空军世界 :: AH-56 夏延 先进武装旋翼机

越南战争是历史上第一次直升机战争,美国在越南战场上动用了从 H-21“飞行香蕉”到 CH-47“奇努克”到 CH-53“绿巨人”(正式代号是“种马”)到 OH-6 的各种直升机,用于支援机降步兵作战,其中最著名的无疑是 UH-1“休伊”。在作战中,美军迅速采纳法国在阿尔及利亚反游击作战的经验,开始在机舱门安装机枪,用作直升机上的掩护和压制火力。

但是,这毕竟是权宜之计。美军很快开始研制专用的攻击直升机,要求有比“休伊”一级的通用直升机有更强的火力、机动和防护,贝尔直升机公司的AH-1“休伊眼镜蛇”方案脱颖而出。AH-1是在 UH-1 的机械和动力系统上发展起来的,已经具有现代攻击直升机的主要特征:窄机身,具有装甲保护,串列双座,机头下方的转动炮塔装备有多管机枪,机身两侧挂载火箭和导弹。但是AH-1是作为过渡型攻击直升机设计的,和美军心目中的理想境界还相差甚远,于是美军立即着手先进空中火力支援系统(Advanced Aerial Fire Support System,AAFSS)计划,AH-56“夏延”应运而生。

夏延是一个奇怪的政治上的限制和技术上的创新的产物。越南战场上的美国陆军最需要的是能够垂直起落、适合低空低速飞行、火力强、机动性好、装甲厚的现代伊尔-2强击机,以今天的眼光来看,或许具有装甲的鹞式战斗机是最合适的选择。但战后创建空军的国防法规定了陆军不得涉及飞机的设计、采购和部署,直升机是一个法律没有明确规定的例外,在一番内斗之后在陆军落户。即使如此,空军对陆军着手设计战场支援飞机还是大为不满。

在空军全力追求高空高速的 60 年代,陆军自然也以高速作为新的攻击直升机的最重要的要求,其基本战术思想是利用速度和爬升的优势、良好的机动性和强大的火力,给敌人以突然和猛烈的打击,并最大限度地减少暴露于敌火之下的时间。AH-1最初的设计主要是为反游击战和战场支援设计的,对在中欧抗击闪电式突击的苏军坦克集群并没有予以特别的考虑,新的攻击直升机不仅要在战场支援性能上要超过AH-1以外,还要具有优秀的反坦克性能,同时对直升机空战性能也有相当的要求。

针对这样的战术、技术要求,洛克希德一反常规的直升机设计,提出采用刚性旋翼的复合直升机方案。人们对于固定翼飞机和直升机已经很熟悉了,但飞机的大家庭里,还有一个被遗忘的成员:旋翼机(autogyro 或 gyrocopter)。旋翼机像直升机一样,在机身上方有一个旋翼,在飞行时旋转以产生升力。不同的是,旋翼机的旋翼是无动力的,换句话说,只是一个在前进运动下随风转动的风车,前进的动力仍然靠常规的推进手段,如螺旋桨或喷气发动机。旋翼机不能垂直起落,但只需要很短的滑跑就可以起飞,基本不需要滑跑就可以着陆,是理想的短距起落飞机。失去动力时,旋翼机可以像直升机一样依靠旋翼的自选着陆,而不会像固定翼飞机一样失速坠毁。由于旋翼是无动力的,旋翼机不需要尾桨。如果能够解决垂直起落、悬停、侧飞、倒飞问题,旋翼机是陆航的理想高速飞行平台。

空军世界 :: AH-56 夏延 先进武装旋翼机

在 60 年代,传统直升机仍然是唯一现实的垂直起落技术,军种之间的政治斗争也不容许陆军染指鹞式战斗机那样的非常规、固定翼垂直起落飞机。传统的直升机的主旋翼是一个全能手,既用于产生升力,又用于产生推力和横滚力矩。这个特点既是直升机的超常的机动性的源泉,又是直升机在速度和操控上的无穷多的问题的根子。

空军世界 :: AH-56 夏延 先进武装旋翼机直升机的主旋翼一般不是水平的,而是略有前倾,用于在产生升力的同时,产生前飞的推力。但是要全速前飞时,还是要头朝下、尾朝上,像好斗的公牛一样,往前扫地而行,好让主旋翼产生更大的前飞推力分量,尽管这样的迎风阻力较大。直升机的桨叶可以不断地实时调整桨叶的迎角(正式名称是桨距),较大的迎角产生较大的升力,所以左右摇摆靠左右的升力不平衡来实现,前后俯仰靠前后的升力不平衡来实现。桨叶角度的不断调整是靠一个顶一个的顶端斜切的“鸡笼子”来实现的,一个“鸡笼子”调整所有桨叶的角度,以控制升力和推力,实现所谓“总距控制”;另一个调整每个桨叶相对于其他桨叶的角度,以控制飞机的姿态,实现所谓的“周期距”。伊戈尔.西科斯基一生中最重要的发明就是这个。桨叶角度的不断变化使桨叶的气动载荷不断变化,由此产生的不间断的“挥舞”使桨叶必须为柔性构造,否则强烈的疲劳会使桨叶在短时间内就受到损坏。也正因为桨叶不间断的“挥舞”,直升机具有固有的震动。

旋翼还有“前行”和“后行”问题。360 度旋转一圈,肯定有一半是从后向前转,即所谓前行;而另一半是从前向后转,即所谓后行。前行、后行阶段都产生升力,但后行阶段产生推力,而前行阶段非但不产生推力,还产生额外的阻力。后行也有自己的问题,在前飞状态下,后行的桨叶相对于静止空气的相对速度较低,效率大降,严重的时候可能造成失速,不过这是另外一个问题了。为了减小前行阻力,前行阶段桨叶的桨距要减小,而后行桨距增大。但这样要造成左右的不平衡,所以要靠平尾来平衡,而这是靠偏转控制面有意制造阻力来完成的,从而导致额外的气动阻力。RH-66 科曼奇的垂尾有一定的角度,所以其涵道尾桨的推力方向和水平面成一定的向下的角度,是纠正这种左右不平衡的另一个途径。不管何种途径,这种进两步、退一步的推进方式,始终限制着直升机的速度。

直升机的速度始终提不上去的另一个原因,是提高主旋翼的直径和转速受到限制。尺寸所受的限制显而易见,但转速也受到限制,由于旋翼直径的关系,不很高的转速也能使翼尖达到甚至超过音速,桨叶的“挥舞”也使旋翼转速的提高受到很大限制。主旋翼产生的强大下洗气流在直升机周围形成强大的气幕,也大大增加了前飞的阻力。既然在主旋翼上难以“榨”出更高的速度,增加一个专用的推进发动机(喷气使得或螺旋桨式的)而把主旋翼“解放”出来,专用于产生升力和控制力矩,而推进发动机专职推进,从而大大提高速度。采用这种复合推进方式的直升机称为复合直升机(compound helicopter)。采用短翼可以为主旋翼卸载,可以将主旋翼“解放”出来产生更多的推力,这是复合直升机的另一种思路。

空军世界 :: AH-56 夏延 先进武装旋翼机直升机不是洛克希德的强项,但这也使洛克希德放下包袱、轻装上阵。洛克希德从 50 年代开始研究刚性旋翼(rigid rotor),用一个很特别的陀螺连杆系统控制桨叶的角度。刚性旋翼的结构简单,强度高,维修量小,也在结构上容许更高的转速,尽管气动上的转速限制依然存在。旋翼在起落时接通动力,作直升机使用;在前飞时切断动力,作旋翼机使用。这样可以达到高速飞机的速度和直升机特有的机动性能之间的有效兼顾。夏延就是这样一个直升机和旋翼机的混合体。洛克希德的最初设计是由翼尖微型喷气发动机提供旋翼动力,这样,可以不需要抵消扭力的尾桨,同时由巡航喷气发动机提供前飞推力。动力方案后来修改为更常规的机内动力,在直升机模式时,发动机驱动主旋翼和尾桨,机尾的推进螺旋桨做风车式自由选转;在前飞的旋翼机模式时,发动机驱动机尾的螺旋桨,主旋翼和尾桨做风车式自由旋转,前飞状态下的升力基本由短翼产生。

即使以30多年后的标准来看,夏延仍然是一个革命性的设计。夏延是名副其实的“空中坦克”,最大起飞重量高达 13,600 公斤。相比之下,夏延的“继承人”、公认的重型攻击直升机 AH-64“阿帕奇”的最大起飞重量“只有”只有 7,270 公斤。夏延的最高速度达到 407 公里/小时,AH-64“阿帕奇”只有 260 公里/小时。由于前飞状态是旋翼机模式,夏延没有直升机固有的震动,既大大提高了飞行的舒适性,也大大改善了航炮和导弹的瞄准精度。

除了革命性的机体设计外,夏延的火力十分强大,机腹下的旋转炮塔内装有一门30毫米航炮,机首下旋转炮塔里可以装 40 毫米自动榴弹发射器或 6 管 7.62 毫米加特林机枪,短翼下可以携带大量的火箭弹和TOW反坦克导弹。夏延的火控系统也十分先进,装备有地形跟踪雷达、激光测距仪、夜视仪、惯性导航和其他先进系统,不光要求能做昼夜高速贴地飞行,还要求在高速飞行中,用30毫米炮单发命中地面目标。

夏延的试飞在一开始很成功,很快就达到设计的高速度,但问题很快出现了。在直升机模式飞行没有问题,在旋翼机模式飞行也没有问题,但问题常常出在两种模式转换的过渡过程中。从直升机模式过渡到旋翼机模式,逐渐减少旋翼/尾桨的功率,同时增大推进螺旋桨的功率,平滑过渡的话没事,但如果转换过猛,速度还没有上去,短翼难以产生足够的升力,就会出问题。从旋翼机模式转换到直升机模式,逐渐增加旋翼/尾桨的功率,同时减少推进螺旋桨的功率,如果转换过猛,额外的升力使飞机难以保持飞行姿态,突然增大的阻力也给飞行控制带来很大的困难。即使在直升机模式,刚性旋翼也只有有限的侧飞、倒飞能力,悬停控制能力也大为不如常规的直升机。由于种种飞行控制上的困难,夏延在试飞中接连出恶性事故,机毁人亡。夏延的过于复杂的火控系统也是问题多多,解决遥遥无期。

空军世界 :: AH-56 夏延 先进武装旋翼机夏延眼看着就要成为胡子工程,越南战争正在尾声,美国的注意力重新转向欧洲。面对中欧的巨大的反坦克压力,以及日益严重的苏军机动防空火力(包括自行高炮和防空导弹)和肩射防空导弹的威胁,美军开始探讨以贴地机动为主的直升机作战模式,这样,夏延的高速度就没有必要,而夏延有限的非常规机动能力就能为缺陷。

尽管洛克希德最后解决了所有出现的飞行控制问题,美国陆军还是在第三次坠机后取消了夏延计划,代之以先进攻击直升机(Advanced Attack Helicopter,AAH)计划,采用简化的火控系统和成熟的常规旋翼系统。贝尔的竞标方案凝聚了AH-1的所有经验,波音-伏托儿的方案采取了奇怪的像早期米-24 那样的斜置双座,两个飞行员一前一后,但左右错开,以提供最大限度的前方视界。但是几家竞标后,休斯的 AH-64“阿帕奇”最后胜出。以后的事都是众所周知的历史了。

夏延的故事是一个虎头蛇尾的故事。这是一个在特殊时期、采用特殊技术、按特殊要求设计的直升机。AH-64 的贴地机动战术被证明是成功的,但夏延的高速机动战术未必就一定不成功。第二次世界大战中,美国最王牌的战斗机部队是第 56 战斗机群,其装备不是大名鼎鼎的 P-51“野马”,而是公认的“只有速度和爬升、没有机动性”的 P-47。

Zemke 上校创造的原始版“能量机动”战术,在战斗中一次又一次地战胜了机动性远为优秀的 Me 109。相比之下,拥有“不列颠之战”期间“老鹰中队”就打出来的老鸟的第 4 战斗机群,装备有先进的 P-51“野马”,但是战绩反而不及 Zemke 的小伙子们。夏延没有这样的机会,其性能和战术最终是否会得到成功已经无法证明。夏延死了,刚性旋翼的概念被锁进文件柜,洛克希德再也没有涉足直升机领域。

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