冷门飞行器111

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西科斯基 S-69

西科斯基 S-69

俄罗斯移民航空工程师伊戈尔·西科斯基，1923年在美国创立了西科斯基飞机公司。他设计的西科斯基R-4直升机是第一种成熟的单旋翼尾桨直升机，奠定了这种现代直升机结构的基础。然而西科斯基公司并不打算止步于此，最想改变这个结构的，仍然是西科斯基公司。

西科斯基 S-69

在 1960 年代中期，许多直升机制造商都在研究扩大直升机速度范围的技术。其中大多数是“复合”直升机，增加了机翼和辅助推进器，以减轻高速飞行的旋翼负担。

S-61F / NH-3

西科斯基使用S-61 / H-3机身改造了复合直升机S-61F / NH-3，获得了不错的数据。但作为一种单旋翼飞机，固有的旋翼不对称性，导致在高速时旋翼平衡非常困难（相关原理在中有详细解释）。

单旋翼直升机在高速飞行时候需要动态调整两侧桨叶桨距以平衡两侧升力，但调整导致了操控不对称。

西科斯基的ABC布局在高速飞行时候不需要调整两侧桨叶桨距，也能实现两侧升力平衡

因此，西科斯基的工程师认为单旋翼尾桨技术已经到了瓶颈，需要新的结构技术。西科斯基创造了一种复合直升机的全新结构——推进叶片概念（Advancing Blade Concept，简称ABC）。这个想法是通过使用两个反向旋转的旋翼来消除高速后退叶片失速的问题以及高速飞行中的不对称性，同时引进了辅助推进系统实现高速飞行。

西科斯基 S-69

同轴反转直升机并非全新的设计，最早由俄罗斯科学家米哈伊尔·罗蒙诺索夫在1754年提出，在第二次世界大战期间和之后有许多同轴直升机的发展。到 1960 年代，苏联的卡莫夫设计局已经完成了实用化的同轴反转直升机。不过前期的同轴反转技术的主要优点是紧凑性和不依赖尾桨，在这些设计中都没有考虑到这个结构的高速度优势，也没有ABC概念的单组旋翼升力中心不在转轴的技术。

早在1930 年代的教科书中展示了先进的刚性旋翼叶片概念，取消了摆动的铰链，但叶片的结构要求远远超出了当时的技术，这种旋翼设计必须更类似于螺旋桨的设计，而不是当时的直升机旋翼。这种旋翼产生升力的能力不会随着速度或高度的增加而下降。这是直升机技术的重大突破。到 1960 年代，西科斯基认为材料和加工技术已经发展到可以实际应用这一概念的地步。

S-69

西科斯基在1964年开始正式开展ABC技术研究，最大的挑战将是旋翼叶片的构造。西科斯基当时生产的旋翼叶片主要采用由等截面挤压铝制成的翼梁。ABC要求翼梁的直径和壁厚都变细，以便能够承受旋翼升力偏离转子中心线时产生的高弯矩。同时，叶片设计所需的强度和模量要求使用钛合金取代铝合金制造。

S-69

在接下来的四年中，经过多次失败，西科斯基开发了一种制造方法，完善了符合要求17英尺的6AL-4V钛挤压件的制造工艺，尽管这是一个复杂而昂贵的制造过程。

S-69

1970 年制造了一个直径 40 英尺的测试旋翼，并在阿姆斯的 NASA 40 x 80 英尺风洞中进行了测试。这证明了ABC概念的可行性。随后1972年，陆军空中机动研究与发展实验室授予西科斯基原型机开发合同，要求设计、制造和测试两架陆军代号为 XH-59A 的推进叶片概念演示机，这个项目获得公司内部编号S-69。

建造中的两架原型

S-69的推进叶片概念系统由两个上下相距30英寸的刚性的、反向旋转的旋翼组成，利用了前进叶片的空气动力升力。在高速下，后退的叶片桨距被卸载，以减少后退桨叶失速影响。大部分负载由上下两个旋翼的前进叶片提供。ABC系统不需要安装额外的升力机翼即可实现高速并提高机动性，并且还消除了尾桨的需求。高度飞行动力由向前推力由两个涡轮喷气发动机提供，这使得主旋翼只需要提供升力。它被发现在侧风和顺风中具有良好的悬停稳定性。但是安装喷气式飞机后，S-69缺乏悬停在地面效应之外的动力，出于安全原因，它使用了短距离起飞和着陆。

第一架S-69（73-21941）于1973年7月26日首飞。然而，一个月后，8月24日的一次低速碰撞中严重受损。设计团队以前从未处理过如此坚硬的旋翼系统，非常担心旋翼可能产生的极高控制力。因此，控制系统设计了非常低的增益，以防止控制过于灵敏。在最初的悬停测试中，这似乎效果很好。然而，当飞行员离开悬停过渡到向前飞行时，飞行员为了抵消机头上仰而输入循环变距，但较低的控制增益使得最大操纵也无法修正。飞行员立即收总距迫降。尾翼首先接触地面，飞机翻滚，直到叶片撞击地面。旋翼系统被破坏。幸运的是两名飞行员都没有受伤，但试飞计划推迟了一年多。

阿姆斯风洞中的73-21941

73-21941并没有再次飞行，机身被改装成风洞试验台，并于1979年在美国宇航局艾姆斯研究中心进行了40x80英尺的全尺寸风洞测试。

第二架原型，安装推进发动机之前

第二架原型（73-21942）于1975年7月21日首飞。在作为纯直升机进行初步测试后，在1977年3月增加了两架辅助涡轮喷气发动机。到1981年，完成了大约170个飞行小时的广泛飞行测试计划。在此期间，海军、空军和美国宇航局与陆军一起提供资金支持。

S-69飞行包线

S-69悬停包线

作为一架直升机，S-69的最大水平速度为156节（289公里/小时;180英里/小时），但使用辅助涡轮喷气发动机时，它的最大水平速度为238节（441公里/小时;274英里/小时），最终在俯冲中达到263节（487公里/小时;303英里/小时），S-69是第一架在不使用辅助机翼的情况下达到这一速度的旋翼飞机。在180节（333公里/小时;207英里/小时）的水平飞行中，它可以进入1.4 g的倾斜转弯。稳定性和控制性非常出色。整个飞行包线是在没有任何人工稳定设备的情况下飞行的。但S-69具有高水平的振动和油耗。

1981 年 5 月，美国陆军在阿拉巴马州拉克堡对飞机进行了作战评估。陆军最终报告的摘要总结了以下结论：

NOE（地形跟踪）飞行操纵质量表明，XH-59A能够执行战术NOE环境所需的复杂，苛刻的机动。轮廓飞行处理质量表明，XH-59A能够以高速（215节）轮廓飞行穿越地形，从而减少敌方目标和防御系统的反应时间。推进叶片概念在战术陆军飞机上表现出极好的应用潜力。所展示的敏捷性、稳定性和更高的速度将为战术飞行机组人员提供额外的能力，让他们在现代战场上战斗并取得胜利。该团队对飞机的悬停离地效应 （HOGE） 操控质量给予了最佳评级。在高速飞行中“......XH-59A的操控方式就好像它是一架固定翼飞机一样”

S-69原型机计划相当成功，其最大的问题是钛合金旋翼叶片高昂的制造成本，但80年代以后高强度复合材料技术很快就大大降低成本和减轻重量。以至于西科斯基很快决定将其作为未来直升机的发展方向大力推广。 在此后西科斯基投标的几乎所有美国军方直升机计划中，都有使用了ABC技术概念的方案，包括X-2验证机、S-97、SB-1等项目中ABC概念逐渐完善，但似乎运气不佳，一直都没有获得正式采购。

西科斯基-波音 SB-1