面向美国海军陆战队实际需求的两栖重型直升机,西科斯基CH-53K

弁言:下一代两栖运输巨无霸

西科斯基已经开始开发CH-53K重型运输直升机了。成名已久的H-53系列直升机已经在美国海军陆战队、海军和空军中服役多年,在多次局部战争——主要是美国所谓的“反恐作战”——中立下了赫赫战功。但是这种出色的重型运输能力是有代价的,而且H-53系列直升机已经是上世纪七十年代的设计,在最初的方案设想中,这是一种专用度非常高的航空器,并且只需要小规模生产。

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图 1 CH-53K直升机在进行空中加油的测试

换句话说,老的H-53系列直升机,主要是美国海军陆战队现役的CH-53E“超级种马”直升机已经有些过于“陈旧”,因此已经无法满足美国海军陆战队的实际需求了。为此,怀着切实解决美国海军陆战队对未来重型两栖运输任务的实际需求,CH-53K诞生了。美国海军陆战队对于重型两栖运输直升机的需求指标主要来自于“2015海军陆战队远征旅”(2015MEB)作战概念和“舰到目标机动”(STOM;Ship to Objective Maneuver)战术概念。

对于万众瞩目的下一代重型直升机,西科斯基在对早期的CH-53K期望值是这么描述的:

“CH-53K将借鉴40多年来CH-53A/D/E型直升机执行舰载重型运输作业的经验和教训,并利用这些积累的经验来制造具有无与伦比的性能和通用性的新一代直升机。总的来说,CH-53K的有效载荷/航程将会至少在CH-53E的两倍以上,并且其作业成本将会大幅度降低,藉此,CH-53K将有望成为世界上性能最强、通用性最好的重型直升机。”

那么到底要怎样才能设计出如此出色的下一代重型直升机呢?请看正文。

面向需求的设计总览

从某种程度上来说,“超级种马”CH-53E是一型相当成功的重型直升机,它本质上是为了美国海军陆战队的专用任务而诞生,这些专用任务包括重型运输和船到岸的两栖突击任务。为此,“超级种马”直升机设计有接触的最大起飞重量和空重比参数,并且在海平面的高度和短距离内有着相当出色的性能。不过“超级种马”直升机在这方面性能的突出表现是有代价的,其代价就是牺牲了该机在高海拔的航程和作业性能。

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图 2 桨叶折叠收起的CH-53K直升机

随着远征部署任务的增多,美国海军陆战队也越来越认识到,舰载重型直升机需要用重型货物或兵员投送到更远的距离,并且需要具备更为优越的高海拔作业性能,以此来支援陆地目标地点的作业任务,而不仅仅是只能够执行近岸突击或者支援任务。上述内容已经成为美国海军陆战队所提出的“舰到目标机动”战术的基础,也自然而然就成了其下一代重型直升机CH-53K的需求的基础。

CH-53K的设计是面向美国海军陆战队的“操作需求文档”(ORD;Operational Requirements Document)中定义的大量的需求指标,这些需求指标主要被纳入七个关键性能参数(KPPs;Key Performance Parameters)项下面。除了需要运送27000磅(约12247公斤,1磅≈0.45公斤,下同)的有效负载跨越100海里(185.2公里,1海里≈1.852公里,下同)的半径执行运输任务之外,CH-53K还需要满足下述6条KPP要求:

  • -联网准备率[0](战术指挥网络)
  • -提升的任务可靠性
  • -更小的后勤占地面积[1]
  • -更高的出勤率(出动架次率)
  • -更高的生存能力
  • -更强的兵员保护能力

可以看到7条中有两条是关于生存性能的描述,可见美国海军陆战队对于该机生存能力的介绍,而在生存性设计方面,我在之前一篇关于CH-53K的文章中已经进行了介绍,感兴趣可以翻阅。

言归正传,美国海军陆战队给出的这一组明确定义的指标要求促成了CH-53K初步设计方案的出炉。图 3给出了CH-53K直升机的总体布局方案示意图。“种马王”直升机的设计是全新的,以此来满足美国海军航空系统司令部所提出的现代化标准。为了满足这些新的要求,该机的空机重量从33000磅增大到了43000磅,最大起飞重量为也从73500磅增大到了84700磅。空基重量的增大部分是由于美国军机现代化设计标准对于耐撞性、生存性、裂纹容限要求的增加,但最主要的还是由于该机结构设计总重从46000磅增大到了60000磅。

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图 3“种马王”直升机的总体布局方案示意图

关键技术要素

美国海军陆战队在确定下一代重型直升机的具体指标需求的时候,也确切表示要尽快更换其日益老化的CH-53E直升机机队,甚至指出需要在21世纪10年代的早期开始对其更换(现在来看这个目标当然是没有实现的)。从这个点出发来说,CH-53K直升机必须要是一种研制风险较低的飞行器,其所涉及的技术需要在相对的环境中完成演示。

所以在西科斯基的CH-53K项目团队开始进行方案设计工作之前就进行了“技术准备率”的评估工作,并定义了CH-53K的“关键技术要素”(CTE;Critical Technology Elements),正如图 4。为了确保CTE所涉及到的技术不存在较大的风险,项目团队在启动方案设计之前就启动了相应的技术成熟度提升和风险降低项目。这些工作内容包括:

  • -通过风洞测试验证主旋翼桨叶性能的评估;
  • -全尺寸的原型主旋翼阻尼器风险降低测试;
  • -主传动套筒轴风险降低测试
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图 4 “种马王”直升机方案设计中的关键技术要素

“种马王”系统介绍——设计细节的权衡

CH-53K的“心脏”是主旋翼动力系统。为了满足KPPs所提出的载荷和航程指标——比“超级种马”CH-53E高两倍以上的性能——CH-53K的主旋翼“快速更换总成”(QCA;Quick Change Assembly)重量达到了12000磅,如图 5所示。该系统的设计既要确保它能够吸收来自3台6000轴马力级别的发动机的输出功率,同时还要确保鲁棒性、高可靠性和低维护需求。在CH-53E直升机的操作过程中,美国海军陆战队发现有超过60%的作业和维护成本都花费在该机的旋翼、传动和推进系统上。为了能够大幅度降低作业和维护成本,项目团队在这些系统的全新设计中引入了大量的现代化技术。

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图 5 “种马王”直升机主旋翼“快速更换总成”系统

主传动系统采用的是“扭矩分离式”布局,其最大起飞功率超过了17000马力。“扭矩分离式”传动系统的好处就是能够确保这部分子系统在充分传递发动机功率的同时,确保其重量和尺寸维持在一个较低的水平。按照项目团队额评估,采用类似于CH-53E的行星齿轮式变速箱的话,这部分传动系统的重量将会多出500到800磅,并且尺寸会更大。变速箱壳体的主材质由镁改为了铝,以提高其耐腐蚀性,和易加工性,并且采用了一种改进的与钛传动梁的联接方式。传动轴附件的紧固件设计成可以从机舱内部触及,从而提升了传动系统的可维护性。

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图 6 主旋翼传动轴示意图

项目团队对该机的主旋翼系统(如图 7所示)载荷的评估认为其量级将会达到CH-53E直升机的1.5倍左右,那么全新的旋翼系统首先要能够承受这些强载荷,同时也要保证其可靠性和可维护性。由此,CH-53K的旋翼系统采用了弹性焦轴承和钛制桨毂、桨根套筒和全新的旋转式粘弹减摆器。在旋翼桨叶折叠系统中,项目团队在液压系统和电控系统中进行了权衡之后还是选择了液压系统,这主要是考虑到舰载作业高海况的条件下,桨叶折叠时候可能会面临极高载荷的问题,这种情况下液压系统的可靠性更好一些。

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图 7 “种马王”直升机主旋翼桨毂示意图

在提出将CH-53K的负载和航程性能指标提升一倍以上的同时,美国海军陆战队还要求CH-53K必须要保持H-53系列直升机出色的舰载兼容性,这就意味着新的重型直升机不能够增加旋翼的尺寸。为同时满足这两个要求,最关键的还是要大幅度提高旋翼桨叶的气动性能。

其实西科斯基公司一直都在致力于发展改进的旋翼桨叶气动设计,其中最具代表的就是他们近十几年来一直在致力推进的“第四代旋翼”项目,在该工作中,西科斯基公司将改进的翼型及其分布、桨叶平面形状和桨尖三维外形都纳入了设计体系。应用这种新技术的打造的高性能旋翼桨叶安装到CH-53K直升机上之后,相比常规的旋翼桨叶系统,在悬停状态下能够多提升5000磅左右的负载。“第四代旋翼”项目的一个重点就是对旋翼桨尖三维外形进行改进设计,如图 7所示,除了设计方面的挑战之外,由于桨尖还存在着高载荷的情况,如何将桨尖段与旋翼主梁相连接,对于西科斯基CH-53K项目团队的结构工程师来说也是一个不小的挑战。

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图 8 “种马王”直升机主旋翼桨尖设计

在开展CH-53K直升机的设计工作之前,西科斯基公司就已经开始了新型旋翼桨叶的风洞吹风试验,以此来确保旋翼桨叶的性能符合预期。新的桨叶系统还淘汰了西科斯基公司早年发展的已经略显“陈旧”的“桨叶检查方法”(用以检查桨叶裂纹)系统,并采用了改进的防腐蚀保护机制来提升可靠性。

CH-53K的尾桨系统的设计也得到了改进。在CH-53E上采用的主要还是油润滑的尾桨系统,而在CH-53K上,西科斯基公司采用的是一种与西科斯基其他现代化直升机型号类似的尾桨系统,这种尾桨系统采用了面内刚性的柔性梁设计。这种柔性梁尾桨采用了全新的复合材料桨叶,桨叶采用了先进的翼型设计来提升气动效率,此外,尾桨的桨叶弦长也增大了6%,以此来提供更好的抗弹击损伤容限。

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图 9 “种马王”直升机的尾桨系统示意图

为给上述这些系统提供足够的动力,项目团队最终敲定采用6000轴马力级别的涡轴发动机,通用电气的GE38-1B成为了最佳选项。GE38-1B能够在海平面输出的轴马力超过7500hp,并能够全飞行包线内为该机提供充足的动力需求,其中包括KPPs中所提出的3000英尺(约914.4米,一英尺≈0.3048米,下同)海拔高度,91.5华氏度(约33℃,0℉≈-17.8℃,下同)的环境条件。

除此之外,GE38-1B发动机在燃油消耗方面也有着显著的改进,这有助于提升CH-53K的任务性能和降低作业成本。该型发动机还大幅减少了零部件的数量,提升了动力传动系统的可靠性和可维护性。

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图 10 “种马王”直升机的GE38-1B型发动机及其安装布局示意图

确定了发动机的型号之后,西科斯基的CH-53K项目团队随后完成了发动机的安装布局的设计,这部分工作主要包括:将发动机安装到机身、通过鼻头部的减速器连接到传动系统、安装“发动机空气颗粒保护系统”(EAPPS;Engine Air Particle Protection System)、消防保护系统和短舱,这些都在发动机及其安装示意图中有所展示。早期的CH-53K的发动机安装布局设计还有一个特点就是设计了一个2号嵌入式进气口,安装在发动机后侧。项目团队进行这项设计的主要考虑就是这样的设计可以降低主旋翼塔架设计的复杂性,降低了重量,顺带还能降低塔架的气动阻力,并提高了主旋翼及其传动系统的维修可达性。但是,出人意料的是,在后期CH-53K的试飞过程中,试飞团队发现“种马王“直升机会吸入自身发动机排出的废气,这个问题是导致CH-53K项目延期的重要因素之一。

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图 11 西科斯基进行的“种马王”直升机发动机排气再摄入测试,工程师采用彩色油烟来捕捉旋翼尾迹和风的影响

CH-53K在机身结构设计方面也取得了不小的进展。项目团队充分利用给美国海军陆战队多年的“超级种马”直升机操作经验以及相应的“CH-53E使用寿命评估项目”(SLAP;Service Life Assessment Program)的成果,确定了机身上受疲劳载荷、损伤和腐蚀影响最严重的区域。并针对性地对这些区域进行完全重新设计或者改进,以此来消除所有寿命较低或者可靠性较差的部位。

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图 12 “种马王”直升机机身结构示意图

CH-53K的机身,如图 12所示,是一种混合的金属/复合材料结构。机舱采用了铝制框架和碳纤维复合材料蒙皮。一些蒙皮是采用纵梁结构的单片式设计,但也采用了一些蜂窝夹层板材来降低整体的空重。在驾驶舱还采用了钛合金传动梁设计。尾部过渡段、尾桨塔架/安定面、舷侧凸体和主旋翼塔架其主要材质都是复合材料,这些部件中金属材料的使用率相当有限。

CH-53E直升机一般会采用辅助的外挂油箱来执行大多数美国海军陆战队的现代化任务。这些外挂油箱在早期的CH-53A/D型直升机上只是一个任务包,但是到CH-53E之后就成了基本配置的一部分。由于外挂油箱需要额外的硬件装置和结构,所以其对于全机的重量性能而言很不友好,不过CH-53E外挂油箱的设计一直没有被美国海军陆战队舍弃,其中一部分原因就是美军考虑在执行重型运输任务的时候,一旦单发失效,那么他们还可以选择舍弃外部油箱来保障直升机的生存能力。

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图 13 CH-53E“超级种马”重型直升机侧视图

回到CH-53K的设计上来,CH-53K的动力系统包含有40%的剩余功率,更重要的是GE38-1B配备了全权限数字发动机控制系统(FADEC)。这意味着在单发失效的情况下,如果“种马王”需要更多的功率,那么剩下的发动机可以在非常高的功率条件下运转一段时间来提供全机所需的功率。这些新的特征消除了美国海军陆战队对于“丢弃外挂油箱”的需求,现在这些外挂油箱已经并入到舷侧凸体的内部,从下图可以看出,舷侧凸体内部包含两个燃油舱格,这种设计一方面有利于增大全机的重心变化范围,另一方面也能确保在特殊情况下实现燃料的转移。

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图 14 种马王重型直升机舷侧凸体内部结构示意图

舷外凸体中除了油箱之外还容纳有主起落架和一些电子设备。折叠式起落架的设计容许载荷显著高于CH-E直升机的载荷以满足严苛的指标要求,从而确保该机在高下降率和颠簸中着陆的时候能承受住过高的载荷。从起落架布局上来说,CH-53K保留了CH-53E的前三点轮式起落架,主要目的是为了确保该机的舰载起降兼容性。

结论——研制与使用的相辅相成

限于篇幅,本文到此暂且告一段落,留下的一点尾巴包括有该机的燃油传输系统设计、内部货物装载系统和外部吊挂系统设计,除此之外,该机的设计与集成工具、航电与飞控系统也都是值得仔细揣摩的地方,在后续的文章中,我还会找机会详细介绍。

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图 15 飞行测试中的CH-53K“种马王”重型直升机

总的来说,从CH-53K的设计方案的权衡和考量中,我们可以学到很多东西。一方面,西科斯基有着H-53一整个系列的直升机(尤其是CH-53E)研发经验作为技术支撑,这是CH-53K项目能够实施的基础;另一方面,美国海军陆战队在实际的局部作战以及对重型直升机的使用过程中积累及发展了充分的针对性能和任务的具体需求,从而能够形成具体的对CH-53K切到实处的指标要求,这是推动CH-53K设计方案落地的重要推进力。

从这个程度上来说,H-53系列直升机的发展和美国海军陆战队战术的发展本来就是相辅相成的,其中有很多值得我们深入思考的地方。


[0] Net Ready,这个参数主要是确保航空器能够确保集成到美军的战术指挥体系中去

[1] Logistics Footprint,考虑需求中所提到的“maintain the same shipboard footprint”,此处footprint应该指的是吊运作业的“着陆(或者悬停吊装)所需的地面区域”

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