旋翼通鑒：自行車籃搞貨運，傳動用皮帶，西科斯基一代直升機詳解

作者：丁尹 出品：旋翼飛行器

弁言

到底怎麼樣才能造出一架真正實用的直升機呢？

上世紀早期的發明家們都不知道這個問題的答案。他們打造了各種各樣的直升機，可是這些直升機要麼只能上天飛個十幾秒鐘，要麼上了天翻個跟斗又栽了下來，看起來直升機要比固定翼飛機難造許多，以至於不少直升機發明家最終都只能無奈改行做固定翼飛機工程師來謀生。

伊戈爾·西科斯基先生也不知道這個問題的答案。雖然他曾夢想造一架直升機，但夢想畢竟是夢想，他早期也是憑藉著固定翼飛機的製造工作積累了第一桶金和業界名聲。所以，當聯合飛機公司領導告訴他，西科斯基部門由於缺乏飛機訂單即將關停的時候，這個問題才開始反覆出現在他的腦海中，既然已經沒有退路了，他何不孤注一擲——研製一架實用直升機呢？

於是，西科斯基第一代直升機VS-300（生產代號S-46）誕生了。VS-300之於西科斯基先生，就好比小白鼠之於生物學家，針對它展開的一系列設計、試飛、修改等工作最終奠定了西科斯基直升機未來發展的基礎，也引領了大半個世紀的世界直升機潮流。

本文將詳細介紹西科斯基第一代直升機VS-300的設計特點和技術參數，其中主要包括總體布局設計、發動機系統、啟動裝置、起落架、機身、傳動系統、主旋翼槳葉、飛行模擬裝置、主旋翼測試系統和任務裝備系統*等重點內容，與諸君共賞。

*註：VS-300型直升機的任務裝備主要就包括傳奇的「自行車藍式」運貨框和經典的「熱狗式」兩棲浮筒。

總體設計的進化之路

圖——VS-300A型直升機的總體布局草圖三視圖

VS-300型直升機是一型試驗性質的飛行器，該型直升機的研製方法很是簡單粗暴——也就是「邊飛邊改」（具體的研發經歷感興趣的讀者朋友可以翻閱我上一篇「旋翼通鑒」系列文章）。儘管VS-300號稱只有四種型號配置，事實上，西科斯基的設計團隊在每次對它完成飛行測試之後，都會在當晚召開名為「Lessons Learned」小組會議，商量白天的飛行測試中出現的問題，並決定下一步改進的方向。

等到VS-300發展成型，其所保持與最初版本相同的部件僅剩下飛行員座位、兩個主起落架輪子、主傳動箱、機身中部骨架和汽油箱。

下面這張圖就是拍攝於VS-300首飛當天的。從圖中可以看出的該型直升機早期的獨特設計特點有：用於操縱尾槳的單個腳蹬、座位右側的總距操縱輪，此外，主旋翼軸頂部還伸出數根鋼索連接到槳葉上，這是為了防止旋翼槳葉在靜止不動的時候過度下垂。

圖——1939年9月14日，VS-300型直升機首次準備試飛

下面這幅圖拍攝於1939年11月13日，從圖中可以看出的設計改動有：主起落架的輪子從固定改為萬向鉸接式，腳蹬改成了一對，主旋翼揮舞鉸上加裝了阻尼器，操縱桿改成了T型桿，T型桿為可以為飛行員提供水平線參考值。

圖——1939年11月13日，停泊在機庫中的VS-300型直升機

對於1939年的工程師而言，周期變距操縱仍然是一種未知領域的東西。謝爾瓦當時在研製自轉旋翼機的時候就曾試圖引入這一操縱系統，但是在他還沒弄清楚該系統的工作原理的時候，他的自轉旋翼機就因失控而摔了，無奈之下，他只能放棄了該系統。

歷史總是驚人的相似，數年後，西科斯基設計團隊早期也採用了周期變距操縱系統，但是直到1939年12月份，他們也沒弄明白該系統的工作原理，而第一架VS-300卻在一次試飛中發生了側滾而摔毀了，隨後西科斯基設計團隊也在無奈之下放棄了周期變距設計方案，採用了一種水平尾槳操縱系統。此後的一段時間內，西科斯基團隊一直都在針對周期變距系統進行研究，到1941年夏季，VS-300發展到第三個大型號版本的時候，周期變距系統終於回歸了——但是只回歸了一部分，也就是橫向周期變距系統。

*註：儘管周期變距系統「部分回歸」了，但是西科斯基設計團隊實際並未從數學物理原理上認識到旋翼旋轉過程中存在的「陀螺進動效應」，他們只是根據試驗試飛的結果，經驗性地歸納出了操縱與響應對應的關係。

VS-300Ⅲ型的橫向周期變距操縱系統最後通過了試飛的驗證，於是西科斯基設計團隊們又把縱向周期變距系統也還給了主旋翼，這下，全周期變距系統終於全面回到了直升機上，這時候，VS-300已經進化成了VS-300A。西科斯基帶領著設計團隊於1941年12月8日完成了VS-300A定型版的試飛工作。

VS-300A在試飛過程中又出現了一個新問題——在加速飛行的時候，直升機會不停「擺動」。最初，設計團隊苦思冥想也不知道問題出在哪，直到1941年12月31日，在新年的鐘聲敲響之前，西科斯基指示工作人員將原先加裝在揮舞鉸（水平鉸）上的阻尼器，換裝到垂直鉸（擺振鉸）上。問題瞬間解決了，飛行員再次駕駛VS-300A加速飛行，「擺動」消失，飛行平滑，操縱體驗相當不錯。

春節的鐘聲敲響，VS-300A的操縱問題全部得以解決，兩周之後，1942年1月14日，作為直升機正式實用化的歷史象徵，具備全方位角操縱飛行能力的西科斯基XR-4直升機（生產代號S-47，技術全部來自S-46/VS-300）完成了首飛。

部件設計及其改進

發動機系統

VS-300型直升機的動力是由一台75馬力（3200RPM）的萊康明O-145-C3氣冷四缸卧式對置發動機提供的。該型發動機的傳動軸反向安裝，通過6條V型皮帶與主減速器相連。一個額外的空轉輪被用來保持皮帶的張力。

1940年7月份，該型發動機被一台90馬力（2500RPM）的富蘭克林4AC-199-E氣冷四缸水平對置發動機替代了，以此來提升出軸功率。在1941年4月份，VS-300又改裝了一台4AC-199型升級版發動機，該型發動機在2680RPM時能提供90馬力的功率輸出，在2050轉時能提供100馬力的功率輸出。

圖——富蘭克林90馬力模型發動機4AC-199-E（0-200-1）發動機

氣冷風扇

發動機的冷卻系統是由一台「鼠籠式」、V型皮帶驅動的冷卻風扇，該風扇通過通過金屬板殼固定在發動機上方，驅使冷卻空氣向下流入汽缸冷卻翅片。

起動器和電池系統

為了減輕直升機的重量，自打完成首飛之後，設計團隊就把電池從VS-300上移除了。後來為了進一步減輕重量，起動器也被移除了。設計團隊在起動器上裝了一個類似於早期拖拉機的「起動把手」，把手被調整到合適的位置以啟動發動機，發動機啟動之後，整個起動器立刻可以移除。

後來，設計團隊又多次更迭發動機啟動裝置，最後是通過固定在發動機下滑輪上的旋轉軸來啟動。發動機啟動之後，工作人員需要先手動轉動旋翼，隨後空轉輪將會拉緊6根驅動皮帶，其上的彈性部件則會幫助保持皮帶的張力。

圖——左為VS-300早期的小型外置式電瓶車，右為後來的外置式起動器小車

起落架

VS-300起落架包含有兩個固定支撐的斜柱主輪以及前後各一個萬向輪。這一設計很快被立式油壓支柱所取代，兩個主輪也被改成了萬向輪。隨著設計工作的推進，VS-300型直升機的起落架被反覆修改，到了最終版本，起落架的前後輪都被移除了，只保留了左右主輪，並追加設計了一個硬式尾撬支撐。

機身

VS-300最初版本的前機身結構框架幾乎全部由4130鉻鉬鋼薄壁管製成，後機身為鋁箱結構。在Ⅱ型中，機身後部結構也全部改為鋼製薄壁管，以增加強度且便於維護。

圖——VS-300A主旋翼頭

傳動系統

90馬力的富蘭克林發動機傳動軸上裝載了一副傳動皮帶輪，這一副皮帶輪通過6根V型皮帶連接到一副更大的傳動皮帶輪上，其一級傳動比為1.76：1。上滑輪的傳動軸向前伸入主減速器中，並通過錐形齒輪傳遞給主旋翼軸，此處的傳動比為5.9：1，發動機經過兩級減速之後，恰好能輸出恰當的旋翼轉速。

上滑輪同時也有一根向後的傳動軸，這一根傳動軸連接到尾槳減速器，驅動反扭矩尾槳和早期版本上配備的水平尾槳系統。上滑輪也設計了一種自轉離合單元以便直升機在發動機失效的時候能進入自轉下滑狀態。（不過VS-300的多次試飛中都沒有需要執行過自轉下滑，西科斯基設計團隊也未對此進行過驗證）

圖——VS-300Ⅱ型直升機的傳動系統示意圖

主旋翼槳葉

圖——VS-300Ⅰ型直升機主旋翼槳葉系統（未蒙皮）

貫穿主旋翼槳葉頭尾的大梁由雲杉木製成，其前緣由雲杉、巴爾沙和紅木層壓而成，翼型採用的是高速型對稱翼型NACA0012（這是由於旋翼槳尖速度達到了409公里/時，已經算『高速』了）。該翼型的壓力中心比較穩定，其變距軸和弦向重心配置非常適合旋翼使用。

圖——後來的VS-300旋翼槳葉後緣採用了一種金屬絲設計

尾槳槳葉

VS-300型直升機的尾槳槳葉是全木質的。其桁梁為楓木材質，加強筋為楊木材質，並配備了樺木貼片。

圖——VS-300A尾槳槳葉

VS-300飛行模擬器

1938年，邁克爾·比維德和鮑勃·拉本斯基設計並製造了世界上第一台直升機模擬器。該型模擬器的構型每天都在「進化」，很快，飛行員和工程師乃至聯合飛機公司的高層們都意識到該系統對於評估飛行員的人體工程學要求和其對縱橫向姿態變化和航向偏轉的反應而言，絕對是一種非常高效的裝置。

圖——從左向右，邁克爾·比維德、伊戈爾·西科斯基、鮑勃·拉本斯基和邁克爾·格魯哈雷夫與VS-300模擬器在一起的合影

旋翼槳葉測試單元

旋翼槳葉測試裝備的研製是用來測試多種不同的旋翼槳葉構型所能產生的升力和扭矩的。

圖——1939年，單片槳葉的旋翼升力和扭矩測試裝置（你沒看錯，左邊是一個秤（砝）砣（碼））

任務裝備

「自行車藍」搞貨運

VS-300直升機最早是用一個裝在機頭前方的柳編框（你沒看錯，和老式自行車一模一樣）來運載各種各樣的貨物的（當然，西科斯基本意主要是用這麼個籃子來演示證明該型直升機的良好操縱性）。到VS-300A時候，這個車籃子就被改成了全金屬的。

圖——左側為柳編框，右側為金屬框

「熱狗式」浮筒

VS-300可以把起落架改裝成浮筒，這樣就能執行兩棲起降任務。他一般配備一雙「熱狗式」浮筒和一個小型的尾部浮筒，並在鼻頭裝了一個「籃球」作為緩衝裝置。

圖——配備「熱狗式」短型橡膠浮筒的VS-300

隨著項目的發展，VS-300A配備了更長的浮筒（當然還是「熱狗式」），有了長浮筒之後，尾部小浮筒和鼻頭的籃球都不再需要了。

圖——配備長浮筒的VS-300A直升機正在「運載」一個手提箱

儘管隨著項目的推進，西科斯基設計團隊做了無數的工作，但是從始至終，他們只造了一台VS-300，也就是後來的VS-300A（S-46）。

那麼，現在再讓我們再看看全文開頭的問題：「到底怎樣才能造出一架實用的直升機呢？」

我覺得大概是需要一顆堅韌不拔的心、幾分敢破成規的勇氣和始終如一的熱情吧。咱們有句老話說得很好：「騏驥一躍，不能十步。駑馬十駕，功在不舍。」願與諸君共勉。

圖——如今已經陳列在博物館中的VS-300A

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