这款 “便携直升机” 设计大胆却问题不少
9月27日,四川剑阁县网红“唐飞机”驾驶超轻型单人单座共轴双桨飞机直播时,由于飞机失控不幸坠机身亡。55岁的“唐飞机”曾在节目中介绍,他所购买的飞机属于超轻型单人单座共轴双桨飞机,净重仅115公斤,起飞最大高度在600米左右,最快飞行速度达每小时约100公里。这让笔者想起了外国的另一种“便携直升机”。
历史背景
1.早期“便携直升机”探索
第二次世界大战结束后,众多美国工程师开始研发所谓的“便携直升机”(pocket helicopter)。霍勒斯・T・彭泰科斯特(HoraceT.Pentecost)是早期探索者之一,他创立了“霍皮直升机”(Hoppi-Copter)公司。1951年,他将首架原型机捐赠给美国国家航空航天博物馆(现借调至皮马航空航天博物馆),这款原型机设计极具突破性:搭载一台20马力发动机,为两组反向旋转的旋翼提供动力,整体固定在飞行员背部。但该设计存在致命缺陷——将飞行员的双腿作为起落架,这种设计被普遍认为存在极大安全隐患,相关研发很快被搁置。
2.军方需求与项目启动
数年后,同样对“便携直升机”兴趣浓厚的美军发布招标需求,寻求一种可折叠的小型直升机,用于执行侦察、联络、架线、空投、轻型补给、通信传递、自救、突围及渗透等任务。最终有30家企业提交了方案。
3.希勒XROE-1“旋翼摩托”的研发历程
1954年末,希勒直升机公司(Hiller Helicopters)启动新型直升机研发工作。经过初步研究,公司技术团队决定采用常规直升机设计(配备主旋翼与尾旋翼)。
尽管并非严格意义上“绑在背上”的旋翼装置,但希勒公司提出的原型机设计已十分接近这一理念:飞行员坐在类似自行车座椅的位置上,发动机恰好位于其背部后方。
在为XROE-1选择动力装置时,重量、尺寸、功率及供货稳定性是核心考量因素。基于这些标准,最终选定了由加利福尼亚州圣莱安德罗市巴莫蒂夫产品公司(Barmotive Products Inc.)生产的尼尔森H-59发动机(NelsonH-59)。这款排量为0.975升的二冲程发动机(后被功率更强的型号取代)在4000转/分钟时,最大持续功率可达29.8千瓦(40马力)。
“可完全折叠”是“旋翼摩托”设计的核心要求,这一特性也成为其整体设计中极具挑战性的独特难题,最终导致部分设计做出妥协。在最终方案中,除整个尾梁组件外,其余所有部件均可在不拆卸的情况下折叠;而尾梁的拆卸操作十分简便,并未构成实际使用障碍。
未组装的直升机可收纳进一个尺寸为0.70米×4.25米×0.50米的流线型容器中。必要时,该容器可通过战术飞机机翼下的炸弹挂架空投,且在野外无需专用工具即可完成组装。希勒公司还专门设计了一款运输架,可将直升机翻转至垂直状态以便搬运。
借助快速释放“插销”,一名飞行员可根据自身操作熟练度,在约10-15分钟内完成整机组装。组装完成后,尼尔森H-59发动机可通过类似割草机的拉绳启动,随后直升机即可准备起飞。
希勒公司共制造了一架用于试飞的原型机和一架用于结构测试的非飞行模型。1956年11月,试飞员理查德・“迪克”・L・派克(Richard“Dick”L.Peck)驾驶试飞原型机完成首飞。几乎同一时间,国际媒体开始公开报道这款小型直升机的相关信息。数月后,美国海军正式公布了这款单人直升机,并于1957年7月完成全部飞行测试。
初步评估后,研发团队对直升机进行了部分改进,例如将尼尔森H-59发动机替换为功率更强的H-63型号——其功率可达32-33.5千瓦(43-45马力)。尽管该直升机最初是为满足美国海军需求而研发,但仍于1958年1月24日获得了美国民用航空局(CAA)颁发的实验性适航证书。
事实上,希勒公司还计划将这款常被宣传为“空中摩托”的机型推向民用市场,用于执行空中侦察(警方、海关、林业、电力线路、输油管道巡查)、偏远地区邮政或医疗运输等任务。为此,1958年,其中一架“旋翼摩托”被送往欧洲作为演示机,以拓展海外市场。试飞员迪克・派克在意大利、瑞士、法国、德国、英国及荷兰等地完成了飞行演示。
4.特许生产与项目终止
由于希勒公司的生产能力需优先保障其他机型的研发与生产,无法兼顾这款单人直升机的量产。因此,英国伊斯特利特的桑德斯-罗有限公司(Saunders-RoeLtd)获得特许生产权,为美国海军陆战队制造了5架“旋翼摩托”,并额外生产了5架用于欧洲市场。
1960年春季,首批5架被命名为YROE-1的机型完成生产,并送往美国接受评估;1961年12月,另外5架被命名为1033型的机型制造完成,交由希勒公司驻巴黎的欧洲经销商“直升机航空”(Helicop-Air),用于向欧洲军方机构进行演示与评估。
然而,这款“便携直升机”并未如预期般进入军方服役。当时,美国海军有个设想是将其用于被击落的飞行员自救,该机可以投放给敌后飞行员。主要原因包括:操控灵敏度过高、性能与有效载荷有限,以及生存能力较弱。即便不存在这些问题,20世纪50年代末涡轮动力直升机的出现与搜救技术的进步,也使得“旋翼摩托”的功能逐渐过时,最终导致项目终止。
但从技术角度而言,“旋翼摩托”无疑是成功的。与同期的XRON-1“旋翼摩托”、旋翼飞行器RH-1“风车”(Rotor-CraftRH-1Pinwheel)、固特异GA-400R“小玩意儿”(GoodyearGA-400RGizmo)、本森B-9“小拉链”(BensenB-9LittleZipster)等机型一样,它持续为后续机型提供设计灵感,尤其在自制航空器领域影响深远。
多年来,众多发明者尝试模仿“旋翼摩托”研发运动型航空器,但在XROE-1研发阶段遇到的问题依然存在,导致这一设计理念始终未能普及。如今,已生产的少量“旋翼摩托”几乎全部被博物馆收藏,仅有1架已知由私人持有,且据报道仍可飞行(但已更换发动机)。
技术说明
1.整体设计与组装特性
希勒XROE-1“旋翼摩托”是一款采用标准布局的单人直升机,其核心设计特点是可折叠收纳至容器中,便于运输、空投及快速组装。整机通过13个快速释放“插销”固定,一名人员可在约10-15分钟内完成组装,但需严格遵循操作流程。
希勒公司制造的首架原型机与后续机型存在细微差异:例如最初的圆柱形油箱被重新布置并改造;直升机最初配备水平安定面,后被拆除。
机身基本结构包括:半硬壳式pylone(发动机舱)(内置发动机、油箱)、锥形三脚架式起落架,以及简易管状尾梁。飞行员通过肩带固定在完全开放式的玻璃纤维鞍形座椅上(座椅可根据背包调整)。若飞行员体重低于81.5千克,需在前方滑撬上添加配重,以确保重心在安全范围内。
2.操控系统
XROE-1配备了经典的希勒“旋翼自动控制系统”,该系统由位于主旋翼上方的两个小型翼型部件组成,作为气动伺服旋翼控制主旋翼桨叶的周期变距。这一系统的优势在于,周期变距操纵杆的反馈载荷极低;同时,采用该设计可避免采用地板式操纵杆所需的复杂连杆结构——这对于需折叠的“旋翼摩托”而言至关重要。
周期变距控制系统中的反向连杆使直升机保持常规操控逻辑:操纵杆向前推,直升机向前飞行;其他操控方式则与常规直升机一致。
3.传动系统
传动系统由希勒公司自主设计,通过离心式离合器驱动,在发动机转速达到约1800转/分钟时可自动平稳接合。该系统能将发动机转速(4000转/分钟)降至旋翼转速(540转/分钟)。
尾旋翼、机油泵及转速表传动装置由第一级齿轮驱动,该齿轮可将转速从4000转/分钟降至1625转/分钟。尾旋翼转速为3250转/分钟,由尾旋翼减速器通过2:1的增速比驱动。主传动系统与尾旋翼传动轴通过花键接头连接,便于尾梁组件拆卸;传动轴完全包裹在尾梁内部,以防搬运时受损。传动系统从动端的盘式制动器可快速制动主旋翼与尾旋翼(均采用常规全金属设计)。
4.燃油与仪表 燃油箱容量为9.5升,采用油汽混合燃料(机油与汽油比例为1:8),安装在发动机上方及后方,通过重力供油。小型仪表盘安装在起落架前腿上,XROE-1原型机的仪表盘包含以下仪表:旋翼/发动机转速表、空速表、气缸头温度表及电压表。
5.发动机(尼尔森H-63B)
如前所述,希勒XROE-1最初搭载的是常用于动力滑翔机的尼尔森H-59发动机。这是一款水平对置四缸二冲程单点火风冷发动机,在4000转/分钟时额定功率为29.8千瓦(40马力)。后续该发动机被性能更强的H-63B型号取代——H-63B排量为1.030升,在4000转/分钟时额定功率可达32-33.5千瓦(43-45马力)。换装新发动机后,直升机的飞行性能略有提升,且配备了轻便的电池启动装置。
全套尼尔森H-63B发动机(含排气管、化油器、启动器及12伏电池)仅重26千克。全功率运行时,燃油消耗量约为17-18升/小时,续航时间约45分钟,对应航程约60公里。
6.性能参数(国际标准大气条件下,搭载尼尔森H-63B发动机)
性能指标 参数1 参数2
起飞重量 225千克 251千克
巡航速度 84公里/小时 79公里/小时
有地效悬停高度 2800米 1680米
无地效悬停高度 1950米 795米
实用升限 4010米 3650米
海平面初始爬升率 207米/分钟 100米/分钟
海平面最大爬升率 354米/分钟 280米/分钟
7.尺寸与重量
海平面最大速度(不可超越速度):104公里/小时(56节)
主旋翼直径:5.61米
主旋翼桨盘面积:24.8平方米
尾旋翼直径:0.91米
尾旋翼桨盘面积:0.79平方米
整机长度:4.01米
旋翼轴高度:2.10米
起落架轮距:2.54米
空重:136千克
最大起飞重量:255千克
8.飞行特性
当XROE-1向公众展示时,希勒公司宣称其稳定性极佳且操作简便——无飞行经验的普通人只需在标准训练直升机上接受约8小时双人带飞训练和2小时单飞训练,即可安全驾驶该直升机完成常规机动。不过,公司仍建议额外接受专项训练,以应对常规飞行中可能遇到的各类情况。
然而,试飞员迪克・派克曾私下透露,这款直升机的操控灵敏度极高。“旋翼摩托”面临的最严重问题(或许也是20世纪50年代多数开放式座舱轻型垂直起降项目的通病)是:在无地效飞行状态下,缺乏可靠的地平线参考基准。与大型飞机不同,“旋翼摩托”没有可与地平线进行视觉对齐的突出结构,这使得直升机极易发生意外失控。
9.可选设备
“旋翼摩托”并未专门研发可选设备,但一份小型宣传册显示,该直升机可在飞行员座椅下方直接挂载或吊运小型包裹、线轴(及其他轻型货物),且可配备浮筒式起落架。