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迈向大型直升机之路,世界上最大的活塞式直升机
2020-04-21 13:56:48 950
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    ▲美国海军陆战队的HR2S-1 直升机,编号:138423,是第七架生产型的S-56型直升机

    在世界第一型通用直升机S-55登场之后,伊戈尔·西科斯基先生并没有稍作停留,他的目标是永远是一架更大一些、更快一些、更强一些的直升机。40年代直升机事业的成功也促使西科斯基先生开始考虑是否应该着手打造一架真正的大型直升机,这种直升机至少应该比以往的直升机都更大且更快,能承担更为“硬核”的运输任务。

    然而当时直升机大型化仍有一个重要的问题需要克服——当时的发动机仍然都是活塞式发动机,这些发动机的性能往往和体积/重量直接挂钩——如果想要打造一型巨大的直升机,那么就必须势必要采用一型体积巨大的活塞式发动机,这不利于全机的布局设计,同时也会大幅增加其空重比,降低其运载效率。尽管有很多问题,但是不尝试一下怎么知道到底行不行呢?

    更何况机会很快就来了。


    面向美国海军新标准直升机——S-56诞生

    1950年9月15日,美国海军提出了设计一种HR级(攻击型)直升机的需求标准,西科斯基S-56型直升机由此诞生。在当年年底(12月31日),西科斯基公司向美国海军提交了最终的设计建议书,建议书中提出了两种直升机设计原型,其第一种被称为XHRS-A基础型,采用的是常规直升机构型;第二种被称为XHRS-B复合型,采用的是常规布局加装辅助短机翼和推进螺旋桨的构型设计。两种型号的区别如下图所示,他们的原型都是按照配装两台惠普R-2800活塞式发动机设计的(尽管美国海军要求的是按照装备阿利森XT-38-A-2型涡轮发动机来设计) 。考虑到复合式设计存在较高的技术风险,最终美国海军选择基础型的设计方案,也就是XHRS-A型,并在次年(1951年)初与西科斯基公司签订了一份XHRS-A试验机的采购合同,其军用编号被定为“XHR2S-1”。

    彼时的西科斯基公司,管理部门少,研发部门多,结构精简,任务执行效率高,毫不拖泥带水。一接到合同之后,他们就立刻开始了相应的研制工作,两年不到(1953年12月18日),XHR2S-1型直升机就完成了首次试飞。

    基础型S-56原型概念(左)和复合式S-56原型概念(右)

    S-56直升机配备了68英尺(在后期增加到了72英尺)的5桨叶全铰接式主旋翼和一副4桨叶尾桨,主旋翼和尾桨由普惠公司的双黄蜂R-2800-50型活塞式发动机驱动,这是一种18缸2排气冷星形发动机,其功率为1900马力,在后期改用了R-2800-54型活塞发动机,其功率提升了300马力,达到2100马力。

    对于西科斯基公司来说,S-56型直升机诞生可谓是其直升机设计技术上的“巨大进步”。就尺寸而言,S-56比S-58大了足足有4倍,直逼道格拉斯的DC-3双发运输机。当它进入服役之后,它也顺利成为了西方国家尺寸最大、速度最大的直升机(没有之一)。当然,这也是西科斯基公司的第一种多引擎、起落架可收放的直升机以及有史以来最大的活塞发动机式直升机。

    ▲复合式S-56的另种总体布局设计原型概念

    在S-56上,西科斯基公司还第一次应用了主旋翼桨叶自动折叠技术(Automatic Main Rotor Blade Folding)辅助动力系统技术,辅助动力系统能够为货运绞车提供动力,使其实现自动装载功能。

    1956年,一架美国海军的HR2S-1直升机还创造了3项世界纪录

    ①空载时速141.4节(约261.9千米/时)

    ②负载11023磅(约5000公斤)爬升到海拔12100英尺(约3688.1米)

    ③负载12100磅(约6000公斤)爬升到海拔6561英尺(约2000米)

    陆军型号的成功和舰载型号的困境

    1954年,美国陆军向美国海军“借用”了一架XHR2S-1型直升机用于测试,该机被命名为YH-37,绰号“莫哈韦”。不过这架直升机没有主旋翼桨叶自动折叠系统和自动稳定装置。测试之后,美国陆军发现这种大型直升机的真的相当好用,于是立刻向西科斯基下了第一笔共计9架S-56型直升机的订单,并要求这9架直升机要和测试用的YH-37一模一样。随着新机器的交付,越用越满意的美国陆军逐渐加大订单数量,最终总共购买了94架CH-37A型直升机,在最后一架CH-37A交付到美国陆军基地之后,94架直升机中的90架直升机被送回西科斯基公司的工厂,升级成H-37B型直升机,升级改进的内容包括:将尾翼安定面移动到尾桨塔座的顶部,增加自动稳定装置以支持仪表飞行,配装更大的发动机油箱。

    ▲美国陆军的CH-37A型直升机正在悬停中,编号:54-996

    尽管美国陆军的CH-37型直升机发展颇为顺利,美国海军陆战队的HR2S-1却不太顺利。他们与西科斯基公司签署的合同要求该版本的S-56型直升机需要配备主旋翼桨叶自动折叠系统以及尾部塔架自动折叠系统,以便能够适配当时美军航空母舰的升降机尺寸大小。为了实现海上夜间飞行和仪表飞行,该版本的S-56也需要加装自动稳定装置。开发这些系统所花的时间远超过了合同确定的计划时间表,除此之外,还有一些零零散散的技术问题延误了该机的初始交付和初始客户测试时间,这直接导致HR2S-1的出货数量没能达到初期签署的订单数量——美国海军陆战队计划采购180架,但最终只接收了55架——而为了满足其舰载任务和海上运输的需求,美国海军陆战队转而求其次,增加了尺寸较小的S-58型(H-34/HUS-1)直升机的采购数量,从计划采购的45架增加到了实际采购的572架。

    ▲生产型的HR2S-1还设计有背鳍

    等到S-56的所有技术问题和工程问题都解决以后,美国军方也已经不再需要这么大尺寸的活塞动力直升机了,不过西科斯基在该机上修修改改得出的经验和积累的技术直接促成了后续的S-64(CH-54A)和S-56(CH-53A)等大型直升机的成功问世,同时也对之后一系列重型直升机的设计带来了深远的影响。

    六叶旋翼、两侧尾桨——S-56的设计特点

    最终版本的西科斯基S-56配备了一副72英尺的5桨叶主旋翼和一副15英尺的4桨叶尾桨来平衡反扭距。其发动机安装在一副上短翼的翼尖短舱内,这种短机翼在高速飞行的时候还能为主旋翼分担部分升力,从而实现主旋翼拉力卸载,延缓主旋翼后行侧失速的来临,从而提高了该机的最大飞行速度。燃油则由机翼和机舱油箱共同携带,可收缩的主起落架安装在短舱内,这样主机舱就可以用更大的空间可用来运输货物或部队。机头下部开了一副“蛤壳式”装货门,货门后面是斜坡式装货坡道。驾驶舱位于货舱上方的直升机机头,纵向位置略微比货舱门靠后一些,这样就能确保飞行员能够在装卸货物的时候看到货舱门位置的作业情况。

    ▲早期的海蓝色涂装的HR2S-1型直升机

    机身:S-56的机身主结构框架为铝合金框架,表面铺设了一块块可拆卸面板,这些可拆卸面板由铝合金/强化塑料或者玻璃纤维制成。

    安定面(平尾):不同型号的S-56型直升机配备了不同类型的安定面,主要包括下述三种——

    ①可调节的安定面:早期的CH-37A直升机其尾部有一副可调整的安定面,从而在直升机前飞的时候辅助保持纵向配平,安定面在飞行中可以从15°正迎角调整到-10°负迎角。为了获得最佳的悬停性能,安定面的桨距调节系统会按照主旋翼的下洗流强度调节其迎角;

    ②双重位置安定面:在后期的CH-37A和CH-37C型号上 ,该机的尾部安装了一套双重位置安定面系统,在前飞的情况下,安定面会处于低头2°的位置,在悬停情况下,安定面会自动下降到竖直的“自由转动”状态,从而来确保对主旋翼下洗流的干扰影响最小,当然,在竖直位置的时候,一套液压桨距阻尼器会限制安定面的转动幅度,从而减小其振动水平;

    ③尾桨塔架安定面:在CH-37B型直升机上,安定面被移动到尾桨塔架右侧顶部,这种安定面和尾桨塔架之间有10°的二面角,其迎角则固定为0°。

    主旋翼桨毂:S-56型直升机上配装了一个24英寸直径的带挥舞铰偏置的主旋翼桨毂。直径72英尺的主旋翼则通过一套2级液压不可逆伺服控制系统来实现操纵。在CH-37B和CH-37C型直升机上安装了带有辅助伺服装置的自动稳定装置,以确保夜间飞行和仪表飞行的安全。旋翼挥舞抑制器则能够确保直升机在高达60节的风速中仍能够安全地逆风飞行。正常情况下,主旋翼的转速变化范围在164 RPM到204 RPM之间。

    六桨叶主旋翼(试验性质):1959年3月份,一架美国陆军的H-37A型直升机试验性的装备了一套六桨叶主旋翼系统,以研究这种旋翼系统的飞行特性。虽然试验结果表明多一片桨叶明显降低了该机振动水平,同时旋翼后行侧失速情况也得到了延缓,并且不会增加全机的需用功率,可惜这种新型旋翼系统并没有应用到S-56性直升机上,直到S-64(CH-54A)型直升机出现之后这种旋翼系统才有了一显身手的机会。

    ▲伊戈尔·西科斯基祝贺试飞员吉米·维纳和副手吉姆·楚达斯完成了S-56型直升机的首次飞行

    主旋翼桨叶:该机的主旋翼桨叶为全金属桨叶,主要由铝合金材质构成。主旋翼桨叶是由空心挤压铝材作为翼梁,铝制蒙皮包裹在翼梁形成槽腔,并由由27孔蜂窝材料填充。其翼型依旧采用了经典的NACA0012翼型。早期的S-56主旋翼桨叶弦长为21.5英寸,负扭度为14°,重量为335磅。到了后期,西科斯基的设计师在结合实际飞行和试验研究的基础上,采用了更宽(23.65英寸)的弦长,8°的负扭度和NACA0019翼型,从而实现了升力的增加和最大飞行速度的提升(CH-37C从110节提升到了130节,CH-37B从80节提升到了120节)。这种宽弦叶片重350磅,更是西科斯基第一种没有采用NACA0012作为翼型的直升机桨叶。

    失速指示器/性能指示器:在S-56直升机仪表面板的最上方有一个被称为“失速指示器/Stall Indicator”的指示表(后来被改称“性能指示器/Performance Indicator”),以协助飞行员保持直升机在最佳性能的状态下飞行。这是通过负载在主旋翼右侧伺服器上的一个传感器来实现的,该传感器能够检测自动倾斜器在振动载荷,从而判断旋翼后行侧的失速水平。而自动倾斜器的振动载荷会受到转速、总重、高度、温度、载荷系数、飞行速度和机身姿态等因素的影响,从而能够在旋翼开始失速时显示指数,并反映出失速的程度。到1960年9月份,美国海军的CH-37C型直升机上,这些失速指示器都已经被移除。

    ▲CH-37A的失速指示器(左),CH-37B的性能指示器(右)

    主减速器:S-56直升机的主减速器外壳为镁合金材质,其内部包含了两套两级行星齿轮减速系统,通过螺旋锥齿轮连接到发动机输出轴,通过这套系统,主减速器能提供14.05:1的减速比,将发动机2700RPM的转速降为193RPM,输出到主旋翼轴。

    ▲CH-37B的主旋翼桨毂和主减速器

    尾桨总成:S-56直升机的尾桨直径15英尺,由4片桨叶按照全铰接构型连接到尾桨桨毂上。尾桨桨叶的桨距操纵是通过两级液压伺服系统来实现的。

    ▲美军士兵展示H-37B型直升机的大型尾桨

    双尾桨设计:XHR2S-1型直升机上安装了一个(半试验性质)的V型双尾桨,以此来改善重心作用范围并提高前飞速度。此外,在这种双尾桨系统中,西科斯基的设计师还同时测试了4叶尾桨和5叶尾桨(两侧不一样)。两副尾桨都是倾斜安装的,两副尾桨的拉力都可以独立操纵从而实现反扭距的平衡并提供不同程度的升力。这样一来,如果直升机装运货物或者兵员之后,其重心太过靠前或者太过靠后都可以通过增加或则会减少尾桨的升力来补偿。可惜的是,这些改进措施对性能的提升远小于预期,却又大幅增加了系统的复杂性,而且V型尾桨的设计更加难以实现尾桨的折叠,故而最后还是被放弃了。

    ▲XHR2S-1的V型双尾桨设计

    发动机系统:S-56直升机安装了两台普惠双黄蜂R-2800-54型18缸2排气冷发动机,可提供2100马力的功率,发动机和传动轴之间呈80°安装,并且朝向有12.5°的倾斜角,以匹配传动轴的部署,两台发动机都位于由短翼支撑的机舱中。这种非常规的发动机配置还可能导致了该型发动机过量燃油消耗的问题。

    ▲普惠R-2800型18缸2排气冷星形发动机

    辅助动力系统:S-56直升机装备了一台便携式的辅助动力装置,该装置固定在机舱后部的地板上。辅助动力装置通过直升机的蓄电池来启动,必要的时候也可以用手摇发动。该装置能够为直升机装载货物的绞车供电,还可以为所有的航电系统和液压系统供电。

    ▲辅助动力系统示意图


    S-56大型直升机的出现标志着西科斯基已经在重型直升机俄研制上迈出了关键的一步,但同时也昭示着活塞动力直升机的时代即将完结。活塞发动机比涡轮轴发动机更大、更重,动力却更小。这就是为什么S-56直升机明明在美国陆军服役期间取得良好口碑却相当“短寿”的重要原因。

    ▲美国海军的HR2S-1W型直升机,编号:141646

    各种型号的S-56直升机都在20世纪60年代后期全部退役,美国陆军选择用西科斯基的S-64/CH-54塔赫来代替其位置,而美国海军陆战队则采用西科斯基的S-65/CH-53种马直升机来代替其位置,美国重型直升机的服役历史也由此展开。



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