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西科斯基与洛克希德争美国陆军先进直升机计划

60人参与 |时间:2021年01月01日 13:07 |百度已收录

  为越战而生——美国陆军的“先进空中火力支援系统”

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  在上世纪六十年代中叶,美国陆军开始考虑发展一种具备高速飞行能力的武装攻击飞行器,针对这一需求,他们提出了一项颇有些激进的计划“先进空中火力支援系统”(AAFSS;Advanced Aerial Fire Support System)。美国陆军希望用这种具备高速飞行能力的武装直升机代替当时活跃在越南战场的贝尔UH-1休伊直升机的武装改型机。美国陆军当时对“先进空中火力支援系统”提出的飞行速度指标要求达到了260节(约481.52千米/时),这是一个相当惊人且激进的指标,要知道,同期的休伊直升机的武装改型机开足马力之后,其飞行速度都无法超过100节!

  在初步方案设计中,西科斯基公司考虑过“倾转机翼”(Tilt-Wing)和“倾转螺旋桨”(Tilt-Propeller)两种构型的垂直起降飞行器,但是最终还是采用了复合式直升机的方案,相比于被舍弃掉的两种方案,复合式直升机构型更轻巧、机械结构更简单,并且设计风险更低。除此之外,西科斯基公司的设计师们也一致认为在全速度包线范围内,复合式直升机的机动性和稳定性更好,同时,其加速性能和减速性能更优异,这对于武装打击任务而言是相当重要的。除此之外,采用复合式直升机构型也就意味着该机可以采用较大尺寸的主旋翼,大尺寸的主旋翼桨盘面积等于是降低了飞行器的桨盘载荷(旋翼拉力和旋翼桨盘面积的比值),而较小的桨盘载荷则意味着较小的旋翼下洗流速度,这对于该机在越南丛林中执行高密度的起降任务是相当有利的。

  而且,作为一种专为作战而生的直升机,“先进空中火力支援系统”的生存能力也必须要过硬,对于旋翼飞行器而言,在发动机全部失效之后,其“自转下滑着陆”能力是否出色就是其生存能力的一大关键。复合式直升机因为旋翼尺寸较大,在飞行中能够储存更多的惯性能量,从而有利于操纵进入自转下滑状态,而倾转旋翼/螺旋桨构型的旋翼飞行器,其旋翼桨盘尺寸较小,旋翼在常规飞行中所积累的惯性能量也相对较小,要进入自转下滑状态其条件比较严苛——甚至可以说,即便倾转旋翼机发展到了如今的V-22鱼鹰的水平,其自转下滑能力仍然远不能和直升机相提并论。

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▲即便是MV-22鱼鹰这种高技术倾转旋翼机,其自转下滑能力仍然很有限

  在美国陆军提出“先进空中火力支援系统”项目招标征询书之后,很多航空公司都积极做出了回应,据称当时至少有12家企业给出了竞标方案(也有些资料说有高达20家企业有意竞争该项目),这些方案中不仅有直升机,也有固定翼飞行器,当然也有各种复合式构型的旋翼类飞行器。经过初期的几轮角逐之后,美国陆军最终选择了两家公司——西科斯基和洛克希德——要求他们向美国陆军“先进空中火力支援系统”项目组提交最终的正式方案,如果方案通过,那么获胜的公司将会立刻获得第一笔10架原型机的合同。

  西科斯基和洛克希德公司的方案都是复合式直升机构型的方案,1965年4月11日,正式方案正式被提交给美国陆军项目组,其中西科斯基公司的报价为6600万美元,而洛克希德公司的报价则达到了1.06亿美元。

  “Roroprop”——西科斯基的方案

  从本质上来说,西科斯基公司的设计就是一种复合式直升机,采用并列式座舱布局,方案型号被定为“S-66”。其主旋翼为常规铰接式旋翼,之所以采用这种旋翼系统是因为该桨毂构型已经得到了西科斯基公司的充分验证,其性能和稳定性都能够得到最大化的保障。而且,这种构型的旋翼设计已经在西科斯基以往的生产型直升机上得到了超过600万小时的飞行“考验”。

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▲西科斯基S-66直升机的等轴测剖视草图

  在“先进空中火力支援系统”项目竞赛中,西科斯基公司的方案最值得一提的“黑科技”就是该机采用了一种被西科斯基设计师称为“RotopropTM”(倾转尾桨)的设计。这种倾转尾桨本身是一副“空气螺旋桨”,它通过一套可倾转的机械结构连接到旋翼尾部锥形梁末端,从而能够实现水平方向90°的倾转,如此一来,该机构就能够同时实现悬停状态下的反扭矩尾桨和前飞状态下的推进螺旋桨功能。

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▲作为尾桨构型的静态展示模型

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▲作为推进螺旋桨构型的静态展示模型

  西科斯基公司并没有从头到尾打造一架全新的验证机,为了快速验证S-66方案的可行性并节约成本,设计师们改装了一架S-61A型直升机概念,在该机基础之上加入了“Rotoprop”的设计,并进行了飞行测试。这里要注意的是,虽然这架改装机加入了“倾转尾桨”的概念,但是并没有加装辅助机翼,所以说它并不能看作是西科斯基“先进空中火力支援系统”方案的原型。

  而且(划重点),该机的“倾转尾桨”还真的就是常规直升机的常规尾桨,而并没有采用某种重新设计的“先进螺旋桨”。在飞行过程中,飞行员需要通过机械操纵机构来实现其90°转向,整个转向过程持续的时间大概在3秒钟左右。而在西科斯基设计师的构想中,未来的S-66直升机方案中,其倾转尾桨能够随着前飞速度的增加或者飞行员的指令,自动完成空中倾转。

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  ▲加装“Rotoprop”的S-61A演示验证机

  其实,“倾转尾桨”并不是西科斯基公司首创的概念,早在第二次世界大战期间,就有一架试验性质的直升机“Heliospeeder”采用类似的设计,该机由来自罗德岛州普罗维登斯的安托万·盖兹达设计。目前,该机仍然陈列在美国缅因州“Owls Head”地区的交通运输博物馆中。

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▲盖兹达的“Heliospeeder”,诞生于1945年,现在被陈列在博物馆中,该机可以说是第一种采用倾转尾桨设计的直升机

  白热化的复合式直升机竞赛

  在“先进空中火力支援系统”的项目竞赛中,西科斯基公司强调其在AAFFS所要求的尺寸大小的直升机方面有着充足的研制经验和人才储备。大名鼎鼎的海王直升机(SH-3/S-61;当时已经在美军中服役)在尺寸方面就与AAFFS飞行器差不多大小,而CH-53海上种马直升机尺寸还要更大,在这里可以提一提直升机界不成文的定律:会造大型直升机的造小直升机多半会游刃有余,而只造过小直升机的,很可能无法打造出任何大型直升机。除此之外,西科斯基当时还在密集测试S-61F试验型复合式直升机。该机在1965年5月份就完成了首飞测试。

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▲在飞行中的S-61F试验型复合式直升机

  “先进空中火力支援系统”除了对直升机本身提出的要求之外,还对军用武装直升机必须要集成的一系列其他技术提出了较高的指标要求,其中就包括集成武器装备技术、光学瞄准系统和火力控制系统等。为了把这些技术高标准地集成到基础直升机的设计中,西科斯基公司也扩大了工程师的团队,并且将直升机设计制造的部门划分得更为细致和系统,这也为西科斯基之后在军用直升机(尤其是黑鹰直升机)竞赛中取得成功奠定了扎实的基础。

  和西科斯基公司的想法不同的是,洛克希德公司并没有打“低风险”或者“低成本”这样的牌,在“先进空中火力支援系统”这个本身就比较激进的项目中,洛克希德公司跟上了“激进的脚步”,他们给出的方案包含了更多创新的地方,尤其是其“刚性旋翼”技术。在当时的直升机行业,刚性旋翼技术方兴未艾,洛克希德公司虽然已经在常规构型的XH-51A上验证了这种技术的可行性和巨大潜力,但是要将其完好的应用到新构型复合式直升机上,还有这很长的路要走。

  不过,在洛克希德公司向美国陆军提交方案的时候,他们的XH-51A试验机实现了235节的高速飞行,并且还展示了刚性旋翼在各种飞行状态下都具备的高机动性。这给美国陆军的将领们一种感觉:只要再多努力一点点,洛克希德就至少能够在速度上达到其要求。因此,尽管洛克希德的报价几乎是西科斯基公司的两倍,但是其方案仍然给美国陆军留下了较好的第一印象。

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▲飞行测试中的XH-51A复合式改型

  不过西科斯基公司至此仍然认为胜利的果实最终还是会落入他们的口袋中,毕竟他们在直升机方面有着比洛克希德公司更为坚实的技术储备,并且他们在中大型直升机研制方面有着充足的经验。相比之下,洛克希德的XH-51A实在是太小了,仅仅只有“先进空中火力支援系统”项目指标要求总重的1/5,有点不够看。

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▲西科斯基当时关于S-66的宣传稿

  然而,这场竞赛并不是技术底蕴和经验积累的比拼,而是创新创造和技术进步的“厮杀”。在竞赛期间,洛克希德大量展示了XH-51A的飞行测试,该机在试飞过程中执行了一系列令人叹为观止的高难度空中转向和极限滚转机动,给美国陆军留下了非常深刻的印象。其实这就是“刚性旋翼”相比于“铰接式旋翼”的优势,刚性旋翼由于不存在挥舞铰和摆振铰,所以其操纵响应滞后程度低、桨毂操纵力矩大,这些都有益于该机的操纵品质提升,从而为其高机动性奠定了基础。

  当然西科斯基公司也没有气馁,他们拿出了多年以前的美国海军陆战队拍摄的CH-53机动飞行照片作为反击,在这些照片中,CH-53海上种马直升机同样完成了类似的空中机动,但是该机配装的仍然都是铰接式旋翼,而并非刚性旋翼。西科斯基希望借此来证明如果想要完成这些机动动作,根本不需要“技术上且不够成熟”的刚性旋翼,铰接式旋翼一样能够做到。

  事实上,无论是洛克希德还是西科斯基,他们当时所做的都只是“为了宣传而宣传”,毕竟美国陆军从来没有提出过任何关于这类机动性的要求。

  在竞赛中,西科斯基公司一直都很自信,甚至有那么点自信过头,所以到最后,1965年11月份,美国陆军宣布洛克希德公司最后获得了“先进空中火力支援系统”项目的胜利的时候,整个西科斯基公司上下都感到难以置信,设计师们的士气随后跌倒了谷底。洛克希德的方案先是获得了美国陆军的原型制造合同(如果这一阶段顺利的话,该公司还能拿到美国陆军的生产合同),在合同中,洛克希德的方案被定型为YAH-56A Cheyenne/夏延。

  该机在1967年9月份实现了首飞,而10架原型机本该在次年被交付到美国陆军手中进行飞行测试。然而,经过一系列的测试之后,1969年,美国陆军决定取消夏延直升机项目,其中的原因是有许多的,而技术原因是关键之一。当时洛克希德的“刚性旋翼”技术碰上了严重的气动弹性问题,并导致了一架原型机的坠毁事故,项目因此一度延期。

  平心而论,当时对于刚性旋翼在高速飞行状态下的技术特性的相关研究确实是非常之少,所以说在预先研究工作尚且不充分的情况下,匆忙打造出原型机的构想实在太过激进。而洛克希德公司也没有充足的时间来用令人满意的手段解决这个严重的问题,直到项目彻底被取消。

  可以说,在“先进空中火力支援系统”项目中,没有任何赢家,无论是西科斯基还是洛克希德或者是美国陆军,最终都是失败了,但是所有人都能从这个项目中“学到些东西”。

  对于西科斯基公司来说,他们主要学到了两件事:第一件就是无论何时都应该和“客户技术部门”保持必要的接触,从而了解新技术或者新概念对他们的影响;第二件就是只关注现有的技术积累,而不去锐意创新的话,就难以确保其所打造的直升机方案始终能够满足未来的任务需求或者保持竞争力。


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