弁言

二战之后，世界各国上下整顿，更知航空飞行器对于未来战争的重要性，于是着意扩展航空飞行器的数量和种类，以谋求能够立于“不败之地”。期间直升机行业也得到了长足的发展，自伊格尔·西科斯基先生创造出真正的实用直升机以来，多种构型的直升机皆蓬勃发展，其中以共轴为主要布局特色的直升机研制工作也是热火朝天，多种型号的共轴直升机在此期间被研制出来。

图——卡莫夫设计局的共轴直升机已成为该设计局的标志

及至上世纪六十年代，苏联卡莫夫设计局已成功实现共轴直升机的量产，其后更是以此为特色，大力发展共轴直升机，可谓誉满全球，提及共轴，必以卡莫夫设计局为尊。然而，说到底，卡莫夫的共轴直升机，其本质还是两副常规旋翼部署在同一轴上，反向旋转而已，该构型中，共轴反转的目的主要还是以双旋翼代替单旋翼带尾桨，从而实现更紧凑、机动性更优等特点。

至于“前行桨叶”、“升力偏置”等概念，却从未在这些共轴直升机中被认真考虑过，而西科斯基公司则想前人所未想，不仅用共轴取代了尾桨和尾梁，更辅以操纵性优异的刚性旋翼，打造出了“前行桨叶概念”旋翼这一杰出设计，终是在共轴直升机之路上比卡莫夫更进一步。

而配备“前行桨叶概念”旋翼技术的第一架直升机就是西科斯基公司的XH-59A技术演示验证机，若是没有该机的成功，必不会有之后名动全球的X2概念验证机，更不会有此后的S-97 掠夺者 和如今SB1型挑衅者复合式直升机。

本文就将向读者朋友们介绍西科斯基XH-59A/S-69前行桨叶概念旋翼复合式演示验证直升机的研制背景和历程，与诸君共赏。

研制背景——群雄逐鹿，岂可无创新？

在上世纪六十年代中期，世界各国直升机行业的诸多公司都开始探索扩展直升机飞行速度包线的新技术。当时绝大多数公司的设想都是通过“复合式直升机”的设计来达成高速的需求，所谓“复合式”一般都是指在常规直升机的基础上，加装辅助的机翼和推进装置来卸载高速飞行状况下主旋翼的垂直升力和前进拉力。

起初，西科斯基公司也抱有类似的想法，在大获成功的S-61/H-3（其军用型号为大名鼎鼎的SH-3海王直升机）基础上进行改装，打造了S-61F/NH-3复合式高速直升机。但与此同时，西科斯基公司积极探索，想前人之所未想，基于“前行桨叶概念旋翼”（ABC； Advancing Blade Concept）打造了另一型高速型直升机。

对于常规直升机旋翼而言，由于旋翼始终处于周期性旋转中，因此一侧旋翼迎风而上，一侧旋翼顺风而下，迎风侧被称为“前行侧”，而顺风侧则被称为“后行侧”，由于旋翼桨叶旋转线速度会沿着桨叶半径方向向外增大，因而后行侧桨叶受到前飞来流和桨叶旋转来流的影响，会形成一片“反流区”，在该区域内，局部气流将从桨叶的几何后缘吹向前缘，造成失速，导致后行侧桨叶升力骤降，为了维持滚转平衡，必须通过周期变距操纵使得前行侧桨叶的升力也降低，因此影响到旋翼所产生的整体拉力。

​图——常规直升机前飞气流分布示意图，图中右侧为前行侧，左侧为后行侧，后行侧“Reversed Flow”即为反流区，反流区面积会随着前飞速度增大而增大

而随着前飞速度增大，后行侧反流区将增大，前行侧升力不得不进一步操纵降低，从而限制了最大前飞速度。“前行桨叶概念”的提出，就是为了解决后行侧桨叶失速的问题，通过上下刚性双旋翼共轴反转的设计，使得上下旋翼的前行侧对称分布，从而互相平衡，不再需要考虑常规直升机中需要靠前行侧来平衡后行侧升力的问题。

同时，西科斯基还加装了辅助推进装置来提供更强劲的前飞推力，如此一来，旋翼不需要低头来提供前飞的水平拉力分量，整个桨盘平面几乎可与来流速度相切，大幅降低了高速前飞过程中的阻力。

图——前行桨叶概念旋翼技术演示验机XH-59A

但从理论技术而言，上世纪三十年代的直升机理论教材中就已经出现过前行桨叶的概念，但是理论归理论，凭当时的生产制造工艺水准，是毫无可能实现结构强度满足要求的“前行桨叶概念”旋翼的。前行桨叶概念旋翼是不存在挥舞铰的，是以旋翼桨叶的刚度必须非常大才能够承受升力中心从旋翼中心偏移出去带来的弯矩。从这个角度上来讲，相比于当时的直升机旋翼，前行桨叶概念旋翼更类似于一副较大的空气螺旋桨。

图——正如我前文所言，对于常规直升机而言，其后行侧的升力必须完全依靠前行侧来平衡，由此后行侧升力的限制也约束了前行侧升力的增加

图——而对于ABC旋翼而言，由于桨盘两侧各有一个前行侧和后行侧，因此后行侧升力不再需要前行侧来平衡，所以后行侧升力的限制不再约束前行侧升力的增加

通过这一布局设计，旋翼升力的增大将不会再受到前飞速度（或者高度）的限制，这一技术的实现，在直升机技术领域可谓是一次革命性突破。

图——上图是旋翼升力与速度关系图，从图中可以看出，随着前飞速度的增大，常规直升机（下方曲线）升力难以维持，不到150节（约277.8千米/时），就几乎下降了一半；而对于ABC旋翼来说，随着前飞速度的增大，旋翼升力不仅不会下降，反而能够缓步提升

图——上图是旋翼海拔高度与升力关系图，从图中可以看出，随着海拔高度的增大，常规直升机（左侧曲线）升力先缓慢下降最后快速下降；而ABC旋翼直升机的升力则先随着高度增大缓慢增大，中间有一段快速增大的区域，最后到达一定高度之后，升力将趋于稳定，不在随海拔增大而增大

刚性桨叶制造工艺的突破——愈挫愈勇，有志者事竟成

西科斯基在六十年代再回过头来看三十年代的理论技术，认为前行桨叶概念的实际应用已经存在可行性了。于是他们专门组建了一支技术团队，于1964年启动了前行桨叶概念的“理论变为实际”工作。技术团队针对旋翼系统、传动系统和操纵系统进行了多轮设计迭代，随后针对验证飞行器的初步设计展开了细致的研究。当时，西科斯基公司对这一概念的探索纯粹出于“试验”性质，并没有任何具体的任务牵引。

很快，西科斯基的技术团队发现整个项目工作中最难的地方就是如何实现旋翼桨叶的制造。当时，西科斯基的生产型旋翼桨叶翼梁都是通过等截面挤压铝型材制造的。ABC旋翼则要求翼梁的径向和壁厚都要锥型设计，以承受升力偏置导致的巨大弯矩。相比于铝型材，钛型材更适合用于制造实用的ABC旋翼，因为它具备更大的强度和模量。

在此后的四年里，西科斯基的技术团队经历了一段惨淡而艰苦的时光——他们在桨叶的制造工作上经历了无数次似乎没有尽头的失败。不过他们愈挫愈勇的精神最终带来了回报——他们发明了一种17英尺6AL-4V挤压钛材的制造工艺，该工艺在内、外部两侧加工，以此制造径向和壁厚都呈锥型挤压件；然后将翼型管热成型为椭圆形，并在陶瓷热成型模具中完成扭转成型。

通过反复的试验，西科斯基的技术团队一致认为该制造工艺是相当可行的。尽管这项制造工作相当的繁琐且成本高昂，但是西科斯基公司上下仍然非常振奋。试想一下，假如说ABC旋翼的生产制作不是如此令人望而却步，反而相当简单、人人可做的话，西科斯基又如何占领技术高地呢？

图——生产制造中的XH-59A

飞行测试——先抑后扬，绝知此事要躬行

1973年6月份，XH-59A完成了首飞，一切顺利。然而，一个月之后，首架XH-59A技术演示验证机却在低速试飞中出现了故障。

原来技术团队以往从未尝试过刚度如此之高的旋翼系统，因此旋翼系统的“过高操纵功效”一直是他们关注的重点，最终他们设计的操纵系统增益非常低，以免出现“过于敏感”的操纵响应。

这一设计思路在悬停测试中表现非常良好，但是，当试飞院试图从悬停转换到前飞之时，问题就出现了，这架飞行器在转换的那一瞬间立刻趋向于抬头飞行。试飞员一次又一次地向前推杆来修正这一“自动响应”，可即便他已经把操纵杆推到了前推的限制位，XH-59A仍然保持抬头。试飞员不得不放下总距回到地面。

保持抬头状态紧急着陆的XH-59A毫无意外地尾部首先着地了，然后整架飞行器发生了侧滚，旋翼击打到了地面上，整个旋翼系统瞬间被毁。万幸的是，两名试飞员都没有受伤。

这一事故导致整个XH-59A项目延期了一年之久，直到事故的原因被确定。最终的评估报告认为，该机操纵系统的增益设计实在太低了，操纵范围无法覆盖整个飞行包线。第一架被毁的XH-59A原型机最终被重新修好了，但是后续仅用于风洞试验，再也没有重上蓝天。

图——1974年NASA埃姆斯中心的XH-59A风洞试验

1974年11月，第二架XH-59A重新启动了飞行测试。自此到1981年，XH-59A完成了大概170个小时的飞行测试。在此期间，美国海军、空军、NASA和美国陆军一道向该项目提供了大量的财政支持。

从1975年7月份到1977年3月份进行的是直升机模式的飞行测试。该测试的飞行包线范围达到了平飞速度156节（约180千米/时），俯冲速度186节（约214千米/时），飞行高度14000英尺（约4267米）。

从1978年4月份到1981年1月份进行了加入辅助推进装置的飞行测试。在这段时间内，XH-59A几乎完成了所有的技术指标。其最大平飞速度达到了240节（约444千米/时），使其成为第一架不需要加装辅助机翼，仅通过前行桨叶概念技术就到达该速度的旋翼飞行器。测试中，XH-59A的操纵性和稳定性被认为是非常出色，它在全飞行包线的测试中都没有假装任何的辅助增稳装置。

直升机行业方兴未艾之时，发明家们多通过多旋翼/纵列式/横列式等布局来平衡反扭矩，唯独伊格尔·西科斯基先生敢想敢做，发明了单旋翼带尾桨的布局，多年以来成为了常规直升机的标志性布局；多年后，大公司们多通过加装辅助机翼来打造高速型复合式直升机，唯独西科斯基公司想前人所未想，把前行桨叶概念旋翼落到实处，形成了独具一格的刚性共轴高速型复合式直升机，并在共轴领域走到了世界前列，铸就了大名鼎鼎的X2系列直升机，未来的复合式直升机标杆到底会不会仍由西科斯基引领呢？且拭目以待。