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第14章 军用直升机(1)

直升机是靠发动机驱动旋翼旋转产生升力和推进力,能在空中垂直起降、悬停、定点回转、前飞、后飞和侧飞等可控飞行的飞行器。直斗机按照旋翼数量的多少和布局形式可分为三大类:单旋翼带尾浆式直升机、双旋翼直升机(包括共轴式、纵列式、横列式)以及新概念苴升机(如美国的倾转旋翼机V-22)。

直升机在军事上得到了广泛应用,特别是武装直升机在军事上更有着广阔的应用前景。但直升机速度低、载荷小、航程短、振动大、噪音高等弱点也非常明显,这正是当代航空科学技术要解决的问题。本章重点介绍几种主要的武装直升机。

(第一节)直升机的诞生及发展

直升机的发展历史漫长而又艰难。在人们为了实现升天梦想的探索过程中,它是最早被人们想到的一种升天方式。然而,直升机却像是一个难产的婴儿一样,就是迟迟不肯降生人世。当固定翼飞机已经升上天空自由翱翔时,直升机的探索者们还处于模型的研制阶段。

早在4000多年前,勤劳勇敢的中国人民就懂得了利用风力,并相继创造出了风车和风扇。此后,又发展出了一种由一根竹棒和几个竹片构成的“竹蜻蜓”。如果用双手夹住竹棒使劲一搓,“竹蜻蜓”就会发出“嗖嗖”的响声,飞向高高的天空,当它的惯性减弱以后,再慢慢地向地面降下。

虽然这种“竹蜻蜒”没有连续提供动力的装置,在与空气的摩擦过程中会越转越慢,当它飞到空中一定高度后便会慢慢地下降到地面,但它却给那些做升天梦的“发烧友”们以很大的启示。如果给这种“竹蜻蜓”装上一个适当的动力装置,连续不断地给它提供动力,那么它不就可以克服空气的摩擦力,在空中长时间地飞行了吗?但这又谈何容易。

大约到了明代的时候,中国的“竹蜻蜒”传到了欧洲,被称作“中国的飞行陀螺”。

15世纪,欧洲的一些人已经开始探索直升机的发展道路。最先设想直升飞行器,并画出了草图的人是意大利的一位著名画家达·芬奇。他在此之前曾提出过扑翼机的设想,虽然他没有进行进一步的探索,但他的设想却为后人提供了帮助。后来,达·芬奇又画了一张直升飞行器的草图,但不幸的是,他的这种直升飞行器草图同他的扑翼机草图一样,当时并没有发表。直到1893年,达·芬奇的这两种有关人类飞行探索的飞行器草图才出版发表。

虽然达·芬奇的这些设想都没有能够得以实现,但他的设计思想却有许多值得借鉴的地方。为了说明直升机探索的艰苦过程,后人根据他的草图仿制了一个直升飞行器的模型,并将它摆放在纽约的一个博物馆里,供人参观。

19世纪中叶,英国发明家乔治·凯利制作了一架直升机模型,它的头部尖如鸟嘴,机身就像海鸥一样呈流线型,上面装有两副向相反方向旋转的旋翼,旋翼为横向布局,尾部有垂直方向舵,并装有一台蒸汽机为其提供动力。虽然这个模型制作得相当完美,但它并没有飞起来,只是停留在模型阶段。

30余年后,意大利的一个土木工程师恩里科·弗拉尼尼又研制出了一架直升机模型。这个模型的重量仅3.6千克,采用双桨共轴式旋翼,装有一台0.184千瓦(0.25马力)的蒸汽机。恩里科·弗拉尼尼的这个模型比乔治.凯利的模型前进了一步,它在试飞中最高曾飞到了12.2米的高度,并在空中停留了20秒钟的时间。

2.直升机诞生的重重障碍

飞向天空的梦想,吸引了许许多多的人投身到发展飞机的科技领域中来,一部分人致力于固定翼飞机的发展,一部分人致力于直升机的发展。到20世纪初,直升机的发展进入了一个新的时期,法国、西班牙、意大利、德国、美国、俄国等国家的许多科学家,都在为直升机的研制而奋斗。这一阶段,诞生了许多直升机模型。

1907年8月24日,法国工程师布雷盖驾驶着他自己设计制造的一架直升机飞离了地面。这是世界上第一架由人驾驶着飞离地面的直升机。布雷盖的直升机模型成了直升机发展的一个重要起点。

由于受当时科学技术水平的限制,布雷盖直升机与现代直升机相比,看起来相当笨重。它装有四副旋翼,每副旋翼由八个巨大的双层桨叶组成,上面装有一台36.7千瓦(50马力)的发动机,可乘载一人。

布雷盖直升机的严重不足之处,那就是没有飞行操纵系统,这就使得布雷盖直升机的飞行稳定性极差,不能在天空自由飞行,为了制造更加完善的直升机,布雷盖又于第二年制造了第二架直升机,仍然没有解决飞行操纵的问题。在这个问题的困扰下,布雷盖于1909年制造了第三架直升机,因为他仍然没有解决直升机的飞行操纵问题,便暂时放弃了垂直飞行试验,等待时机成熟时再重操旧业。

虽然布雷盖放弃了垂直飞行试验,但许多不屈不挠的人们仍在这个领域里进行着艰苦的探索。在法国,有一个名叫保罗。科尔尼的人,他在布雷盖直升机飞行后不久,也制造了一架直升机。他是布雷盖的同乡。他制造的这架直升机采用双旋翼,旋翼直径约6米,纵向安装在旋翼支架上。这架直升机的动力装置为1台约18.3千瓦(25马力)的发动机,起落架很简单,是用四个自行车轮子制造的。保罗·科尔尼的直升机在多次试飞中,最高只飞了几十厘米(几英尺),留空时间也仅有20秒。这架直升机的问题同布雷盖直升机的问题一样,也是操纵性能很差。

1910年,在尤里耶夫的领导下,莫斯科高等技术学校的大学生们成立了一个直升机科研小组,经过两年的努力,制造出了一架与实物大小相当的单旋翼式直升机模型。这架直升机在1912年举行的国际浮空器展览会上获得奖章。尤里耶夫是前苏联气体动力学家,前苏联直升机制造的创始人。1910年,他就发明了自动倾斜装置,并成功地应用在直升机模型的设计制造上。

移居美国的俄国科学家德保泰扎特在垂直飞行方面的研究成就使其成了一个垂直飞行专家。他在1961年发表的一篇关于垂直飞行理论的论文中,详细地论述了直升机的设计问题,并给出了比较完整、准确的设计数据。德保泰扎特的论文对于直升机的设计具有非常重要的参考价值,后来被刑登在美国的国家航空咨询委员会(NACA)的报告上,引起了美国陆军的极大重视。

1912年,美国陆军与德保泰扎特签订了一项合同,为美国陆军研制一种直升机。经过一年的努力,德保泰扎特的直升机终于研制成功,并决定于1922年11月18日进行首次试飞。上午9时左右,美国陆军的试飞员坐上了早已停放在试飞场上的直升机。随着发动机轰鸣声的响起,直升机的四副大旋翼就像巨大的风车转动了起来,只见直升机慢慢地飞离了地面,十分稳定。直升机的试飞成功,赢得了现场观众一阵阵的欢呼声。

德保泰扎特制造的这架直升机重达1626千克,其动力装置为一台132千瓦(180马力)的发动机,旋翼的转速为90转/分。为了控制旋翼的转速,德保泰扎特在发动机上安装了一个油门调节器。这架直升机的飞行操纵系统与普通飞机的飞行操纵系统相似,但机械操纵系统比普通飞机的要复杂,因此,驾驶起来比较困难。鉴于这种情况,美国陆军提出了对第一架直升机进行改进的要求,主要有:重新设计中机身,提高结构强度,减小振动;重新设计旋翼,并减小尺寸。虽然德保泰扎特进行了种种努力,但后来试飞的结果仍不能令人满意。由于德保泰扎特设计的这种直升机的机身结构超重,实用升限太低,不能满足美国陆军的要求,美国陆军便于1924年放弃了这项长达三年之久的发展计划。

德保泰扎特的失败,竟使直升机的发展出现了一个停滞不前的时期。虽然不甘寂寞的布雷盖在此期间又制造了一架共轴式直升机,但在1922年到1936年问的15年中,直升机在技术上没有取得惊人的进展,在性能上也没有什么重大突破。

令人不可想象的是,从直升机模型向实用型直升机的过渡竟然如此艰难。但世上却又有一些人,就是不向困难低头,敢于向困难发起挑战。正是在这种精神的推动下,本世纪30年代后期,直升机的发展出现了重大的转折,并迅速地向实用型迈进。

3.直升机的诞生

1937年,德国的福克·沃尔夫公司研制成功了一架直升机。这架直升机的研制成功,不仅打破了直升机发展多年停滞不前的局面,而且它的试飞成功震动了全世界的航空界。

这架被称为FW-61的直升机袭用了普通飞机的机身和方向舵,采用双桨横列式旋翼,安装有一台121千瓦(165马力)的发动机,发动机安装在机身的前部,起落架为三轮式,看起来样子十分古怪。特别值得一提的是,这架直升机打破了垂直飞行器的全部记录。这个样子古怪的飞机,就是世界上第一架能够在空中盘旋的真正的直升机。

1937年的一天,一个名叫汉娜·里特斯的女子,驾驶着这个样子古怪的飞机,从德国的柏林起飞,以68千米/小时的速度慢慢地飞到了英国的伦敦。进行这种长距离的飞行,在当时,这还是破天荒的第一次。

FW-61直升机诞生不久,就赶上了希特勒发动的世界大战。虽然法西斯德国于1940年将其作为FA-233型战斗机投入了生产,但却因为德国官方的意见分歧和战时的生产困难,预定计划未能实现,直到1945年仅生产出三架飞行性能良好的样机。

就在德国人生产直升机样机的同时,太平洋彼岸的美国有一位名叫伊戈尔·伊万诺维奇·西科尔斯基的人,于1939年研制成功了世界上第一架实用型的代号为VS-300的直升机,并成功地进行了试飞。

早在20世纪初,西科尔斯基就曾从事过直升飞机的设计制造工作,第一次世界大战前,他设计的“格兰德”、“俄国勇士”和“伊里亚·穆罗梅茨”三种飞机,均以航程远而著称,并为多发动机飞机奠定了基础。前苏联十月革命后,西科尔斯基于1919年移居美国,不久在美国开办了一家航空公司。1939年后,西科尔斯基再次转回到直升机的设计制造中来。

西科尔斯基设计的VS-300是一种比较成功的直升机,在最初的设计中,他采用了一副主旋翼和三副尾桨,经过多次的试飞,他发现只要有一副尾桨就足以产生所需的偏转力矩,便将三副尾桨拆除了两副。这样,西科尔斯基就为实用型直升机制定了一种比较完美的外形,为后来直升机的发展指明了方向。

经过400多年的发展,直升机从一个莫名其妙的旋锥体,到具有现代直升机初步功能的FW-61、C-8LII、VS-300和R-4,形成了最初样式的实用型直升机。但对于有巨大发展前途的直升机来说,这仅仅是解决了直升机升空与飞行的最必要的技术,其工艺水平也还停留在较为粗糙的原始阶段。20世纪40年代后,直升机在人类几百年技术积累的基础上,进入了一个飞速发展的新阶段。发动机从活塞式发展为喷气涡轮轴式;旋翼由木料加麻布结构、金属木翼结合结构、全金属结构、玻璃纤维结构,发展到新型材料结构;材料和制作工艺的进步,也使直升机的性能和用途得到了较快的发展。特别是自VS-300直升机之后,1942年,第一架生产型直升机VS-361、军用编号为R-4的直升机进入定型生产。这种可供两名驾驶员并排而坐的R-4直升机于1942年作了首次飞行。飞行实践表明,R-4是世界上第一种真正有发展前途的直升机。继R-4后,直升机被逐步运用于专用航空,军方则逐步将其用于一定的军事目的。至此,直升机才真正走上了服务于人类的坦途。

4.直升机在军事上的应用

在旋翼航空器的分类上,旋翼机与直升机尽管在外形上有相似的地方,但它们却是两种不同的航空器。旋翼机是一种利用前飞时的相对气流吹动旋翼自转以产生升力的旋翼航空器,全称自转旋翼机。直升机则是以动力驱动的旋翼作为主要升力来源,能垂直起落的重于空气的航空器。从外型看,旋翼机同单旋翼直升机非常相似,都装有一副巨大的旋翼。但是,单旋翼直升机的旋翼是由其发动机驱动,使其在空气中运动产生升力的,所以空气对它有反作用力矩。为了平衡掉这个反作用力矩,才需在机尾装一抗扭螺旋桨。旋翼机则不需要装尾桨。因为它的旋翼是靠迎面气流吹动的。其气流的产生是靠装在前部或后部的螺旋桨牵引(推进)旋翼机前进,旋翼机与空气相对运动的结果,就会有气流吹动旋翼。旋翼机出现于19世纪20年代,而旋翼机与直升机是有本质不同的。现代直升机要发展,必须告别旋翼机型,向动力旋翼机型发展。40年代后,直升机的兴起基本完全取代了旋翼机。但早期的旋翼机也曾发挥过一定作用。如1942年,美国凯雷特公司制造的Y-60旋翼机曾被美国陆军用于观察。2名空勤人员串置于封闭座舱内。该机装有1台210.5千瓦的星型活塞式发动机。

1943年,由弗兰克.皮阿赛基设计的PV-2单座单旋翼直升机问世。这种直升机的旋翼有三桨叶,可折叠旋翼放在普通的汽车内。Pv-2曾进行过多次公开表演,观众为之轰动。

1944年,美国制造的第一架共轴反转双旋直升机,是由小斯坦利·希勒设计的,经试飞获得成功。

1944年,英国谢尔瓦(亦译西尔瓦)公司用w·9单旋翼直升机进行了一项试验,这是该公司最后一批研究项目之一。这架直升机的旋翼有三片桨叶。试验目的是用机身尾段装的空气喷气系统来抵销空气对旋翼的反作用力矩。

在这一阶段,军用直升机还基本是处于最初级的探索阶段。设计师们的主要精力不是解决军事用途问题,而是进一步解决直升机的基本性能问题。但就在这一时期,即1944年,德国在“龙”式运输直升机上加装了一挺7.92毫米的机枪,从而使Fa-223“龙”成为世界上第一种装有武器的直升机,“武装直升机”的帷幕也由此被拉开。

二、军用直升机及其分类

1.军用直升机

直升机买际上严格地说小算是飞机,它是一种航空器。直升机是依靠发动机带动旋翼产生升力和推动力的航空器。它能够垂直起降、空中悬停、原地转弯并能随意向各个方向飞行,是军队的重要技术装备。

直升机主要由机体和升力(含旋翼和尾桨)、动力、传动三大系统以及机载飞行设备等组成。旋翼一般由涡轮轴发动机或活塞式发动机通过由传动轴及减速器等组成的机械传动系统来驱动,也可由桨尖喷气产生的反作用力来驱动。

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