重型液压机厂

▲隶属于美国海军陆战队的CH-53重型直升机

美国海军陆战队的选择——第一架CH-53A的诞生

1961年1月份，新年伊始，美国国防部开始筹划“三军通用突击运输项目”（TSATP；Tri-Service Assault Transport Program），该项目的目的正是打造一种中型的垂直起降型（VTOL；Vertical Take Off and Landing）飞行器。而最早推动该项目前进的原因就是美国海军陆战队在役的西科斯基S-56型（海军陆战队型号为：HR2S-1）通用运输直升机其负载能力已经赶不上其作业要求，所以海军陆战队希望尽快为S-56寻求接任者，由此，TSATP项目应运而生。

经过多方竞争，该项目的最终胜利果实被LTV公司（Ling Tempco Vought）的XC-142A垂直起降试验机摘取了，XC-142A是一种倾转机翼构型的新型飞行器，其速度和航程等性能参数远胜于直升机，负载能力也能满足美国海军陆战队的要求，可是该机的可倾转机翼上安装了4副直径远小于常规直升机的小尺寸旋翼，这就导致了该机旋翼的桨盘载荷（旋翼拉力与旋翼面积的比值，与旋翼下洗流成反比关系）很大，从而致使其在起降阶段会产生强烈的下洗流，美国海军陆战队认为这种超强的下洗流不仅会导致该机难以执行舰载起降作业，甚至会影响到其两栖突击的效率，所以这一方案虽然在TSATP项目中取得了胜利，却没能过海军陆战队的关卡。多方考虑之后，美国海军陆战队决定自己来寻求可堪接任S-56的重型直升机。

▲XC-142A倾转机翼飞行器于1964年9月份完成了首飞

1962年3月7日，美国海军武器局（BuWeps；Bureau of Naval Weapons）正式提出了他们所期望的下一代舰载重型直升机的技术指标要求。其中最主要的几点要求如下所述：

这种舰载直升机的有效载荷需要达到8000磅（约3630公斤）携带8000磅有效载荷的情况下作战半径要达到100海里（约185公里）；携带8000磅有效载荷的情况下，飞行速度要达到150节（约278千米/时）新一代舰载重型直升机的主要任务是舰到岸的货物运输、失事飞行器的紧急救援、人员运输以及医疗后送等。

方案征询书发布之后，美国海军武器收到了3份提案：重型液压机厂

① 伏托尔公司建议采用CH-47A支奴干衍生型号HC-1B的方案；

② 卡曼公司基于英国的费尔雷Rotodyne旋翼机方案提出了一个可用的改进方案；

③ 西科斯基则是提出了S-65型直升机来作为S-56型直升机的继任者

1962年7月份，在综合考虑了技术成熟度、生产制造能力和成本等多方面因素之后，美国海军武器局最后还是选择了西科斯基的S-65型直升机方案。

▲一架海上种马直升机从美国海军基地机场起飞

不过，这时候问题又来了，尽管西科斯基公司的方案入选了，但是美国海军陆战队所能申请到的经费预算并不足以支撑其整个项目规划，因此双方的合同迟迟未能签署下来。西科斯基公司权衡利弊之后，认为拿下这单对于该公司日后的发展大有裨益，于是他们开始和美国海军武器局反复磋商调整规划的细节，并指出西科斯基公司能够接收将第一部分研发预算，而美国海军武器局只需要把原先希望首批打造的4架原型机改成2架原型机，那么第一份合同就能签署下来。

西科斯基的诚意和合理的建议打动了美国海军武器局的负责人，1962年9月24日，双方签署了第一份合同，美国海军将向西科斯基提供996.56万美元的首批经费，西科斯基将用这些经费制造一架S-65模型、一架用于静力测试的机身和两架YCH-53A原型直升机。一切由此走上正轨，西科斯基公司的第一架YCH-53A海上种马直升机于1964年10月14日正式完成了首飞。1965年年初，一架美国海军陆战队的CH-53A在起飞重量15.9吨的情况下，实现了170节（约315千米/时）的高速飞行，一举打破了当时在役直升机的飞行速度纪录。

▲1964年10月14日，正在进行首次飞行测试的YCH-53A海上种马直升机

旋翼的革命——CH-53的设计特点

CH-53A直升机的最大特点就要数“钛金属的大规模应用”这一点了，要知道，在当时的直升机制造业中，钛金属仍然属于某种“异金属”，少量应用的都算罕见，更别说像海上种马直升机这样大规模应用了。

▲H-53型直升机上率先大量应用钛金属

海上种马直升机的机身当然还是采用了铝合金框结构，表面覆盖有铝制蒙皮以及复合材料制造的可拆卸面板。该型直升机的尾部还有一个独特的被形象称为“大象耳朵”（Elephant Ears）的设计，其本质上是一种额外的边条翼结构，该结构存在的原因是海上种马直升机陡峭的尾部舱门斜坡道使得该机在高速飞行过程中会因为气流分离而形成较大的压差阻力，“大象耳朵”边条翼的布置缓解了这一问题，从而使得该机有着较高的前飞速度。

▲海上种马直升机降低机身阻力的重要设计“大象耳朵”

安定面：海上种马直升机的水平尾翼安定面位于尾桨塔架的右侧，平尾面积大概在2.28平方米，其与塔架之间的夹角为10°，其迎角为0°。

主旋翼桨毂：CH-53A设计有两片桨叶，通过全铰接式连接到主旋翼桨毂上，旋翼桨盘的直径为72英尺，整套旋翼系统通过一套2级液压不可逆伺服控制系统实现操纵，该系统采用油润滑。

弹性轴承：在海上种马直升机发展和改进的过程中，桨毂改进方面最值得一提的就是弹性轴承的诞生。当时美国军方希望改善海上种马直升机的主旋翼桨毂的维修成本，并提高其可靠性来适应强度较高的海上和远征任务。为此美国政府开始资助西科斯基公司改进旋翼桨毂的设计，为了解决海上种马直升机长久以来一直存在的漏油隐患，所有的需要通过油润滑的改进方案都被否决了，这也就促成了弹性轴承的诞生。

西科斯基开创性地设计出弹性轴承桨毂之后，经过了大量的台架和旋转试验，最后在1972年正式应用到海上种马直升机上，并完成了首次飞行测试。之后在CH-53D型海上种马直升机机队的升级维护过程中，直接将所有的油润滑桨毂改装成了低维护需求的弹性桨毂。本质上，弹性桨毂是一种锥形球面轴承，通过自身的弹性来实现变距、挥舞、摆振等桨叶运动。弹性轴承是一种金属和橡胶的层压结构，所以无需任何润滑措施。

▲CH-53D型海上种马直升机的弹性桨毂设计

主旋翼桨叶（铝制大梁）：早期的海上种马直升机旋翼桨叶采用了全金属桨叶设计，其主要材质为铝合金，除了桨根部位的钛制套管。桨叶的大梁是由空心挤压铝合金制成，其中充满了加压的惰性气体（氮气；这种技术被西科斯基称为“桨叶检查系统/Blade Inspection System”），只需要通过监测填充气体的压强，就能判断与蜂窝填充物、铝制槽腔结构相连接的大梁是否有裂纹。一旦翼梁压强读数异常，驾驶舱的告警系统就会立刻向机组人员发出警告。之后，美国政府对H-53机队进行了进一步的改进，为期配备了“机上桨叶检查系统”（IBIS；Inflight Blade Inspection System），该系统采用放射性锶90来监测桨叶翼梁中的压强变化，传感器组件会接受这种放射性信号，然后将其传递给信号处理器。信号处理器分析之后，如果发现异常，则会启动驾驶舱的警示灯系统。

改进的主旋翼桨叶（钛制大梁）：1970年5月份，西科斯基公司自力更生（也就是没有外部资金的情况下）启动了CH-53D直升机升力和性能提升的预研项目，该项目的重点就是采用一种以钛合金大梁为根本的主旋翼桨叶系统，这种桨叶被称为改进型旋翼桨叶（IRB；Improved Rotor Blade）。之所以采用钛合金作为主旋翼桨叶的大梁，还是因为这种金属其强度大的同时重量还轻。为了在生产这种长达33英尺的钛合金大梁的时候合理控制成本，西科斯基公司还专门发展了新的生产制造工艺。大梁本质上是由又长又窄的钛板构成的。这些板材是通过一台40英尺长，2000吨重的液压机经过4步处理冷压成圆形，然后通过等离子弧焊将开缝闭合。钛制根部附件通过惯性附着在大梁的末端。整个组件最后被放进加热模具中，最终蠕变形成最终的椭圆形状。Nomex蜂窝槽腔粘结到大梁后侧，整个组件被包裹在玻璃纤维环氧树脂中制造成完整的桨叶。

相比于早期海上种马直升机的桨叶，改进的桨叶有着更大的弦长，改进的SC1095翼型和更高的——到达16°——的负扭转，使得该机的总重能够从36693磅增加到了42000磅。1971年9月29日，装备有改进型桨叶的CH-53D型海上种马直升机完成了首次试飞工作。而这种改进型的桨叶最终也被用在了大名鼎鼎的黑鹰直升机上，并促成了黑鹰直升机的成功。

▲安装在CH-53D型海上种马直升机上的改进型旋翼桨叶

尾桨桨毂：海上种马直升机采用了4桨叶尾桨构型设计，直径16英尺，全金属半铰接式。尾桨桨距的变化也是通过两级液压伺服系统来实现的。

巡航导航指示器：海上种马直升机的仪表盘上安装了巡航导航指示器，飞行员和副手各自都有一台相应的指示器，该指示器通过直接展示主旋翼桨叶的失速程度来协助飞行员操纵直升机在最佳性能下飞行。其监测的原理就是在主旋翼尾侧横向的伺服活塞装置上加装了一个传感器，用来监测自动倾斜器固定盘上的振动载荷。这种振动载荷会受到主旋翼转速、直升机总重、海拔高度、温度、载荷系数、空速和重心位置等因素的影响。因此这种振动载荷的大小可以昭示旋翼失速边界的到来，同样也能在飞行过程中实时展示主旋翼的“失速程度”。该指标以百分比的形式显示，范围从0%~100%，海上种马正常飞行情况下，该表的显示读数应当在0%~30%之间，30%~70%是机动动作的容许范围，但不能长期工作在该范围内，如果表盘读数超过70%的话，飞行员就得立刻采取措施降低飞行速度。此外，按照设计，假如一台指示表损坏的话，另一台指示表的读数就会翻倍。

CH-53的动力传动系统

海上种马直升机的传动系统主要由两台前部减速器、一台主减速器、一台附件减速器、一台中间减速器和尾部减速器组成。

前部减速器：前部减速器将发动机输出轴旋转了135°，通过高速锥齿轮将发动机的转速从13600 RPM降低到6023 RPM，以配备主减速器的输入轴。

主减速器：主减速器与两台前部减速器相连接，为主旋翼、尾旋翼和附件减速器提供动力输出。主减速器的锥齿轮和两级行星齿轮组将输入轴的转速进一步降低，传递给主旋翼的转速仅为185 RPM，传递给尾传动轴的转速则是3011 RPM。主减速器还驱动着主减速器油冷却器（转速7070RPM）、主减速器油泵、随动装置、1号发电机、主旋翼测速发电机和一级液压泵。

▲CH-53A型海上种马直升机的主减速器

附件减速器：附件减速器驱动2号发电机、二级伺服液压泵、绞车液压泵和附件减速器油泵。附件减速器在主旋翼转动时候由主减速器驱动，在主旋翼停转的时候由辅助动力系统（APP；Auxiliary Power Plant）驱动。

▲CH-53A/D型种马直升机的传动系统示意图

发动机：CH-53A上安装了两台通用电气T-64GE-6型涡轴发动机，其出轴功率为2130千瓦，在之后的几个衍生型号中则采用了更强大的T-64型涡轴发动机，最终版本的CH-53D则采用了出轴功率2927千瓦的T64-GE-413型发动机。

发动机空气粒子分离系统：海上种马直升机的发动机空气粒子分离系统（EAPS；Engine Air Particle Separators）也是值得一提的一个设计要素。根据美军在越南战争中的经验，为了延长发动机在恶劣环境中的使用寿命，大多数海上种马直升机都安装了这套系统。发动机空气粒子分离系统的设计目的是从发动机进气口中去除大颗粒的水分、沙子、灰尘和其他悬浮粒子。每个EAPS单元都包含有759根STRATA管，当空气从进气口通过STRATA管的时候，会进入一种气旋运动，这种旋转作用会使得空气中的大颗粒物质朝向管壁移动，然后就进入到废气管道中。而经过处理的清洁空气则会继续进入发动机，废气管鼓风机则会把废弃的粒子排出管道。EAPS系统是铰接到发动机进气口上的，以方便旋开来进行内部系统的维修。在EAPS系统被堵塞、且飞行速度大于60节的情况下，旁通门则会自动打开。

▲CH-53海上种马直升机的空气粒子分离系统

辅助动力系统：辅助动力系统是海上种马直升机独立在两台主发动机之外的动力单元，采用了一台Solar T-62T-27燃气涡轮发动机，安装在直升机顶部前侧，能够为附件减速器提供动力、为直升机液压系统和发电机提供动力。辅助动力系统重83磅，额定功率100轴马力。其涡轮转速为61248 RPM，通过减速齿轮系统降低为8380 RPM。该系统是经有蓄能器液压启动的。

▲CH-53海上种马直升机的T-62T-27型辅助动力系统

CH-53A的交付使用意味着西科斯基种马系列重型直升机正式登上历史舞台，从CH-53A/D海上种马到CH-53E超级种马到如今的CH-53K超级种马，该型直升机的每一次大升级都等于迎来了一次全面的革新，说是打造一架新机都不为过。而种马系列直升机在直升机研发和生产制造方面，尤其是传动系统、旋翼系统和桨叶制造技术等方面取得的成功更是奠定了西科斯基公司直升机发展的坚实步伐，可以说，如果没有CH-53A/D在旋翼技术上的突破，都不会有UH-60黑鹰直升机的成功！

▲2019年1月16日，一架美国海军陆战队的CH-53E超级种马直升机在执行吊运任务

当然，那又是另一个故事了，一个同样有意思的故事，欢迎持续关注... ...