皮亞塞茨基的夢想

小鵬

旋翼，顧名思義，可以理解為旋轉的機翼，其概念最早可以追溯到中國古代書籍中描述的一種木制玩具——竹蜻蜓。用手搓動它使其旋轉就可獲得一定的升力，從而能夠飛到一定的高度。這種玩具的靈感可能來源于一些樹木的種子，這些種子的奇特形狀使其在空氣中落下時就會旋轉起來。到15世紀末期，達芬奇用他高超的繪畫技藝向我們展現了一種直升機的設計方案，圖畫中的飛行器具有一個螺旋面，按照達芬奇的設想，這樣的螺旋面以正確的方向旋轉起來就會像螺絲一樣獲得向上“鉆入”空氣中的動力。自此以后，人們提出了許多關于飛行的設計方案，但由于缺少合適的動力來源和對升力產生機制的了解，真正實用可行的飛行器一直沒有被制造出來。直到19世紀內燃機的發明和完善為飛行器的設計提供了可靠的動力來源。

早期旋翼飛行器的探索

與固定翼飛機類似，旋翼飛行器也依靠與空氣的相對運動來獲得升力。不同的是，旋翼飛行器依靠對稱分布的多個葉片的繞軸高速轉動來實現對空氣的相對運動，從而可以在獲得升力的同時保持機身一定程度的靜止，實現懸停的狀態。這是旋翼飛行器的一個明顯的特點和優勢。

法國航空先驅阿蒙科特被認為在其1863年的一本專著中發明了“helicopter”一詞。另外他還曾設計建造了一架蒸汽動力的共軸雙旋翼機模型，但是這架模型機沒能飛起來，現在存放在法國航空博物館。一般認為，法國的布雷哥特兄弟在查理教授的帶領下，設計建造了世界上最早的旋翼航空器。1907年8月24號，這架旋翼機成功地“飛”到了60厘米的高度，還是在4名助手幫助實現穩定的情況下。這架被稱為“旋翼機一號”的航空器的機身實際上只是一個開放的框架，具有四副旋翼。一條對角線上的一對旋翼沿順時針方向旋轉，另一條對角線上的則逆時針轉動。這架機既不可控也不可操縱，但這是第一次一架旋翼機成功地把自己和一名駕駛員抬升到了空中。

之后，布雷哥特兄弟又設計了第二架“旋翼機”。這架帶有兩副旋翼和一副固定機翼，它成功地飛行到大約4米的高度，但是在著陸時損壞了。此后，他們一度放棄了設計。

法國人保羅·克努是一名自行車制造商和工程師，他設計了第一架真正的旋翼飛行器，并在1907年11月13號成功進行了無系留試飛。這架飛行器具有兩個縱向布置的沿相反方向旋轉的旋翼，在第一次20秒的飛行中成功飛到了30厘米的高度。但是它不具有很好的操縱性，在幾次飛行后即被廢棄?？伺罄^續研究，提出了許多與旋翼機相關的技術概念，但沒有制造任何新的機型。

在美國試飛的第一架直升機則是由埃梅里·伯林納設計、由約翰·威廉姆斯制造的，在1908年成功進行了首飛。這架直升機采用共軸反轉雙旋翼，由一臺36馬力（24.5千瓦）的引擎驅動，據記載，威廉姆斯乘坐這架直升機成功抬升到了0.9米的高度。伯林納在20世紀20年代繼續建造了其他的直升機，但沒有一種投入大規模生產。

法國人艾提恩在1921年完成了一次成功的直升機飛行。他在1922年提出了一種新的航空器設計，具有垂直安裝的小旋翼和巨大的水平旋翼，其中較小的旋翼發展成了后來的尾旋翼。艾提恩同時也是專門從事昆蟲翅膀功能研究的生物學家，特別是對蜻蜓的研究，引發了后來對柔性旋翼葉片構造的進一步研究。

20世紀20年代到40年代的探索

波茲薩特博士是一名來自俄羅斯的教授。作為科學家和數學家的他來到美國后發表了第一篇關于旋翼飛行器空氣動力學的論文。在1921年，他收到了來自美國軍方的保密合同，要求他設計一種試驗性的直升機。他和助手在俄亥俄州的代頓市設計并建造了一架被稱為“飛行章魚”的飛行器。它有4副直徑6米、由6個葉片組成的巨大旋翼，安裝在十字型桁架的4個端點處。每副旋翼的葉片槳距獨立可調，可以分別進行總距操作。這架直升機在1922年12月18號進行了首次飛行，整個飛行持續了不到2分鐘，飛到1.8米的高度。在接下來的兩年內又進行了超過100次飛行。在換裝了更加強大的引擎后，試飛證明這架直升機具有很好的穩定性，但從未達到超過9米的高度。它還需要有利的風向來實現向前飛行。在花掉將近20萬美金后，軍方取消了這一項目。直升機被認為是不夠強大，反應遲緩、機械復雜、操作起來難度還挺大。

直到1933年，世界上第一架縱列式雙旋翼直升機才真正實現首飛。它是由俄羅斯工程師弗洛林設計的。其兩副旋翼采用了同向旋轉的方式，依靠二者朝相反方向的輕微傾斜來抵抗反作用扭矩。1933年，弗洛林駕駛這架直升機實現了不到10分鐘，高度4.5米的飛行。但他的設計后來遭遇了諸多困難，研究工作中斷，這架機器也在二戰中被毀壞了。

2 0世紀3 0年代，重新回到旋翼飛行器研究領域的布雷哥特設計了一架試驗性的直升機Gyroplane Laboratoire，直譯過來就是“實驗型旋翼機”。這是一架共軸雙旋翼直升機。兩副旋翼反向旋轉，一副的旋轉軸安置在另一副的旋轉軸內部，每一副旋翼都抵抗另一副旋翼產生的反作用力矩。1933年進行了首次飛行，但在測試中嚴重損壞，到1935年又開始了飛行試驗。在這架直升機上，第一次采用了周期變距操縱來實現飛行側向和前后方向的移動，以及采用總距操縱來實現垂直方向的移動。到1936年測試末期，這架直升機已經可以做到留空超過一小時，表現出了很好的操控性。

二戰時期，德國的?？私淌诶靡患蹻w-44教練機的機身改裝出了一架試驗機Fw-61，主要的改造是在機身左右兩側橫向布置了兩副旋翼，由機身頭部原有的星形發動機驅動。同時該發動機還帶動一個小螺旋槳，用來提供冷卻氣流，此項設計一共建造了兩架原型機。?？撕髞沓闪⒘艘患夜綟ocke-Achgelis，并提出了新的Fa-61設計方案。之后進一步發展了Fa-223（第一個生產型直升機）和 Fa-266（運輸直升機）兩型直升機。Fa-223只生產了20架，其中一架還在戰爭中被英國俘獲。在1945年飛往英國的過程中它成為了第一架飛躍英吉利海峽的直升機。

西科斯基R-6與辭職的皮亞塞茨基

在美國，伊戈爾·西科斯基極大地推動了日后可以稱為直升機標準布局的單旋翼帶尾槳類型直升機的發展和生產。在20世紀30年代末期，時任聯合飛機公司“沃特-西科斯基”分部的工程部經理的西科斯基設計并建造了VS-300。該型機使用了用一臺引擎同時驅動主旋翼和尾槳的設計方案。1941年5月，VS-300成功實現留空1小時32分鐘，打破了由Fa-61保持的世界紀錄。與此同時，西科斯基還進行了世界上第一架生產型直升機R-4的研究工作。1943年8月，西科斯基公司的R-5原型機進行了首飛，1946年放大版的S-51成為了第一型商用直升機。1943年10月，作為R-4改進型的R-6原型機也進行了首飛，在1946年開始交付美國軍方。

1938年，哈維蘭·普拉特和勞倫斯·拉帕吉成立了普拉特-拉帕吉飛機公司。拉帕吉曾專門飛往德國與Fw-61的設計者見面。但由于美德關系的惡化，會談被迫中止。為競標美國軍方的旋翼飛行器項目，拉帕吉繼續他們自己的橫列雙旋翼直升機的設計工作，最終給出了與Fw-61類似的設計方案XR-1。在與西科斯基的單旋翼方案的競爭中，XR-1最終獲勝，在1941年5月贏得了軍方的合同。XR-1方案為雙座機，通過傳動系統將動力傳輸到旋翼。傳動系統的設計則使用了一種類似汽車上的差動器。項目團隊中的一個年輕的工程師并不贊同這樣的設計。在一次由差動器故障導致的墜機后，年輕的工程師辭去了職位，他叫弗蘭克·皮亞塞茨基。

盡管西科斯基的單旋翼直升機在美國軍方的服役期間取得了成功，但這些直升機在載重和重心允許變動范圍上仍然有很多限制。

皮亞塞茨基辭職后，西科斯基公司修復了那架損壞的XR-1。但它又在1943年的一次飛行測試中墜落。第二架原型機XR-1A在1944年10月也發生了墜落事故，隨后被廢棄。多年的測試后，軍方最終在二戰末期取消了和普拉特-拉帕吉公司的合同。損壞的XR-1A被修復后輾轉多手，最終被皮亞塞茨基購得。

皮亞塞茨基1919年10月24日出生于賓夕法尼亞州的一個波蘭移民家庭。他在賓夕法尼亞大學學習機械工程，1940年21歲的時候獲得了紐約大學航空工程學士學位，同一年，和賓夕法尼亞大學的其他年輕工程師一起創立了PV公司（1946年改名為皮亞塞茨基直升機公司）。他們的第一件作品PV-1直升機就采用了與眾不同的設計，單旋翼不帶尾槳，利用新潮的渦輪引擎的噴射氣流來提供反扭矩的力，但是由于設計太過超前，計劃采用的渦輪引擎技術還不可靠，PV-1最終沒有制造出實機。之后的PV-2上，他們回到了比較傳統的設計，采用了單旋翼帶尾槳方案，在1943年4月進行了首飛。PV-2的設計獲得成功后，皮亞塞茨基為了推廣這型直升機，駕駛著它四處做飛行演示，甚至降落在加油站，讓工作人員給他的飛機加滿油，順便擦擦擋風玻璃，儼然一副開著豪車兜風的排場。

皮亞塞茨基的輝煌不會僅僅停留在此。

在PV-2的成功演示之后，1944年1月，PV公司接到了美國海軍的開發合同，要求完全重新設計一種直升機，基本要求是能有817千克的載重能力。

技術發展到這個時候，人們已經有足夠的經驗來總結不同旋翼布局的優劣了。

轉動著的旋翼不可避免地要對驅動它的發動機產生反作用力矩，而發動機一般安裝于機身上，力矩最終傳到了機身，讓機身不自主的打轉。如果不采取抵抗力矩的措施，整個直升機將無法飛行。四種布局形式都需要解決這一問題。

單旋翼布局用尾槳來反力矩，可這樣的尾槳不僅帶來了安全問題，還白白消耗著發動機功率。不增加任何升力卻帶來了額外的阻力，一切代價只是為了反力矩。當直升機被設計得越來越大和越來越快的時候，尾槳只能相應增大尺寸，使旋翼的缺點也得到了放大。

雙旋翼的設計用反轉的兩個旋翼來相互抵消反作用力矩，的確是很好的設計，但雙旋翼運轉的相互協調同樣是難點。在共軸式上，不僅共軸的機械裝置復雜，兩副旋翼還需要間隔足夠的距離，防止相互碰撞，結果增加了阻力，損失了升力。在橫列式上，橫置的雙旋翼極大地影響著橫滾穩定性。

但皮亞塞茨基在XR-1項目工作期間曾注意到，XR-1在側向飛行時表現更好，由此產生了將雙旋翼縱向布置的設計思路。

縱列式同樣具有系統復雜、維修工作量大等問題，卻又有著自身獨有的優點。由于有兩個旋翼產生升力，每一旋翼的尺寸可以縮小，可以更多的場合起降。兩個旋翼可以做到不安置在同一水平面上，從而相互有重疊，這樣就可以縮短機身，整體布局更加緊湊。通過調節兩個旋翼的升力比，可以使得機身向前或向后傾斜，這種額外的前傾方式可以讓直升機更快地轉入水平前飛狀態?？v列式直升機還可以做到前機身懸停，尾部搭在一些突起高地上，為在一些特殊地形的人員進出提供便利。

于是，皮亞塞茨基結合了PV-2項目中收獲的經驗和在XR-1項目中的經歷，與PV公司推出了設計合同的原型機，即采用縱列雙旋翼設計的 PV-3。皮亞塞茨基將后部的旋翼設計成高于前部旋翼所在平面，從而消除了前旋翼產生的、吹向后旋翼進而影響穩定性的下洗流，這一設計為縱列式布局贏得了更多認可。1945年3月7號，PV-3進行了首次飛行。1946年又制造了兩架改型機，隨后，其被賦予了XHRP-1的名稱。1947年改名為HRP-1，開始進行一共38架的批量生產。HRP-1一直服役到50年代中期，其鮮明的外形特點很快贏得了“飛行香蕉”的綽號，并在后面皮亞塞茨基設計的縱列式直升機上一直沿用。采用金屬蒙皮的改進型也被開發出來，稱為HRP-2。

1945年，美國海軍提出需要一種能從航母、戰列艦和巡洋艦上起飛的緊湊型救援直升機。皮亞塞茨基的縱列式設計方案XHJP-1獲勝，批量生產后命名為HUP-1.其能夠搭載兩名機組成員和四到五名乘客。到1954年7月，總共有269架HUP和70架陸軍的H-25A交付。HUP-1是海軍最初賦予的編號，其后續的升級型一開始也被依次稱作HUP-2，HUP-2S和HUP-3。但隨后HUP-3被稱為H-25B，1962年又改稱H-25C。

H-21一開始是由皮亞塞茨基為美國空軍開發的一款北極救援直升機，基本使用了HRP-2的配置布局，1952年實現首次飛行。美國空軍訂購了32架H-21A搜救直升機和163架動力更為強勁的H-21B運輸直升機。美國陸軍則訂購了H-21C，其具有1816千克的吊重能力。1956年，美國空軍使用H-21創造了兩項世界紀錄——447千米每小時的速度記錄和6633米的高度記錄。1956年，一架美國陸軍的H-21C完成了首次橫跨美國的連續飛行，歷時37小時。從1954年到1959年，一共生產了707架H-21，其中150架出口到西德、加拿大、法國和日本等國。1961年11月，32架陸軍的CH-21第一次部署到越南。CH-21在戰斗中試驗了很多新型直升機軍事行動，成為了越南戰爭中美軍首要的兵員運輸工具。戰爭中，CH-21開始加裝防護裝甲，配備機槍用以自衛。1962年7月，在老撾越南邊界附近的昆嵩省，一架CH-21C被擊落，造成了越南戰爭中美軍的首次傷亡。1964年，采用渦輪發動機的“休伊”UH-1開始取代CH-21成為新的運兵直升機，到1965年底，大部分CH-21直升機從美國陸軍和空軍中退出現役。

“支奴干”和“海騎士”修成正果

為滿足空軍對搜尋轟炸機飛行員的遠程搜救直升機的需求，皮亞塞茨基啟動了YH-16的研發，1953年10月23號實現首飛。YH-16是當時世界上最大的直升機，安裝有直徑達24.6米的旋翼。機身尺寸與DC-4運輸飛機相當，能夠承載40名乘客或6356千克的貨物。還曾設計了一種安裝有較高起落架的版本，以便加裝可拆卸吊艙。首架機YH-16由兩臺普惠R2180引擎提供動力。第二架原型機YH-16A則安裝有兩臺阿里森T38渦輪軸發動機。第三型設計YH-16B計劃采用兩臺艾利森T-56渦輪軸發動機，但1955年12月YH-16A在一次試驗飛行中的墜毀導致整個項目被取消。

朝鮮戰爭證明了直升機具有十分廣泛的用途和顯著的效用。但是一直到50年代中期，傳統往復式發動機限制著直升機能力的進一步提升。正如對固定翼飛機來說是一場革命，渦輪軸發動機對于直升機來說，同樣是一場革命。1956年，皮亞塞茨基在與公司董事會大吵一架后辭去了主席職位。皮亞塞茨基直升機公司改名為維托爾Vertol（意為“垂直起降”）飛機公司。剛剛成立不久，新公司即啟動了新型渦輪動力直升機的研究。他們認為這類直升機具有的性能應該是美國軍方需要的。維托爾的初步設計部門主任托馬斯·佩普和軍方專家進行了深入交流，了解到軍方真正想要的是一架能頂得上2個半卡車的運輸能力的飛機。維托爾的設計團隊繼續和軍方人員深入交流，逐漸明確了主要設計要求，提出了大約300種設計方案，最后得出結論，縱列式雙旋翼是唯一能夠滿足這些要求的布局形式。

1957年7月，維托爾正式向軍方闡釋了Vertol 107直升機項目的三步走戰略。首先，基于H-25和H-21建造一架技術驗證機。然后，利用從Vertol 107獲得的經驗和數據設計新的旋翼和動力系統。最后，設計一架新型的軍用中型運輸直升機Vertol 107-1。Vertol公司在1957年5月開始了第一架Vertol 107原型機的研制，1958年4月22號首飛，這架原型機被命名為YHC-1。隨后維托爾公司收到10架Vertol 107的初步合同（這批直升機被命名為YHC-1A）。1958年6月25號，美國軍方宣布開始軍用中型運輸直升機的競標，五家公司提交了自己的設計方案。1959年3月4號，軍方最終宣布選擇維托爾公司，給了10架的訂單。

但是美國陸軍認為YHC-1A用于攻擊行動來說太重了，用于運輸又太輕了，因此同時要求設計一個更大的版本。維托爾公司于是開始Vertol 107-1的設計，后來定名為V-114。1959年6月，維托爾收到了5架V-114原型機的生產合同，生產型V-114后來被命名為YHC-1B。這樣一來，維托爾公司同時進行著兩種直升機的研究和生產，公司應對能力有所不足，導致了波音對維托爾的收購。1959年11月，維托爾和波音公司宣布正在協商收購相關事宜。1960年3月，維托爾公司成為了波音的一個分部。

一些較小的YHC-1A受到海軍陸戰隊的歡迎。在一番改進后最終被美國海軍和海軍陸戰隊采用，命名為CH-46“海騎士”，主要擔任運輸物資和人員的任務。海軍陸戰隊主要用它把部隊從艦上運到岸上，再從駐扎地運到作戰位置。海軍則主要使用它把裝備運到艦上或執行搜救任務。

軍方對最初5架YHC-1B原型機的合同進行了修改，增加訂購了5架標準生產型號的YHC-1B（后被命名為HC-1B）。1961年，維托爾收到了第二份生產合同，要求額外生產18架HC-1B。1962年7月，所有的YHC-1B和HC-1B被分別命名為YCH-47A和CH-47A“支奴干”。它后來又發展出B、C、D等型號，目前仍在進行現代化改裝。CH-47是美軍主要的運輸直升機，也是唯一的中型運輸直升機。CH-47D型是現今美國陸軍空中運輸的主力，最新的CH-47F也已經在2006年完成組裝，逐步交付部隊。