世界上第一架涡轮动力直升机,败给贝尔休伊,西科斯基造

上世纪50年代初,第一架所谓的“重型直升机”诞生了:也就是西科斯基S-56(美国陆军型号CH-37莫哈韦)。尽管这架直升机连如今重型直升机的门槛值——20吨——都没有达到,但是超过14吨的起飞重量在当时已经算是相当“惊人”了。

伊戈尔·伊万诺维奇·西科斯基先生一直都想要打造一架真正意义上的重型直升机,但是这个梦想的进展却并不那么顺利。

上世纪50年代初,第一架所谓的“重型直升机”诞生了:也就是西科斯基S-56(美国陆军型号CH-37莫哈韦)。尽管这架直升机连如今重型直升机的门槛值——20吨——都没有达到,但是超过14吨的起飞重量在当时已经算是相当“惊人”了。

▲西科斯基的S-56型大型运输直升机(美国海军陆战队版本)

凭借着出色的运载能力和可靠的结构设计,美国军方对S-56直升机的评价还是相当不错的,不过西科斯基先生却并不是很满意——该机最大起飞重量虽然超过了14吨,但是其空机重量竟然就要将近10吨,这么一看,其重量性能就有点捉襟见肘了。【笔者注:虽然不具有可比性,但是西科斯基后来的CH-53E超级种马重型直升机,其最大起飞重量33吨,空机重量却只有15吨,这种程度的重量性能才是西科斯基所追求的】

那么要怎么样才能从根本上提升直升机的重量性能,或者说降低空重比呢?

西科斯基先生将目光投向了发动机,可以想象,如果把S-56搭配的两台又大又重的活塞式发动机在某种程度上“精简”一下,该机的性能数据势必能够上升一个档次,于是,一个新鲜的概念开始出现了西科斯基先生的脑海中——燃气涡轮发动机直升机。

▲S-56配备了两台普惠公司的R-2800型双黄蜂双排18缸气冷星型航空发动机

说干就干。直接上一架重型直升机并不是一个具备现实意义和可操作性的好想法,但是可以拿一架现成的中小型直升机测试一番。极具行动力的实干家西科斯基先生,立马对机库中已有的直升机动起了刀子。于是,世界上第一架涡轮直升机诞生了,它就是本文的主角——西科斯基S-59。

老机改装,创下多项记录——S-59的诞生

西科斯基S-59型直升机本质上是一架高度改装的S-52-2型直升机。其中最大的改造就是改装了一台400马力的大陆/透博梅卡,阿杜斯特Ⅱ,XT51-T-3型涡轮燃气发动机(Continental/Turbomeca,ArtousteⅡ,XT51-T-3)。S-59还配备了全铰接式的4桨叶主旋翼以及一副3桨叶尾桨。

【笔者注:作为对比,西科斯基的S-52-2型直升机采用了一台245马力的富兰克林O-425-1型气冷发动机,该机采用了半硬壳式机身、3桨叶主旋翼机、2桨叶尾桨和4轮式固定起落架。】

额外的改装内容包括:一台经过的主减速器、加强的机身、可收缩的起落架以及更新的电子设备。总共有3台直升机改装到了S-59的配置,其中一台是西科斯基公司自有的S-52-2原型机,另外还有两台来自美国陆军的YH-18型直升机,这3架直升机都是在一项美国政府的合同约定下完成改装的。

美国陆军将这两架S-59定型为XH-39,其中一架XH-39(陆军编号:49-2890)直升机是在YH-18A(对应西科斯基S-52-5型)直升机基础上进行改装的,这是第一架安装了涡轮燃气发动机之后完成飞行测试的直升机。另一架XH-39则则是在另一种YH-18A(对应西科斯基S-52-2型)直升机基础上进行改装的,该机从未飞上蓝天,只被用来进行了静态试验。

▲编号49-2890的XH-59型直升机安装了涡轮燃气发动机,这对于直升机的发展而言实现了质的跨越

1954年6月1日,S-59型直升机完成了该机的首飞,验证了涡轮发动机安装在直升机上的有效性。1954年8月26日,在康涅狄格州温莎罗克斯的布兰德利机场,美国陆军准尉比尔·韦斯特驾驶了这架编号为49-2890的XH-39直升机在一条3公里长的封闭赛道上创造了时速156.005英里(约251公里)的直升机飞行速度世界纪录。1954年10月17日,同样是韦斯特准尉驾驶着这架直升机穿破云层,达到了7474米的高空,创下了直升机飞行高度的世界纪录。

▲美国陆军准尉比尔·韦斯特和他创纪录的直升机的合影

涡轮发动机,全金属桨叶——S-59的设计特点

西科斯基S-59型直升机最大的设计特点就是该机配备了被西科斯基的设计师称为“快速更换单元”(QCU;Quick Change Unit)组件,该机的QCU包括该机的发动机、主减速器和主旋翼头,这些部件能够在2小时内完成更换,这种设计大大提升了该机的可维护性和应对紧急作战需求时的能力。

主旋翼头:S-59型直升机采用了4桨叶的全铰接式主旋翼桨毂设计,其旋翼直径为35英尺,通过液压系统来完成操纵。

发动机:如前文所述,该机安装了一台大陆/透博梅卡,阿杜斯特Ⅱ,XT51-T-3型固定轴燃气涡轮发动机。该型发动机是法国透博梅卡公司设计的,授权美国大陆航空和工程公司(CAE;Continental Aviation and Engineering Corporation)在密歇根州的底特律市生产制造。发动机加上配件总重量不超过250磅(约113.4公斤),功率可以达到400轴马力。这种发动机采用了固定轴的设计,和西科斯基往后所有的涡轴直升机的发动机都不同。在之后,西科斯基任何一型成功的直升机都采用了自由动力涡轮设计,也就是说,除非受到旋翼刹车的约束,那么只要发动机一启动,旋翼就会开始转动。在S-59型直升机上,发动机先启动,等它状态稳定之后,才会通过液压机械离合器接入到传动系统中。

主旋翼桨叶:S-59采用了全金属的主旋翼桨叶设计,这种桨叶由两部分制成。其前缘(翼梁所在部位)由一种空心的单件挤压成型的61ST铝合金构成,后部则由铆接到翼梁上的硬铝板材以及胶结成型的翼肋构成了旋翼的轮廓框架。整个桨叶仍然采用了经典的NACA0012翼型,并且设计了8°的扭转角。全金属的桨叶设计大大提升了直升机桨叶的表面光滑度,由此在一定程度上降低了桨叶型阻力,从而提高了旋翼的总体气动效率。

尾桨:S-59直升机的尾桨也是全金属桨叶设计,其结构和主旋翼桨叶基本一致,其翼型也是NACA0012,3片桨叶也都采用了全铰接式设计。

机身:S-59直升机的机身由3部分组成——座舱及其连接的机身中部、尾部锥形梁和斜梁以及主旋翼和塔架结构——其中,前两部分都是硬壳式结构,而第三部分则采用了钢管框架结构。其中机身中部是唯一一部分重复使用了S-52-2型直升机的部分,但也在其基础上进行了大量的改造。

性能:从性能方面来说,该机的最大飞行速度可以达到每小时251公里;航程可达451公里,实用升限可到7223米,其爬升速度为每分钟600米上下,绝对悬停升限为2073米。该机的最大起飞重量为1528公斤,空中为957公斤,最大燃油重量为416.4公斤。

大门开在机头——S-59的任务系统

S-59(XH-39)型直升机只采用了单台燃气涡轮发动机,其构型也是最常规的单旋翼带反扭矩尾桨布局。主旋翼的4片桨叶都是可以互换的,尾桨的3片桨叶同样如此,这些全金属结构的桨叶无论是气动性能还是结构可靠性都有了显著提升。

该机的起落架布局是常规布局,不过采用了可伸缩设计,从而降低了该机的前飞阻力,从而使其能够达到较高的飞行速度。其中,尾部起落架是向前折叠收缩的,而前部主起落架则是向内收缩的,其下方的轮子会有一小部分暴露在机身外面。

该机机头部分是设计了一扇蛤壳式门的,在装入大型货物或者装在担架上的病患的时候,既可以从这个蛤壳式大门进入机舱。除了这扇门之外,该机两侧也开了两个侧门,通过这两个较大的侧门也能方便实现货物的装载工作,机舱的空间可以提供3名乘客的作为,或者放置两副担架和一名医护人员。

该机还配备了两副Mk8 Mod 2型挂弹钩,每个都可以承载500磅的负载。该机还提供了用于现场电话连接的布线分配器。该机配备的标准仪表有垂直陀螺仪和陀螺磁罗盘。这些仪器的存在使得XH-39具备了初步的盲飞/仪表飞行能力(IFR)。其机舱内还设有暖气和通风系统。

XH-39能够通过C-82、C-119和C-124等运输机进行运输。

总共只生产3架——S-59的生产历史

在本文开头我就说过,西科斯基最初生产了3架S-59型直升机,事实上,他们总共就生产了这么3架S-59型直升机,其中包括一架S-59(西科斯基公司编号N74150,主要用于公司的飞行验证)和两架美国陆军的XH-39型直升机。

▲编号N7150的S-59型直升机在西科斯基工厂内部的场地上悬停

美国陆军的一架XH-59(编号4902891)始终只是一台静态测试机,从来没有机会飞起来过。第二架XH-39(编号49-2890)则是一架飞行测试原型机,美国陆军对该机进行了一系列飞行测试。当时,来自西科斯基的XH-39型直升机与来自贝尔公司的XH-40型直升机展开了激烈的较量。最终美国陆军选择了XH-40直升机,该机后来发展成大名鼎鼎的UH-1休伊直升机。尽管西科斯基的XH-39落败了,但是美国陆军仍然在之后的好几年内都在持续对该机进行飞行测试,积累了大量的涡轮发动机直升机的实际飞行数据。

▲贝尔与西科斯基公司竞争的XH-40直升机,其上已经能看出休伊直升机的身影

1964年,在纽约世界博览会上,一架修复完好的S-59(也就是西科斯基公司自留的编号N74150那架)被展出,之后它被收藏到了位于康涅狄格州温莎洛克斯的新英格兰航空博物馆。

▲1964年在纽约世界博览会上展出的S-59型直升机

美国陆军编号42-2890的XH-39则被收藏在了位于阿拉巴马州拉克尔堡的美国陆军航空博物馆,该博物馆在1957年购买了这架曾经创下纪录的直升机。1986年的时候,一队来自西科斯基支持服务公司(SSSI;Sikorsky Support Services Incorporated)志愿者来到拉克尔堡,完成了该机的维修和复原工作。

▲陈列在美国陆军航空博物馆中的退役的XH-39型直升机,编号为49-2890

 

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