源自二戰的交叉式雙旋翼佈局,查爾斯·卡曼和他的直升機

前文中我們說到德國早期直升機採用了一種獨特的交叉式雙旋翼佈局,二戰結束後這種佈局沒有成為直升機設計的主流,這項技術實際上壟斷在美國的卡曼公司(Kaman Corporation)手中。

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卡曼K-MAX直升機

雖然卡曼公司在中國軍迷圈知名度不大,但也是美國直升機巨頭之一,公司總資產達百億美元級別(2012年是421億),可謂烏龜有肉不在殼上。

該公司是查爾斯·休倫·卡曼(Charles Huron Kaman)於1945年創立的,此人和西科斯基一樣被認為是美國二十世紀航空先驅之一,同為直升機方面的泰山北斗。

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查爾斯·卡曼是一名德裔,其父是建築監理,曾參與過德國最高法院等重大建築項目。卡曼從小喜愛航空,十幾歲時曾創造了全美手擲滑翔機的留空時間紀錄。和當時很多航空先驅一樣,他也曾立志成為一名飛行員,但因右耳失聰而作罷。

1940年卡曼大學畢業,獲得了工程技術學位,然後進入著名的漢密爾頓標準螺旋槳公司工作。在那裡他遇到了伊戈爾·西科斯基,從此進入了直升機設計領域。在這個時期,卡曼發明了伺服襟翼(Servo-flaps,就是在直升機旋翼後緣加裝的活動小翼,以增加旋翼的穩定性。在卡曼的直升機上這個裝置的主要作用是通過操作小翼翼面改變旋翼的螺距,取代了其他直升機使用的變距系統),這是他賴以起家的第一個重要專利。

1945年卡曼26歲時開始自立公司,以推廣“一種使直升機飛行更為穩定和容易的新概念”,這個概念就是德國弗萊特納系列直升機採用的交叉式雙旋翼。德國人通過數年的設計、製造和飛行才完善了這種佈局,卡曼的概念當然也不可能來自天授,毫無疑問他受到了德國人的影響,並且有現成的成果可供借鑑(當然也可以說是參考或者向經典致敬啥的)。

不過卡曼後來和移居美國的安東·弗萊特納結識併成為了朋友,弗萊特納更成為卡曼公司的首席設計師,也算一段“美談”吧。

這裡必須強調的是卡曼並非欺世盜名之徒,他確實是一個極富創意的優秀設計師。在其一生中獲得了多項第一,包括第一架使用渦輪軸發動機的直升機、第一架使用兩個渦輪軸發動機的直升機、第一架電動直升機、第一架遙控直升機、第一架海上部署的遙控直升機、第一套全複合材料旋翼、以及第一種整個壽命期間沒有因為設計問題造成事故和生命損失的軍用直升機(H-43哈士奇(Huskie)系列)等等等等。但是交叉雙旋翼所用的齧合轉子(intermeshing rotors——twin intermeshing雙齧合或synchro-fit同步配合)技術確實是交叉式雙旋翼直升機的核心技術,也是卡曼撐起其直升機帝國的至關重要的第二個專利——雖然他並不是發明者。

卡曼靠著兩個朋友投資的2000美元,在康涅狄格州他老媽家的車庫開辦了公司。他把一輛1933年版龐蒂亞克汽車改造成了試驗檯,自己用手工製造了直升機的木質旋翼。

1947年1月15日夜間,卡曼的第一架直升機K-125首飛成功,帶著繫留繩飛起來兩米高。卡曼事後回憶道:“當時天色很暗,冰面很滑,情況不可能更糟,但我們離地6英尺,成功地在空中盤旋。”首飛的試飛員似乎就是卡曼本人。

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卡曼駕駛K-125試飛

當年春天,K-125成功完成自由飛行,高度超過50英尺,時速為每小時50—60英里。此後卡曼又製造了第二架被稱為K-190的直升機。

1949年7月,卡曼推出了K-125的改進型K-225,這是卡曼公司賴以起家的型號。美國空軍和海軍陸戰隊各自購買了一架,海軍購買了兩架進行評估,當時一架的售價是2萬5千美元。1951年一架K-225安裝了一臺波音公司生產的190馬力波音502(YT50)渦輪軸發動機,成為世界第一架渦輪動力直升機,後來該機被保存在美國國家航空航天博物館。

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K-225和德國Fl 282蜂鳥在外觀上頗相似

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Fl 282蜂鳥模型

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1949年,K-225從卡曼廠房上方飛過

這架直升機的發展型後來被美國空軍授予編號YH-22,表示這是一種試驗型號,但美國海軍慷慨訂購了29架,命名為HTK-1,用於訓練任務。HTK-1有兩套操縱系統,據說操縱性能非常好,但該機的尾部設計在直線飛行時會出現問題,因此嘗試過多種尾翼佈局,目前很難搞清這些佈局出現的先後順序。1954年一架安裝了兩臺波音502發動機的HTK-1試飛成功,又拿下了世界第一架雙渦輪軸直升機的紀錄(正式型號仍使用活塞式發動機)。

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卡曼HTK-1直升機

卡曼利用HTK-1開展無人直升機研究,先是一架HTK-1被拆去了座艙框架(視覺效果很類似於老式的K-225)。1953年這架漆成全黃警告色的無人直升機試飛成功並向軍方做了演示,其後美國空軍、海軍和陸戰隊聯合授予卡曼合同,要求改造三架無人直升機進行進一步研究。

HTK-1無人直升機曾進行過一次古怪的改裝,飛機被改為電動機驅動,通過連接在地面的一根電纜提供電力,於是第一架電動無人直升機的桂冠又落到卡曼頭上。卡曼的無人機研究促成了60年代美國海軍無人反潛直升機DASH的出現,但在競爭中因為佔用空間較大輸給了美國旋翼機公司(Gyrodyne Company of America)的共軸雙旋翼設計而未能中標。

在HTK-1基礎上進一步推出的改進型號,在卡曼公司內部被稱為K-600,這個項目由安東·弗萊特納親自操刀(弗萊特納進入卡曼公司的時間不詳,這是我個人能夠確定由他負責的型號)。

與HTK-1相比,新的型號將裸露的旋翼軸用整流罩包裹起來,並且採用了雙尾梁結構。K-600有三塊垂直尾翼,中間一塊麵積很大。

美國海軍陸戰隊首先訂購了81架作為觀測機,命名為HOK-1。接下來海軍也訂購了24架更換了發動機的通用型號,命名為HUK-1。這兩種型號曾在朝鮮戰爭期間使用,但範圍不大。美國空軍在58—59年購買了18架,用於機場消防。空軍的型號被命名為H-43哈士奇,垂尾增加到四個。

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卡曼HOK-1

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卡曼HOK-1

62年統一編號後,H-43更名為HH-43A;HUK-1更名為UH-43C;HOK-1被更名為OH-43D,而更老式的HTK-1也被更名為TH-43E。

美國空軍對消防直升機的需求促使HH-43進一步發展,HH-43B採用825馬力的萊康明渦輪軸發動機驅動,與之前採用活塞式發動機的老型號區別較大。該機被設計為飛行的消防車,機上安裝了泡沫噴射模塊,機組人員除正副駕駛外還包括兩名消防員和一名醫務人員。當有墜機事故發生時,直升機可以快速趕到現場,消防員使用泡沫滅火時,懸停的直升機用下洗氣流吹散火焰,此時醫務人員就可以衝上去搶救飛行員。

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HH-43B哈士奇

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越南戰爭時期金蘭灣基地消防演習中的哈士奇

越南戰爭期間,HH-43系列在南越執行了通用運輸、人員搜救、醫療後送等一系列任務。據一些資料稱,事後統計發現這種裝備數量較少的機型竟在朝鮮和越南後送了最多的傷員,執行救援任務次數超過其他所有機型的總和,並且服役中從未因設計問題發生事故。

在哈士奇系列生產的同時,卡曼參加了1956年美國海軍對輕型艦載多用途直升機的招標,其中標產品被命名為UH-2A,其實它後來發展的反潛型更為大家熟知,那就是SH-2海妖型(Seasprite)。

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執行救撈任務的UH-2C海妖

這種型號是卡曼的量產型號中唯一一種採用正常單旋翼帶尾槳佈局的直升機。越南戰爭期間該機主要在航母作業期間執行保障任務,打撈落水的飛行員,但也曾深入戰區執行搜救任務。美國陸軍對這種型號也曾感興趣,於是卡曼推出了改進的H-2戰斧(Tomahawk)武裝直升機,但陸軍最終選擇了貝爾公司的AH-1眼鏡蛇。

在60到70年代間海妖也產生了多種試驗機型,其中海空軍聯合的高速直升機項目中,一臺機身右側安裝渦輪噴氣發動機的YUH-2在試驗中達到了每小時360千米的速度。另一種有趣的型號是NUH-2C,這種直升機安裝了麻雀空對空導彈,以試驗能否利用直升機進行艦隊防空任務。

70年代後在這些試驗機中產生了最重要的反潛機型SH-2F,不少老型號也被改裝為反潛機型。這種直升機在70—80年代一度是美國水面艦只的標準艦載直升機,其最終改進型號SH-2G在美軍中一直服役到上世紀末期。

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SH-2F藝術畫


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著艦中的SH-2F

海妖生產結束後卡曼公司一度停止了新機的研製和生產,其業務由為其他公司生產航空配件以及生產吉他維持。上世紀90年代,卡曼公司決定建造一種適合交叉雙旋翼特性的直升機,這就是K-1200/K-MAX直升機,這也是查爾斯·卡曼在世時的最後一個設計。

K-MAX似乎是卡曼對自己一生直升機設計理念的最後總結和驗證。交叉雙旋翼直升機的升力係數比單旋翼帶尾槳的直升機大很多,但並列的兩幅槳葉又使它阻力較大,不適合高速飛行。因此K-MAX被設計成一種用來吊運重物的直升機,該機裝備1350馬力發動機,座艙只能容納一名駕駛員。傾斜向下的機頭和凸出的側窗賦予駕駛員良好的視野,駕駛艙後的小型貨倉用來容納駕駛員的個人物品和其他裝備。貨物由機身下的吊鉤吊運,重量可達2720公斤,吊索可在滑槽中前後移動,以在飛行中調整平衡。

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飛行中的卡曼K-MAX

K-MAX是在沒有任何軍方需求的情況下由卡曼自行開發生產的,在2003年停產前只造了38架。這種直升機在民用領域主要用於建築、勘測、採礦、伐木的起重和運輸工作。但這並不表示這是一個失敗的設計,它只是太專用了。

查爾斯·卡曼在很早以前就涉足無人直升機研究,他曾在公開場合表示希望今後無人直升機能代替人從事骯髒或者危險的勞作。K-MAX在設計之初就考慮了改裝成無人直升機的可能,它的常規座艙可以被方便地拆除,替換為無人操作系統。在1992年的一次新聞發佈會上,卡曼稱K-Max的傳動裝置和旋翼壽命接近無限,可在10000英尺高空“遊蕩近半天”,是“展示高科技的硬件家族的開端”。

在當時卡曼的設想似乎過於超前了,但很快美國軍隊就在阿富汗的群山裡遇到了麻煩,對前沿據點的補給危險重重。2011年12月17日,美國海軍陸戰隊第二艦載機聯隊的一架卡曼K-MAX無人機攜帶3500磅補給品從德懷爾營地(Camp Dwyer)出發,經過一個半小時的飛行成功抵達佩恩前哨站(Combat Outpost Payne)。這是無人直升機第一次在野戰條件上成功運輸補給品。事實再一次證明了卡曼的前瞻性,此時他已經去世快一年了。

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第一次無人補給歷史照片


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第一次無人補給歷史照片

2016年卡曼公司重啟K-MAX生產線,據說還準備推出新的改型。

2011年1月31日,查爾斯·卡曼以91歲高齡辭世。他是康涅狄格大學、哈特福德大學和科羅拉多大學的榮譽博士、英國皇家航空協會榮譽研究員、入選美國國家海軍航空博物館榮譽館、1996年獲克林頓總統頒發的國家技術獎章、1997年獲頒美國國家航空協會萊特兄弟紀念獎盃,以及康涅狄格州技術勳章、美國國防部傑出公共服務勳章、航空周和空間技術桂冠、艦隊上將切斯特·W·尼米茲獎。

另一方面,卡曼是一個優秀的吉他手。在他年輕的時候拒絕了管絃樂隊的邀請而投身航空事業,但他對音樂的愛好倒一直沒有變化。資料稱卡曼是第一批電吉他的發明者之一,另外憑著他在製作直升機旋翼過程中對振動和複合材料的瞭解,將航空用的複合材料用到了吉他上,發明了一種叫做“The rounded-back Ovation guitar”的東西(抱歉我對樂器一竅不通,連該怎麼正確翻譯都不知道,也許音樂愛好者能留言告訴我?)。

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就是這個東東

不管是啥吧,卡曼為此成立了卡曼音樂公司,專門生產吉他。看起來吉他生產給卡曼創造了大量的財富,因為就我所見的資料,卡曼各型直升機的產量恐怕實難支撐起如此規模的企業。但卡曼確實很喜愛吉他,他的女兒回憶他經常下班後在家中彈奏。

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彈奏吉他自娛的老年卡曼

卡曼的第三項事業是他和第二任妻子創辦了菲德爾科(Fidelco Guide Dog Foundation)導盲犬基金會,該基金會在德國牧羊犬中選育性格溫順宜人的品種,訓練後供盲人和警察使用。自1981年至卡曼去世,該基金會共向美國的35個州和加拿大的4個省投放了1300多隻導盲犬。

直升機、吉他和狗,這就是查爾斯·卡曼的一生。



最後我們來回答一下為什麼雙旋翼交叉直升機只剩下卡曼公司一家獨苗的原因。這種結構的直升機由於兩幅旋翼的旋轉面交叉,因此必須保持高度同步才不會相撞。而卡曼很早就取得了齧合轉子和伺服襟翼兩項至關重要的專利,把最便捷和最實用的路給堵死了。其他公司如果想設計或者生產這種類型的直升機,要麼嘗試不夠實用或不夠經濟的方案,也麼就只有取得卡曼的授權。而這種佈局的優勢並非無可替代,所以其他公司自然不必守著這棵樹吊死。

所以一方面卡曼公司在戰後延續了雙旋翼交叉直升機的苗裔,另一方面也限制了它的擴散和發展,正是成也蕭何敗也蕭何。




上一篇介紹德國直升機的文章中,我用卡曼K-MAX的照片展示交叉雙旋翼直升機的外形特徵。文章發佈後,條友“歷史小挖客”在留言中感嘆說卡曼直升機的交叉雙旋翼也被德國佬搶了先呀。這句話突然提醒了我,這裡面是否存在一定的聯繫呢?一查資料,好嘛,這哪裡是搶了先,這根本是找到了爹媽呀,於是就有了這篇文章。

由於我並非是直升機愛好者,也不是航空人士出身,不清楚卡曼的兩種專利是否有其他的專業術語表述,因此都保留了英文原詞,大家批判閱讀。

另外卡曼以及弗萊特納的生平、卡曼直升機的型號發展都缺少系統完善的資料,本文是從零散資料中採集、整理而成,難免錯漏。如果和您的認識與記憶出現衝突,也請自行鑑別真偽。

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