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AH-56“夏安”攻擊直升機的故事

AH-56“夏安”攻擊直升機的故事

越南戰爭是歷史上第一次直升機戰爭,美國在越南戰場上動用了從H-21“飛行香蕉”到CH-47“契努克”到CH-53“綠巨人”(正式代號是“種馬”)到OH-6 的各種直升機,用於支援機降步兵作戰,其中最著名的無疑是UH-1“休伊”。在作戰中,美軍迅速採納法國在阿爾及利亞反游擊作戰的經驗,開始在機艙門安裝機槍,用作直升機上的掩護和壓制火力。但是,這畢竟是權宜之計。美軍很快開始研製專用的攻擊直升機,要求有比“休伊”一級的通用直升機有更強的火力、機動和防護,貝爾直升機公司的AH-1“休伊眼鏡蛇”方案脫穎而出。AH-1 是在UH-1 的機械和動力系統上發展起來的,已經具有現代攻擊直升機的主要特徵:窄機身,具有裝甲保護,串列雙座,機頭下方的轉動砲塔裝備有多管機槍,機身兩側掛載火箭和導彈。但是AH-1 是作為過渡型攻擊直升機設計的,和美軍心目中的理想境界還相差甚遠,於是美軍立即著手先進空中火力支援系統(Advanced Aerial Fire Support System,AAFSS)計劃,AH-56“夏安”應運而生。


AH-1G 在越南

夏安是一個奇怪的政治上的限制和技術上的創新的產物。越南戰場上的美國陸軍最需要的是能夠垂直起落、適合低空低速飛行、火力強、機動性好、裝甲厚的現代伊爾-2 強擊機,以今天的眼光來看,或許具有裝甲的鷂式戰鬥機是最合適的選擇。但戰後創建空軍的國防法規定了陸軍不得涉及飛機的設計、採購和部署,直升機是一個法律沒有明確規定的例外,在一番內鬥之後在陸軍落戶。即使如此,空軍對陸軍著手設計戰場支援飛機還是大為不滿。在空軍全力追求高空高速的60 年代,陸軍自然也以高速作為新的攻擊直升機的最重要的要求,其基本戰術思想是利用速度和爬升的優勢、良好的機動性和強大的火力,給敵人以突然和猛烈的打擊,並最大限度地減少暴露於敵火之下的時間。AH-1 最初的設計主要是為反游擊戰和戰場支援設計的,對在中歐抗擊閃電式突擊的蘇軍坦克集群並沒有予以特別的考慮,新的攻擊直升機不僅要在戰場支援性能上要超過AH -1 以外,還要具有優秀的反坦克性能,同時對直升機空戰性能也有相當的要求。


伊爾-2,AH-56 的靈感所在

針對這樣的戰術、技術要求,洛克希德一反常規的直升機設計,提出採用剛性旋翼的複合直升機方案。人們對於固定翼飛機和直升機已經很熟悉了,但飛機的大家庭裡,還有一個被遺忘的成員:旋翼機(autogyro 或gyrocopter)。旋翼機像直升機一樣,在機身上方有一個旋翼,在飛行時旋轉以產生升力。不同的是,旋翼機的旋翼是無動力的,換句話說,只是一個在前進運動下隨風轉動的風車,前進的動力仍然靠常規的推進手段,如螺旋槳或噴氣發動機。旋翼機不能垂直起落,但只需要很短的滑跑就可以起飛,基本不需要滑跑就可以著陸,是理想的短距起落飛機。失去動力時,旋翼機可以像直升機一樣依靠旋翼的自選著陸,而不會像固定翼飛機一樣失速墜毀。由於旋翼是無動力的,旋翼機不需要尾槳。如果能夠解決垂直起落、懸停、側飛、倒飛問題,旋翼機是陸航的理想高速飛行平台。



過去的和現在的旋翼機,注意,沒有尾槳

在60 年代,傳統直升機仍然是唯一現實的垂直起落技術,軍種之間的政治鬥爭也不容許陸軍染指鷂式戰鬥機那樣的非常規、固定翼垂直起落飛機。傳統的直升機的主旋翼是一個全能手,既用於產生升力,又用於產生推力和橫滾力矩。這個特點既是直升機的超常的機動性的源泉,又是直升機在速度和操控上的無窮多的問題的根子。


旋翼的控制機構

直升機的主旋翼一般不是水平的,而是略有前傾,用於在產生升力的同時,產生前飛的推力。但是要全速前飛時,還是要頭朝下、尾朝上,像好鬥的公牛一樣,往前掃地而行,好讓主旋翼產生更大的前飛推力分量,儘管這樣的迎風阻力較大。直升機的槳葉可以不斷地實時調整槳葉的迎角(正式名稱是槳距),較大的迎角產生較大的升力,所以左右搖擺靠左右的升力不平衡來實現,前後俯仰靠前後的升力不平衡來實現。槳葉角度的不斷調整是靠一個頂一個的頂端斜切的“雞籠子”來實現的,一個“雞籠子”調整所有槳葉的角度,以控制升力和推力,實現所謂“總距控制”;另一個調整每個槳葉相對於其他槳葉的角度,以控制飛機的姿態,實現所謂的“週期距”。伊戈爾.西科斯基一生中最重要的發明就是這個。槳葉角度的不斷變化使槳葉的氣動載荷不斷變化,由此產生的不間斷的“揮舞”使槳葉必須為柔性構造,否則強烈的疲勞會使槳葉在短時間內就受到損壞。也正因為槳葉不間斷的“揮舞”,直升機具有固有的震動。

旋翼還有“前行”和“後行”問題。360 度旋轉一圈,肯定有一半是從後向前轉,即所謂前行;而另一半是從前向後轉,即所謂後行。前行、後行階段都產生升力,但後行階段產生推力,而前行階段非但不產生推力,還產生額外的阻力。後行也有自己的問題,在前飛狀態下,後行的槳葉相對於靜止空氣的相對速度較低,效率大降,嚴重的時候可能造成失速,不過這是另外一個問題了。為了減小前行阻力,前行階段槳葉的槳距要減小,而後行槳距增大。但這樣要造成左右的不平衡,所以要靠平尾來平衡,而這是靠偏轉控制面有意製造阻力來完成的,從而導致額外的氣動阻力。RH-66 科曼奇的垂尾有一定的角度,所以其涵道尾槳的推力方向和水平面成一定的向下的角度,是糾正這種左右不平衡的另一個途徑。不管何種途徑,這種進兩步、退一步的推進方式,始終限制著直升機的速度。

直升機的速度始終提不上去的另一個原因,是提高主旋翼的直徑和轉速受到限制。尺寸所受的限制顯而易見,但轉速也受到限制,由於旋翼直徑的關係,不很高的轉速也能使翼尖達到甚至超過音速,槳葉的“揮舞”也使旋翼轉速的提高受到很大限制。主旋翼產生的強大下洗氣流在直升機周圍形成強大的氣幕,也大大增加了前飛的阻力。既然在主旋翼上難以“榨”出更高的速度,增加一個專用的推進發動機(噴氣使得或螺旋槳式的)而把主旋翼“解放”出來,專用於產生升力和控制力矩,而推進發動機專職推進,從而大大提高速度。採用這種複合推進方式的直升機稱為複合直升機(compound helicopter)。採用短翼可以為主旋翼卸載,可以將主旋翼“解放”出來產生更多的推力,這是複合直升機的另一種思路。


英國“山貓”(Lynx)直升機的先進翼尖,用於延遲激波的產生和加大旋翼的轉速



皮亞塞基公司的1 6H-1 複合推進直升機,現該公司正在為美國陸軍研製 H-60/VTDP“速度鷹”,最大速度提高到333km/h


德國MBB 設想的BBH 攻擊直升機,採用複合直升機佈局

直升機不是洛克希德的強項,但這也使洛克希德放下包袱、輕裝上陣。洛克希德從50 年代開始研究剛性旋翼(rigid rotor),用一個很特別的陀螺連桿系統控制槳葉的角度。剛性旋翼的結構簡單,強度高,維修量小,也在結構上容許更高的轉速,儘管氣動上的轉速限制依然存在。旋翼在起落時接通動力,作直升機使用;在前飛時切斷動力,作旋翼機使用。這樣可以達到高速飛機的​​速度和直升機特有的機動性能之間的有效兼顧。夏安就是這樣一個直升機和旋翼機的混合體。洛克希德的最初設計是由翼尖微型噴氣發動機提供旋翼動力,這樣,可以不需要抵消扭力的尾槳,同時由巡航噴氣發動機提供前飛推力。動力方案後來修改為更常規的機內動力,​​在直升機模式時,發動機驅動主旋翼和尾槳,機尾的推進螺旋槳做風車式自由選轉;在前飛的旋翼機模式時,發動機驅動機尾的螺旋槳,主旋翼和尾槳做風車式自由旋轉,前飛狀態下的升力基本由短翼產生。



YAH-56“夏安”尾部的推進尾槳,在前飛的旋翼機模式時,發動機驅動機尾的螺旋槳,主旋翼和尾槳做風車式自由旋轉

即使以30 多年後的標準來看,夏安仍然是一個革命性的設計。夏安是名副其實的“空中坦克”,最大起飛重量高達13,600 公斤。相比之下,夏安的“繼承人”、公認的重型攻擊直升機AH-64“阿帕契”的最大起飛重量“只有”只有7,270 公斤。夏安的最高速度達到407 公里/小時,AH-64“阿帕契”只有260 公里/小時。由於前飛狀態是旋翼機模式,夏安沒有直升機固有的震動,既大大提高了飛行的舒適性,也大大改善了機炮和飛彈的瞄準精度。


夏安的旋翼系統,可以和上面的常規旋翼比一比,是不是很特別?

除了革命性的機體設計外,夏安的火力十分強大,機腹下的旋轉砲塔內裝有一門30 毫米機炮,機首下旋轉砲塔裡可以裝40 毫米自動榴彈發射器或6 管7.62 毫米加特林機槍,短翼下可以攜帶大量的火箭彈和TOW 反坦克飛彈。夏安的火控系統也十分先進,裝備有地形跟踪雷達、雷射測距儀、夜視儀、慣性導航和其他先進系統,不光要求能做晝夜高速貼地飛行,還要求在高速飛行中,用30 毫米炮單發命中地面目標。


AH-56 機鼻砲塔的6 管7.62 毫米加特林機槍

夏安的試飛在一開始很成功,很快就達到設計的高速度,但問題很快出現了。在直升機模式飛行沒有問題,在旋翼機模式飛行也沒有問題,但問題常常出在兩種模式轉換的過渡過程中。從直升機模式過渡到旋翼機模式,逐漸減少旋翼/尾槳的功率,同時增大推進螺旋槳的功率,平滑過渡的話沒事,但如果轉換過猛,速度還沒有上去,短翼難以產生足夠的升力,就會出問題。從旋翼機模式轉換到直升機模式,逐漸增加旋翼/尾槳的功率,同時減少推進螺旋槳的功率,如果轉換過猛,額外的升力使飛機難以保持飛行姿態,突然增大的阻力也給飛行控制帶來很大的困難。即使在直升機模式,剛性旋翼也只有有限的側飛、倒飛能力,懸停控制能力也大為不如常規的直升機。由於種種飛行控制上的困難,夏安在試飛中接連出惡性事故,機毀人亡。夏安的過於複雜的火控系統也是問題多多,解決遙遙無期。


平飛狀態的“夏安”

夏安眼看著就要終止,越南戰爭正在尾聲,美國的注意力重新轉向歐洲。面對中歐的巨大的反坦克壓力,以及日益嚴重的蘇軍機動防空火力(包括自行高炮和防空飛彈)和肩射防空飛彈的威脅,美軍開始探討以貼地機動為主的直升機作戰模式,這樣,夏安的高速度就沒有必要,而夏安有限的非常規機動能力就成為缺陷。儘管洛克希德最後解決了所有出現的飛行控制問題,美國陸軍還是在第三次墜機後取消了夏安計劃,代之以先進攻擊直升機(Advanced Attack Helicopter,AAH)計劃,採用簡化的火控系統和成熟的常規旋翼系統。貝爾的競標方案凝聚了AH-1 的所有經驗,波音-伏托兒的方案採取了奇怪的像早期米-24 那樣的斜置雙座,兩個飛行員一前一後,但左右錯開,以提供最大限度的前方視界。但是幾家競標後,休斯的AH-64“阿帕契”最後勝出。以後的事都是眾所周知的歷史了。



貝爾YAH-63 與波音-伏爾托AAH 全尺寸模型

夏安的故事是一個虎頭蛇尾的故事。這是一個在特殊時期、採用特殊技術、按特殊要求設計的直升機。AH-64 的貼地機動戰術被證明是成功的,但夏安的高速機動戰術未必就一定不成功。第二次世界大戰中,美國最王牌的戰鬥機部隊是第56 戰鬥機群,其裝備不是大名鼎鼎的P-51“野馬”,而是公認的“只有速度和爬升、沒有機動性”的P-47。Zemke 上校創造的原始版“能量機動”戰術,在戰鬥中一次又一次地戰勝了機動性遠為優秀的Me 109。相比之下,擁有“不列顛之戰”期間“老鷹中隊”就打出來的老鳥的第4 戰鬥機群,裝備有先進的P-51“野馬”,但是戰績反而不及Zemke 的小伙子們。夏安沒有這樣的機會,其性能和戰術最終是否會得到成功已經無法證明。夏安死了,剛性旋翼的概念被鎖進文件櫃,洛克希德再也沒有涉足直升機領域。


在博物館頤養天年的夏安

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