Конструктор геликоптеров Пескара [5] за несколько лет до этого запатентовал самовращающийся ротор, но с отрицательным шагом лопастей, т. е. как у обычной ветряной мельницы. Особенность открытия ла Сьервы состояла в том, что ротор с положительным углом установки лопастей в несколько градусов, будучи раскрученным, при поступательном движении аппарата продолжал вращаться в набегающем потоке и создавал подъемную силу. Набегающий поток побуждал ротор к вращению, но при этом в отличие от ветряной мельницы ротор вращался в другом направлении. Эффект авторотации ла Сьерва открыл, когда ему было 25 лет. Он сразу же его запатентовал и приложил максимум усилий, чтобы использовать этот эффект на практике.
Ла Сьерва поначалу назвал систему самовращающихся крыльев «аутохироптеро» (ауто — само, хиро — вращение), потом сократил это слово до «аутохиро» («autogiro»), поскольку оно показалось ему «слишком греческим, слишком длинным и слишком тяжелым». К нам же слово «автожир» пришло из французского (autogire).
Решив применить принцип авторотации на летательном аппарате, ла Сьерва, как и все его предшественники, пытавшиеся создать геликоптер, столкнулся с проблемами асимметрии ротора в горизонтальном полете. Известно, что лопасть, которая идет вперед навстречу набегающему потоку, при том же угле атаки создает большую подъемную силу, чем та, которая идет назад, в силу чего появляется опрокидывающий момент в поперечной плоскости в сторону лопасти, идущей по потоку. Чтобы избежать асимметрии, ла Сьерва принял обычную для того времени схему двух соосных роторов, вращающихся в противоположных направлениях.
1 июля 1920 г. ла Сьерва подал заявку на получение патента «Новый авиационный аппарат». Патент № 74322 был выдан 27 августа 1920 г. Он охватывал основные принципы свободно вращающегося ротора для создания подъемной силы. В черновике к этому патенту есть слово «автожир», однако в окончательной редакции оно было опущено. Уже после нескольких успешных полетов автожира ла Сьерва направил 10 февраля 1923 г. запрос на регистрацию слова «автожир» — «чтобы отличать летательные аппараты с вращающимися крыльями». Сертификат № 49038 был выдан 7 ноября 1923 г. [7, р. 28].
Для первого автожира, названного С-1, использовали фюзеляж от старого моноплана «Депердюссен», который ла Сьерва раздобыл в школе гражданских пилотов в Хетафе. На него поставили ротативный двигатель «Рон» мощностью 60 л. с. Крылья сняли, а над фюзеляжем установили два четырехлопастных ротора, лопасти которых имели «жесткую» заделку во втулке. Диаметр роторов составлял 6 м. Верхний должен был вращаться по часовой стрелке, если смотреть сверху, нижний — в противоположном направлении. Роль элеронов должна была выполнять вертикальная плоскость, расположенная над роторами, которая могла поворачиваться влево и вправо и давать при поступательном движении момент относительно продольной оси симметрии. Хвост был оставлен в первоначальном виде. Вес аппарата составлял 350 кг.
С-1 был готов к испытаниям в октябре 1920 г. Аппарат имел такой необычный вид, что только фанатик неба, жаждущий летать на чем угодно, или родственник, спасающий честь семьи от насмешек, мог взяться за его испытания. Капитан Фелипе Гомес-Асебо был и тем и другим. Он приходился Хуану шурином и за несколько дней до испытаний получил звание пилота первоначального обучения. И в дальнейшем ла Сьерве — фанатику винтокрылой авиации — везло на таких преданных авиации людей.
Испытания проходили на мадридском аэродроме Хетафе. Мелькающие лопасти раскрученных роторов создавали впечатление уличной драки, за что аэродромные остряки и прозвали аппарат «ла бронка» («потасовка»). После первоначальной раскрутки ротора Гомес-Асебо прорулил по полю и начал пробежку. Оба ротора вышли в режим авторотации в ожидаемых направлениях, однако нижний вращался намного медленнее верхнего. Изобретатель предвидел этот эффект, однако не предполагал, что скорость нижнего ротора будет почти на треть меньше расчетной. Таким образом, суммарная подъемная сила левой стороны роторов была больше правой и вызывала тенденцию к опрокидыванию.
Автожир С-1. 1920 г.
Из-за поломки двигателя было проведено только одно испытание, однако оно уже давало возможность сделать по крайней мере два вывода: 1) авторотация — это факт; 2) для компенсации смещения аэродинамической результирующей требуется новое решение.
Разумеется, ла Сьерва мог бы добиться вращения роторов с одинаковой скоростью за счет применения зубчатой передачи, но эту идею он отверг, считая, что система получится громоздкой. Кроме того, циклическое изменение аэродинамических сил, прикладываемых к высоко вынесенному верхнему ротору, потребовало бы, по мнению ла Сьервы, значительного усиления конструкции и как следствие увеличения ее веса. Так он пришел к выводу, что целесообразнее применить один ротор.
Используя полученный опыт, Хуан де ла Сьерва с присущей ему твердой последовательностью принялся за решение проблемы создания ротора со сцентрированной аэродинамической результирующей, который он назвал «компенсированным» ротором. Для получения такой результирующей лопасть, идущая назад по потоку, должна работать с большим углом атаки, чем та, которая идет вперед. Поскольку подъемная сила каждого сечения лопасти находится в прямой зависимости от квадрата скорости набегающего потока и от угла атаки, ла Сьерва полагал, что эти два фактора могли бы иметь такое сочетание, которое даст аэродинамическую результирующую, примерно сцентрированную с осью ротора, т. е. теория «компенсированного» ротора основывалась на точном поддержании расчетного распределения угла атаки по длине лопасти.
С целью повышения КПД ротора изобретатель провел тщательное теоретическое исследование, чтобы определить форму лопасти, ее профиль и углы атаки различных сечений, сочетание которых давало бы желаемый результат. Так появилась лопасть с симметричным профилем с сильной отрицательной закруткой. Углом установки лопастей можно было управлять из кабины, т. е. уменьшать угол установки лопасти, идущей против набегающего потока, и увеличивать идущей по потоку. С такой лопастью (по замыслу изобретателя она должна была перекашиваться в полете с помощью тросов) ла Сьерва ожидал получить ротор, аэродинамическая результирующая которого будет находиться в плоскости симметрии аппарата для всех рабочих углов атаки. Кроме того, эта система позволит управлять аппаратом в поперечной плоскости. Идея перекашивания лопастей или крыла была не нова. На первых монопланах (например, Блерио) отсутствовали элероны и поперечное управление осуществлялось тросовым перекосом тонкого крыла, которое позволяло менять углы атаки. Так, для уменьшения угла атаки опускалась вниз передняя кромка концевой части крыла, а для увеличения — задняя.
Для постройки автожира было необходимо создать производственную базу. С этой целью 18 ноября 1920 г. Хуан де ла Сьерва, его брат Рикардо и столяр Пабло Диас подписали контракт, образовав сообщество, которому принадлежала столярная мастерская для постройки «автомобилей, аэропланов и запасных частей». Вскоре сообщество приступило к постройке С-2.
5
Итальянец Рауль Патерас Пескара Аусон (1886–1966) в начале 20-х годов работал в Барселоне над созданием геликоптера. Проблемами использования самовращающегося ротора с отрицательным шагом лопастей применительно к вертолету на случай аварийной ситуации еще ранее занимался соотечественник Пескары Крокко [4, vol. 6, р. 644–647; vol. 2, р. 1311–1314].