旋翼通鑒｜世界上第一架實用直升機，西科斯基VS-300
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PART Ⅰ
圖——VS-300A NX 28996型直升機正在前飛，飛行員為伊格爾·西科斯基先生
弁言
伊格爾·西科斯基先生在年輕的時候就夢想著製造一架屬於自己的直升機，一架如同固定翼飛機一樣實用的直升機。
他是一個名副其實的行動派，有了這個念頭之後，他便開始研究已有的直升機設計思路，它們或者成功，或者失敗，但都有一個共同點——不實用——沒有誰需要一架只能上天十幾秒的直升機。經過多番概念設計的迭代之後，他終於在1931年申請了一項專利，這項專利的內容是一種新型的單旋翼直升機，而該型直升機的所有特徵幾乎都將會被應用在S-46，也就是「VS-300」這一型更為人熟知的直升機。
圖——「一種單旋翼直升機」的設計草圖，這是西科斯基先生於1931年提交的一份專利中的圖片，這項專利最後在1935年被通過。
1938年的時候，航空製造工業技術經過多年的高速發展，已經到了能夠幫助西科斯基先生實現其野心的時候。恰巧這時候聯合飛機公司的領導將西科斯基先生召到了公司總部，遺憾地告訴他由他主管的主營固定翼飛機製造業務的西科斯基部門由於缺乏訂單必須關門大吉。無奈之下，西科斯基只能向高層領導請求說允許他和他團隊一起進行最後一項研製工作——研製一型直升機。
高層領導們雖然對西科斯基部門缺乏利潤和訂單稀少感到不滿，但是對伊戈爾·西科斯基先生個人的才華和能力還是相當認可的，因此他的請求最終被允許了，並且總部撥付了他3萬美元的初始經費。
於是，VS-300直升機最後誕生了，它成為了美國歷史上第一型實用直升機，同時也是世界歷史上第一型成功的單旋翼帶尾槳直升機，這種構型引領了半個多世紀的世界潮流，當今世界上超過半數的直升機構型都是以西科斯基先生所發明的這種單旋翼帶尾槳構型為基礎。
直升機之父誠然名不虛傳，然而，其間的艱難曲折又有幾人知？
起步——胸有成竹，快速推進
由於初步設計工作早已被西科斯基和他的夥伴們在「非工作時間內」完成了，所以，項目啟動之後，新型直升機的研製的工作進展神速——VS-300的設計工作在1939年的春季正式啟動，而到了夏季，西科斯基的團隊已經開始著手第一架原型機的製造工作了。西科斯基團隊最終研製出來的VS-300直升機外形和西科斯基1931年提交的專利設計非常的相似。
圖——1939年9月8日正在施工中的VS-300直升機
VS-300Ⅰ型直升機裝備了28英尺直徑的主旋翼和一臺75馬力的萊康明發動機。該型直升機的尾槳為40英寸長的單葉尾槳，它的起落架為剛硬的4輪式起落架，前輪和後輪是萬向鉸接式，左右兩側是固定式。
VS-300直升機使用全週期變距操縱來實現主旋翼的俯仰和滾轉操縱，採用了單腳蹬來控制尾槳輸出的拉力，以此實現航向操縱。其垂直方向的操縱是通過駕駛員右手邊的一個巨大的輪子來實現的，這就類似於現代直升機中的總距桿。伊格爾·西科斯基先生在1939年9月14號親自駕駛該型直升機進行了首次試飛測試，該次飛行中，VS-300直升機滯空停留了大約10秒鐘，離地高度大約幾英尺。
在早期的飛行測試中，該型直升機被4根拇指粗的鋼索，拴在了地面上一塊非常重的鋼板上，這樣直升機不管飛向哪裡都要拖著這塊鋼板。為此，該型直升機還配備了一名地面機組成員。這位機組成員要做的工作就是——在直升機駕駛員，也就是西科斯基先生無法控制直升機的時候，通過這塊超重鋼板來保持直升機的穩定，以免其發生嚴重的滾轉事故。
西科斯基先生並沒有接受過任何的直升機飛行訓練，所以他只能「邊學邊飛」，除此之外，他還要嘗試進行各種各樣的見都沒見過的飛行動作。而且在當時，設計團隊是完全不知道旋轉的旋翼會存在「陀螺進動效應」，也就是現代直升機理論中的「揮舞響應滯後性」，這種特性的存在會導致操縱輸入滯後90度才會體現到旋翼上。
什麼意思呢？還是拿VS-300直升機來說，在西科斯基先生往前推桿的時候，直升機不會如想像一般往前傾，反而會往左滾轉。因此該型直升機的首批飛行員：西科斯基先生和塞爾日·格雷哈魯夫先生對於這一操縱系統的問題束手無策，他們甚至完全不能確定這一問題的出現是在直升機系統設計上還是在飛行員操縱技巧上。
圖——1939年11月24日，VS-300在飛行測試中完成了穩定懸停，但前飛測試工作卻始終無法順利開展
突風——持續改進，終於「質變」
西科斯基先生和他的夥伴們一般都在白天對VS-300進行飛行測試，然後加夜班解決白天的飛行測試中出現的問題。從「施工圖片」和「穩定懸停」的圖片對比可以看出，兩架VS-300的最顯著區別就在於起落架，後者的起落架所有的輪子都改裝成了萬向鉸接式，且後輪改裝到了更後側的地方，除此之外，不能從圖中看出的還有——後者主旋翼的揮舞鉸上加裝了一套阻尼器。
VS-300的飛行測試工作持續進行著，每一次試飛都只能將滯空時間稍作延長，所有人都期待著量變的積累能夠帶來質變。最後，質變真的來了——1939年12月9日，當西科斯基和他的夥伴們再一次進行飛行測試的時候，一陣突如其來的狂風刮過，直接掀翻了VS-300，它的主旋翼狠狠擊打到了地面上，毀於一旦。這次事故直接終結了VS-300首個原型的壽命。
涅槃——VS-300Ⅱ型重生，決定放棄週期變距操縱
除了他自己，誰也不能讓西科斯基放棄。他很快就帶領團隊進行了VS-300的重建工作，同時也在同事們的建議之下，決定放棄直升機經典的週期變距操縱系統——當時，繪圖員（也是數學家）I.A.西科斯基（與伊戈爾·西科斯基先生的關係暫不明確）和首席工程師麥克佈雷認為既然他們都弄不懂週期變距操縱和旋翼俯仰/滾轉操縱之間的關係，那麼何不索性放棄這種操縱方式，採用其他操縱系統呢？
他們最後設想出來的取代週期變距的操縱系統是在尾樑上再加裝兩套橫列式佈局的水平尾槳，這樣一來，直升機的俯仰和滾轉操縱就可以通過這兩個水平尾槳來實現，不過主旋翼仍然保留著總距操縱系統，飛行員如果想要VS-300上下運動還是需要通過總距操縱系統來實現（也就是前文說到的大輪子）。
這次西科斯基學乖了，他決定在Ⅱ型VS-300直升機進行飛行測試之前，先將VS-300固定在一個基座上，然後不加裝主旋翼對其進行操縱系統試驗。這一測試方法允許團隊針對性地調整這一全新的操縱系統，並確保試飛員在上天之前已經對該操縱系統相當熟悉了。
圖——早期的VS-300Ⅱ型直升機，從圖中可以明顯看到它尾部的兩個橫列式水平尾槳
在這之後，VS-300Ⅱ型又持續進行了一系列飛行測試工作，期間，西科斯基和他的夥伴們也逐漸理解了揮舞響應滯後這一特性，在1941年8月份的大改中，設計團隊把水平尾槳由兩套改成了一套，並將重新設計了橫向週期變距操縱系統，讓主旋翼重新能夠進行直升機的滾轉操縱，這就是VS-300Ⅲ型。
圖——VS-300Ⅲ型直升機，可以看到它只有單個水平尾槳
在同年年底的一次大改中，也就是VS-300Ⅳ型，設計團隊取消了水平尾槳，重新把全週期變距操縱「還給了」主旋翼，並優化了直升機頭部和機身兩側的蒙皮，這下，一架從總體佈局來看與現代直升機一樣的旋翼飛行器誕生了，它被命名為：「VS-300A」，在西科斯基的產品序列中即為「S-46」。
圖——VS-300A 直升機，它從總體佈局來說與現代直升機已經基本一致了
*附錄——西科斯基S-46/VS-300發展時間線
- 1938年末：聯合飛機公司批准研發一型試驗性質的直升機；
- 1939年3月12日：西科斯基向聯合飛機公司提交一份建議書，稱新型單旋翼直升機的設計、建造和演示驗證總經費大約需要6萬美元；
- 1939年12月14日：VS-300Ⅰ型首飛；
圖——1939年12月14日，西科斯基先生駕駛著VS-300完成了首飛
- 1939年12月9日：VS-300Ⅰ型直升機在「突風側滾」事件中毀於一旦。之後，改型機浴火重生。新改型的最大特色就是用兩副水平尾槳代替了週期變距操縱系統。主旋翼僅剩下總距系統（用於垂直升降操縱）；
- 1940年3月6日：VS-300Ⅱ型直升機首次飛行；
- 1940年3月13日：VS-300Ⅱ型進行了首次公開飛行表演；
- 1941年4月15日：達成了全美耐久記錄，時長為：1小時5分鐘14.5秒；
- 1941年4月17日：完成了直升機首次水上起降飛行；
圖——VS-300Ⅱ型配備重型浮筒起落架完成水面起降飛行
- 1941年3月6日：伊戈爾·西科斯基先生駕駛著VS-300直升機完成了世界直升機耐久記錄，時長為：1小時32分鐘26秒；
圖——西科斯基駕駛VS-300Ⅱ型直升機達成世界直升機耐久記錄之後拍攝的照片
- 1941年6月11日：VS-300又一次完成了大改型（Ⅲ型）。該型直升機代號被改為VS-300A。它的水平尾槳被改為一副，僅用於進行縱向/俯仰姿態操縱。橫向、滾裝姿態的操縱還給了主旋翼，通過一臺特製的自動傾斜器完成。水平尾槳和平衡反扭矩的垂直尾槳都是46英寸直徑的單葉槳，設計團隊還給該型直升機包裹了一層蒙皮，使其流線型更好，其機頭呈「雪橇式」；
圖——雷斯·莫里斯駕駛VS-300A（Ⅲ型）懸停在空中，該機頭部蒙皮為「雪橇式」
- 1941年12月8日：VS-300Ⅳ型，也是VS-300A的第二個型號，完成了首飛工作。它的單個水平尾槳也被移除了，全週期變距系統完完整整還給了主旋翼，最終的主旋翼直徑為30英尺，機頭蒙皮外形也得到了調整，整體流型更好了；
- 1941年12月31日：設計團隊為VS-300A的主旋翼系統的揮舞、擺振鉸加裝了液壓阻尼器系統，該系統的加裝解決了該型直升機的一系列振動問題。這是VS-300A直升機的最後一次修改，這次修改之後該型直升機的前飛速度達到了80mph（約128公里/時）。該型直升機的飛行操縱品質因此也得到了大幅提升。
- 1943年10月7日：最後一次飛行。VS-300A型直升機的最後一次飛行是為當時的美國製造業領袖、商業大亨——亨利·福特先生——進行的飛行表演，此次表演場所位於密歇根州迪爾伯恩的愛德森博物館。至此，VS-300型直升機所經歷的總飛行時間達到了102小時34分鐘51秒。
圖——1943年10月7號，伊格爾·西克斯基先生最後一次駕駛VS-300A直升機機進行飛行表演
圖——在完成最後一次飛行之後，伊格爾·西科斯基先生坐在VS-300A直升機的駕駛艙中拍攝了這張照片
圖——以VS-300A直升機最後一次飛行為主題的紀念明信片
夢之所在，何懼艱辛？伊戈爾·西科斯基先生以固定翼飛機起家，幾經波折之後，終又以性能優異的直升機聞名於世，其間坎坷曲折，我所能述諸筆端者怕不及十之一二。高山仰止，當為我輩航空人學習之楷模。
PART Ⅱ
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，其中主要包括總體佈局設計、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型直升機的總體佈局草圖三視圖
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，週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週期變距操縱系統，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週期變距設計方案，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週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，週期變距系統終於回歸了——但是隻回歸了一部分，也就是橫向週期變距系統。
*註：儘管週期變距系統「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型的橫向週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週期變距系統也還給了主旋翼，這下，全週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臺75馬力（3200RPM）的萊康明O-145-C3氣冷四缸臥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，該型發動機被一臺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又改裝了一臺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臺「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，其變距軸和絃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臺直升機模擬器。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，他們只造了一臺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，功在不捨。」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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