Вертолёт 1999 04

С юных лет Борис Николаевич был увлечен аппаратами вертикального взлета. Роман Жюля Верна «Робур-Завоеватель», где описывался летательный аппарат с воздушными винтами, произвел на него неизгладимое впечатление и определил дальнейшую судьбу юноши.

Гениального Леонардо да Винчи и студента Московского императорского технического училища Бориса Юрьева разделяют века. Но именно студенту Юрьеву удалось воплотить идею великого итальянца в своих работах, которые он начал еще в студенческом аэродинамическом кружке, руководимом профессором Н.Е. Жуковским.

Прежде всего, Юрьев столкнулся с необходимостью спроектировать и рассчитать несущий винт. В то время (шел 1910 год) не существовало инженерных теорий, позволяющих решить эту задачу. Позднее Б.Н. Юрьев в своей работе «История вертолетов» писал: «Основным вопросом для всей проблемы геликоптера был, естественно, вопрос о подъемной силе винтов… В то время имелась явно устаревшая теория винта постоянного шага, хорошо известная во всем мире теория С.К. Джевецкого, и ряд опытов Кучинского аэродинамического института».

Теория С.К. Джевецкого была разработана еще в 1897 году. В ее основу положен следующий прием: рядом цилиндрических сечений лопасть винта разрезается на отдельные элементы, каждый из которых может рассматриваться как изолированное крыло, обтекаемое плоскопараллельным потоком (гипотеза плоских сечений). Этот прием позднее использовался во всех теориях винта и получил название «теория элемента лопасти». Теория Джевецкого очень удобна для практических расчетов. По ней успешно рассчитывались воздушные винты самолетов. Однако она не учитывала подсасывающий эффект, поэтому оказалась совершенно несостоятельной в применении к несущим винтам. По словам Б.Н. Юрьева, «…целый ряд построенных в старое время вертолетов, рассчитанных по теории С.К. Джевецкого, не смог подняться в воздух. В этом отношении теория … нанесла огромный вред делу процветания вертолетостроения» (Б.Н. Юрьев. «Аэродинамический расчет вертолета»).

Рис. 1. Импульсная теория винта (поздняя редакция)

Подсасывающий эффект винта хорошо описывался струйной теорией идеального винта, в то время достаточно глубоко проработанной Фрудом, Финстервальдером, Жуковским. Уже была известна формула Н.Е. Жуковского для тяги воздушного винта в режиме работы на месте, позднее незаслуженно получившая название формулы Вельнера. Однако с инженерной точки зрения теория идеального винта была мало полезной, так как рассматривала не сам винт, а только место приложения тяги.

Борис Николаевич решил соединить обе теории. Вычислив тягу по каждой из них, можно составить уравнение, в котором устанавливается зависимость между скоростью в струе и характеристиками сечения лопасти. Это соотношение было названо им уравнением связи. Сначала Юрьев рассматривал работу винта по теории С.К. Джевецкого в идеальной струе, имеющей постоянную скорость в сечении. Его единомышленник, студент третьего курса Г. Сабинин предложил разделить струю на кольцевые струйки, поскольку скорости по ее сечению переменны. Совместными усилиями Юрьев и Сабинин разработали первую инженерную теорию, которая была высоко оценена Н.Е. Жуковским. Он отметил, правда, и ее недостаток — в ней не были учтены силы давлений в струе винта. Вскоре Н.Е. Жуковский изложил эту теорию в своих лекциях, назвав теорией Сабинина-Юрьева, и опубликовал в знаменитых «Теоретических основах воздухоплавания».

Наиболее трудным и важным моментом был вопрос о поджатии струи за винтом. Юрьев при расчете геликоптерных винтов принял это поджатие равным двум, что было близко к действительности. Позднее им с помощью Жуковского были получены теоретические соотношения для учета поджатия струи. «Вывод этот сделал нашу теорию вполне законченной, — вспоминал сам Юрьев. — Интересно отметить, что за границей в научной литературе споры о величине сжатия струи продолжались примерно до 1922 года».

В итоге уже в 1910 году кружковцы имели теорию (рис. 1), которая была применима к техническому расчету винтов и позволяла разработать как метод проектирования нормальных винтов, так и метод поверочного расчета винта заданной формы.

Интересно, что за границей сходные теории появились только к 1920 году. В России эта теория, названная импульсной, получила дальнейшее развитие в ряде работ Г.Х. Сабинина, В.П. Ветчинкина, Г.И. Кузьмина, В.Л. Александрова. Этот теоретический прорыв позволил Б.Н.Юрьеву рассчитать двухлопастный винт к проекту своего геликоптера одновинтовой схемы, на который была сделана патентная заявка и получена охранная грамота № 45212.

В апреле 1911 года Б.Н. Юрьев выступил на Первом воздухоплавательном съезде в Петербурге с докладом «Критика прежних систем геликоптеров и описание нового геликоптера системы автора» (рис. 2). Позднее Юрьевым был предложен новый проект геликоптера (тип II) с одним «малым» винтом и автоматом перекоса, который явился прототипом современных вертолетов одновинтовой схемы (рис. 3).

Таким образом, 1911 год можно считать началом истории вертолетов, поскольку на вооружении инженеров-исследователей были надежная теория воздушного винта, хорошая лабораторная база Московского университета, МТУ и Кучинского аэродинамического института, а также практический опыт создания проектов первых реальных вертолетов. До этого времени развитие вертолетной мысли, по выражению Юрьева, «шло по пути голого изобретательства, граничащего с авантюризмом». Примером тому может служить скандальная история со строительством геликоптера В.В. Татаринова в 1909–1910 годы. Получив от военного ведомства немалые средства на строительство вертикально взлетающего аппарата заведомо порочной конструкции, изобретатель, не справившись с поставленной задачей, нанес большой вред идее геликоптера, подорвав у правительственных кругов веру в возможность создания этих аппаратов. Поэтому в работах по истории вертолетостроения период развития вертикально взлетающих аппаратов до 1911 года Б.Н. Юрьев называет предысторией вертолета.

В конце 1912 года в Московском математическом обществе Н.Е. Жуковский сделал доклад о вихревой теории винта. Как отмечал Юрьев, в дальнейшем много занимавшийся вихревой теорией, «…был сделан огромный шаг вперед в развитии этого труднейшего вопроса теоретической аэродинамики и всей авиации в целом. Все теории как бы были поглощены этой замечательной теорией, навсегда вошедшей в сокровищницу русской научно-технической мысли».

Последующие два года учебы в МТУ были посвящены строительству натурного геликоптера по типу II и разработке многовинтовой схемы геликоптера. Однако наступил 1914 год, началась Первая мировая война.

Войну Борис Николаевич встретил в Польше, в Новогиреевской крепости. В августе 1915 крепость была окружена и взята немцами. Юрьев вместе с группой офицеров попал в плен. Три долгих года плена в различных концлагерях Польши и Германии. В своей автобиографии он писал: «В плену мне удалось продолжить научную работу: я читал книги, изучал языки, написал несколько книг по теории воздушных винтов и по изысканиям рациональных размеров самолетов. Эти работы удалось вывезти с собою». Сейчас эти конспекты Юрьева с чертежами и графиками находятся в Мемориальном музее Н.Е. Жуковского.

Из германского плена Борис Николаевич вернулся в 1918 году в другую страну. Начиналась гражданская война. Однако научная интеллигенция продолжала работу. В 1919 году по окончании училища Юрьев был назначен заведующим аэродинамической лабораторией МВТУ. Так начался трудовой путь большого ученого, отмеченный славными победами в области авиационной науки, которой он был предан до конца своих дней.

Учитывая потребности практики, Юрьев сосредоточил свои силы не столько на развитии теории, сколько на разработке методов расчета винтов, так необходимых при их проектировании. Он является автором множества оригинальных методов и приемов расчета аэродинамических и геометрических характеристик винтов. Для сокращения трудоемких вычислительных работ он отдает предпочтение графоаналитическим методам, которым посвящена небольшая книга «Графоаналитический способ расчета гребного винта», изданная им в 1922 году.