贝尔高速复合式直升机初尝试,加装喷气发动机和机翼的贝尔533

上世纪六十年代,经过二十多年的发展,直升机理论分析和生产制造技术日趋成熟。直升机凭借其独特的悬停性能和低速机动能力,在军民用领域发挥着越来越大的作用,但是大尺寸旋翼系统固有的缺点使得直升机前飞速度始终保持在较低的水平。一方面出于军事任务的需求,另一方面则出于对高效、便捷的城际交通运输任务的追求,很多直升机公司都开始探索是否存在一种混合布局的旋翼类飞行器,这种飞行器既能够像固定翼飞机一样飞的快,又能具备直升机一样的悬停和低速性能,这种直升机就被称作“复合式直升机”。

贝尔高速复合式直升机初尝试,加装喷气发动机和机翼的贝尔533

△洛克希德公司的AH-56A夏延武装攻击直升机正是美国上世纪五六十年代复合式直升机的代表作

本文的主角贝尔直升机公司的“模型 533”(Model 533)正是诞生在这一时期的一型复合式直升机,该机的多种改装设计遍及了复合式直升机的三种基本构型(推力复合式、升力复合式和推升力复合式),其前飞速度也代表了复合式直升机在六十年代的最高水准,可谓相当出色,下面——请看正文。

源于美国陆军的预研项目——贝尔533的诞生

贝尔533(Bell 533)是一型试验性质的直升机,该机诞生于上世纪60年代,由贝尔直升机(Bell Helicopter)公司为美国陆军打造,其目的是为了探索直升机旋翼系统在高速飞行情况下的真实状态以及其飞行速度理论限制。从本质上来说,贝尔533是基于一架YH-40型直升机改装而成的,YH-40是一种UH-1“休伊”系列直升机的预生产型号,贝尔直升机公司将这家YH-40直升机改装成了多种多样的直升机和复合式直升机配置来进行各种直升机飞行试验。

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△一架早期的“休伊”直升机原型机的机身,贝尔533型直升机的“模板”

美国陆军将贝尔533称为“高性能直升机”(HPH;High Performance Helicopter),该机在上世纪六十年代末达到了时速508.6公里(274.6节)的极高水平,但由于该机主要还是试验机,其上采用的技术成熟度较低,风险较大,所以并没能走向生产,而是在不久之后就退役了。

上世纪六十年代,美国军用直升机技术发展日趋成熟,美国陆军航空兵也逐渐不满足于当时现役直升机的性能水平,于是启动了一个项目来研究是否能够对现役直升机进行改进来提升其性能,他们希望能够通过试飞测试来验证这些改动。当时有三家直升机公司参与了该项分析研究工作,他们给出的结论无一例外都是肯定的——通过恰当的改进设计,直升机的性能能够得到大幅度提升。

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△贝尔533型直升机方案的剖面结构示意图

贝尔直升机公司也是该项目的一家参与者,他们针对UH-1B型“休伊”直升机进行了性能改进调研。在调查研究之后,贝尔向美国陆军提交了一份被命名为“高性能直升机”的建议书。1961年8月7日,美国陆军运输研究和工程司令部(TRECOM;Transportation Research and Research Engineering Command)授予了贝尔直升机公司一份合同,该合同就要求贝尔直升机公司为这种“高性能直升机”的建议方案打造原型,从而进行实际的试飞测试研究。

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△“高性能直升机”贝尔533的基础型号

作为回应,贝尔直升机公司基于一架YH-40-BF型“休伊”直升机改装出了“模型 533”(Model 533)直升机,不过该机的动力系统组件则是按照UH-1B型“休伊”直升机为标准的。该合同约定的研究工作分为两个阶段,第一阶段是探索全机整体阻力的降低带来的好处;第二阶段就是探索增加辅助推进装置带来的好处。

在这两个阶段的安排之下,贝尔533直升机总共有3种不同的配置被拿来进行了飞行测试:

①其中第一种配置就是在一架基础的YH-40直升机上仅仅只进行阻力降低设计改进的型号;

②第二种就是给该机加装了一对辅助的喷气发动机来作为辅助推力系统的改进型号;

③第三种就是在此基础上追加了一对后掠机翼来提供额外升力的改进型号。

三种版本——贝尔533的不同配置介绍

①第一种配置的贝尔533

在该项目的第一阶段,贝尔直升机公司对YH-40直升机的机身进行了“大清理”,也就是去除了一切可以去除的部件和非必要的凸起设计。贝尔直升机的设计师还采用玻璃纤维蜂窝夹层结构(Fiberglass Honeycomb Sandwich)材料重新设计了后部机身的整流罩,设计师还设计了一种具有弧形偏转角的垂直尾翼,这样一来在该机进行巡航速度飞行的情况下,垂尾产生的侧向力就能够卸载一部分尾桨拉力需求。此外,这个版本的贝尔533的撬式起落架也被增加了流线型的整流罩,该机的旋翼主轴也改成了一种可以在飞行中小幅度倾转的旋翼主轴设计。

这架改装的贝尔533在NASA“埃姆斯”研究中心的风洞中进行了首次测试,此次测试结果证实了该机的这些改动确实有效降低了全机的阻力。在完成测试之后,1962年8月10日,该机在贝尔直升机公司位于得克萨斯州沃思堡的总部进行了首次飞行测试,此次飞行测试中,其旋翼系统采用的是UH-1B“休伊”直升机两桨叶旋翼。在为美国陆军的项目启动飞行测试之前,该机的旋翼系统改成了万向铰接式的三桨叶旋翼系统。

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△1962年年底,改装为三桨叶旋翼系统的贝尔533型直升机

该机采用了改进的飞行操纵系统,这套系统使得该机的旋翼组件能够方便地进行更换,由此,贝尔533的这套三桨叶旋翼系统可以方便地通过万向铰接式或者刚性连接的方式安装在机身上。在这种配置的情况下,贝尔533在直线航道平飞过程中达到了最高278公里的时速。

②第二种配置的贝尔533

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△加装后掠式机翼,但没有辅助喷气发动机的贝尔533

在完成第一阶段的研究工作之后,美国陆军继续提供经费让贝尔直升机公司持续进行第二阶段的研究工作,也就是在该型直升机上加装辅助推进装置。贝尔直升机的设计师为该机设计了一副长8.17米的后掠式机翼,机翼的后掠角可以由地勤人员进行调整。在该项目的后期,机翼的俯仰操纵被耦合到旋翼的总距操纵上,以此来控制两者的升力分配,同时也在自转状态下控制旋翼的转速水平。在通过飞行测试验证直升机加装辅助机翼之后气动特性变化的情况之后,这套后掠式机翼组件就被拆除了。

③第三种配置的贝尔533

贝尔高速复合式直升机初尝试,加装喷气发动机和机翼的贝尔533

△仅加装喷气发动机,但没有后掠机翼的贝尔533配置

从1963年10月12日开始,贝尔直升机的设计师为贝尔533安装了两台大陆CAE J69-T-9涡轮喷气发动机,两台发动机短舱直接挂载在机身后部。两台公斤推力的发动机导致该机在水平尾翼部位产生了强大的湍流,影响了该机的操纵品质,为了解决这个问题,贝尔直升机公司的设计师在该机的垂直尾翼上尾桨的另一侧安装了额外的平尾。在此次修改之后,该机的飞行测试工作于1964年3月2日重启,此时,贝尔533已经进化到同时安装了喷气式发动机和辅助机翼的配置。在这种配置状态下,该机在喷气发动机输出功率最大化的情况下达到了344公里的时速。

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△同时加装发动机和后掠式机翼的贝尔533直升机

项目结束——贝尔公司自筹经费继续测试

在1964年4月份,美国陆军和贝尔直升机公司的项目合同到期,所有的合作飞行测试工作至此结束。但事实贝尔直升机公司却“舍不得”放弃这种探索复合式高速直升机设计的好机会,所以他们决定公司自筹资金,继续进行贝尔533复合式直升机的独立测试工作,与此同时,贝尔直升机公司的设计师们也对该机进行了进一步的改进工作,首先就是改回了两桨叶的经典贝尔旋翼系统,并采用了桨叶尖削设计。

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△停靠在机场的贝尔533型直升机

桨叶尖削设计被证实是有效的,在这种设计状况下,当大陆喷气式发动机马力开到最大的时候,该机的飞行时速能够提高到357公里。当然,贝尔直升机公司自然也不会满足只提升这么一点点速度,他们希望通过改进来进一步“大幅度”挖掘该机的前飞速度潜力。说干就干,贝尔直升机公司的设计师直接移除了该机的J69-T-9型喷气发动机,直接换成了推力更大的(达1700磅)J69-T-29型喷气式发动机。此次换装发动机之后,该机的飞行速度进一步提升,先是达到了时速370公里,到1964年10月15日,又增加到了时速380公里。

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​△飞行测试中的贝尔533型直升机

六个月之后,也就是1965年4月6日,贝尔533成为了第一架飞行速度突时速400公里大关的旋翼飞行器。除了在最大飞行速度方面的突破,贝尔直升机的试飞飞行员甚至能够借助辅助推力发动机操纵这架复合式直升机保持两倍重力状态下的60°角转弯机动。

最后的一次测试研究

贝尔直升机公司的独立飞行测试工作还是引起了美国陆军的兴趣,到1968年早期,美国陆军和贝尔直升机公司再一次携手合作来尝试扩大贝尔533直升机的飞行包线。在这次合作中,贝尔直升机公司的设计师移除了原先设计的后掠式机翼,转而在机身更上方、更后方的位置安装了一副短机翼。并且也把之前采用的J69型喷气发动机换装成了普惠公司的JT12A-3(J60)型喷气式发动机,这种发动机性能更强劲,足以产生3300磅的推力,一对JT12A-3型发动机被安装在短机翼的两侧翼梢。

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△采用短机翼挂载发动机短舱的贝尔533直升机设计

除了布局设计方面的改进之外,贝尔直升机的设计师还为贝尔533重新设计了飞行操纵系统,将之前所采用的针对直升机设计的桨距操纵改为了类似于固定翼飞机的舵面操纵。完成改进设计之后,在1969年4月15日,贝尔533直升机实现了惊人的时速508.6公里的前飞展示,轰动一时。

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△陈列在博物馆中的贝尔533型直升机

发展到最后,贝尔533型直升机的旋翼系统“进化”成了贝尔直升机公司自研的四桨叶的弹性梁刚性旋翼系统,这种旋翼系统对贝尔直升机后续的直升机发展和设计带来了深远的影响。不过在该机退休之前,其旋翼系统还是被换成了最初的两桨叶配置,所以现在在博物馆中能看到的贝尔533还是保持着贝尔直升机最经典的两桨叶跷跷板式旋翼设计。

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