Одной из самых трудных проблем при доводке вертолета Ми-4 была проблема создания надежных лопастей несущего винта, обладающих достаточным запасом прочности.

Этой проблемой всегда лично занимался сам главный конструктор. Первые образцы по конструкции были аналогичны лопастям смешанной конструкции вертолета Ми-1. Трубчатый стальной лонжерон состыкован из двух труб. С помощью заклепочных соединений к нему крепился каркас из деревянных нервюр, стрингеров и обшивки из фанеры и полотна. Такие лопасти относительно неплохо работали на маленькой машине. Однако полуторное увеличение диаметра несущего винта и примерно тройное увеличение мощности и полетного веса привели к увеличению переменных напряжений в лонжероне, а как следствие и к необходимости увеличения прочности лопастей.

Проблема увеличения динамической прочности лопасти несущего винта Ми-4 долгое время не поддавалась решению. Ресурс долго оставался на уровне 150 часов. Лишь в результате применения ряда мер (повышение чистоты отверстий под заклепки, введение фасок у этих отверстий, введение прессовой клепки) удалось получить надежный 300-часовой ресурс. Попытки повысить ресурс до такого уровня без внедрения всех этих мероприятий привели к тяжелым летным происшествиям. В этих работах большую помощь ОКБ оказали здравый подход и опыт начальника прочностной лаборатории ЦАГИ доктора технических наук И. В. Ананьева.

В 1957 году появляются лопасти с лонжеронами из цельной трубы с дорнованием отверстий в комле, что дало возможность увеличить ресурс до 400 часов. В дальнейшем введение ряда усовершенствований (индукционная закалка, крепление каркаса к лонжерону с помощью клея вместо заклепок, полировка внутренней поверхности трубы и, наконец, введение наклепа наружной поверхности трубы лонжерона) дало возможность увеличить ресурс этих лопастей до 1000 часов.

Параллельно с работами над лопастями смешанной конструкции ведется работа и по созданию цельнометаллических лопастей со стальным трубчатым лонжероном и дюралюминиевым каркасом с разрезной обшивкой. Однако их испытания дают отрицательный результат. Не удается осуществить идею выключения каркаса из работы лопасти на изгиб и обеспечить достаточную усталостную прочность склепанного каркаса. Работа над этими лопастями прекращается. Однако идея такой конструкции М. Л. Милем не была оставлена и в своем развитии была успешно применена позже на вертолете Ми-6.

Вскоре началось проектирование новых лопастей с прессованным лонжероном из алюминиевого сплава. Как уже отмечалось выше, после проработки множества вариантов задача, в конце концов, была решена сначала для Ми-1, а позже и для Ми-4. В 1959–1960 годах лопасти такого типа для вертолета Ми-4 были изготовлены, испытаны и началось их серийное производство. Ресурс лопастей несущего винта с лонжеронами из прессованных профилей удалось довести до 2000–2500 часов.

Такие большие ресурсы лопастей были достигнуты прежде всего за счет применения упрочнения наклепом наружной и внутренней поверхности лонжеронов.

Положительный эффект дала также перекомпоновка лопасти с увеличением постоянных напряжений в комлевой части, где переменные напряжения относительно невысоки, и перемещением зоны с максимальными переменными напряжениями ближе к концу лопасти, где меньше статическая подгрузка.

Новые лопасти сделали вертолет Ми-4 одним из самых надежных вертолетов в мире. Этому, в частности, способствовало и применение на лопастях пневматических сигнализаторов трещин.

Еще в 1954 году А. П. Борщевский, военный инженер одной из частей, эксплуатирующей вертолеты Ми-4, предложил создавать внутри лонжерона лопасти избыточное давление воздуха или другого газа. Специальный прибор должен был сигнализировать о падении давления внутри лонжерона в случае появления усталостной трещины. Использовать в то время эту идею из-за применения заклепочных соединений в трубчатых лонжеронах не представлялось возможным, так как нельзя было обеспечить надежную герметизацию внутренней полости лонжерона. К сожалению, идея была забыта, и такой сигнализатор на лопастях Ми-4 был применен только после того, как его внедрили американцы на своих лопастях с прессованным лонжероном.

Одновременно с работой по повышению ресурса лопастей несущего винта вертолета Ми-4 велась усиленная работа по увеличению ресурса остальных агрегатов вертолета. К 1965 году гарантийный ресурс основных жизненно важных агрегатов был доведен до 1000 часов.

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.