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不死的波音CH-47“支奴干”

发布时间:2013-05-06  原作者:晨枫   点击数:

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  50 年前,美国陆军接收了第一架伏托尔 CH-47A“支奴干”重型直升机。在那个航空技术飞速发展的年代,大概没有人会意识到,50 年后的美国陆军依然以 CH-47F 为重型战术空中机动的主力。不同的是,50 年后的今天没有人可以肯定,但要是看到“支奴干”一前一后的两个巨大旋翼继续旋转 50 年的话,也并不奇怪。

50 年前第一架 CH-47 首飞

  直升机的奥秘在于旋翼,转动的旋翼通过与空气的相对运动,使得静止的直升机也可以产生足够的气动升力,达到垂直起飞和着陆的能力。不过旋翼在转动中切割空气产生升力的同时,也对机身产生反扭力,不加遏制的话,直升机会在空中打转转,无法正常飞行。常规直升机采用尾桨来对消旋翼的反扭力,问题是尾桨消耗的功率和带来的阻力对推进和升力没有任何作用,纯粹是为了维持飞行稳定。尾桨的尺寸不能太大,否则容易触地,或者挂上电线、树枝或者其他障碍物。较小的尾桨只有增加转速来提供足够的反扭力,成为直升机噪声的重要来源。直升机速度越快,或者起飞重量越大,尾桨的问题就越突出。

  同轴反转的两副旋翼可以互相抵消反扭力,但套轴不仅在机械上比较复杂,带来一系列设计、制造和可靠性问题,还需要在上下旋翼之间留有足够的间距,避免弹性的旋翼互相碰撞,但这样不仅造成旋翼的升力损失,也增加了迎风阻力。像挑扁担一样在机翼两端横向布置一对反转的旋翼也可以达到对消反扭力的目的,但相距很远的旋翼对横滚稳定性是一个挑战,在地面效应不均匀或者遇到强烈侧风的时候容易导致失稳。

皮亚塞基 PV-2 是第一种串列双桨直升机,这是 40 年代末美国海军陆战队正在作战评估和试验

  另一个方法就是像“支奴干”一样前后布置反转旋翼,这也称串列双桨。这是弗兰克皮亚塞基发明的。皮亚塞基是美国直升机的先驱,他的 PV-2 是美国第二架直升机,仅仅落后于西科斯基的 V-300 一步。在二战尾声时,皮亚塞基的 PV-3(美国海军代号 HRP-1G)成为第一架串列双桨直升机,并为美国海军和海岸警卫队小批生产,用于搜索救援。HRP-1G 的外形向上弯曲,所以被戏称为“飞行的香蕉”。1955 年皮亚塞基出售一部分皮亚塞基直升机公司股份后,和其他股东发生冲突,离开了以自己名字命名的公司,另外开了皮亚塞基飞机公司,股东们则把皮亚塞基直升机公司改名为伏托尔飞机公司,伏托尔(Vertol)是垂直起落(Vertical Take Off and Landing)的异体缩写。1960 年,伏托尔被波音购入,改名为波音伏托尔,1987 年再次改名为波音直升机分部。

  在波音伏托尔时代,“飞行的香蕉”进一步演变成为美国陆军的 CH-47“支奴干”。美国陆军有用印第安人部落的名字命名直升机的传统,支奴干也不例外。UH-1“休伊”、AH-56“夏延”、AH-64“阿帕奇”、RAH-66“科曼奇”都以印第安人部落命名,就是 UH-60“黑鹰”也是以萨乌克印第安人的武士领袖命名的。支奴干是美国西北的太平洋沿岸几个印第安人部落的总称。

CH-47 一出世,就在越南投入大规模使用

不光用于运兵,也用于吊运战损或者故障的轻型直升机

甚至可以吊运战斗机

机舱宽大,便于运兵,或者运送伤员担架

宽大的机舱还可以装运导弹等大型装备

装上机枪和火箭后,就成为强大的火力平台

  从军伊始,“支奴干”就投入了激烈的越南战争。在越南,CH-47 不仅用于运兵、运送物资,还用于救援受到战损尔不能飞返基地的轻型直升机,尤其是 UH-1。CH-47 出色的外挂吊运能力可以把完整的 UH-1 从战场吊走,运到后方修复。同样的吊运能力也可以用于运送车辆、火炮,使越战时代开始的空中机动概念从轻装步兵扩展到炮兵和摩托化步兵,极大地提高了空中机动部队的战斗力和机动性。由于 CH-47 宽大的机身和很大的装载能力,一些 CH-47 被改装为空中火力平台,安装多挺机枪,尤其是超高射速的加特林机枪,可以 6,000 发/分以上的射速在短时间内倾泄大量的火力,杀伤或者压制暴露的有生力量,对缺乏重武器和坚固工事的游击队尤其有效。在干运输直升机的老本行方面,CH-47 是较早采用尾门跳板的直升机,可以大大加速人员和车辆、物资的装卸,甚至容许在离地面不到 1 米高的极低空慢速前进的同时,让步兵从尾门跳板上直接跳落到地面,或者把减震托盘上的物资直接推落到地面,避免了着陆步骤,节约时间,也提高飞行安全。

与 H-47 同源的 CH-46 海上骑士

  同时代还有美国海军陆战队的 CH-46“海上骑士” 。在 MV-22 开始使用前,这是美国海军陆战队的主力战术空运直升机,更大的 CH-53 用于重型空运。同为串列双桨的 CH-46 比 CH-47 小一号,所以有“小支奴干”之称,也具有尾门。用于海上搜救的时候,尾门还是很方便的跳水平台,便于潜水救生员入水,也便于在水面悬停时把落水人员或者橡皮艇拖上直升机。

串列双桨在高低上可以重合,缩短全长

  串列双桨有一些特殊的优点,这些优点使得 CH-47 的魅力经久不衰。串列双桨的前后旋翼都安装在突起的“城堡”顶上,但后“城堡”高于前“城堡”,使得前后旋翼在水平方向上有所重叠,总长可以有所缩小。由于前后旋翼都产生升力,理论上串列双桨的旋翼直径比单旋翼布局可以降低 30%,进一步有助于整体的紧凑。最新的 CH-47F 和载重量相仿但采用单旋翼的西科斯基 CH-53E 相比,前者旋翼直径 18.3 米,后者为 24 米,非常接近于降低 30% 的理论值,在窄小的场地(如建筑群落中、树林中、悬崖边上等)上起飞降落的话,这 6 米的差距可能决定任务的成败。

CH-53E 的旋翼直径要比 CH-47 长 6 米

  直升机的旋翼不仅提供升力,也提供推力。在前飞状态下,旋翼通过挥舞铰增加桨叶轴线与水平面的前倾角,在产生升力的同时产生前飞的推力。但串列双桨还有一个额外的办法可以用来增加前倾角,就是增大后旋翼的出力,加大整体的前倾。这个能力使得串列双桨容易在紧急起飞的时候更快地转入高速前飞,有利于在敌人地面火力下迅速脱离起降场。反过来,串列双桨也可以在悬停中,让机尾轻轻“搭”在窄小但突起的高地上,比如山尖、屋顶阳台或者小船甲板,便于人员通过尾门迅速进出,但前机身依然处在悬停中。这是单旋翼直升机难以做到的。前后旋翼出力的短暂差别也可以用来迅速改变飞机指向,极大地提高机动性和在阵风中的控制能力。

串列双桨便于单点“搭”在狭窄平台上着陆

  当然,串列双桨也是有缺点的。前后旋翼必须保持严格同步,否则任一旋翼出现故障或者受到战损的话,飞机将在失去升力的同时,陷入反扭力的困局。相对来说,单旋翼的情况稍为好一点,旋翼故障或者战损也一样没救,但尾桨出了问题的话,还是可以用气动舵面维持一定的反扭力。为了保证串列双桨不至于因为发动机问题而出现不同步,串列双桨直升机的发动机需要通过复杂、沉重的同步轴和交联系统,才能驱动前后旋翼。这样,一台发动机故障的话,剩下的发动机只要增加出力,还是可以保证前后旋翼同步。两副旋翼也使得旋翼的总距控制和周期距控制机构加倍。总的来说,串列双桨的维修工作量比单旋翼要大很多,这是冷战结束后很多西方盟国开始对 CH-47 皱眉的原因,战略思维转变和对大战、恶战可能性的评估则是骆驼背上的最后一块磨盘,CH-47 在 90 年代从很多西方盟国退出现役。

英军的 CH-47

  但理论是灰色的,生命之树常青,CH-47 在一次又一次的战争中反复证明了纸上谈兵之辈的错误。早在 1982 年的马岛战争中,英军就对 CH-47 的载重量和可靠性赞不绝口。在“大西洋运送者”号被阿根廷的“飞鱼”导弹击沉后,英军最伤心的还不是葬身鱼腹的“鹞”式战斗机,而是同样使鱼类消化不良的 CH-47 直升机,只有一架在导弹攻击前因故起飞而幸免于难。英军只能用并不适合战术空运的“威塞克斯”和“海王”直升机对付着。若不是阿根廷的指挥错误和将士无能,英军的胜利会要艰难得多。在海湾战争中,CH-47 再次大显身手。在第 101 师千里大跃进的历史性空中机动作战中,CH-47 是物资和火炮运送的主力。在阿富汗战争中,CH-47 最受到称赞的还不是载重量和非常规机动性,而是在高原和干热气候下的重载起飞的能力。高原空气稀薄,干热气候进一步降低了空气密度,使得旋翼提供升力的能力大打折扣,而发动机由于高原和干热而出力不足进一步加剧了这个问题。加拿大在 90 年代撤装了所有 CH-47,在阿富汗只能借助美国 CH-47 实行空中机动和垂直补给。英国的 CH-47 不够用,只得紧急订购一批,尽管在预定的从阿富汗撤军日期之前不可能交货。

CH-47 的运载能力和高原高温能力在阿富汗大受欢迎

较大的航程也适合长途奔袭

  当然,过去的辉煌不等于未来的长生卡,CH-47 的载重量和高原性能已经得到证明,但是否能继续辉煌 50 年取决于未来直升机技术的走向。直升机的垂直起落能力来自于旋翼,但成也萧何败也萧何,旋翼也是限制直升机前飞速度的根源。前行叶尖相对于空气的速度是叶尖线速度和前飞速度的叠加,而后行叶尖就是两者相减。显然,前行的桨叶带来额外的阻力,更重要的是,后行叶尖线速度和前飞速度速度之差不能低于失速速度,否则后行桨叶就不能产生升力,直升机就成为秤砣了。这决定了常规直升机的最大速度不会超过 400 多公里/小时,实际上要低于这个理论值,只有 300 公里/小时以下。

海军陆战队的下一代重型直升机 CH-53K

  为了突破这个速度限制,人们做过不懈的努力,非常规直升机和垂直起落飞机的道路布满了闪耀着智慧光芒的尸骨。贝尔-波音 V-22 似乎是隧道尽头的光明,但 1989 年就首飞的 MV-22 直到 2007 年才开始投入作战使用,几年的使用经验证明了一个不幸的事实:这是一条通向黑洞之路。直升机的旋翼要求具有弹性,以适应不断挥舞的疲劳问题;螺旋桨飞机的螺旋桨则要求刚性,以提高推进效率。直升机的旋翼应该大直径,以降低转速、提高升力;螺旋桨飞机的螺旋桨应该小直径,以降低阻力、提高速度。V-22 来了一个折中,旋翼是半大不小的半刚性的,当然两边的缺点也各沾一半。在螺旋桨模式下,旋翼直径太大,带来很大的阻力。所以 MV-22 的最大速度远低于常规螺旋桨飞机。在直升机模式下,旋翼直径不够,只有增加转速来补偿,容易在高速下沉时造成“旋翼打滑”,这就是臭名昭著的“涡流环”问题。即使不考虑涡流环问题,倾转旋翼直升机的悬停和非常规机动能力(尤其是侧飞、倒飞和姿态转换)也不及常规直升机。MV-22 的平飞速度依然大大高于常规直升机,但高于伴随支援的武直,又低于固定翼的战斗机,很有点尴尬。倾转旋翼的武直且不说有种种布局和技术上的问题,现在连计划也没有,在最理想的情况下也需要十几、二十年才可能成为现实。光杆司令的 MV-22 闯进敌人火力交织的起落场后,还不能粗暴操作,避免进入涡流环,这还不算维修工作量和发动机喷流烧熔甲板的问题,更不用说天文数字的单价。美国海军陆战队把整个未来都建立在 MV-22 的基础上,对 MV-22 只能赞不绝口,但现在也在悄悄地翻修、升级一批 CH-53E 以补充 MV-22 的不足。美国空军看重倾转旋翼的速度和航程,也订购了一批 CV-22,用于远程搜救。美国陆军早早退出了 V-22 计划,美国海军也放弃了用 HV-22 作为反潜和海上搜救的计划。欧洲盟国对 MV-22 装聋作哑,现在就看日本是不是挺身而出了。

MV-22 是突破传统直升机速度限制的一个尝试,但成本太高,还受到很多使用限制

欧洲直升机公司的 X3 提供了另一个思路,但还有太多的技术问题有待解决

与此同时,深度升级的 CH-47F 继续得到欧美军方的大批订货,老树长青

  欧洲直升机公司的 X3 研究机提供了另外一个思路,机身两边的短翼翼尖上安装了一对推进螺旋桨,用以在平飞中提供主要的推力,短翼也在平飞中提供高达 80% 的升力。这使得旋翼得以降低转速和周期距,放慢的前行桨叶降低了阻力,卸载的后行桨叶则缓解了失速问题。X3 的最大速度达到 430 公里/小时,巡航速度也高达 407 公里/小时,大大高于 X3 改装 的原型 EC155 的 324 公里/小时的结构极限速度。西科斯基更进一步,不仅有短翼和在尾撑末端安装了一台推进螺旋桨,旋翼还采用了同轴反转的“前行桨叶”。这是刚性桨叶,容许上下桨叶间距很近而不至于引起碰撞问题。同轴反转使得后行桨叶互相补偿失速问题,保持平衡。X2 的最大速度达到 481 公里/小时,巡航速度也达到 460 公里/小时。不过类似概念的洛克希德 AH-56“夏延”在 40 多年前因为难以克服的技术困难而夭折,至今人们记忆犹新。X2 和 X3 还有太多的问题需要回答,不仅有技术上的问题,更有经济上的问题和使用上的问题,放大到 CH-47 一级的重型直升机还任重道远。

  在此期间,CH-47 的可靠、实用和相对容易接受的成本继续得到人们的赞赏。更高的速度当然是优点,但不是决定性的优点,更不是人们愿意为之倾家荡产的优点。孺子牛自有可爱之处,如果不能万岁或者千岁的话,百岁还是很有希望的。

CH-47F 又将大大延长支奴干的寿命

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