При всех многочисленных положительных качествах вертолетов, благодаря которым эти машины в короткий срок получили широкое распространение и стали машинами "ста профессий", им свойственен серьезный недостаток - малая максимальная скорость полёта.

Известно, что главным препятствием повышения скорости полета вертолетов является специфика работы несущих винтов, заключающаяся в том, что лопасти несущего винта (НВ), вращаясь, находятся в резко отличающихся условиях при движения в сторону полета и в обратном направлении. При движении лопасти в сторону полета на концах ее скорость обтекания приближается к скорости звука, что вызывает не только резкое увеличение сопротивления, но и изменение других характеристик концевых сечений лопасти. При движении лопасти в сторону, обратную полету, воз-никает срыв на лопасти, причем тем на большей ее части, чем больше скорость полета.

Несущий винт на вертолете выполняет три функции: создает подъемную силу, силу, движущую аппарат вперед, и обеспечивает управление машиной. Второе требует для увеличения скорости полета увеличивать наклон НВ вперед, что усугубляет явление срыва.

Ученые и инженеры уже много лет пытаются решить проблему существенного повышения скорости винтокрылых аппаратов. В середине пятидесятых годов в Англии и США интенсивно велись поиски путей увеличения скорости полета винтокрылых машин. Исследовался и проектировался ряд экспериментальных машин самых разно-образных схем и принципов, включая конвертопланы с реактивным приводом несущего винта. Наиболее серьезным был проект комбинированного вертолета "Ротодайн" с компрессорным приводом несущего винта известной английской фирмы Фейри. Это была двухдвигательная пассажирская машина (2ТВД мощностью по 3150 л.с.) с одним несущим винтом, полетным весом около 15 т, рассчитанная на перевозку 40-50 человек с крейсерской скоростью всего 240 км/час. Летные испытания "Ротодайне", начатые в 1958 г., выявив ряд отрицательных сторон аппарата, не показали существенных преимуществ перед вертолетами того периода, и в 1961 г. работы над машиной были прекращены.

На этом фоне подход Н.И. Камова к решению проблемы повышения скорости полета вертолета по своей новизне был очень смелым и крупным по размаху.

Молодое ОКБ Н.И. Камова, начавшее работы по проектированию новой винтокрылой машины В 1953 году, подошло к решению этой проблемы путем разгрузки несущих винтов от подъемной силы применением на летательном аппарате (ЛА) крыла, а от создания пропульсивной силы применением тянущих винтов - пропеллеров. Таким образом появился новый тип летательного аппарата - "винтокрыл", давший значительный для того времени скачок скорости. Была получена скорость полета 375 км/час (на высоте 3000 м), при этом концы лопастей, впервые в мировой практике, работали на звуковой скорости. Вертолеты тех лет имели максимальную скорость около 300 км/час.

На винтокрыле было решено применить поперечную схему расположения несущих винтов, при которой возможно органически слить в одном аппарате элементы самолета и вертолете. Такая схема позволяла:

• получить максимальное эквивалентное удлинение и, следовательно, наибольшее аэродинамическое качество;
• она симметрична при полете и пилотировании;
• крыло дает опоры несущим винтам, расположенным на его концах, и объемы для топливных баков;
• удаление главных редукторов от фюзеляжа снижает уровень шума в кабинах, а применение двух НВ вместо одного позволяет существенно снизить вес несущей системы;

При создании винтокрыла Ка-22 было решено несколько серьезных технических проблем:

• создание несущего винта, имевшего высокий к.п.д. на висении, концы лопастей которого работали на скоростях, равных скорости звука при высоком качестве;
• cоздание принципиально новой системы управления комбинировнным ЛА, обеспечивающий «переливание» мощности с несущих винтов на тянущие и обратно в зависимости от режима полета;
• создание трансмиссии, обеспечивающей синхронизацию оборотов несущих винтов и их работу от одного двигатели;

Винтокрыл Ка-22 и представлял собой ЛА, сочетающий в себе элементы вертолета и самолета. Машина имела фюзеляж самолетного типа, оперение обычной самолетной схемы, большое крыло с закрылками и элеронами, две силовых установки с газотурбинными двигателями и тянущими винтами и два вертолетных несущих винта, расположенных на концах крыла, неубирающееся подкосное шасси.

На винтокрыле были установлены двигатели Д-25.

Редукторы НВ и установка на двигатели новых редукторов с выводами мощности на тянущие винты и вентиляторы выполнило КБ А.Г. Ивченко.

Некоторые данные Ка-22 следующие: суммарная мощность двигателей - 11400 л.с., диаметр несущих винтов - 22,5 м, площадь крыла 105 м2, взлетный вес до 45 т.

Четырехлопастные несущие винты с трехшарнирными втулками имели несколько важных особенностей. Направление вращения было противоположным принятому на вертолетах поперечной схемы: во избежание возникновения повышенного шума в кабине и напряжений конструкции центроплана от звуковых волн, возникающих на концах лопастей при достижении скорости звука, лопасти над фюзеляжем шло от носа к хвосту (стиль "батерфляй") вместо стиля ("брасс").

Чтобы обезопасить машину от вибраций и автоколебаний типа "земной резонанс", был значительно увеличен вынос вертикальных шарниров, а для предотвращения флаттера лопастей на больших скоростях полета угол регулятора взмаха был уменьшен до нуля.

Лопасти несущих винтов., изготовленные из дельта-древесины и авиафанеры с секционированными хвостовыми частят, были выполнены без концентратов напряжений на клее ПУ-2, что обеспечивало высокую вибропрочность.

При умеренной крутке - 8° и тонких профилях на концах лопастей несущие винты имели относительный к.п.д. 0,67 - 0,68, мало менявшийся от влияния сжимаемости. Был подготовлен к испытаниям комплект лопастей с к.п.д. 0,73 - 0,75. Получению таких результатов предшествовало исследование на специальном электровинтовом стенде около двадцати моделей лопастей различных геометрических параметров и наборов профилей. Натурный несущий винт прошел предварительные испытания на вертолете Ми-4.

Создание системы управления винтокрылом представляло значительные трудности, т.к. нужно было обеспечить управление ЛА, сочетающим в себе свойства вертолета и самолета. Нужно было управлять несущими и самолетными рулями, элеронами и закрылками.

На вертолетных режимах полета, когда обычные самолетные рули не эффективны (до скорости 130 км/час), винтокрыл увравлялся с помощью несущих винтов. На самолетных режимах - управление по тангажу осуществлялось с помощью совместного действия руля высоты и продольного отклонения (синхронного) отклонения НВ; управление по курсу - рулем поворота, а управление по крену - дифференциальным изменением общего шага НВ. Элероны оказались не нужными и были постоянно зафиксированы в нейтральном положении.

Управление работало следующим образом. На вертолетных режимах при отклонении колонки управления "от себя" происходило синхронное циклическое изменение шага НВ: винты наклонялись вперед и машина двигалась вперед. При взятии колонки "на себя" происходило обратное явление. При движении левой педали вперед ходило дифференциальное изменение циклического шага НВ - винт "заваливался" назад, а правый вперед - винтокрыл разворачивался влево. При вращении штурвала влево дифференциально изменялся общий шаг НВ: у левого НВ он уменьшался, а у правого увеличивался, машина кренилась и двигалась влево.

Управление по вертикали осуществлялось обычным рычагом общего шага НВ: при его перемещении синхронно изменялся их общий шаг и соответственно изменялись подача топлива и мощность двигателей.

Так как на вертолетных режимах, особенно на висении, мощные потоки от несущих винтов и ветер сильно трепали самолетные рули, они отключались и запирались специальными механизмами, управляемыми летчиком. При переходе к самолетным режимам полета отключалось путевое управление несущими винтами, рули включались и винтокрыл летел и управлялся как обычный самолет. Механизмы отключения и включения самолетных рулей позволяли производить эту операцию не сразу, а постепенно, обеспечивая таким образом переменное передаточное число от командных к исполнительным органам.

На вертолетных режимах полета практически вся мощность двигателей шла на несущие винты, а на самолетных режимах, по мере увеличения скорости полета, все больше мощности должно было подаваться тянущим винтам. Для обеспечения такого "переливания" мощности и для поддержания постоянных оборотов несущих и тянущих винтов (и всей трансмиссии) на винтокрыле была применена система автоматического управления двигателями и тянущими винтами. Автоматическое регулирование осуществлялось по двум контурам: по контуру подачи топлива двигателям и по контуру изменения угла установки лопастей тянущих винтов. Эти функции выполнялись специальным регулятором оборотов, автоматами подачи топлива и винтами изменяемого шага. В отличие от самолетов с ТВД здесь был один регулятор на оба ВИШ.

Вся система управления совместно с гидросистемой проходила отработку на комплексном натурном стенде СГУ-22.

Трансмиссия винтокрыла должна была распределять мощность двигателей между несущими и тянущими винтами, обеспечивать синхронизацию вращения несущих винтов и их свободное вращение на режиме авторотации и, при отказе одного из двигателей, обеспечивать передачу мощности исправного двигателя ко всем четырем винтам. Свободная турбина, вращая винты, имела 7550 об/мин, тянущий винт — 1095 об/мин., несущий винт - 188 об/мин. (Мкр.н.н. = 18.000 кгм), а вал, синхронизировавший обороты несущих винтов, - 2248 об/мин. Синхровал длиной около 20 м, состоящий из 12 секций, проложенный внутри крыла, должен был передавать мощность, изгибаясь при прогибе крыла как вниз (под действием веса силовых установок и несущих винтов), так и вверх (под действием тяги несущих винтов и подъемной силы крыла). Такой изгиб, точнее излом, синхровала обеспечивали специальные муфты. Суммарная максимальная величина прогиба синхровала достигала ±190 мм, а излом в одной муфте – 36°. Синхровал проходил стендовые испытания и отработку на специальном стенде СТ-22, где создавались условия работы, максимально приближенные к работе вала в полете.

Работали по постройке агрегатов и винтокрыла в целом руководил И.С. Левин.

Важной положительной особенностью винтокрыла явилось то, что наиболее нагруженные динамическими нагрузками в процессе всего полета жизненно важные агрегаты вертолета (несущий винт, главный редуктор, управление на втулке) на винтокрыле после взлета и перехода на крейсерский режим полета разгружаются на 60-80%, что дает возможность получить большие ресурсы и надежность этих агрегатов.

В процессе создания и доводки винтокрыла был проделан большой объем теоретических и экспериментальных работ, разработаны новые методы аэродинамического расчета, балансировки, устойчивости, определения внешних нагрузок и расчетных случаев.

Летным испытаниям винтокрыла предшествовали обширные и длительные испытания на специальных натурных стендах основных систем машины. 17 июня 1959 г. винтокрыл первый раз оторвался от земли. Потребовалось 10 месяцев напряженной работы, чтобы довести машину до состояния, пригодного для полета до кругу. В основном отрабатывались вопросы устойчивости и работы системы управления. Первоначально машина вела себя так, что летчики долго не могли выполнить спокойного висения у земли или пролета над аэродромом на небольшой высоте и скорости. После внесения ряда усовершенствований в систему управления, винтокрыл начал хорошо слушаться летчиков в полетах у земли и стало возможным перейти к нормальным полетам.

Позднее, при исследовании характеристик управляемости винтокрыла, было опробовано измененное на обратное направление вращения несущих винтов. Как показали испытания, это не дало каких-либо улучшений, а опасения о волновых ударах по верху фюзеляжа подтвердились.

Высказывания.М.Л. Миля в его статье "Боковая балансировка, управляемость и устойчивость, двухвинтовые вертолеты поперечной схемы” (1970) о том, что при выборе направления вращения НВ Ка-22 вопросы управляемости и балансировки не рассматривались и что управляемость на всех режимах полета при направлении вращения НВ "баттерфляй" не может быть обеспечена, лишена оснований. Обработка записей самописцев и заключения летчдков-испитателей говорят о том, что характеристики устойчивости и управляемости винтокрыла Ка-22 на всех режимах полета с выбранным направлением вращения НБ удовлетворительные.

На протяжении всех работ над винтокрылом как теоретических, так и экспериментальных активное участие принимали ученые ЦАГИ, ЛИИ и МАИ.

20 апреля 1960г. винтокрыл совершил первый полет над аэродромом. Много было опасений - как машина выполнит впервые совершенно новый режим перехода от "вертолета" к "самолету". Вопреки ожиданиям это произошло совершенно незаметно. Летчики двинули сектора газа вперед и через несколько секунд почувствовали, что машина уже летит как самолет. Постепенно осваивая машину и устраняя недостатки летчики-испытатели, инженеры и конструкторы получили от нее то, что было задумано. Основную часть испытаний выполнили летчики-испытатели Д.К. Ефремов, В.В. Громов и О.К. Яркин.

В октябре 1961г. экипаж в составе летчиков-испитателей Д.К. Ефремова, В.В. Громова, штурмана М.И. Савельева, ведущего инженера В.Б. Альперовича, бортинженера Е.И. Филатова и бортрадиста В.Н. Батова установил на винтокрыле Ка-22 8 мировых рекордов, в том числе максимальной скорости: на базе 15-25 км – 356,3 км/час, на базе 100 км - 336,76 км/час и грузоподъемности: груз весом 16,485 кг был поднят на высоту 2588 м.

На основе опыта, накопленного при испытании трех машин, первая машина была серьезно доработана, в основном, по системе управления и в 1964 г. были успешно окончены ее заводские испытания. Летчик-испытатель Ю.А. Гарнаев оценил винтокрыл как летательный аппарат, который удачно сочетает в себе качества самолета и вертолета, достаточно хорошо управляется на всех режимах от висения до Vmax, а также на высотах практического потолка.

На Ка-22 впервые в нашей стране был применен четырехканальный автопилот с электро-гидравлическими рулевыми машинами, работавший по дифференциальному принципу с 20% ходом. Эта система автостабилизации обеспечила винтокрылу хорошую устойчивость, а летчикам - приятное управление как на вертолетных, так и на самолетных режимах полета.

После показа винтокрыла Ка-22 в 1961 г. на авиационном празднике в Тушино и установления им серии мировых рекордов, в США фирмы Белл, Сикорский, Локхид также развернули работы по изучению работы несущих винтов на больших скоростях полета, построив для этой цели специальные экспериментальные машины, правда, очень небольших размеров и в 1969 году на одной из таких машин была достигнута скорость 508 км/час (при полетном весе аппарата всего 4т).

Однако проблема создания серийного винтокрылого аппарата, пригодного к нормальной эксплуатации на скоростях 400 - 500 км/час, все еще ждет своего решения.