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“黑鹰”诞生

作者:jnscsh   时间:2021-07-04 01:24:20   浏览次数:

从活塞动力到涡轮轴动力

朝鲜战争中,美国陆军尝试性的将活塞动力的H-19c/D投入实战使用,这一举动给地面部队的战场机动性带来戏剧性的改变。

借由直升机,部队的移动与补给能力,第一次从地形的束缚中挣脱开来,不再有过去依靠车辆机动时常因地形恶劣而导致运输缓慢、甚至无法通行等问题。除用于运输与补给外,直升机也大幅提高伤员后送速度,有效保全了伤员的生命。

直升机在朝鲜战争中的成功运用经验,也催生了现代的空中机动战术概念。1962年出任美国陆军战术机动需求委员会主席的第18空降军司令汉密尔顿·豪泽中将,在该年8月20日提交给国防部的报告中描绘了这样的远景:“空中机动战术是全新的变革,此后的战争史,将再也不会有任何一次主要战斗没有垂直起降飞机在其中扮演突出,且具有决定性的角色,陆军飞行员们将永远的改变地表上的战争艺术与科学。”

此后几乎每一次的美国陆军军事行动,对地面战斗的装备与战术运用,都验证了豪泽中将的预测。越南战争中,直升机更成为部署地面部队最主要的工具,让越战因此得到“第一次直升机战争”的名号。

越战初期,驻越美国陆军航空队的运输直升机骨干是H-21C,这款直升机是由派塞斯基研制,1954年9月服役,可运载22名士兵或12副担架。美国陆军当时另一款主力运输直升机,即西科斯基公司的H-34A。西科斯基内部编号S-58的H-34系列,原是为竞标美国海军反潜直升机而开发,于1952年6月击败贝尔公司的贝尔61方案后,成为海军第一代反潜直升机——HSS-1“海蝙蝠”。陆基版H-34A,可运载16名士兵或8副担架。

U-34A与H-21C两者服役时间大致同时,产量相差不多,包括巡航速度、升限、航程等在内的性能表现也十分相近,H-21C货舱可用容积更大,但H-34A动力系统更强劲,机体也更轻巧。

尽管两种直升机各有所长,不过在阿尔及利亚战争中,同样装备有这两种直升机的法国陆军发现:采用主旋翼+尾旋翼构型的H-34,敌火下的生存性明显低于H-21。基于法军经验,美国陆军最后决定向越南派遣H-21而非H-34。但陆战队仍在越南部署了同属S-58系列的HUS-1A通用直升机。

涡轮轴动力时代来临 虽然H-21在越南的表现尚可,搭载南越地面部队成功执行了数次扫荡任务,但也暴露了不足之处。一开始美军以H-21进行机动作战时,虽没有碰到越共的激烈反击,但进入降落区时经常会受到轻武器射击,因此部分H-21便在舱门安装机枪,以在降落时进行压制射击。

但由于H-2I机身设计限制,舱门机枪射界狭窄、加上弹药威力有限,导致对地压制效果很差。而且H-21动力不足,无法在不影响性能的情况下,安装更具威力但也更重的武器。

由于活塞发动机先天限制,H-21的动力不足问题无法靠更换更大功率的发动机来解决。越大功率的活塞发动机,自身重量也越大,以H-21与H-34为例,两种机型采用的R1 820发动机就分别占去机体重量的15%与17%。若只是更换功率更大的活塞发动机,则新发动机提供的额外功率,将有相当一部分被发动机自身更大的重量给抵消,难以大幅提升直升机性能。

上世纪40年代开始发展的燃气涡轮技术,为这个困境提供了一个新的解决方式,40年代末期,先从涡轮喷射发动机衍生了涡轮螺旋桨式发动机,50年代初又衍生出用于直升机的涡轮轴发动机。

涡轮轴发动机藉由燃气膨胀来推动涡轮,能使涡轮带动的涡轮轴轻易达到10 000-40 000转/分的转速,经减速后可得到用于驱动主旋翼的巨大扭力,因此拥有远高于活塞发动机的功率重量比。涡轮轴发动机重量只有同功率活塞发动机的1/3以下,功率成长潜力也远大干活塞发动机。

而且涡轮轴发动机震动与噪音都较小,还有启动迅速、控制简易、可靠性高与维护相对简易等优点,燃料类型也宽广许多,只有耗油是较大的缺点;另外由于涡轮轴发动机需要的减速比也比活塞发动机高出数倍,搭配的齿轮箱等传动机构的复杂性与重量也高出不少,输出性能也比较容易受到外界大气状况的影响。

鉴于涡轮轴的潜力,美国陆军于1954年开始着手开发涡轮轴动力直升机,在该年2月征求一种涡轮轴动力、巡航速度100节、行动半径320千米、载重360千克,并能由运输机远程部署的空中救护直升机。12个月后,陆军于1955年2月宣布贝尔直升机公司的贝尔204方案获胜,同年6月与贝尔签订制造3架原型机的合约,编号XH-40。

XH-40采用1台700轴马力的莱康明XT53-L-1涡轮轴发动机,于1956年10月20日首飞成功,陆军稍后增订6架机舱延长30厘米的改良型Yu-40,后来又订购9架编号HU-1A的预量产型,1958年9月开始试飞。首架量产型HU-1A则在1959年6月30日交付陆军,采用1台770轴马力的T53-L-1A发动机,机舱可运载6名士兵,官方命名为“易洛魁”,但士兵更喜欢称作“休伊”,这是美国第一款量产服役的涡轮动力直升机。

“休伊”的时代由于休伊为救护用途而设计,机舱容量有限,在越南一开始是扮演武装护航与医疗后送角色,主要运输任务仍由CH-21承担。但由于CH-21原是为单纯的人员运输任务设计,只在机身侧面开有1个小舱门,在降落区内需花费更多时间投放与接收士兵,大幅增加整个机队暴露在敌火下的危险,对需在敌火下执行作业的“突击”任务来说并不合适。

美军自1963年2月起以UH-1B逐步替代驻越的CH-21B/C,到1964年底在越南的CH-21就完全被UH-1B取代,1969年完全退役。UH-1B是“休伊”家族第一种真正的大量生产型,发动机功率较UH-1A提高,1961年3月开始交付。

启用UH-1B的同时,美国陆军也把原先配备CH-21的空中运输连改编为一种专为越南战场设计的空中机动轻航空连,每连包括1个配有武装型UH-1B的武装直升机排,以及2个不带武装的UH-1B运输直升机排,每个排均配有8架直升机,加上直属连部的1架预备机,全连共编制有25架UH-1B。

陆军称这些由运输直升机加装武器而成的武装直升机为“炮艇”,除为运输直升机提供掩护外,也能为地面部队提供火力支持。而没有外挂武装的运输直升机左右舱门也各安装有1挺机枪提供基本压制火力。UH-1B除动力更足外,机身侧面还开有大型的滑动舱门,可允许人员、货物快速进出,有助于减少机队暴露在降落区的时间。

随着越南战事的升级,美国陆军派遣到越南的直升机数量日渐增多。在1965年3月2日展开代号“滚

雷作战”的持续性轰炸行动后,地面部队也开始直接介入作战。

驻越的173空降旅在1965年6到7月间实施了2次直升机突击作战,此前美军都只提供直升机作为运输工具,机上搭载的都是南越部队,而此后不论是直升机或搭载部队都改以美军为主。接下来拥有435架直升机编制的第1骑兵师也在同年9月部署到越南。

第1骑兵师的到来,除大幅提高驻越美军的空中突击能力外,也使美国陆军部署在越南的直升机数量急剧增加到近800架。除部署数量不断增加外,新型号“休伊”也陆续投入战场。

为改善UH-1B担任“炮艇”角色时出现的航速与航程不足问题,贝尔在1963年底推出UH-1C炮艇专用机,动力系统与后期型UH-1B相同,但由于安装了新旋翼,可以获得更好的航速与机动性,燃油携行量也大幅提高,还安装了飞行员装甲座椅。

为扩展“休伊”的运用范围,陆军在1960年与贝尔签订了发展机身加长型的合约,编号UH-1D,贝尔内部称为205型。UH-1D动力系统与UH-1B/c相同,但拉长的货舱增加了可用容积,运载能力提高到12名士兵或6副担架。陆军从1963年8月开始接收UH-1D,1967年9月又开始接收改用1400轴马力T53-L-13发动机的UH-1H。

UH-1D/H更大的机舱带来了更大的操作弹性,很快就成为越南战场上的运输主力,机身较小的UH-1B逐渐退居二线,至于UH-1B/C炮艇机的角色,则从1967年底,陆续被机动性与生存性更好的专业攻击直升机AH-1G替代。

“休伊”直升机在越南的活跃程度,从“休伊”的产量变化就可看出端倪。1963年平均每月交付20架“休伊”,短短4年后的1967年便达到月产160架的惊人数字。自1957到1975年,贝尔一共建造了10005架“休伊”,美国陆军订单便占9216架,其中近7000架先后被部署到越南,使用数量之大与运用范围之广,充分说明了“通用(Utility)”直升机这个词的含义。

UTTAS计划

“休伊”家族在越南的活跃,证明了涡轮轴动力通用直升机的价值,但也暴露出许多缺陷。首先,单发动机设计导致功率输出有限,限制了性能提升与增加设备的潜力,航速、载荷与航程性能逐渐不能满足需要。其次是生存性不足,液压、供电、供油与动力系统都缺乏冗余备份,另外油箱与起落架设计亦没有考虑抗坠落冲击问题,以致造成许多不必要的伤亡;最后是机舱运载与外部吊挂能力无法满足需求,UH-1D就号称可搭载12-14名士兵,但由于越南高温气候造成的发动机功率衰减,加上两侧机门各设1挺M60机枪,实际可搭载的士兵只有7到8名。

另外,UH-1虽然号称有2268千克的最大外部吊运能力,但热带高温或高海拔环境下,实际吊运能力远低于此,稍重的装备就得拆解才能吊运,或是寻求重型的CH-47支持。

虽然贝尔公司曾应加拿大军方需求,以贝尔205为基础,在1969年推出双发动机的贝尔212系列,载重性能大有改善,但各方面因素都促使美国陆军打算寻找更大型的直升机来替代UH-1系列,决定展开全新通用直升机的开发。

通用战术运输飞机系统 美国陆军对新一代通用直升机的二大关键需求,一是更好的高温与高海拔作业能力,二为在战斗环境的生存能力。越南战场经验显示,即使在低强度环境,直升机也需要更好的弹道防护能力。此外对乘员的坠机保护也需大幅改进,以在遭遇意外时减少飞行员与乘客受伤的机率。

在越南战火正值顶峰的1965年,美国国防部于该年10月批准陆军执行一项直升机定性物资发展目标研究案,主要目的是研究替代UH-I的新型直升机规格。接下来陆军战斗发展司令部在60年代末确认了新直升机初步规格,陆军将其命名为通用战术运输飞机系统(Utility Tactical Transport Aircraft System,UTTAS)。

经数年的酝酿,陆军在1972年1月5日正式发出UTTAS计划基本工程发展阶段(BED)邀标书(RFP)。为改革60年代总包采购(TPP)制度的弊端,国防部从70年代起改变了装备采购政策,恢复50年代中期以前的原型竞标制度,在决标前要求人选厂商各自建造原型机来验证技术能力,通过实际试验的竞争,刺激厂商在计划不同阶段达成设定的性能与价格目标。

第一个实行新政策的计划是1970年5月发出RFP的空军A-X攻击机,接下来陆军包括UTTAS、XM-1坦克、AAH先进攻击直升机等重大采购案,也都采用类似的原型试验竞争策略。

在BED阶段中,陆军将从厂商提案中选出两组设计案进入下一阶段,拨给预算分别建造两种原型机,进行为期8个月的展示验证试飞,经实际试飞评估后,再挑出进入量产的获胜者。陆军预期的主要投标厂商是当时美国三大军用直升机厂——贝尔、波音·伏托尔与西科斯基,预计获胜厂商最终将能得到1100架以上的订单。

陆军为UTTAS制定的关键性能需求主要有:

(1)搭载11名全副武装士兵(总重198千克)与3名机组成员。

(2)耐航能力2~3小时,含20分钟备用燃料。

(3)爬升率每秒2.3-2.8米。

(4)双发动机,平常操作只使用不超过95%的发动机中间功率。

(5)巡航速度145-175节(268千米/小时324千米/小时)。

其它需求包括3150千克外挂悬吊能力、单发动机下仍有1500米升限、可由C-130空运。特别重要的是,全部性能需求都要在1220米高度与35摄氏度的环境下也可以达到。至于发动机,则已在1971年12月选定GE研制的T700-GE-700。

当时各界均看好正向陆军大量供应UH-1的贝尔获胜希望最大,其次是陆军主力重型直升机CH-47的供货商波音·伏托尔,而西科斯基由于在先前的几个竞标案接连失利,已有多年未曾承包陆军直升机计划,被认为是竞争力最弱的厂商。

最后贝尔、波音·伏托尔与西科斯基三家厂商在1972年3月向陆军提交了提案:

贝尔240/214A贝尔提出高端的240与低端的214A两个方案,企图兼顾先进高性能与低价技术成熟两方面。较受人注目的自然是240型,为满足陆军的苛刻需求,贝尔240采用全新构型,除尺寸更大的14座机舱外,还有含避震缓冲功能的前三点轮式起落架,以及新的4叶主旋翼与尾旋翼,万向接头式的4叶主旋翼采用Wortmann翼型,可改善气动效率。动力系统为2台T700,传动系统具备抗损能力。

另一提案是贝尔当时刚开始研制的214A型。贝尔214是UH-1H放大机身、强化动力的升级型,214A

则是因应伊朗提出高温、高原操作需求设计的214改良型,采用贝尔传统的两片式跷跷板旋翼与滑跷起落架,旋翼叶片也是wortmann翼型,搭载1台2930马力的莱康明LTC-4B-8D发动机,传动系统沿用贝尔309型设计,额定功率2050轴马力。这个设计虽是为外销设计,但贝尔也将其投入UTTAS竞标,是所有竞争方案中最成熟也最便宜的,但性能也最低。

波音·伏托尔Model 179波音·伏托尔前身是伏托尔飞机公司,伏托尔的前身则是1940年成立的派塞斯基直升机公司,1956年3月改名为伏托尔(取自垂直起降英文缩写),1960年为波音并购成为波音·伏托尔。

从创办之初起,派塞斯基就以开发纵列双旋翼直升机闻名,从1945年推出PV-3起,后续推出的PV-15(军方编号H-16)、HUP搜救直升机(陆军编号H-25),到伏托尔时代推出的首款涡轮轴动力V-107(后来的CH/UH-46系列)以及稍候的V-114(后来的CH-47系列),全都是纵列双旋翼构型。

尽管波音伏托尔对纵列双旋翼构型拥有25年以上设计经验,在这领域无人可及,但对UTTAS计划的新型通用直升机来说,纵列双旋翼明显有许多不适合之处,于是波音·伏托尔转向传统的单主旋翼与尾旋翼设计,提出Model 179方案参与竞标。

波音·伏托尔对于单主旋翼与尾旋翼构型的经验,主要来自该公司数年前与Carson公司合作,在西德MBB授权下生产的B0105长版B0105 Executaire,虽然在北美市场的销售情况惨不忍睹,但相关经验被用到UTTAS竞标中。

Modell79采用类似B0105的无铰链式半刚性主旋翼设计,取消挥舞铰与摆动铰,而直接把叶片固接在桨壳上,构成刚性的连接,但仍保留轴向铰或轴承来操控变距。这种旋翼藉由复合材料制成的叶片,来承受旋翼挥动时对叶片根部带来的弯曲负荷,结构比传统的全铰式简单许多,也不需要润滑,操控性亦更为敏锐。

Model179的2台T700发动机以“夹舱”方式安置在乘员舱顶部两侧,传动单元位于2台发动机间的乘员舱顶部后方位置,乘员舱可载11名士兵,外加3名机组人员,起落架为前三点式。

西科斯基S-70 由于贝尔与波音·伏托尔分别有陆军大笔的UH-1与CH-47订单在手,因此对这两家厂商来说,UTTAS计划算是扩展版图的良机,但对西科斯基而言,却是在陆军市场上的存亡之战。

西科斯基创办人伊格尔·西科斯基是现代直升机技术奠基人之一,该公司也是直升机名门,在直升机史上曾留下许多光辉纪录:早期活塞动力时代的产品如S-55、S-56、S-58等也都得到美国陆军采用。

但进入涡轮轴时代后,西科斯基在陆军市场连遭挫折,先是以S-52发展的S-59/XH-39在1955年陆军涡轮动力救护直升机竞标中,败给贝尔204/XH-40,10年后在1965年的陆军先进空中火力支持系统竟标中,西科斯基S-66方案又败给洛克希德CL-840,后者发展为AH-56“夏延人”;同时,在1965年8月的过渡型武装攻击直升机采购案中,西科斯基以S-6IA为基础的改良型,也输给贝尔公司的贝尔209型,即日后的AH-1G“眼镜蛇”;接下来的失败发生在UTTAS竞标启动前6个月,西科斯基S-73在公司高层寄予厚望的陆军重型起重直升机计划中,败给波音-伏托尔Modal 227/237,由后者发展为XCH-62。

虽然西科斯基在海空军市场颇有收获,以S-61、S-61R、S-65等设计接连赢得海、空军与陆战队的竞标,但这部分市场的规模毕竟不能与陆军相比。整个60年代,西科斯基在陆军市场唯一斩获,只有产量非常少的S-64/CH-54起重直升机。若UTTAS再次失利,恐怕接下来的20年,都没有切进陆军市场的机会。

为此西科斯基对UTTAS非常谨慎,在竞标前的就利用1架CH-53D,测试改良型全绞接式旋翼与桨壳技术,确认自身相对于潜在对手占有优势后,才在陆军放出RFP前5个月决定投入UTTAS竞标。

西科斯基在1971年12月选定一个采用三叶式主旋翼的设计为基准,这个设计的构型较为保守,特征包括两叶式尾旋翼、安置在乘员舱顶部主旋翼轴前方两侧的发动机,齿轮箱位于发动机后方,由发动机后方的传动轴驱动旋桨,起落架为后三点式。

后来提交给陆军的S-70方案,则改用4叶式主旋翼与尾旋翼,主旋翼直径增加,末端还带有后掠,安装高度也大幅降低,以便塞入C-130货舱。发动机位置则后挪到旋翼轴后方,改由发动机前方的传动轴驱动齿轮箱。还扩大水平安定面面积并从直线翼型改成后掠式,垂直安定面也取消尾衍下方部分,原安装于垂直安定面底部的尾轮向前挪到尾衍上。

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