共轴反桨神功——卡莫夫系列直升机(1):艰难起步卡8/10/15/18

明鸿羽 2023-12-10 05:10:03

1932年,西科斯基研制成功了单旋翼带尾桨直升机VS-300,成为世界上第一架可实用的直升机。从此,单旋翼带尾桨直升机以其简单、实用的操纵系统和相对成熟的单旋翼空气动力学理论成为半个多世纪来世界直升机发展的主流。但由于单旋翼直升机的尾桨部分必须超出旋翼旋转面,因此其机体纵向尺寸较长,而与单旋翼直升机对应的就是共轴双旋翼直升机。与传统的单旋翼带尾桨直升机相比,共轴双旋翼直升机由于没有尾桨的功率损耗,因此具有更高的悬停效率。在桨盘载荷、发动机和相同的总重下,共轴双旋翼直升机的纵向尺寸仅为单旋翼直升机的60%左右。另外,共轴双旋翼的设计可以大大的缩短整个直升机的长度,由于共轴式直升机的机身可以做的很短,因此其结构重量和载荷均集中在重心处,从而减少了直升机俯仰和偏航的转动惯量,具备较高的加速特性。

VS-300

单旋翼直升机

共轴反桨直升机

这种共轴式的直升机构形在20世纪初期就引起了航空爱好者的极大兴趣,并试图将其变成实用的飞行器,但由于当时的人们对共轴双旋翼的气动特性缺乏认识,同时在结构设计上遇到一些难题,最终导致许多设计者都放弃了研究。现代直升机之父西科斯基早在1909年就开始建造他的第一架共轴双旋转翼直升机,与其它直升机先驱们一样,他所面临的引擎马力不足及有效控制直升机等问题一直无法获得解决,因此他在1910年放弃直升机转而往固定翼飞机的建造方面发展。

尼古拉·伊里奇·卡莫夫

但直升机业界却一直从未停止研究的共轴双旋翼直升机设计。1940年,苏联成立了第一家专门生产旋翼飞行器的工厂,由尼古拉·卡莫夫担任总设计师,但是这家飞行器工厂由于战争原因,很快就关闭了,但是在这段时间之内,设计师卡莫夫积累了丰富的飞行器设计经验,并开辟了一条研发共轴双旋翼直升机的新时代。

卡莫夫与КАСКР—1

КАСКР—1

尼古拉·伊里奇·卡莫夫,1902年9月14日生于俄罗斯东西伯利亚的伊尔库茨克,1923年从托木斯克工学院毕业后,先后在许多设计机构工作。1929年与Н·К·斯克尔任斯基共同研制出一架名为“红色工程师”的“КАСКР—1”( Камов — Скрижинский,卡莫夫-斯克里任斯基)自转旋翼机后,不久被调入中央茹科夫斯基流体动力研究所特殊结构组工作。在卡莫夫的领导下,先后研制成“А—7”和“А—7比斯”自转旋翼机。这些飞机在批量生产后,被成功地使用于伟大卫国战争初期,成为旋翼飞行器用于战争的最初尝试。

A7-3A

A7-3A

A-7

1948年卡莫夫设计局成立,开启了苏联共轴式直升机的发展道路。1945到1950这个时间段,苏联先后有四个主要设计局投入直升机设计,分别是布拉图欣、雅克福列夫、卡莫夫和米里。老牌的布拉图欣设计局选择了并列双旋翼,最终消亡。无所不能的雅克福列夫尝试了三种布局,最终以纵列双旋翼结束了直升机设计生涯。米里选择了主流的单旋翼带尾桨的布局,成为最大的赢家。卡莫夫设计局选择的是共轴双旋翼布局,但共轴双旋翼布局大多在试验型号和无人型号上出现,大量生产的载人实用型号全世界也就是卡莫夫一家。

卡-8直升机:

1943至1945年间卡莫夫在攻读其博士学位,同时受命编撰一部关于旋翼飞行器的教科书。他本人仍希望回到设计工作中,曾自己设计过一种单旋翼直升机,但完全没有进一步试验的可能。大约在1945年时,卡莫夫在写书的资料中了解到美国正在设计的一种背包式单人直升机,激发了卡莫夫对共轴式直升机的设计灵感。

卡-8

第二次世界大战后,他领导研制出了一种双桨共轴反转式小型直升机,并把这种直升机命名为卡-8“伊尔库达宁”,以纪念他的出生地伊尔库茨克。1947年11月12日,卡莫夫带领团队成功试飞了世界首款共轴双旋翼直升机卡-8,并于次年在飞行表演中大放异彩,展现出了极佳的机动能力,当时苏联的海军元帅库兹涅佐夫对这架奇特的飞行器产生了浓厚的兴趣,认为这种设计的直升机在海军舰载机应用上具有无可比拟的优势,于是下令组建由卡莫夫领导的直升机设计局。

卡-8试飞

卡-8是一架小型的试验型共轴双旋翼直升机,这是卡系列直升机的开辟之作。卡-8本身的性能并无特异之处,但卡莫夫通过这个型号掌握了共轴双旋翼直升机的特性和设计方法。卡-8配备27马力的M-76发动机,使用酒精作为燃料可将其功率提高到45马力。

飞行中的卡-8

1948年卡-8参加了图西诺航空节,以“空中摩托车”的名义从一辆“莫斯科人”卡车后箱起飞。但不知道是平台倾斜还是振动的影响,在预定时间前就几乎滑下车厢,试飞员只能立刻起飞。绕场一圈后飞到政府高层看台附近时发动机出现喘振,就在试飞员犹豫是否关闭发动机时,直升机已缓慢下降到地面,就像“蜜蜂挂在花下面”一样。在飞行表演中,卡-8绕机场飞行了3圈,随后降落在吉斯-5卡车的平板车厢上,这使飞行表演达到了高潮。对此,当时的苏联海军司令员们特别感兴趣,并确信这种小巧灵活的双桨共轴式直升机能在军舰上使用。1948年9月29日,前苏联军方订购了经改进的卡-8舰载侦察联络直升机。

卡-10直升机:

1948年,卡莫夫设计局在卡-8共轴式双旋翼直升机基础上,正式启动了研制首架卡-10舰载直升机的计划。卡-10的布局与卡-8相似,采用钢管框架的结构,安装有一台发动机、一个驾驶员座椅和两个共轴的三叶片旋翼,但是为卡-10换装了为直升机专门设计的新型发动机——41千瓦的Ivchenko AI-4 flat-four ,为了对应发动机的改进,卡-10具备两级减速装置和带离心离合器的自由轮,并且改进了旋翼之间的动力分配。

卡-10

1949年8月30日,古罗夫驾驶卡-10作了首次飞行。在同年晚些时候的一次飞行中,卡-10因事故坠毁,古罗夫丧生。1950年12月8日,卡-10成功地在“马克西姆·高尔基”号巡洋舰上作了起飞、降落,这是在苏联舰载直升机历史上第一次舰上起降。卡-10成为第一架在舰艇甲板上降落的苏联直升机。

“马克西姆·高尔基”号巡洋舰

卡-10

1952年3月14日,在塞瓦斯托波尔附近的库利科沃波列黑海舰队,成立了前苏联第一支海军直升机部队,即第220独立直升机飞行队。此后,前苏联海军的舰载直升机,一直采用由卡莫夫设计局设计的卡系列双桨共轴式直升机。它们在反潜、攻舰、侦察、突击运输、通信联络等海上作战中被广泛使用,并发挥了重要作用。为卡莫夫设计局挤走米里设计局,独霸海军舰载直升机平台奠定了基础。1952年12月,黑海舰队司令和舰队航空兵司令,联名写信给苏联海军航空兵司令,建议立即装备卡-10。

黑海舰队检阅重点的卡-10

1954年12架改型卡-10M交付给海岸警卫队。卡-10M由卡-10的单垂尾改成了双垂尾。卡-10系列共生产了16架,这是第一种量产的卡莫夫直升机。

建造中的卡-10

卡-10采用了共轴式双旋翼和开放式座舱气动布局,机身使用了钢管框架结构,两个充气橡胶气囊取代了起落架。该机长3.9米,旋翼直径5.8米,高2.5米;空重239千克,正常起飞重量370千克,安装1台40千瓦PD AI-4G活塞式发动机;最大飞行速度115千米/小时,最大航程142千米,实用升限2 500米,静升限300米,机组人员1名。由于设计独特和驾驶便捷,卡-10绰号“空中摩托车”。

绰号:空中摩托车、帽子

空重:234千克

最大起飞重量:370千克

旋翼直径:6.12米

旋翼桨盘面积:58.8平方米

机长:3.9米

机高:2.5米

机宽:1.97米

主轮距:

前主轮距:

发动机:1台PD AI-4G活塞式发动机,41kW

最大平飞速度:115公里/小时

航程:170公里

升限:2500米

航电:

武器:

客舱容积:

载重量:

乘员:1人

产量:16架

卡-10

卡-10

卡-15直升机:

随着卡-10在红海海军的正式服役,前苏联也就宣告红海海军航空兵部队正式成立。由于军方需要有更大搜索及多用途和多功能直升机,卡莫夫不得不率领手下寻求更好的方案。当时国内外不少厂家都在研制双旋翼共轴式直升机,如苏联的雅克夫列夫设计局和法国的布雷盖飞机公司。但均未见成效,只有卡莫夫找到了最佳方案。

卡-15

1950年左右卡莫夫提出了双座卡-15的设想,据说是在所有方案中选择了最简单的,使用轮式起落架以方便陆上操作,1951年设计工作正式开始。当时卡莫夫正忙于进行重型纵列双旋翼直升机的设计,由于美军在朝鲜战场大量使用直升机并显示了很高的效率,苏联政府急需有效的运输直升机。卡莫夫局尝试了多种纵列双旋翼设计,包括小型的卡-11、单发的卡-12以及双发重型的卡-14-2,也就是说他们在这里用掉了很多编号。

卡-15

1951年10月四设计局赴克里姆林宫讨论紧急研制运输直升机的方案,米里局以12座米-4顺利过关,布拉图欣局直接解散,卡莫夫因对纵列双旋翼直升机研制时间估算保守,项目移交雅克福列夫局,被赶去完成卡-15。卡-15的研制是在较为困难的条件下进行的,政府停止对其拨款,卡莫夫自筹了一小笔经费完成了项目。

卡-15

1952年,世界首架量产型共轴反转双旋翼的舰载直升机卡-15终于亮相,该机首次配备可探测海底潜艇的特殊精密仪器。1953年4月14日,卡莫夫设计局推出的首架卡-15PL舰载反潜直升机样机完成试飞。卡-15长6.26米,旋翼直径9.96米,机身宽2.85米,高3.35米;安装1台AI-14V活塞式发动机,最大飞行速度155千米/小时,巡航速度120千米/小时;转场航程520千米,实际航程278千米;实用升限3250米,静升限600米;空重968千克,最大起飞重量1460千克,有效载荷300~364千克,机组人员2名。

卡-15

卡-15尽管外形尺寸较小,但卡-15PL的甲板试飞效果出人意料,明显超过了米里设计局的米-1舰载直升机。卡-15在起飞重量1 410千克和发动机功率205千瓦时,不仅可搭载2名飞行员和若干名乘客,而且可搭载210千克货物。米-1机身长是卡-15的2倍,在起飞重量2 470千克和发动机功率422千瓦时,仅可搭载255千克货物。在自重和发动机功率只及米-1一半的情况下载重为米-1的五分之四。值得一提的是,当时由于甲板保障设施落后,舰载直升机在停机坪需要用缆绳固定,使用油桶加油。由于缺少机库,旋翼叶片被拆卸下来,用专用挂架进行保存,起飞前再安装调试旋翼叶片。

卡-15

卡-15的机身为金属框架结构,外部包裹胶合板蒙皮,机身前部设计了宽大的透明玻璃机头。座舱内部安放了两副并排放置的座椅。其水平尾翼安装在尾梁的上方,水平尾翼两侧翼尖则各安装了一面端板式垂直尾翼。卡-15的动力系统为单台AN-14B 9缸星形发动机,其功率为202千瓦(大概275马力),发动机配备有单速增压器和冷却风扇。

1955年,军方开始了卡-15直升机批生产的试验,卡莫夫明白,故障和毛病出现最多的就是在这个阶段。为掌握第一手资料,以便向部队提供完美的直升机,他亲自在晃动的甲板上迎接从海上飞行归来的飞行员,听取他们对直升机飞行的意见。他从不搁置问题,总是立即研究分析飞行,并连夜绘图、计算,以便对直升机进行更符合实际的改进。

“库图佐夫”号巡洋舰

在进行反潜试验时,直升机将声纳浮标投放到指定的海区,但并未发现潜艇,这就引起了争议。有些人本来就不了解共轴式双旋翼布局的优越性,反对在军舰上使用它。海军司令、海军上将谢尔盖·格里尔吉耶维奇·戈尔什科夫并没草率做出决定,他坚持要进行卡-15共轴式双旋翼直升机与米-1单旋翼直升机的对比飞行试验,并在此基础上由委员会决定,选用哪种直升机作为舰载直升机。为此,几架卡-15和米-1被运至“古比雪夫”号和“库图佐夫”号巡洋舰上。米-1的“长尾巴”妨碍它接近军舰和在甲板上降落,而小巧灵活的卡-15却能在军舰和它周围的停泊场之间穿梭来往。对比飞行试验结果,委员会一致认为,共轴式双旋翼直升机更适于作为舰载直升机使用。

米-1直升机

卡-15

遂行反潜作战任务时,卡-15PL由3机编队组成,第一架负责投放和拖曳2部声呐浮标,第二架使用声呐浮标搜索和侦察美国核潜艇,第三架投掷深水炸弹。但由于设计存在许多缺陷,卡-15PL经常处于停飞状态。

卡-15

1959年6月6日,卡-15还创造了一项当时的直升机世界纪录,该机在500公里的闭合航线上飞行时速达到了170.445公里,此次创造纪录的飞行中,卡-15的全机起飞重量为1350公斤。

邮票上的卡-15

1961年,卡-15直升机成功地自空中引导前苏联“列宁”号破冰船和其探险船队,开辟北冰洋航线,也开启了直升机飞越北极极点的时代。卡-15和卡-18同时还是世界上最早使用玻璃纤维材质作为主旋翼桨叶的直升机,它们持续服役于前苏联海军及民航界长达20年之久。

卡-15

1963年5月,苏联海军航空兵决定停止使用卡-15PL。除了甲板保障设施落后外,功率不足、作战使用效率低和可靠性差,也是苏联海军将卡-15PL拒之门外的主要原因。尽管装备时间有限,但卡-15PL有机会搭乘水面舰艇,出没于世界各大海洋,成为海军直升机航空兵的先驱,对开发和研制新型舰载反潜直升机具有重要意义。卡-15在军事和民用领域都得到应用,共生产了375架,这是世界上第一种大规模生产的共轴双旋翼直升机。

卡-15

绰号:母鸡

空重:968千克

最大起飞重量:1460千克

旋翼直径:9.96米

旋翼桨盘面积:155.8平方米

机长:6.26米

机高:3.35米

机宽:2.85米

主轮距:

前主轮距:

发动机:1台AI-14V活塞式发动机

最大平飞速度:150公里/小时

航程:278千米

升限:3250米

航电:

武器:

客舱容积:

载重量:300~364千克

乘员:2人

产量:375架

卡-15

卡-15M

卡-18直升机:

1956年,苏联决定建造一架四座轻型直升机,用于公共交通,农业和通信,到同年10月,卡-18原型直升机就首次升空。卡-18直升机是卡-15直升机的四座民用型。卡莫夫设计局的设计师们对其前机身进行了重新设计和加长。1957年,该机完成了首次试飞,不久之后正式投入批量生产。卡-18配备一个更强大的发动机 - 255马力的伊夫琴科 AI-14V径向发动机。延续了卡-10直升机的共轴双旋翼和双立尾布局,采用了封闭式座舱和4轮起落架。北大西洋公约组织报告中称之为“公猪”(Hog)。

卡-15与卡-18

卡-18轻型直升机的外观非常时髦,结构看起来和汽车一样简单,因此被称为“空中的士”。它以每小时150公里的速度飞行,能运载3名乘客。在1960到1971年间,莫斯科中央航站楼设有一个中央直升机站。在那里,你可以在20分钟内,乘坐直升机飞到其他城区的直升机站,或者其他的莫斯科机场,例如弗努科沃,贝科沃和谢列梅捷沃机场,而且当时一张直升机机票的价格为1.5卢布。它既可以作为客运直升机,也能充当救援直升机。该型直升机可广泛用于客运、货运、邮政、地质勘探、医疗救护和农田作业等。

卡-18

卡-18的主旋翼由两副共轴反转的全铰接式三桨叶组成,其桨叶为木质结构,且带有防冰装置。不过由于该机主要还是面向苏联海军的型号,所以为了满足机库的尺寸要求,其旋翼采用了快拆式设计,可由两名经过培训的工人在五分钟之内完成拆卸。卡-18直升机的机身为钢管焊接结构,外表包裹有轻质金属蒙皮,尾部锥形梁则设计为硬壳式结构。机身后部尾梁上安装有水平尾面,平尾两侧各自安装有一副端板式垂直尾翼。

卡-18

卡-18同样采用了类似卡-15的4轮式起落架,其前起落架可以自由转向,如果需要执行水上降落任务,则可以方便的增设充气浮筒。卡-18直升机装备有基本的无线电设备,在不具备目视条件的恶劣天气和夜间可以借助无线电设备和导航系统进行仪表飞行。在1959至1961年间,乌兰乌德工厂共生产了111架。该机据说在1958年布鲁塞尔世界博览会上获得了一枚金牌。

卡-18

绰号:公猪

空重:1023千克

最大起飞重量:1310千克

旋翼直径:9.96米

旋翼桨盘面积:155.8平方米

机长:7.03米

机高:3.34米

机宽:1.45米

轮距: 前起落架横向轮距则为1米,主起落架(后部)则为2.65米,起落架纵向轮距则是1.86米。

发动机:一台ЭП-14В 9缸型型活塞式发动机,该型发动机的功率为202千瓦(275马力)

最大平飞速度:150公里/小时

航程:400千米

升限:3500米

航电:

武器:

客舱容积:

载重量:200~300千克,3名乘客

乘员:1人

产量:111架

卡-18

卡-18

卡-18

卡-18

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明鸿羽

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