旋翼通鑑｜實用至上，西科斯基憑啥拿下美軍首架軍用直升機訂單？

直升機西科斯基空軍技術設計陸軍民用航空英國投資旋翼飛行器 2019-05-06

作者：丁尹出品：旋翼飛行器

弁言

80年前，直升機行業方興未艾，很多人都不拿它當回事，一方面，人們難以想象一架速度和汽車差不多的飛行器能有多大用途，另一方面，也是最關鍵的方面，當時的直升機，幾乎毫無操縱品質可言——或者不該用“操縱品質”這麼高大上的名詞，當時的直升機，根本就是“難以駕駛”且“無法控制”的。

所以，當西科斯基跟美國陸航說他有一架“可控性”良好的直升機的時候，很多高官都意動了，軍用航空器的後起之秀——直升機——也終於為其登場拉開了序幕。

謀求美國陸航的資助

西科斯基S-47/VS-316A／R-4型直升機是世界上第一型量產的直升機，該機的基礎則是被稱為“世界上第一型實用直升機”的VS-300A。西科斯基公司在研製S-47 直升機的早期是沒有任何美國軍方或政府的資助了，所有的資金都由西科斯基公司自籌。

在1940年3月26日，伊格爾·西科斯基先生拜訪了位於俄亥俄州代頓市萊特菲爾德的美國陸軍航空兵團物資部。西科斯基先生向該部門的領導展示了攝製的來自VS-300的動態影像，以此證實了西科斯基所設計的直升機的“優秀”可操縱性（至少在當時算是頂尖了）。

這次展示給美國陸軍航空兵團的領導們留下了異常深刻的印象，但是他們很無奈地表示他們目前沒有充足的經費能夠用來支持西科斯基的直升機研製和生產工作（當時美國陸軍航空兵正投資了Platt LePage XR-1 直升機，不過該機存在嚴重的操縱性問題）。

在1940年8月14日，西科斯基再次向美國陸航提交了一份建議書，他希望軍方能夠向他提供小額資助——僅5萬美元——用於打造一臺VS-316直升機。得益於美國陸航領導對該機的深刻印象，此建議書很快獲得了批准，雙方在1941年1月10日簽訂了相關合同。

於是，第一架XR-4 誕生了，不過這架早期XR-4仍然保留了3尾槳的設計佈局：兩個水平尾槳用於實現俯仰和滾轉操縱，一個垂直尾槳用於平衡反扭矩和進行航向操縱。

圖——帶三個尾槳的VS-316的工程設計草圖

*注：主要是憑藉VS-300A的成就才奠定了伊格爾·西科斯基先生“世界直升機之父”的名聲，該機也是第一種真正使用的單旋翼帶尾槳構型，該構型引領了半個多世紀的直升機設計潮流，關於該機的詳細內容，可參見我之前所寫的兩篇文章：

旋翼通鑑｜瀕臨倒閉，西科斯基為自救而押寶直升機，卻開創了時代
旋翼通鑑｜自行車籃搞貨運，傳動用皮帶，西科斯基一代直升機詳解

總體佈局敲定

隨著VS-300型直升機技術的發展，其總體佈局最終敲定為單個主旋翼帶單個尾槳的構型，儘管這一構型在如今的直升機界相當普遍，甚至可以說是直升機的“標準型”，但是對於的直升機工業來說，該構型的發明可以說是一次“跨越式的進步”。憑藉這一構型，西科斯基有底氣向美國陸航提出了更多的要求——在XR-4的合同經費中追加1萬美元。事實上，隨著XR-4研製工作的推進，美國陸航在該機上總計投入的經費約20萬美元。

XR-4型直升機的顯著特徵是配備了36英尺長的3葉全鉸接式*主旋翼和一副同樣三葉的尾槳系統，其動力裝置為一臺華納聖甲蟲的175馬力 R-500-1型七缸氣冷星型發動機。XR-4的座艙佈局為橫列式雙人座艙，配備了雙重操縱系統。不過出於降低重量的考慮，座艙中只設計了一根總距杆，位於座艙的正中央。西科斯基最終完成了一臺試驗性質的XR-4直升機的製造工作並在1942年1月14日完成了首飛。

圖——XR-4 研製團隊合影

*注：關於旋翼系統的幾種分類，可以參見我之前所寫的一篇文章：

旋翼通鑑｜剛性旋翼非剛硬，一文讀懂直升機旋翼構型

試飛展示大獲成功

發動機失效情況下的自轉下滑：在1942年4月20日，西科斯基對XR-4進行了以此飛行演示，以此證明其已經能夠交付軍方使用。在這次飛行演示中，美國軍方所要求的一個重點項目就是驗證該機具備“發動機失效情況下通過自轉下滑安全著陸的能力”。不幸的是，到那時為止，西科斯基的任何一架直升機都沒有實現過完整的自轉下滑，並且當時市面上也沒有任何關於自轉下滑的標準程序，所有關於“自轉下滑”的一切都不過是理論概念而已。因此，當西科斯基的工程師們抱歉地通知試飛員Les Morris（萊斯·莫里斯）先生他們也不確定XR-4能否完成“理論上”的自轉下滑的時候，莫里斯先生內心是崩潰的。但是他仍然出色地完成了這一次試飛工作，並且最終自創了一套標準的直升機自轉下滑流程。

圖——1942年1月14日，XR-4首次試飛

此次飛行展示吸引了美國、英國多軍種官員圍觀，並完成了多項試飛項目：這次演示吸引的軍方機構包括美國空軍、陸軍、海岸警衛隊等武裝部隊的負責人和英國皇家海軍和空軍委員會的高官、民航機構有美國民航管理局的官員、科研機構有當時的美國航空諮詢委員會NACA。當天給這諸多觀眾留下深刻印象的演示項目包括：

垂直上升和下降、懸停、側飛和倒飛；
精準操縱演示：利用XR-4的空速管戳入套在一根長杆上的10英寸圓環，並“運送”該環起飛，再將其轉運到站立在地面的西科斯基先生手中，西科斯基先生取下該環的時候，XR-4保持離地數英尺的穩定懸停狀態；
在一根掛在空速管上的10英尺的繩索末端掛了一網兜的雞蛋，試飛員先是帶著雞蛋操縱起飛並離地50英尺之後，又緩慢下降把一網兜雞蛋放到地面，所有的雞蛋都完好無損；
駕駛員在懸停的時候，把一臺電話機從直升機上下降到地面，地面人員通過電話和機組人員實現了通話，在通話的同時，駕駛員把一幅草圖放在套在電話線上的容器裡，並讓其降到了地面；
XR-4在懸停的時候，駕駛員掛下一副軟梯，一名乘客通過軟梯登上直升機並與駕駛員一起完成了一圈飛行之後，回到原位，再次通過軟梯下降到地面；另一名乘客則演示了在直升機離地數英尺的時候，從機艙一躍而下的“快速離艙”方法；
演示過程中，該機在保留有剩餘功率的情況下完成了125千米/時的前飛（西科斯基在飛行測試中達到了132千米/時的最大速度）；在測試中，該機的最大飛行高度達到了1500米，並在這一高度完成了發動機失效情況下的自轉下滑著陸流程；
為了展示該機的載重能力，試飛員搭載了一名乘客，並安排兩名工程師各自站在起落架輪子上，完成了離地數英尺的垂直起飛。當時提升的總有效載荷大約為720磅，比額定載荷超載了171磅（1磅≈0.45公斤）。

西科斯基也用改裝浮筒起落架的VS-300演示了該機的兩棲登陸能力。

所有與會的觀眾都表示對該機印象深刻，在會後，多名美、英軍方負責人和民航官員與西科斯基的研發團隊一起探討了直升機的可能應用場景，最後得出的結論是——直升機的應用場景相當廣泛，包括：護航任務、海岸和海港巡邏、巡檢和消防、聯絡和通訊、通信線路鋪設、空中攝影、救援任務、投放煙幕彈、向不具備機場條件的地點運送乘客和輕型物資。

圖——隸屬美國海岸對的XR-4（HNS-1）型直升機配備了浮筒起落架，可以執行近海救援任務

這次探討可謂是非常有意義的，在隨後的數年內，直升機確實在這些任務領域內大獲成功，當然，在被談論的領域之外，直升機同樣展現出了其獨特的能力。

圖——1943年，XR-4直升機進行艦載演示

長途飛行直達美軍基地

在這次大獲成功的飛行演示之後，美國軍方認為XR-4已經達到了交付的水平。因此美國陸航決定讓XR-4直接飛往俄亥俄州代頓的萊特菲爾德基地，西科斯基先生建議採用卡車貨運的方式將XR-4運送到該基地，這樣可以確保這型珍貴的試驗性質直升力避開損毀的風險，畢竟該機真實的飛行時間尚且僅20小時，但是美國陸航最終還是決議讓其直接飛到其基地，併為其規劃好了飛行路線。為了避開阿利根尼山脈地區，美軍沒有采取直線飛行，而是為其規劃了一條更長的路線——向北到伊利湖，向西到克利夫蘭，最後向南到代頓——這條路線雖然長一點（達到了1224公里），但是一路上都比較平坦，方便隨時降落。

但是自打XR-4誕生以來，除了在西科斯基的工廠內部飛行之外，它總的飛行里程尚且還沒超過1公里，為了能夠儘快適應高強度遠程飛行，試飛員萊斯·莫里斯開始頻繁進行短途的越野飛行訓練，以此來判斷其發動機和傳動系統能否承受住這種“超遠程”的飛行。

在1942年5月13日，萊斯·莫里斯認為一切就緒，於是動身離開布里奇波特，駕駛僅有的一架XR-4前往美軍位於代頓的基地。

這段行程花費了莫里斯先生5天的時間，實實在在地跨越了1224公里。總的飛行時間為16小時又10分鐘，經歷了16次間斷式飛行。一輛四門轎車一直在地面跟著他跑，車上有四名乘客，分別是：XR-4項目工程師Bob Labensky（鮑勃·拉本斯基）、工程助理Ralph Alex（拉爾夫·亞歷克斯）、XR-4的生產車間主任Adolph Plenefisch（阿道夫·普萊諾菲什）以及司機Ed Beatty（埃德·比迪），此外車上還帶著一系列維護工具和備用零件。研製團隊在該車頂上繪製了一個很大的黃色圓圈，以便試飛員莫里斯先生從空中識別車輛位置。

在遠程飛行中，有兩段路是伊格爾·西科斯基先生乘坐XR-4與試飛員萊斯·莫里斯一起完成的，其中一段是在中途從克利夫蘭飛往曼斯菲爾德，另一段是從斯普林菲爾德到代頓，這也是該機的最後一站路。1942年5月17日，XR-4終於抵達代頓，經過休整和一系列手續之後，最後在1942年5月30日，該機正式被美國政府接收。在這段遠程旅途中，莫里斯先生駕駛著XR-4創造了兩項非官方的世界紀錄：

直升機單次飛行最遠航程記錄（148公里，從曼斯菲爾德到斯普林菲爾德）；
直升機單次飛行最長航時記錄（1小時又50分鐘）

圖——XR-4抵達俄亥俄州代頓的萊特菲爾德基地

XR-4 是美國陸航接收的第一架直升機，在那時候，整個美國陸航也只有一名合格的直升機駕駛員——格里戈雷中校（直升機到手後，很快就變成上校了）。

改進，改進，繼續改進

在萊特菲爾德完成一系列測試之後，1943年1月5日，XR-5直升機再度被送回西科斯基工廠進行進一步的改裝和額外的開發測試。在該次改進中，該機的主要改動為：改裝了一副38英尺的主旋翼和一臺200馬力的發動機，該機被定型為XR-4C。

基於XR-4C，西科斯基發明了一種“自動降低槳距”裝置，該裝置能夠在發動機失效的情況下迅速將主旋翼的槳距降到最低；研製團隊還為它發明了一種發動機調速器，併為其加裝了一臺扭矩儀。基於XR-4和XR-4C的一系列測試和試驗為美軍額外訂購的直升機提供了經驗積累，並且充分證明了直升機的實用性和巨大潛力。基於該機型所獲得的種種經驗也為未來直升機的發展提供了技術積累和數據支撐。

目前，XR-4C陳列在弗吉尼亞州的史密森尼航空航天博物館中。

圖——史密森尼博物館中的XR-4C，機身上又美國陸航的序號：No.41-18874

XR-4型直升機的測試成功促成了美國陸航的採購訂單，他們初步訂購了15架該型直升機，並定型號為YR-4A，該機配備的就是直徑38英尺的主旋翼和一臺華納R-550-1 185馬力的發動機。到了1943年1月份，美國陸航又追加了14架YR-4A型直升機的訂單。同年，美國陸航最終向西科斯基授予了一份生產合同，該合同要求西科斯基為其打造100架型號為R-4B的直升機。

圖——隸屬於美國陸航的YR-4B型直升機

如果沒有那些對直升機巨大潛力和遠大未來的充滿信心之人的支持，S-47型直升機可能永遠都不會獲得成功，美國陸航的弗蘭克·格里戈雷上校就是其中之一。他很早就嘗試駕駛了VS-300型直升機，並堅定認為單旋翼構型的直升機將會是未來的主流。據稱，VS-300的週期變距系統的完善和將3個尾槳進行簡化的建議就是他向西科斯基提出來的。他還說服了陸航的高官購買XR-4作為當時陸航投資的LePage XR-1直升機的“備胎”。