第一架现代直升机的研发历史——幽灵般的陀螺效应

x
用微信扫描二维码
分享至好友和朋友圈

  资料翻译整理于2019年5月4日,以此向现代直升机先驱伊戈尔.西科斯基先生致敬

  作者:流氓兔

  圆梦设计,艰难的开始

  作为西科斯基直升机公司(现洛克希德马丁.西科斯基)的创始人,伊戈尔.西科斯基从小就梦想建造一架能垂直起降的飞机。早在1931年,西科斯基申请了一款单主旋翼直升机的专利,它几乎涵盖了未来VS-300型直升机的所有技术特征。直到1938年,技术的革新终于让西科斯基实现他的梦想。当他被召回位联合飞机公司总部时,被告知公司部门告知固定翼飞机项目由于缺乏业务而被迫关闭,因此他得到了建立一支直升机设计团队的许可,并获得了3万美元的预算。VS-300直升机是美国第一款实用性直升机,也是世界上第一款成功的单主旋翼和扭矩补差尾桨直升机。

  

  

  一些初步的设计工作在他作为工程部经理时就已经完成了,为了加快进度伊戈尔.西科斯基日以继夜的工作,当别人已经下班,而他才刚刚开始工作。

  

  VS-300设计于1939年春,完成于当年夏天。VS-300的基本型看起来很像1930年的设计。第一个版本型号的VS-300直升机安装了28英尺直径的主旋翼和单片40英寸的尾桨叶,由一台75马力莱康明发动机提供动力。起落架有四个轮子,前轮可以全角度转弯。VS-300的周期杆(可以理解成驾驶杆)可以供全周期主旋翼控制(即可以向任何方向扳动周期杆来控制飞机旋翼桨盘方向来实现飞机的横滚和俯仰。好理解一点就是如果你往前推杆机头变低,飞机往前偏),并由单脚蹬提供尾桨叶的控制(偏航控制)。飞机的升降由驾驶员右边的大轮盘控制。

  这里顺解释一下周期控制的原理。当扳动飞机周期杆时,通过一连串连杆机构将控制量输入静止倾斜盘(倾斜盘分为静止盘和动盘,静盘和动盘之间有轴承可以相对转动),完成输入的一般是主旋翼伺服,再由动盘上面的变矩拉杆输入给旋翼,以此改变旋翼攻角,从而导致某一角度桨叶攻角变大,升力增加,从而使飞机的状态向某一方向发生改变。

  

  

  

  注:西科斯基S-76是西科斯基70年代研发的经典机型在此作为对照

  捉摸不定的陀螺效应

  1939年9月14日,西科斯基先生亲自驾驶VS-300完成约10秒钟额首飞,飞机离开地面数英尺。起飞过程中,飞机被四根钢索拴在一个很重的铁盘上,同时又允许飞机可以拖动铁盘朝各个方向活动。一名同事始终帮助直升机保持平衡,以免驾驶员失去控制而造成飞机侧翻(早期直升飞机没有增稳系统,一个没有经过严格训练的人是很难让飞机在悬停状态下保持平衡的)。

  由于那时候根本没有直升机飞行员的培训,西科斯基每次飞行都能获得一次额外的“在职”培训的机会,就这样西科斯基先生自己将自己培训成了西科斯基第一位飞行员。有意思的是,西科斯基的设计团队对于高速旋转的旋翼会产生一个陀螺滞后效应并不是很了解,即力作用在高速旋转的旋翼上要滞后90度才会发挥效应。

  

  由于陀螺滞后效应在作怪,设计团队刚开始设计出来的直升机,向前推周期杆飞机却会往左偏。(西科斯基飞机从上往下看是逆时针旋转,如果经过滞后修正的直升机会往前偏,但是,这架飞机并没有修正,所以由于滞后效应它直接向左偏了)这完全不符合驾驶习惯!

  最开始的飞行员,也就是西科斯基先生和他的同事Serge Gluhareff先生,无法判断到底是飞机设计原因,还是飞行员技术太差造成的。这点让现代直升机的祖师爷西科斯基先生完全摸不到头脑。

  现代直升机为了解决陀螺滞后,会使操纵提前90°完成。下图为S-76机型飞行操作系统简图。(可以看到控制飞机俯仰的前主伺服的位置并不是在飞机正前方,而是偏离一个角度但是不到90度。在由于变矩拉杆和旋翼轴线之间还有一定夹角所以控制旋翼的主伺服并没有完全在提前90°位置)

  

  

  设计VS-300主要是把它当做一个研究机型,使它能轻易完成基于测试结果的修改。尽管VS-300被描述成一个拥有四种构型的直升机,但是事实却是几乎每一天测试飞行之后的晚上设计团队对要对它进行修改。每次测试飞行之后,设计团队都会开经验总结会来确定下一步的方向。

  经过无数次的修改,直到VS-300直升机研发项目结束,只有驾驶座、两个主机轮、主传动齿轮箱、中央机身框架和汽油箱是来自的那一架首飞的VS-300原型机(其余的都被换完了)。

  下面照片是VS-300首次飞行那天拍的,我们可以清楚地看见单尾桨控制脚蹬和右边的总矩控制轮盘,有点像飞艇上的配平操纵(现代客机上也有类似的配平手轮)。三片主旋翼都由钢索拉着防止在旋翼停转时下垂太厉害(现代直升机上有下垂限动块来替代这条钢索)

  

  

  以下是1939年11月13日所拍摄照片,照片显示和第一张对比起落架做了很多修改;控制扭力尾桨的方向脚蹬被改成两个;增加了挥舞阻尼器;还有T型的水平参照(这个估计是直升机最原始的地平仪了)。这些改动都能从照片中很明显地看出来。

  

  抛弃主旋翼周期控制,误入歧途

  直升机的周期控制在1939年还是一个空白领域。Juan de la Cierva企图将它用在旋翼机领域,但是在一起原因不明事故之后便放弃了。西科斯基团队也面临同样的问题:

  随着伊戈尔.西科斯基慢慢地适应这架脾气怪异的机器,VS-300飞机每次飞行都会比之前的时间更长一些,直到有一天一股强风把飞机挂倒,造成飞机严重损毁。VS-300直升机的第一代构型的使命就此结束。

  发生事故后不久,西科斯基设计团队重新设计并建造了第二架VS-300,并决定要放弃了周期控制(可惜这是个错误的方向),并听从绘图员I.A. 西科斯基等人的建议,直接锁死了周期控制操纵系统,而代替它的是两个相对位置水平的尾桨。控制飞机升降的轮盘改成了总距杆(现代直升机同时控制所有主旋翼桨矩的操纵杆,一般是飞行员左手边的一根斜杆,用来控制桨盘的总升力,并控制直升机升降)。

  在VS-300直升机第二代构型飞行测试之前,直升机被固定在基座上并且没有安装主旋翼。这样是为了在正式飞行之前能对飞机做一些微调并让飞行员适应新的系统。

  

  1940年3月6日,VS-300二代构型首飞。

  1940年5月13日,首次飞出研发的院子。

  1940年5月20日,VS-300直升机首次公众展示飞行。

  1940年7月,90马力富兰克林型发动机被安装到VS-300直升机来提升动力。

  1941年4月15日,全美连续飞行记录(一小时5分钟14.5秒)

  1941年4月17日,首次直升机水面着落。

  

  

  1941年5月6日,伊戈尔.西科斯基驾驶VS-300直升机创造了1小时32分钟26秒的国际连续飞行记录。

  

  1941年6月11日,直升机主要大改完成,新的飞机被重新命名为VS-300A型。新型号的设计用尾垂上的一个水平方向的尾桨(作为升力尾桨)代替了之前在尾梁上两个水平的尾桨,这个尾桨用来控制飞机的俯仰操纵。横滚则是由通过倾斜盘的周期变矩来实现(此时,它不是一个主旋翼全周期的周期控制系统,因为他缺少俯仰的控制)。升力尾桨和反扭力尾桨均为46英尺双桨叶设计(VS-300三代构型)。

  

  恢复主旋翼周期控制,步入正轨

  在三代构型中横滚控制才还给主旋翼,周期控制算是恢复了一半。此时,旋翼高速旋转产生的陀螺滞后效应还没有被理解,因此操纵方式的完善主要以实验为主,而不是精确计算。当向左扳动飞机周期杆时,通过一连串连杆机构将控制量输入静止倾斜盘(倾斜盘分为静止盘和动盘,静盘和动盘之间有轴承可以相对转动),再由动盘上面的变矩拉杆输入给旋翼,以此改变旋翼攻角,从而使飞机向左横滚。

  

  由于横滚周期操作带来令人满意的效果,第四代构型的直升机改用了全周期控制。1941年12月8日,VS-300四代构型(也是最终构型)首飞。垂尾支架上的水平升力尾桨被移除,俯仰控制的“控制权”也还给了主旋翼,变成了主旋翼全周期控制。同时,为了弥补升力安装了更大的30英尺的直径的主旋翼。

  但是,这种构型的飞机在加速时却发生了严重的摇晃。为了解决这个问题伊戈尔.西科斯基在主旋翼桨叶上水平安装了以前被用来控制桨叶挥舞的阻尼器(也叫减摆器,这是现代直升机的一个通用设计,见下图),从而控制旋翼水平摆动。这样做解决了直升机严重的振动问题。这个最终设计让直升机飞行速度达到了每小时80英里。直升机的飞行变得更加顺畅,从此,驾驶直升机变成了一种乐趣。之后的直升机依然沿用了这个设计,这也包括全周期的飞行控制系统。

  

  

  1943年10月7日,最后一次飞行之后,VS-300A被赠予迪尔伯恩爱迪生博物馆的Henry Ford。这时它已经在天空翱翔了102小时34分钟51秒。

  

  

  

  S-300型直升机主要部件介绍:发动机

  开始,VS-300的动力由一台75 马力莱康明O-145-C3气冷四缸水平对置发动机(3200rpm)提供。发动机的传动轴通过一系列V型皮带与主减速齿轮箱相连。

  后来为了增加升力,发动机换了Franklin 90 hp model 4AC-199-E (O-200-1) 发动机。

  

  起落架

  最开始的起落架由两个斜撑的支柱构成,外加前转弯轮和后轮。然后很快换成了垂直的油液支柱,并带有可以转弯的机轮。最后又换成了斜撑的起落架,但是前轮和后轮都被拆除,只剩下了一个尾翘。

  机身

  最初的前机身结构框架由全4130铬钼合金钢薄壁管状结构构成,后机身由铝合金盒式结构构成。在第二代构型中,为了加强结构和便于改动,后机身结构换成了合金钢薄壁管状结构。

  传动系统

  由装在发动机传动轴上的滑轮通过六根V型皮带(Gates Vulcco Ropes)将动力传给主主传动轴,第一级传动的传动比是1.76:1。通过主传动轴,动力传到主减速器输入接口,通过主减速齿轮箱里锥形斜齿轮减速(现在直升机主减多是多行星轮加斜齿轮减速),减速比为5.9:1,然后动力通过主减速齿轮箱的旋翼转轴传给旋翼。主传动轴向飞机后部延伸通过皮带和滑轮向尾桨提供动力。发动机皮带连接的主传动轴滑轮里面包含了一个自由轮,可以在发动机失效的时候脱开,让飞机通过自转着落(但是VS-300从来没有尝试过自转)。

  

  主旋翼结构

  主旋翼桨叶结构由从翼跟延伸到翼尖的云杉木质肋条组成。桨叶前缘由桃木、青木和云杉木压制而成。桨叶采用匀称的NACA 0012型翼型(旋翼转速为254mph,翼尖线速度为274英尺每秒)。这种翼型有着稳定的气动力中心,并且桨叶轴线与弦向重心的完美重合使它成为理想的旋转机翼。

  

  

  尾桨叶

  VS-300的尾桨是全木结构的。主梁有枫木制造,加之杨木的肋条和桦木的贴面。

  

  VS-300飞机设计辅助设备

  1938年Michael Buivid 和 Bob Labensky设计了并焊接了首个直升机模拟器,这是世界上第一个直升机飞行模拟器。

  

  注:照片中的人分别是Michael Buivid, Igor Sikorsky, Bob Labensky, and Michael Gluharefff

  旋转桨叶测试装置——世界上第一个直升机旋翼试车台

  主旋翼桨叶测试台用来测量驱动不同桨叶所需要的扭矩和桨叶转动所提供的升力。

  

特别声明:本文为网易自媒体平台“网易号”作者上传并发布,仅代表该作者观点。网易仅提供信息发布平台。

跟贴 跟贴 3 参与 3
© 1997-2019 网易公司版权所有 About NetEase | 公司简介 | 联系方法 | 招聘信息 | 客户服务 | 隐私政策 | 广告服务 | 网站地图 | 意见反馈 | 不良信息举报

娱乐老梁

在这里分享更多的娱乐小故事

头像

娱乐老梁

在这里分享更多的娱乐小故事

1901

篇文章

1327

人关注

列表加载中...
请登录后再关注
x

用户登录

网易通行证/邮箱用户可以直接登录:
忘记密码