета появился одновременно с проектом другого военного средства — танка. Эти два плана содержатся на одной странице рукописи великого Леонардо да Винчи и датируются 1488—1489 годами. Для привода в действие механизмов Леонардо предлагал использовать пружину. Замена раскрутки винта от наземного стартера источником энергии, расположенным на самой модели, стала важным шагом в создании реального вертолета.
Соединив упругим элементом две «летающие палочки» и «закрутив» их друг относительно друга, средневековый игрушечник получил простейшую модель вертолета. Проще всего оказалось соединить «летающие палочки» по осям так, чтобы винты вращались в разные стороны. Таким образом изобретатель решил важнейшую при проектировании летательных аппаратов задачу балансировки сил и моментов. В результате вертолет должен был не только оторваться от земли, но еще и устойчиво держаться в воздухе.
Другим элементарным решением стала замена одной из «летающих палочек» большими вертикальными «тормозными» плоскостями, не создающими подъемной силы, но мешающими вращению корпуса под действием реактивного момента винта. Такие игрушки послужили прототипами вертолетов одновинтовой схемы.
За дело берется Ломоносов
В XVII веке с моделями вертолетов экспериментировали знаменитые физики Роберт Гук (автор закона об упругой деформации) и Христиан Гюйгенс. В следующем столетии на них обратил внимание наш знаменитый соотечественник Михаил Ломоносов. Построенная им в 1754 году «аэродромическая машина» уже не была моделью-игрушкой, а представляла собой самый настоящий малоразмерный вертолет, имела фюзеляж с помещением. Недостаточная мощность двигателя (в качестве такового использовалась часовая пружина) помешала машине подняться в воздух. Тем не менее великий ученый сделал на основе опытов правильные выводы о том, что необходимо сделать для создания летающего вертолета: во-первых, увеличить подъемную силу несущих винтов, во-вторых, повысить мощность силовой установки и, в-третьих, уменьшить вес конструкции.
Идея вертолета как способ воплощения человеческой мечты о полете привлекала, естественно, не только ученых, но и энтузиастов-любителей. Побаловавшись с моделями, они устремлялись строить вертолет в натуральную величину, другого источника энергии, кроме своих мышц, испытатели найти не могли: исступленно крутили педали и… пополняли списки неудачников. В частности, в 1782 году не удалось подняться в воздух парижскому художнику и артисту Жану Бланшару, известному воздухоплавателю, равно как и многим, последовавшим за ним мечтателям. Сегодня мы уже точно знаем, что человеческих сил, увы, недостаточно для отрыва от земли вертолета-мускулолета.
Победа над воздухом
Ситуация кардинально изменилась, когда в конце XVIII века, 21 ноября 1783 года, в Париже на заполненном горячим воздухом воздушном шаре братьев Монгольфье поднялись в воздух первые аэронавты. Вскоре полеты на воздушных шарах начались и в других странах. Наступило время всеобщего увлечения воздухоплаванием, получившее саркастическое наименование «баллономании». «Победа над воздухом» с помощью аэростата привлекла внимание и к разработке летательных аппаратов тяжелее воздуха.
Аэростаты стали применяться для увеселительных, спортивных и научных целей, а также в вооруженных силах для наблюдения за противником и передачи сигналов. Тогда же зародилась идея оснастить аэростат движителем и применить его для дальней разведки и бомбометания. Аппараты легче воздуха опробовали в военном деле и испытали на них некоторые конструкции, нашедшие впоследствии применение на вертолетах. Голландец Ван Гекк на воздушном шаре опробовал несущие винты в качестве средства увеличения подъемной силы.
Через полгода после полета аэростата братьев Монгольфье Французская академия наук официально признала вертолет возможным средством осуществления полета. В истории винтокрылых летательных аппаратов начался новый этап, который принято именовать в литературе «героическим». Он характеризуется признанием и распространением идеи полета посредством несущего винта, постройкой летающих моделей и разработкой многочисленных проектов и первыми попытками построить вертолет в натуральную величину.
«Баллономания» сыграла не только положительную, но и отрицательную роль в развитии идеи подъема в воздух при помощи несущего винта. Увлечение воздушными шарами отвлекало пионеров полета от разработки летательных аппаратов тяжелее воздуха. Исследования по вертолетам в те годы не были системными.
Вариации с мускулолетами
В 1818 году французский офицер граф Адольф де Ламбертье разработал проект многоместного боевого воздушного корабля-махолета, на котором крепился одноместный вертолет-мускулолет для «связи с землей». Летчик находился внутри цилиндрической клети, вокруг которой вращалась другая клеть со спиралевидным несущим винтом. Граф достаточно подробно проработал свой проект и даже придумал для первых вертолетчиков красивую униформу.
«Отец британской аэронавтики» лорд Джордж Кейли провел в начале XIX века исследования несущего винта с целью улучшения его аэродинамических качеств, выбора наиболее рациональной формы и параметров лопастей. Он первым обратил внимание на способность винта самостоятельно вращаться под действием набегающего воздушного потока, создавая при этом подъемную силу. В наше время эту способность называют авторотацией — она используется при аварийной посадке вертолетов в случае выхода из строя силовой установки. Кейли первым предложил устанавливать два несущих винта на вертолете не соосно, а рядом на параллельных осях, разработав, таким образом, «поперечную» схему вертолета. Отметив бесперспективность мускулолетов, Кейли рассмотрел и возможность использования в качестве силовой установки вертолета единственно доступного в то время типа теплового двигателя — парового. Истинный британец, он разрабатывал винтокрылые машины как замену военным кораблям, как «защитников торговли и носителей прогресса».
В 1849 году студент Принстонского университета Генри Смит предложил подробно разработанный проект вертолета воздушного наблюдения — «привязного геликоптера». Он предназначался для замены привязных аэростатов над полем боя. Конструктор рассматривал трос как проводник электрического тока, необходимого для питания электромотора, вращающего соосные несущие винты. Благодаря такому решению студент надеялся обойтись без тяжелого парового двигателя.
Практического воплощения проект Смита не получил. Американские генералы, как и их коллеги из других стран, тогда еще не осознали перспектив «механического» завоевания воздушного пространства. Отношение к этому поменялось во второй половине XIX века, когда среди энтузиастов воздушной навигации появилось разочарование в возможностях летательных аппаратов легче воздуха. В 60-е годы XIX века внимание многих сторонников управляемого полета переключилось на геликоптер-вертолет. «Ввинчивание в воздух» казалось куда более естественным и простым, чем разбег для взлета с неподвижным крылом. Параллельно с разработкой проектов строились модели, в том числе с тепловыми двигателями на борту, проводились экспериментальные исследования несущих винтов, продолжались попытки подъема в воздух на мускулолетах.
Наиболее интенсивно этот процесс шел во Франции — Париж стал центром мировой авиации. Большую роль в этом сыграла бурная деятельность активных сторонников несущего винта: Понтона д’Амекура, Габриэля де ла Ланделя и Надара (псевдоним Гаспара Турнашона). Энтузиасты опубликовали «Манифест воздушного движения», в котором провозгласили: «Винт — святой винт… должен в будущем вознести человека в воздух!» Габриэль де ла Ландель написал в 1863 году книгу «Авиация, или воздушная навигация», в которой нарисовал фантастическую картину грядущего вертолетной авиации, предложил классификацию вертолетов по размерам и взлетной массе, а также по назначению. Одним из основных назначений вертолетов он считал их участие в поисково-спасательных операциях во время «наводнений, кораблекрушений и пожаров…»
От буксировщиков до электролетов
Со второй половины XIX века активные работы по вертолетам начались в России и США. «Вертолетный бум» в Америке был вызван кровопролитной гражданской войной, потребовавшей разработки новых видов вооружения. Как известно, военные кампании отличаются активным внедрением в боевые порядки новых видов техники, в данном случае — аэростатов воздушного наблюдения, которые оказались дорогими, громоздкими, немобильными. Военные вспомнили о вертолете.
