旋翼之王：西科斯基系列直升机（1）—R-4直升机

摘要：直升机是人们飞向蓝天，实现飞行梦想的重要工具。在古代，就有先人开始研究如何飞行，最早的直升机设计思想就起源于我国古代的“竹蜻蜓”。1907年11月13日法国人保罗·科尔尼（Paul Cornu）设计并制造的直升机，飞到了0.3 米的“高空”并停留了 20 秒。

直升机是人们飞向蓝天，实现飞行梦想的重要工具。在古代，就有先人开始研究如何飞行，最早的直升机设计思想就起源于我国古代的“竹蜻蜓”。1907年11月13日法国人保罗·科尔尼（Paul Cornu）设计并制造的直升机，飞到了0.3 米的“高空”并停留了 20 秒。这是世界上第一架有人驾驶的直升机试飞成功。20年代初，一位阿根廷人劳尔·佩特拉斯·佩斯卡拉使用周期变距螺旋桨和倾斜桨毂提供前进动力，才使得直升机开始走向实用，佩斯卡拉自己研制的共轴双旋翼直升机于1924年取得了国际航空联合会第一个直升机世界纪录。

世界首架直升机，科尔尼和他的直升机

佩斯卡拉的直升机

1936年，德国福克公司在对早期直升机进行多方面改进之后，公开展示了自己制造的FW-61直升机，1年后该机创造了多项世界纪录。这架直升机被直升机界认为是世界上第一架真正意义上试飞成功的直升机。1942年投入批量生产的Fa223，成为世界上首架成批生产的直升机。不过这时候盟军已经开始对德国进行大轰炸，Fa223虽然号称批产，但总产量也只有20架，只执行了极少量观察、运输和救护等任务。

福克·阿赫吉利斯的Fa223

在航空史上，有些名字是永恒的象征，伊戈尔·伊万诺维奇·西科斯基（Igor Ivanovich Sikorsky）无疑是其中之一。当今世界提起直升机，都会将目光转向世界直升机之王美国的西科斯基公司。1912年，俄国人尤利耶夫曾提出利用尾桨来配平旋翼反扭矩的方案，这也成为目前直升机的主流布局。西班牙人Ciervao取得了旋翼技术的突破，它发明了自转旋翼机，这也为直升机的诞生推进了一步。虽然后法国人、德国人都提出了新的直升机方案，但这些并不适用。直至天才设计师西科斯基。

伊戈尔·伊万诺维奇·西科斯基

西科斯基于1889年出生在俄罗斯的基辅，小时候就对飞行产生了浓厚的兴趣。受到父亲的影响，他对机械和工程产生了浓厚的好奇心。1910年，西科斯基在基辅大学学习工程学，随后又前往巴黎学习航空工程。在这个过程中，他受到当时航空界的许多先驱者的启发，尤其是莱特兄弟和古尔德的作品。他在1912年设计的“西科斯基S-1”是他首次成功的飞机，尽管它的性能有限，但却为他日后的成就奠定了基础。西科斯基最为人知的成就之一是他设计的世界上第一架四发大型轰炸机——“西科斯基Ilya Muromets”（伊利亚·穆罗梅茨）。这架飞机于1913年首次试飞，标志着航空史上的一个重要里程碑。它不仅是一架轰炸机，还是一架客机，甚至可以用作邮政运输。这种多功能的设计理念在当时是非常前卫的。这种设计理念影响了后来的许多飞机设计，成为现代轰炸机的雏形。

1908年的伊戈尔·西科斯基。

“伊利亚·穆罗梅茨”轰炸机

1913年3月27日，伊戈尔·西科斯基设计的“巨人”飞机开始进行试飞，并首次绕机场飞行。

C-22“伊利亚·穆罗梅茨-基辅”B-9号重型轰炸机，C-22系列飞机的前型是C-21“俄罗斯骑士”

1917年，俄罗斯爆发十月革命，沙皇政权被推翻，新生的俄罗斯陷入无休止的内战中，西科斯基对政局深感失望，认为动荡的欧洲无法实现他的飞行梦，于是在1919年移居美国。1923年，在几个前俄罗斯军官的帮助下，西科斯基在美国成立了“西科斯基航空工程公司”，但公司很不景气。1928年他加入了美国国籍，并于次年组建了西科斯基飞机公司，开始研制水上飞机，1924年，西科斯基的S-29飞机投入使用。紧接着先后交付了S-38、S-40、S-42和S44等型号的飞机，其中S-44曾创下了飞越大西洋的最快纪录——14小时17分钟。

1928年的西科斯基公司

S—29飞机，中间的就是音乐家拉赫玛尼诺夫，右边是西科斯基。

西科斯基VS—44飞机

在西科斯基的职业生涯中，他始终没有忘记儿时的梦想——直升机的研制。经过不懈努力，他在不到3年的时间里解决了直升机在空中打转的难题。他巧妙地在机尾安装了一副垂直旋转的抗反作用力小型旋翼——尾桨，从而成功地将直升机升上了天空。1939年9月14日，他身穿黑色西服、头戴鸭舌帽，轻松地将一架直升机升至空中，并平稳地悬停了10秒钟之久，然后轻巧地降落回地面。这一壮举标志着世界上第一架真正的直升机——VS-300的成功升空。他制造的VS-300直升机是世界上第一架实用直升机。配备了一副主旋翼和三副尾桨，经过多次试飞后简化为单尾桨设计，成为现代直升机的鼻祖。

VS-300直升机

R-4直升机：

在1940年3月26日，伊戈尔·西科斯基先生拜访了位于俄亥俄州代顿市莱特菲尔德的美国陆军航空兵团物资部。西科斯基先生向该部门的领导展示了摄制的来自VS-300的动态影像，以此证实了西科斯基所设计的直升机的“优秀”可操纵性（至少在当时算是顶尖了）。这次展示给美国陆军航空兵团的领导们留下了异常深刻的印象，但是他们很无奈地表示他们目前没有充足的经费能够用来支持西科斯基的直升机研制和生产工作（当时美国陆军航空兵正投资了Platt LePage XR-1 直升机，不过该机存在严重的操纵性问题）。

VS-300首飞

VS-300与西科斯基

VS-300

VS-300的总体设计是单旋翼带尾桨式，尾部安装了一种新的两片桨叶的尾桨。从此，直升机第一次不依靠两个相互反转的旋翼来抵消扭矩，而是使用一个尾桨提供反向力矩，以抵消主旋翼的扭矩。这使得直升机变得不再那么复杂，更轻、更易控制。VS-300被尊为现代直升机的先驱，它要比任何它的“先驱们”看上去更像几十年后的直升机。西科斯基考察了18种明显不同的机型，帮助改进VS-300。1941年5月6日，VS-300打破了由福克Fa-61创造的世界直升机航时记录，在空中飞行了1小时32分钟26.1秒。

VS-300试飞

在1940年8月14日，西科斯基再次向美国陆航提交了一份建议书，他希望军方能够向他提供小额资助——仅5万美元——用于打造一台VS-316直升机。得益于美国陆航领导对该机的深刻印象，此建议书很快获得了批准，双方在1941年1月10日签订了相关合同。随着VS-300型直升机技术的发展，其总体布局最终敲定为单个主旋翼带单个尾桨的构型，尽管这一构型在如今的直升机界相当普遍，甚至可以说是直升机的“标准型”，但是对于的直升机工业来说，该构型的发明可以说是一次“跨越式的进步”。凭借这一构型，西科斯基有底气向美国陆航提出了更多的要求——在XR-4的合同经费中追加1万美元。事实上，随着XR-4研制工作的推进，美国陆航在该机上总计投入的经费约20万美元。

带三个尾桨的VS-316的工程设计草图

XR-4直升机全长14.68米，机身长10米，旋翼直径为11.58米，空重916公斤。XR-4型直升机的显著特征是配备了36英尺长的3叶全铰接式主旋翼和一副同样三叶的尾桨系统，其动力装置为一台华纳圣甲虫的175马力 R-500-1型七缸气冷星型发动机。该发动机与传动轴平行安装，并通过传动杆与主减速器相连，为主旋翼和尾桨提供所需动力。此外，发动机还配备了冷却风扇和空转轮，以确保发动机的冷却效果和手动离合功能。手动离合器被安装在座舱中央，拥有三个挡位：啮合离合器、松开离合器以及旋翼制动。在发动机出现故障时，驾驶员能够通过操作手动离合器，使主旋翼系统与发动机分离，从而进入自转状态。

XR-4直升机原型机

XR-4三视图

R-500-1型七缸气冷星型发动机

R-4直升机的主减速器的壳体是由铸造镁合金制造的，其中所有的齿轮和轴都是合金钢打造。发动机传动轴驱动一台17齿的螺旋星型齿轮，该齿轮与一台52齿的螺旋齿轮啮合。52齿齿轮与一台18齿的螺旋锥齿轮安装在一根共用轴上，两者通过螺栓固连。18齿行星齿轮与一台55齿螺旋锥齿轮啮合，该齿轮连接到主旋翼驱动轴的底部。总的来说，从发动机到主旋翼轴，其传动比为1：0.107（也就是说2000 RPM的发动机转速对应215 RPM的主旋翼转速）。主减速器也通过尾桨传动轴为尾桨提供动力。

R-4直升机的主减速器系统

R-4西科斯基坐在救援系统的帆布带上，右图：R-4直升机的发动机舱，可以看到发动机、变速箱和油箱

R-4直升机的尾桨桨叶是全木质的。桨叶的翼梁由云杉木制成，翼型填充由枫木和桃花心木交替层压而成。整个尾桨桨叶都由蒙皮包裹，桨叶的前缘也固定了一层很薄的黄铜板材以此来保护桨叶。主旋翼桨叶平面形状为尖削状，也就是说从桨根到桨尖宽度逐渐减小，其翼梁为管状铬钼钢。翼梁上焊接了不锈钢圈，云杉胶合板肋条则用螺栓固定。桨叶的前缘部分由云杉、巴沙杉木和桃花心木组成，后缘部分是通过软性缆索经由黄铜夹片连接到肋条上形成。桨尖和桨根部分的整流罩都是由巴沙杉木制成。桨叶表面则覆盖了缝到肋条上的织物蒙皮。桨叶前缘1/3的部位被黄铜薄板覆盖，这些薄板通过焊接贴合到桨叶弧形表面，并通过埋头黄铜螺钉固定。桨叶所采用的翼型为NACA 0012翼型。

VS-300直升机最终版桨叶细节图，基本与R-4的桨叶一致

R-4直升机装备了一台“桨距仪”，飞行员能够从桨距仪上直观地读取主旋翼的桨距角。这台桨距仪安装在仪表盘上方，恰好位于座舱中部，它实际上是一根金属管，管上有刻度，并且有一道朝向后方的槽。一个发光的“标志”从槽中伸出，它的下方连着弹簧活塞组件，通过弹簧活塞组件，它能够在金属管中上下移动。活塞通过拉线直接连接到总距杆的底部，因此总距杆的操纵变化就能引起桨距仪上标志的移动，从而能够读取总距的实时数值。桨距仪的量程为2.5°到14°。一般来说，R-4直升机起飞总距为10°，自转下滑的总距为2.5°。

R-4直升机的“桨距仪”

R-4直升机海平面最大平飞速度为131km/h，航程370公里，满载航程110公里，升限2440米。XR-4的座舱布局为横列式双人座舱，配备了双重操纵系统。不过出于降低重量的考虑，座舱中只设计了一根总距杆，位于座舱的正中央。西科斯基最终完成了一台试验性质的XR-4直升机的制造工作并在1942年1月14日完成了首飞。

XR-4研发团队

R-4伊戈尔·西科斯基亲自演示了悬挂式救援绞盘，证明了其可靠性

在1942年4月20日，西科斯基对XR-4进行了一次飞行演示，以此证明其已经能够交付军方使用。在这次飞行演示中，美国军方所要求的一个重点项目就是验证该机具备“发动机失效情况下通过自转下滑安全着陆的能力”。不幸的是，到那时为止，西科斯基的任何一架直升机都没有实现过完整的自转下滑，并且当时市面上也没有任何关于自转下滑的标准程序，所有关于“自转下滑”的一切都不过是理论概念而已。因此，当西科斯基的工程师们抱歉地通知试飞员Les Morris（莱斯·莫里斯）先生他们也不确定XR-4能否完成“理论上”的自转下滑的时候，莫里斯先生内心是崩溃的。但是他仍然出色地完成了这一次试飞工作，并且最终自创了一套标准的直升机自转下滑流程。

悬停在数米高度的R-4直升机，一名测试人员正在沿着绳梯登机。这架直升机上有美军老式机徽

西科斯基也用改装浮筒起落架的VS-300演示了该机的两栖登陆能力。所有与会的观众都表示对该机印象深刻，在会后，多名美、英军方负责人和民航官员与西科斯基的研发团队一起探讨了直升机的可能应用场景，最后得出的结论是——直升机的应用场景相当广泛，包括：护航任务、海岸和海港巡逻、巡检和消防、联络和通讯、通信线路铺设、空中摄影、救援任务、投放烟幕弹、向不具备机场条件的地点运送乘客和轻型物资。在这次大获成功的飞行演示之后，美国军方认为XR-4已经达到了交付的水平。

XR-4抵达俄亥俄州代顿的莱特菲尔德基地

VS-300（S-46）是西科斯基在直升机领域的开山之作，1939年9月首飞，也是第一款实用的两栖直升机

R-4直升机

这款专为美国陆军航空兵打造的双座轻型军用直升机，在1941年被命名为XR-4并计划进行试飞。经过多次结构优化，最终确定了单旋翼带反扭矩尾桨的经典设计。XR-4于1942年初在康涅狄格州成功首飞，并进行了长时间的验证飞行。在1943年，XR-4经过改进升级为YR-4A型，试飞任务圆满收官。

R-4直升机

R4直升机的机身设计独具匠心，被巧妙地划分为前后两个部分。在发动机舱的后部，通过螺栓的精细固定，实现了前后机身的稳固链接。后部机身整体采用柱形钢管打造，坚实耐用。而前部机身则融合了柱形钢管与方形截面钢管的巧妙设计，同时辅以木制桁条，既保证了结构的稳固性，又体现了设计的灵活性。为了进一步优化飞行性能，减小飞行阻力，后部机身框架外层包裹了一层涂油蒙布，并在关键部位设计了拉链，以便于日常的检视和检修工作。此外，R4直升机还配备了常规的尾轮式起落架，并在机头下方增设了滑橇设计，旨在防止降落时机头触地，从而确保飞行的安全性。

执行任务中的R-4直升机

1943年下半年，R-4直升机开始交付使用，首批交付的是3架YR-4A型号，随后第二批交付了27架YR-4B型号。值得注意的是，这27架YR-4B中，有3架特别配备了深水炸弹挂架，能够携带3枚重4公斤或1枚147公斤重的深水炸弹，这一配置显然增强了其在水域作战中的能力。到了1944年3月，美国军方进一步订购了100架R-4B直升机，分配情况为：38架交予美国陆军航空兵，17架给予美国海军和海岸警卫队，44架销往英国，还有1架订购给加拿大。

1944年在NACA兰利中心风洞吹风的西科斯基YR-4B（HNS-1）

1944年12月29日，第100架R-4B 直升机交付美国陆军航空队。

1945年在英国皇家空军直升机学校，一名Church Army教会工作者递了一杯茶给悬停的西科斯基R-4直升机飞行员

一架改装成两栖直升机的R-4，正在英国“达吉斯坦”号运输船上进行试飞，该船被改造成直升机航母

1943年1月5日，XR-5直升机再度被送回西科斯基工厂进行进一步的改装和额外的开发测试。在该次改进中，该机的主要改动为：改装了一副38英尺的主旋翼和一台200马力的发动机，该机被定型为XR-4C。基于XR-4C，西科斯基发明了一种“自动降低桨距”装置，该装置能够在发动机失效的情况下迅速将主旋翼的桨距降到最低；研制团队还为它发明了一种发动机调速器，并为其加装了一台扭矩仪。基于XR-4和XR-4C的一系列测试和试验为美军额外订购的直升机提供了经验积累，并且充分证明了直升机的实用性和巨大潜力。基于该机型所获得的种种经验也为未来直升机的发展提供了技术积累和数据支撑。

史密森尼博物馆中的XR-4C，机身上又美国陆航的序号：No.41-18874

进入1945年初，陆军航空兵再次订购了100架新型改进的R-4D直升机，同时美国海军也提出了相同数量的订购需求，合同总价值高达196万美元。然而，随着日本无条件投降，第二次世界大战宣告结束，美国陆军航空兵和海军随即取消了R-4D的合同，最终西科斯基公司仅向美国海军交付了2架R-4D。历经大约两年的生产周期，西科斯基公司共计制造了133架R-4直升机，这些飞机在战时发挥了重要作用。

美国陆军航空队的R-4直升机，注意尾梁下方的排气

美国海岸警卫队装备的R-4直升机

隶属于美国陆航的YR-4B型直升机

二战末期，R-4已经在缅甸、中国、太平洋岛屿等前线服役，主要执行疏散伤员、运送紧急信件，以及搜索营救跳伞飞行员。1944年，美国根据《租借法案》将45架R-4直升机交付英国，但英国却没有在前线使用这些新型装备。1942年和1943年，英国正处于第二次世界大战中最困难的时期。被德国围困的英国急需美国通过北大西洋航线运来的物资。庞大的船队在经过北大西洋时，常遭到德国潜艇的攻击，使英、美两国蒙受巨大损失。而R-4直升机能携带深水炸弹从船的甲板上起飞去攻击德国潜艇。

英国皇家空军博物馆的R-4

英国航空博物馆内的R-4直升机

1943年底，英国接收了西科斯基的第一批3架YR-4A中的2架，接着又接收了第二批27架YR-4B中的5架。1944年接收了第三批100架R-4B中的44架。英国接收的这三种型号的R-4直升机均进行了重新编号，为Hoverfly1。从1944年8月起，这些直升机分别服役于英国空军第529中队和第705中队。英国的R-4直升机主要用于训练、海上和空中救援、雷达校准。

“食蚜蝇I”（Hoverfly I）

1944年4月22日，R-4直升机执行了第一次救援任务，将一架坠毁的英军联络机机组成员从缅甸丛林中运回基地。1944年4月21号，一架L-1联络机在缅甸西北部的大洛地区飞行，由于高度太低，不慎撞到障碍物坠毁在一片空地上。幸运的是机上没有人员伤亡，飞行员艾德·哈拉多夫查克发出求救信号后，和3名英军士兵连滚带爬地躲进了几百米外的丛林，并成功躲过了日军的搜索。中午时分，一架美军L-5联络机发现了几人的位置，并空投了一张便条告诉日军的位置，提醒他们注意躲避。

L-1联络机

L-5联络机

救援任务落在了美国陆航第一空中突击大队，该大队擅长在缅甸丛林里对日军展开敌后作战，因此直升机是一款非常实用的战争机器。此时，直升机飞行员的培训在紧锣密鼓地进行，1943年卡特·哈曼中尉和几位战友来到了西科斯基公司的总部，学习驾驶当时还处于试飞阶段的YR-4B。经过数月的训练，哈曼中尉等几名飞行员顺利通过了考核，连同R-4直升机于1944年初被运到了印度拉拉加特。尴尬的是，第一空中突击大队的R-4驻地距离坠机点将近800公里，路途遥远不说，由于发生了几起试飞事故，现在能够执行任务的飞行员只剩哈曼中尉。

哈曼中尉

哈曼中尉驾驶R-4直升机起飞，准备前往缅甸执行救援任务

营救方案是这样的：先由L-5联络机确定遇险人员的位置，并通知他们在一块空旷地铺设降落伞以标记位置。然后L-5引导R-4前往救援，将人运到坠机点附近由英军地面部队占领的河边沙洲，再由L-5降落把人救回阿伯丁机场。虽然R-4只用负责从标记点到沙洲这段距离，但哈曼中尉发现一次只能运载一人，需要来回4次。在几架L-5联络机的指引下，哈曼中尉很快发现了那几名倒霉蛋。经过两天的救援，哈曼中尉依靠R-4最终救出了几名英军士兵。由于哈曼中尉的优异表现，他事后被授予了杰出飞行十字勋章。这次救援行动使得直升机大放异彩，哈曼中尉除了执行原定的特种任务外，还驾驶直升机执行了数次救援任务，直到1944年12月31号这架R-4无法使用。

座舱里的哈曼中尉，可见直升机空间并不大，此照片拍摄于1945年的缅甸

与此同时，美国海岸警卫队还接收了6架R-4直升机，用于在太平洋沿岸进行巡逻。并组建了世界上第一家直升机飞行员军事航空学校，装备38架R-4。美国此时已经明白，直升机这种新型装备将在未来军事行动中发挥重要的作用。

这张照片拍摄于1944年4月26号，救援任务结束后，哈曼中尉（后排左一）跟地勤大爷们的合影

尽管R-4的性能有限，最高飞行速度仅为120公里/小时，飞行高度也仅为2400米，但它却成为了世界上第一款大批量生产的直升机。此外，R-4还被美国海军和海岸警卫队以及英国皇家空军和海军广泛使用，成为二战期间中缅和太平洋战场上不可或缺的救护和运输力量。从此开启了一个全新的直升机时代。

R-4直升机并不高大，但是很多遇险者生的希望

美国和英国的R-4直升机在1947到1948年先后退出了现役。作为世界上第一种投入生产和进入现役的直升机，在经过漫长的60年之后，R-4直升机已逐渐被人们遗忘。现今，人们只有在少数几家博物馆才能看到它的身影(XR-4原型机保存在位于华盛顿的史密森学会的国家航空和航天博物馆里)。但是，R-4直升机在直升机发展史上所具有的重要地位和影响，却不会因岁月流逝而减弱。

R-4直升机参数：

旋翼直径：11.58米

全长(旋翼转动) ：14.68米

机身长：10.08米

到尾桨顶部的高度：3.78米

旋翼桨盘面积：104.98平方米

横向轮距：3.05米

空重：916千克

总重：1150千克

最大桨盘载荷：11千克/平方米

最大功率载荷：7.8千克/千瓦

海平面最大速度：131千米/小时