1481. 鐵翼雙飛——蘇制雅科夫列夫“試驗(yàn)直升機(jī)”

本文是“燃燒的島群”第1481篇原創(chuàng)文章，作者：Behemoth。

作者簡介：Behemoth，江蘇南京人，2014年起開始創(chuàng)作，現(xiàn)已發(fā)表、出版近70萬字。

全文共約3200字，配圖13幅，閱讀需要10分鐘，2025年11月6日首發(fā)。

本文收錄于作者“behemoth”專輯，歡迎持續(xù)關(guān)注。

一個(gè)不夠就來倆

作為一種重于空氣的垂直起降飛行器，直升機(jī)的誕生標(biāo)志著人類終于可以“像鳥一樣飛行”，然而，相比固定翼飛機(jī)，直升機(jī)的結(jié)構(gòu)明顯要復(fù)雜許多，尤其是作為垂直升力來源的旋翼在旋轉(zhuǎn)時(shí)空氣對(duì)其作用而產(chǎn)生的反作用力矩，如果不設(shè)法加以平衡，將導(dǎo)致機(jī)體逆旋翼轉(zhuǎn)向自旋，從而引發(fā)其他更嚴(yán)重的后果。

為了解決這一問題，早期航空工程師們進(jìn)行了大量探索，從而誕生了一系列解決方案，其中單旋翼配尾槳不僅是誕生的最早的方案之一，也是最為后世航空工程師所接受的方案之一，這種方案較好的在直升機(jī)氣動(dòng)布局、操縱穩(wěn)定性和振動(dòng)等方面取得了平衡，設(shè)計(jì)制造技術(shù)也相對(duì)成熟，然而采用這種型式就需要在直升機(jī)機(jī)尾加裝一副尾槳以平衡旋翼的反扭矩，不僅增加了直升機(jī)的尺寸和重量，而且還增加了功耗。因此，如何將這一“小尾巴”去掉，并讓直升機(jī)更加緊湊，就成為了航空工程師們努力的一個(gè)方向。

事實(shí)上，早在直升機(jī)發(fā)展初期，就有航空工程師提出，既然單旋翼會(huì)產(chǎn)生反作用力矩，那如果再引入一副旋翼，讓二者的反作用力矩互相地效豈不兩全其美？由此就誕生了一系列雙旋翼布局的直升機(jī)。最初誕生的橫列式雙旋翼直升機(jī)的旋翼系統(tǒng)為兩副橫向并排布置、旋轉(zhuǎn)方向相反的旋翼，雖然可以獲得更大的機(jī)體載重，但由于存在機(jī)翼和位于機(jī)翼上的兩具發(fā)動(dòng)機(jī)短艙，因而飛行阻力較大且垂直飛行性能差，而縱列式雙旋翼直升機(jī)雖然由于兩副主旋翼采用縱向布置從而保證了總體結(jié)構(gòu)的緊湊且抗側(cè)風(fēng)能力強(qiáng)，但前旋翼對(duì)后旋翼產(chǎn)生的氣動(dòng)干擾依然帶來了操縱品質(zhì)低以及偏航操縱效率較低等缺點(diǎn)，同時(shí)這兩種布局都很難被用于輕型直升機(jī)，于是就有航空工程師“更進(jìn)一步”，想到了將兩副旋翼共軸布置的方式，這樣等于就獲得了一架“無尾”直升機(jī)，不僅適合在狹小區(qū)域起降，停放時(shí)所需空間也明顯小于帶尾槳直升機(jī)，可以將直升機(jī)的優(yōu)勢發(fā)揮到極致。

1944年7月4日，美國工程師小斯坦利·希勒（Stanley Hiller Jr.）駕駛其自行設(shè)計(jì)的XH-44型直升機(jī)完成首飛，這也標(biāo)志著共軸式直升機(jī)的誕生。雖然該機(jī)最終并沒有獲得來自美軍或者民間機(jī)構(gòu)的訂單，但依然被認(rèn)為具有發(fā)展前途，于是這一概念開始在全世界范圍內(nèi)流行起來。

圖1、在加州大學(xué)伯克利分校玫瑰灣體育場?進(jìn)行首飛的XH-44型直升機(jī)

新領(lǐng)域的新作為

作為第二次世界大戰(zhàn)中蘇聯(lián)空軍作戰(zhàn)飛機(jī)的主要設(shè)計(jì)者之一，亞歷山大·雅科夫列夫和他領(lǐng)導(dǎo)的雅科夫列夫設(shè)計(jì)局在整個(gè)戰(zhàn)爭期間都專注于固定翼飛機(jī)的研發(fā)，但在戰(zhàn)爭結(jié)束后，進(jìn)入德國境內(nèi)搜集德國航空技術(shù)情報(bào)的蘇聯(lián)航空專家在了解到德國直升機(jī)研發(fā)進(jìn)度和一些實(shí)用化機(jī)型技術(shù)細(xì)節(jié)，尤其是設(shè)法評(píng)估了一架被繳獲的Fa 223“龍”式直升機(jī)后，意識(shí)到直升機(jī)在未來戰(zhàn)爭中的價(jià)值，因此提議加速本國直升機(jī)的研發(fā)工作，由此，包括雅科夫列夫設(shè)計(jì)局在內(nèi)，一系列新型直升機(jī)研發(fā)項(xiàng)目紛紛上馬。

圖2、早在戰(zhàn)前，蘇聯(lián)航空業(yè)就已經(jīng)開始探索直升機(jī)技術(shù)，圖為由伊萬?布拉圖欣（Ivan Pavlovich Bratukhin）領(lǐng)導(dǎo)的設(shè)計(jì)局研制的2MG Omega系列橫列式雙旋翼直升機(jī)

1946年，代號(hào)為“試驗(yàn)直升機(jī)”（俄語名稱：Экспериментальный Геликоптер，拉丁字母轉(zhuǎn)寫為Eksperimentahl’nyy ghelikopter，縮寫為EG）的研究項(xiàng)目正式上馬，當(dāng)然，雅科夫列夫設(shè)計(jì)局“摻和”直升機(jī)設(shè)計(jì)也不是拍腦袋，他們?yōu)榇俗隽瞬簧佟肮φn”——除了研究德國直升機(jī)的資料之外，以項(xiàng)目總設(shè)計(jì)師貝莫沃（Bemowo）為首的一批技術(shù)人員還曾與法國布雷蓋公司進(jìn)行技術(shù)交流，并掌握了法國從戰(zhàn)前開始研發(fā)的“多蘭德”（Dorand）系列共軸式直升機(jī)的一部分技術(shù)資料。

圖3、在戰(zhàn)后完成的“多蘭德”G.20型共軸式直升機(jī)原型機(jī)

由于當(dāng)時(shí)的雅科夫列夫設(shè)計(jì)局正是兵強(qiáng)馬壯的時(shí)候，因此在完成包括Yak-15/17等項(xiàng)目的同時(shí)就順帶進(jìn)行了“試驗(yàn)直升機(jī)”的設(shè)計(jì)，并于1947年初完成了初始設(shè)計(jì)，之后為了穩(wěn)妥起見，研發(fā)團(tuán)隊(duì)先制造了一個(gè)“試驗(yàn)直升機(jī)”的縮比例模型，并以雅科夫列夫設(shè)計(jì)局的代號(hào)OKB-115將其命名為ED-115，而第一架原型機(jī)在1947年夏天即宣告完成，并立刻投入了各方面試驗(yàn)。

圖4、ED-115號(hào)模型

圖5、剛剛制造完成的“試驗(yàn)直升機(jī)”原型機(jī)

創(chuàng)新出個(gè)“啥”

非常有意思的是，就在進(jìn)行新型直升機(jī)研發(fā)項(xiàng)目的消息傳遍整個(gè)設(shè)計(jì)局時(shí)，設(shè)計(jì)局內(nèi)不少人得知此事后的第一反應(yīng)居然是“啥，你在開玩笑嗎”（俄語：шутыш，拉丁字母音譯為Shootka），因此這架“試驗(yàn)直升機(jī)”還多了個(gè)諢名“啥”（Sh）。

圖6、“試驗(yàn)直升機(jī)”機(jī)體結(jié)構(gòu)解剖圖

“試驗(yàn)直升機(jī)”機(jī)體全長6.53米，旋翼直徑為10米，機(jī)體空重為878千克，最大起飛重量達(dá)到1020千克，這樣的“小身板”的結(jié)果就是機(jī)體研發(fā)難度下降，從而是研發(fā)團(tuán)隊(duì)可以更專注于共軸式結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。為了降低機(jī)體重量，“試驗(yàn)直升機(jī)”并未采用全金屬機(jī)身，而是由鋼管焊接出機(jī)身骨架，整個(gè)機(jī)體被分為三部分，其中包括可以容納駕駛和副駕駛的駕駛艙在內(nèi)的機(jī)體前部以杜拉鋁充當(dāng)蒙皮，包括發(fā)動(dòng)機(jī)以及油箱和減速器在內(nèi)的中間部分有部分（除發(fā)動(dòng)機(jī)艙外）使用杜拉鋁蒙皮，而包括水平尾翼和位于其兩端的兩片垂直尾翼的整個(gè)機(jī)尾的后段機(jī)身則以織物蒙皮覆蓋。“試驗(yàn)直升機(jī)”的起落架為固定式前三點(diǎn)式起落架，配備垂直減震支撐。

圖7、“試驗(yàn)直升機(jī)”正面圖，可見其起落架形態(tài)和結(jié)構(gòu)

作為“試驗(yàn)直升機(jī)”的動(dòng)力來源，一臺(tái)什韋索夫（Shvetsov）M-11FR-1型星形5缸氣冷式發(fā)動(dòng)機(jī)可以提供最大140馬力的輸出功率。該發(fā)動(dòng)機(jī)使用一個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)兩副共軸布置的由層壓松木和硬木制成的雙葉可折疊式旋翼，兩副旋翼被連接在鋼和杜拉鋁制成的樞軸上，以互為相反的方向旋轉(zhuǎn)，均可達(dá)到233轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速。而傳動(dòng)系統(tǒng)包括離心離合器、90度轉(zhuǎn)角齒輪箱（一種用于改變動(dòng)力傳輸方向的機(jī)械裝置，可將動(dòng)力傳輸方向從水平轉(zhuǎn)為垂直或反之）和冷卻風(fēng)扇等。存放燃油的油箱被放置在齒輪箱下方，而滑油箱則位于發(fā)動(dòng)機(jī)旁。值得一提的是，“試驗(yàn)直升機(jī)”的旋翼鉸鏈系統(tǒng)既可以通過液壓系統(tǒng)調(diào)整所有旋翼葉片的共同傾斜角度（從而控制推進(jìn)力）也可以調(diào)整單個(gè)葉片的傾斜角度（從而產(chǎn)生側(cè)向力或?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)向），并且可以在飛行過程中自動(dòng)校正葉片的傾斜角度。

圖8、M-11FR-1實(shí)物圖

圖9、“試驗(yàn)直升機(jī)”旋翼鉸鏈系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)示意圖

未竟的高飛

“試驗(yàn)直升機(jī)”原型機(jī)由試飛員特扎夫羅夫斯基（V.V.Tezavrovskii）完成了首飛，為了安全起見，早期的40次飛行 (總飛行時(shí)間約為5小時(shí))均為系留飛行，直到當(dāng)年12月20 日才完成了首次自由飛行試驗(yàn)。由于在試飛過程中試飛員和設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)直升機(jī)的重心過于靠后，因此原型機(jī)的尾翼被拆除，而滑油箱則被重新布置在駕駛艙后的位置。

圖10、經(jīng)過修改尾部設(shè)計(jì)后的“試驗(yàn)直升機(jī)”原型機(jī)

圖11、修改后的“試驗(yàn)直升機(jī)”結(jié)構(gòu)圖，注意滑油箱位置

圖12、飛行中的“試驗(yàn)直升機(jī)”原型機(jī)

考慮到M-11FR-1的功率已經(jīng)有些“不夠用”，因此到了1948年初“試驗(yàn)直升機(jī)”開始嘗試以M-12型發(fā)動(dòng)機(jī)換裝原發(fā)動(dòng)機(jī)，換裝后的首次試飛于當(dāng)年4月 9日進(jìn)行，但事實(shí)證明換裝效果不佳，因此“試驗(yàn)直升機(jī)”由被迫換回了M-11FR-1。

截止到1948年7月8日，“試驗(yàn)直升機(jī)”共進(jìn)行了75次自由飛行 (總飛行時(shí)間約15小時(shí))，盡管在懸停時(shí)表現(xiàn)尚可，但一旦速度接近30千米/時(shí)就會(huì)出現(xiàn)過度振動(dòng)、桿力損失和旋翼不穩(wěn)定等問題。不僅最大速度僅達(dá)到了70千米/時(shí)（設(shè)計(jì)最大速度為93千米/時(shí)），飛行高度也從來沒有突破180米（設(shè)計(jì)最大升限位2700米），而235千米的最大航程就更是無從“試”起。雖然這些問題并非難以解決，但雅科夫列夫設(shè)計(jì)局已經(jīng)沒有機(jī)會(huì)了，同樣是在1948年，由米哈伊爾·米里（Mikhail Mil）領(lǐng)導(dǎo)的設(shè)計(jì)局設(shè)計(jì)的GM-1（GM為俄語“米里直升機(jī)”的拉丁字母轉(zhuǎn)寫Gelikopter Mil的縮寫）完成了首飛，這種直升機(jī)采用傳統(tǒng)的單旋翼配尾槳式布局，不僅更加成熟可靠，而且改進(jìn)和發(fā)展?jié)摿σ哺螅S著該機(jī)最終以Mi-1的編號(hào)成為蘇聯(lián)歷史上第一種投入批量生產(chǎn)的直升機(jī)，“試驗(yàn)直升機(jī)”也失去了進(jìn)一步完善的可能。

圖13.

就在“試驗(yàn)直升機(jī)”項(xiàng)目被取消時(shí)，正在建造中的第二架樣機(jī)直接被廢棄，而唯一完成的原型機(jī)在莫斯科航空研究所被保存了幾年，直到1954年被學(xué)生改造成一架機(jī)器雪橇并被捐贈(zèng)給了哈薩克斯坦的一個(gè)農(nóng)場，之后的命運(yùn)不得而知，這就是雅科夫列夫設(shè)計(jì)局的的第一個(gè)直升機(jī)研發(fā)項(xiàng)目的結(jié)局。

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