皮亞塞茨基的夢想

小鵬

旋翼，顧名思義，可以理解為旋轉(zhuǎn)的機翼，其概念最早可以追溯到中國古代書籍中描述的一種木制玩具——竹蜻蜓。用手搓動它使其旋轉(zhuǎn)就可獲得一定的升力，從而能夠飛到一定的高度。這種玩具的靈感可能來源于一些樹木的種子，這些種子的奇特形狀使其在空氣中落下時就會旋轉(zhuǎn)起來。到15世紀(jì)末期，達芬奇用他高超的繪畫技藝向我們展現(xiàn)了一種直升機的設(shè)計方案，圖畫中的飛行器具有一個螺旋面，按照達芬奇的設(shè)想，這樣的螺旋面以正確的方向旋轉(zhuǎn)起來就會像螺絲一樣獲得向上“鉆入”空氣中的動力。自此以后，人們提出了許多關(guān)于飛行的設(shè)計方案，但由于缺少合適的動力來源和對升力產(chǎn)生機制的了解，真正實用可行的飛行器一直沒有被制造出來。直到19世紀(jì)內(nèi)燃機的發(fā)明和完善為飛行器的設(shè)計提供了可靠的動力來源。

早期旋翼飛行器的探索

與固定翼飛機類似，旋翼飛行器也依靠與空氣的相對運動來獲得升力。不同的是，旋翼飛行器依靠對稱分布的多個葉片的繞軸高速轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)對空氣的相對運動，從而可以在獲得升力的同時保持機身一定程度的靜止，實現(xiàn)懸停的狀態(tài)。這是旋翼飛行器的一個明顯的特點和優(yōu)勢。

法國航空先驅(qū)阿蒙科特被認(rèn)為在其1863年的一本專著中發(fā)明了“helicopter”一詞。另外他還曾設(shè)計建造了一架蒸汽動力的共軸雙旋翼機模型，但是這架模型機沒能飛起來，現(xiàn)在存放在法國航空博物館。一般認(rèn)為，法國的布雷哥特兄弟在查理教授的帶領(lǐng)下，設(shè)計建造了世界上最早的旋翼航空器。1907年8月24號，這架旋翼機成功地“飛”到了60厘米的高度，還是在4名助手幫助實現(xiàn)穩(wěn)定的情況下。這架被稱為“旋翼機一號”的航空器的機身實際上只是一個開放的框架，具有四副旋翼。一條對角線上的一對旋翼沿順時針方向旋轉(zhuǎn)，另一條對角線上的則逆時針轉(zhuǎn)動。這架機既不可控也不可操縱，但這是第一次一架旋翼機成功地把自己和一名駕駛員抬升到了空中。

之后，布雷哥特兄弟又設(shè)計了第二架“旋翼機”。這架帶有兩副旋翼和一副固定機翼，它成功地飛行到大約4米的高度，但是在著陸時損壞了。此后，他們一度放棄了設(shè)計。

法國人保羅·克努是一名自行車制造商和工程師，他設(shè)計了第一架真正的旋翼飛行器，并在1907年11月13號成功進行了無系留試飛。這架飛行器具有兩個縱向布置的沿相反方向旋轉(zhuǎn)的旋翼，在第一次20秒的飛行中成功飛到了30厘米的高度。但是它不具有很好的操縱性，在幾次飛行后即被廢棄?？伺罄^續(xù)研究，提出了許多與旋翼機相關(guān)的技術(shù)概念，但沒有制造任何新的機型。

在美國試飛的第一架直升機則是由埃梅里·伯林納設(shè)計、由約翰·威廉姆斯制造的，在1908年成功進行了首飛。這架直升機采用共軸反轉(zhuǎn)雙旋翼，由一臺36馬力（24.5千瓦）的引擎驅(qū)動，據(jù)記載，威廉姆斯乘坐這架直升機成功抬升到了0.9米的高度。伯林納在20世紀(jì)20年代繼續(xù)建造了其他的直升機，但沒有一種投入大規(guī)模生產(chǎn)。

法國人艾提恩在1921年完成了一次成功的直升機飛行。他在1922年提出了一種新的航空器設(shè)計，具有垂直安裝的小旋翼和巨大的水平旋翼，其中較小的旋翼發(fā)展成了后來的尾旋翼。艾提恩同時也是專門從事昆蟲翅膀功能研究的生物學(xué)家，特別是對蜻蜓的研究，引發(fā)了后來對柔性旋翼葉片構(gòu)造的進一步研究。

20世紀(jì)20年代到40年代的探索

波茲薩特博士是一名來自俄羅斯的教授。作為科學(xué)家和數(shù)學(xué)家的他來到美國后發(fā)表了第一篇關(guān)于旋翼飛行器空氣動力學(xué)的論文。在1921年，他收到了來自美國軍方的保密合同，要求他設(shè)計一種試驗性的直升機。他和助手在俄亥俄州的代頓市設(shè)計并建造了一架被稱為“飛行章魚”的飛行器。它有4副直徑6米、由6個葉片組成的巨大旋翼，安裝在十字型桁架的4個端點處。每副旋翼的葉片槳距獨立可調(diào)，可以分別進行總距操作。這架直升機在1922年12月18號進行了首次飛行，整個飛行持續(xù)了不到2分鐘，飛到1.8米的高度。在接下來的兩年內(nèi)又進行了超過100次飛行。在換裝了更加強大的引擎后，試飛證明這架直升機具有很好的穩(wěn)定性，但從未達到超過9米的高度。它還需要有利的風(fēng)向來實現(xiàn)向前飛行。在花掉將近20萬美金后，軍方取消了這一項目。直升機被認(rèn)為是不夠強大，反應(yīng)遲緩、機械復(fù)雜、操作起來難度還挺大。

直到1933年，世界上第一架縱列式雙旋翼直升機才真正實現(xiàn)首飛。它是由俄羅斯工程師弗洛林設(shè)計的。其兩副旋翼采用了同向旋轉(zhuǎn)的方式，依靠二者朝相反方向的輕微傾斜來抵抗反作用扭矩。1933年，弗洛林駕駛這架直升機實現(xiàn)了不到10分鐘，高度4.5米的飛行。但他的設(shè)計后來遭遇了諸多困難，研究工作中斷，這架機器也在二戰(zhàn)中被毀壞了。

2 0世紀(jì)3 0年代，重新回到旋翼飛行器研究領(lǐng)域的布雷哥特設(shè)計了一架試驗性的直升機Gyroplane Laboratoire，直譯過來就是“實驗型旋翼機”。這是一架共軸雙旋翼直升機。兩副旋翼反向旋轉(zhuǎn)，一副的旋轉(zhuǎn)軸安置在另一副的旋轉(zhuǎn)軸內(nèi)部，每一副旋翼都抵抗另一副旋翼產(chǎn)生的反作用力矩。1933年進行了首次飛行，但在測試中嚴(yán)重?fù)p壞，到1935年又開始了飛行試驗。在這架直升機上，第一次采用了周期變距操縱來實現(xiàn)飛行側(cè)向和前后方向的移動，以及采用總距操縱來實現(xiàn)垂直方向的移動。到1936年測試末期，這架直升機已經(jīng)可以做到留空超過一小時，表現(xiàn)出了很好的操控性。

二戰(zhàn)時期，德國的?？私淌诶靡患蹻w-44教練機的機身改裝出了一架試驗機Fw-61，主要的改造是在機身左右兩側(cè)橫向布置了兩副旋翼，由機身頭部原有的星形發(fā)動機驅(qū)動。同時該發(fā)動機還帶動一個小螺旋槳，用來提供冷卻氣流，此項設(shè)計一共建造了兩架原型機。福克后來成立了一家公司Focke-Achgelis，并提出了新的Fa-61設(shè)計方案。之后進一步發(fā)展了Fa-223（第一個生產(chǎn)型直升機）和 Fa-266（運輸直升機）兩型直升機。Fa-223只生產(chǎn)了20架，其中一架還在戰(zhàn)爭中被英國俘獲。在1945年飛往英國的過程中它成為了第一架飛躍英吉利海峽的直升機。

西科斯基R-6與辭職的皮亞塞茨基

在美國，伊戈爾·西科斯基極大地推動了日后可以稱為直升機標(biāo)準(zhǔn)布局的單旋翼帶尾槳類型直升機的發(fā)展和生產(chǎn)。在20世紀(jì)30年代末期，時任聯(lián)合飛機公司“沃特-西科斯基”分部的工程部經(jīng)理的西科斯基設(shè)計并建造了VS-300。該型機使用了用一臺引擎同時驅(qū)動主旋翼和尾槳的設(shè)計方案。1941年5月，VS-300成功實現(xiàn)留空1小時32分鐘，打破了由Fa-61保持的世界紀(jì)錄。與此同時，西科斯基還進行了世界上第一架生產(chǎn)型直升機R-4的研究工作。1943年8月，西科斯基公司的R-5原型機進行了首飛，1946年放大版的S-51成為了第一型商用直升機。1943年10月，作為R-4改進型的R-6原型機也進行了首飛，在1946年開始交付美國軍方。

1938年，哈維蘭·普拉特和勞倫斯·拉帕吉成立了普拉特-拉帕吉飛機公司。拉帕吉曾專門飛往德國與Fw-61的設(shè)計者見面。但由于美德關(guān)系的惡化，會談被迫中止。為競標(biāo)美國軍方的旋翼飛行器項目，拉帕吉繼續(xù)他們自己的橫列雙旋翼直升機的設(shè)計工作，最終給出了與Fw-61類似的設(shè)計方案XR-1。在與西科斯基的單旋翼方案的競爭中，XR-1最終獲勝，在1941年5月贏得了軍方的合同。XR-1方案為雙座機，通過傳動系統(tǒng)將動力傳輸?shù)叫?。傳動系統(tǒng)的設(shè)計則使用了一種類似汽車上的差動器。項目團隊中的一個年輕的工程師并不贊同這樣的設(shè)計。在一次由差動器故障導(dǎo)致的墜機后，年輕的工程師辭去了職位，他叫弗蘭克·皮亞塞茨基。

盡管西科斯基的單旋翼直升機在美國軍方的服役期間取得了成功，但這些直升機在載重和重心允許變動范圍上仍然有很多限制。

皮亞塞茨基辭職后，西科斯基公司修復(fù)了那架損壞的XR-1。但它又在1943年的一次飛行測試中墜落。第二架原型機XR-1A在1944年10月也發(fā)生了墜落事故，隨后被廢棄。多年的測試后，軍方最終在二戰(zhàn)末期取消了和普拉特-拉帕吉公司的合同。損壞的XR-1A被修復(fù)后輾轉(zhuǎn)多手，最終被皮亞塞茨基購得。

皮亞塞茨基1919年10月24日出生于賓夕法尼亞州的一個波蘭移民家庭。他在賓夕法尼亞大學(xué)學(xué)習(xí)機械工程，1940年21歲的時候獲得了紐約大學(xué)航空工程學(xué)士學(xué)位，同一年，和賓夕法尼亞大學(xué)的其他年輕工程師一起創(chuàng)立了PV公司（1946年改名為皮亞塞茨基直升機公司）。他們的第一件作品PV-1直升機就采用了與眾不同的設(shè)計，單旋翼不帶尾槳，利用新潮的渦輪引擎的噴射氣流來提供反扭矩的力，但是由于設(shè)計太過超前，計劃采用的渦輪引擎技術(shù)還不可靠，PV-1最終沒有制造出實機。之后的PV-2上，他們回到了比較傳統(tǒng)的設(shè)計，采用了單旋翼帶尾槳方案，在1943年4月進行了首飛。PV-2的設(shè)計獲得成功后，皮亞塞茨基為了推廣這型直升機，駕駛著它四處做飛行演示，甚至降落在加油站，讓工作人員給他的飛機加滿油，順便擦擦擋風(fēng)玻璃，儼然一副開著豪車兜風(fēng)的排場。

皮亞塞茨基的輝煌不會僅僅停留在此。

在PV-2的成功演示之后，1944年1月，PV公司接到了美國海軍的開發(fā)合同，要求完全重新設(shè)計一種直升機，基本要求是能有817千克的載重能力。

技術(shù)發(fā)展到這個時候，人們已經(jīng)有足夠的經(jīng)驗來總結(jié)不同旋翼布局的優(yōu)劣了。

轉(zhuǎn)動著的旋翼不可避免地要對驅(qū)動它的發(fā)動機產(chǎn)生反作用力矩，而發(fā)動機一般安裝于機身上，力矩最終傳到了機身，讓機身不自主的打轉(zhuǎn)。如果不采取抵抗力矩的措施，整個直升機將無法飛行。四種布局形式都需要解決這一問題。

單旋翼布局用尾槳來反力矩，可這樣的尾槳不僅帶來了安全問題，還白白消耗著發(fā)動機功率。不增加任何升力卻帶來了額外的阻力，一切代價只是為了反力矩。當(dāng)直升機被設(shè)計得越來越大和越來越快的時候，尾槳只能相應(yīng)增大尺寸，使旋翼的缺點也得到了放大。

雙旋翼的設(shè)計用反轉(zhuǎn)的兩個旋翼來相互抵消反作用力矩，的確是很好的設(shè)計，但雙旋翼運轉(zhuǎn)的相互協(xié)調(diào)同樣是難點。在共軸式上，不僅共軸的機械裝置復(fù)雜，兩副旋翼還需要間隔足夠的距離，防止相互碰撞，結(jié)果增加了阻力，損失了升力。在橫列式上，橫置的雙旋翼極大地影響著橫滾穩(wěn)定性。

但皮亞塞茨基在XR-1項目工作期間曾注意到，XR-1在側(cè)向飛行時表現(xiàn)更好，由此產(chǎn)生了將雙旋翼縱向布置的設(shè)計思路。

縱列式同樣具有系統(tǒng)復(fù)雜、維修工作量大等問題，卻又有著自身獨有的優(yōu)點。由于有兩個旋翼產(chǎn)生升力，每一旋翼的尺寸可以縮小，可以更多的場合起降。兩個旋翼可以做到不安置在同一水平面上，從而相互有重疊，這樣就可以縮短機身，整體布局更加緊湊。通過調(diào)節(jié)兩個旋翼的升力比，可以使得機身向前或向后傾斜，這種額外的前傾方式可以讓直升機更快地轉(zhuǎn)入水平前飛狀態(tài)?？v列式直升機還可以做到前機身懸停，尾部搭在一些突起高地上，為在一些特殊地形的人員進出提供便利。

于是，皮亞塞茨基結(jié)合了PV-2項目中收獲的經(jīng)驗和在XR-1項目中的經(jīng)歷，與PV公司推出了設(shè)計合同的原型機，即采用縱列雙旋翼設(shè)計的 PV-3。皮亞塞茨基將后部的旋翼設(shè)計成高于前部旋翼所在平面，從而消除了前旋翼產(chǎn)生的、吹向后旋翼進而影響穩(wěn)定性的下洗流，這一設(shè)計為縱列式布局贏得了更多認(rèn)可。1945年3月7號，PV-3進行了首次飛行。1946年又制造了兩架改型機，隨后，其被賦予了XHRP-1的名稱。1947年改名為HRP-1，開始進行一共38架的批量生產(chǎn)。HRP-1一直服役到50年代中期，其鮮明的外形特點很快贏得了“飛行香蕉”的綽號，并在后面皮亞塞茨基設(shè)計的縱列式直升機上一直沿用。采用金屬蒙皮的改進型也被開發(fā)出來，稱為HRP-2。

1945年，美國海軍提出需要一種能從航母、戰(zhàn)列艦和巡洋艦上起飛的緊湊型救援直升機。皮亞塞茨基的縱列式設(shè)計方案XHJP-1獲勝，批量生產(chǎn)后命名為HUP-1.其能夠搭載兩名機組成員和四到五名乘客。到1954年7月，總共有269架HUP和70架陸軍的H-25A交付。HUP-1是海軍最初賦予的編號，其后續(xù)的升級型一開始也被依次稱作HUP-2，HUP-2S和HUP-3。但隨后HUP-3被稱為H-25B，1962年又改稱H-25C。

H-21一開始是由皮亞塞茨基為美國空軍開發(fā)的一款北極救援直升機，基本使用了HRP-2的配置布局，1952年實現(xiàn)首次飛行。美國空軍訂購了32架H-21A搜救直升機和163架動力更為強勁的H-21B運輸直升機。美國陸軍則訂購了H-21C，其具有1816千克的吊重能力。1956年，美國空軍使用H-21創(chuàng)造了兩項世界紀(jì)錄——447千米每小時的速度記錄和6633米的高度記錄。1956年，一架美國陸軍的H-21C完成了首次橫跨美國的連續(xù)飛行，歷時37小時。從1954年到1959年，一共生產(chǎn)了707架H-21，其中150架出口到西德、加拿大、法國和日本等國。1961年11月，32架陸軍的CH-21第一次部署到越南。CH-21在戰(zhàn)斗中試驗了很多新型直升機軍事行動，成為了越南戰(zhàn)爭中美軍首要的兵員運輸工具。戰(zhàn)爭中，CH-21開始加裝防護裝甲，配備機槍用以自衛(wèi)。1962年7月，在老撾越南邊界附近的昆嵩省，一架CH-21C被擊落，造成了越南戰(zhàn)爭中美軍的首次傷亡。1964年，采用渦輪發(fā)動機的“休伊”UH-1開始取代CH-21成為新的運兵直升機，到1965年底，大部分CH-21直升機從美國陸軍和空軍中退出現(xiàn)役。

“支奴干”和“海騎士”修成正果

為滿足空軍對搜尋轟炸機飛行員的遠程搜救直升機的需求，皮亞塞茨基啟動了YH-16的研發(fā)，1953年10月23號實現(xiàn)首飛。YH-16是當(dāng)時世界上最大的直升機，安裝有直徑達24.6米的旋翼。機身尺寸與DC-4運輸飛機相當(dāng)，能夠承載40名乘客或6356千克的貨物。還曾設(shè)計了一種安裝有較高起落架的版本，以便加裝可拆卸吊艙。首架機YH-16由兩臺普惠R2180引擎提供動力。第二架原型機YH-16A則安裝有兩臺阿里森T38渦輪軸發(fā)動機。第三型設(shè)計YH-16B計劃采用兩臺艾利森T-56渦輪軸發(fā)動機，但1955年12月YH-16A在一次試驗飛行中的墜毀導(dǎo)致整個項目被取消。

朝鮮戰(zhàn)爭證明了直升機具有十分廣泛的用途和顯著的效用。但是一直到50年代中期，傳統(tǒng)往復(fù)式發(fā)動機限制著直升機能力的進一步提升。正如對固定翼飛機來說是一場革命，渦輪軸發(fā)動機對于直升機來說，同樣是一場革命。1956年，皮亞塞茨基在與公司董事會大吵一架后辭去了主席職位。皮亞塞茨基直升機公司改名為維托爾Vertol（意為“垂直起降”）飛機公司。剛剛成立不久，新公司即啟動了新型渦輪動力直升機的研究。他們認(rèn)為這類直升機具有的性能應(yīng)該是美國軍方需要的。維托爾的初步設(shè)計部門主任托馬斯·佩普和軍方專家進行了深入交流，了解到軍方真正想要的是一架能頂?shù)蒙?個半卡車的運輸能力的飛機。維托爾的設(shè)計團隊繼續(xù)和軍方人員深入交流，逐漸明確了主要設(shè)計要求，提出了大約300種設(shè)計方案，最后得出結(jié)論，縱列式雙旋翼是唯一能夠滿足這些要求的布局形式。

1957年7月，維托爾正式向軍方闡釋了Vertol 107直升機項目的三步走戰(zhàn)略。首先，基于H-25和H-21建造一架技術(shù)驗證機。然后，利用從Vertol 107獲得的經(jīng)驗和數(shù)據(jù)設(shè)計新的旋翼和動力系統(tǒng)。最后，設(shè)計一架新型的軍用中型運輸直升機Vertol 107-1。Vertol公司在1957年5月開始了第一架Vertol 107原型機的研制，1958年4月22號首飛，這架原型機被命名為YHC-1。隨后維托爾公司收到10架Vertol 107的初步合同（這批直升機被命名為YHC-1A）。1958年6月25號，美國軍方宣布開始軍用中型運輸直升機的競標(biāo)，五家公司提交了自己的設(shè)計方案。1959年3月4號，軍方最終宣布選擇維托爾公司，給了10架的訂單。

但是美國陸軍認(rèn)為YHC-1A用于攻擊行動來說太重了，用于運輸又太輕了，因此同時要求設(shè)計一個更大的版本。維托爾公司于是開始Vertol 107-1的設(shè)計，后來定名為V-114。1959年6月，維托爾收到了5架V-114原型機的生產(chǎn)合同，生產(chǎn)型V-114后來被命名為YHC-1B。這樣一來，維托爾公司同時進行著兩種直升機的研究和生產(chǎn)，公司應(yīng)對能力有所不足，導(dǎo)致了波音對維托爾的收購。1959年11月，維托爾和波音公司宣布正在協(xié)商收購相關(guān)事宜。1960年3月，維托爾公司成為了波音的一個分部。

一些較小的YHC-1A受到海軍陸戰(zhàn)隊的歡迎。在一番改進后最終被美國海軍和海軍陸戰(zhàn)隊采用，命名為CH-46“海騎士”，主要擔(dān)任運輸物資和人員的任務(wù)。海軍陸戰(zhàn)隊主要用它把部隊從艦上運到岸上，再從駐扎地運到作戰(zhàn)位置。海軍則主要使用它把裝備運到艦上或執(zhí)行搜救任務(wù)。

軍方對最初5架YHC-1B原型機的合同進行了修改，增加訂購了5架標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)型號的YHC-1B（后被命名為HC-1B）。1961年，維托爾收到了第二份生產(chǎn)合同，要求額外生產(chǎn)18架HC-1B。1962年7月，所有的YHC-1B和HC-1B被分別命名為YCH-47A和CH-47A“支奴干”。它后來又發(fā)展出B、C、D等型號，目前仍在進行現(xiàn)代化改裝。CH-47是美軍主要的運輸直升機，也是唯一的中型運輸直升機。CH-47D型是現(xiàn)今美國陸軍空中運輸?shù)闹髁Γ钚碌腃H-47F也已經(jīng)在2006年完成組裝，逐步交付部隊。