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直升机发展史
作者:admin 文章来源:本站原创 点击数:1524 更新时间:2008-5-23 17:15:39

第一节 绪论

人类的航空发展史始于十六世纪,早期观察鸟类的飞行,人类梦想着有朝一日能像鸟类一般自由自在的遨游于天空。自然地,由观察鸟类飞行所得的现像,引导着早期航空的发展。鸟类的飞行大底上可划分为三个阶段:起飞,飞行及降落;而起飞亦可分为两种:跑步起飞和跳跃起飞;而飞行亦可分为两种:前进飞行和空中停留。一开始,人们想利用可上下移动的翅膀靠着其运动而如鸟类般的飞行,但是此一构想除了玩具外并无法真正地让人类飞上天空。

虽然如此,人类并不因此而放弃,经过长期的努力终于在十九世纪发明了固定翼的飞行机器,此即目前大家所熟悉在运输上扮演非常重要角色的飞机。而飞机的发明虽然让人类可以飞上天空,但这只能仿真鸟类的跑步起飞以及前进飞行。对于另外的跳跃起飞及空中停留的现像却一直无法达成。但当时航空的先驱们并不因此而停止,他们晓得如果要完全的了解飞行的现像,必须解决在无前进速度下空中的停留以及在限制的环境下垂直地起飞和降落。而此方向的探讨一直持续到直升机的开发。

当时研究直升机的他们所面临的最大问题有三:(1)降低机身结构及引擎的重量,以便飞行器有足够剩余的升力可供使用;(2)抵消因主旋翼转动时所产生的扭力;和(3)飞行时如何操控。降低重量主要朝着利用较轻的材料和提高引擎的效益,亦即提高引擎所能提供的有效功率和引擎的重量比着手,前者导致铝合金的使用和最近复合材料的使用,而后者因限于早期只有往复式引擎而无法有突破性的进展,一直到后来涡轮引擎的发明才有进一步的发展。其次为克服旋翼所产生的扭力,结果导致目前所能看到的各种不同的直升机外型,如主尾旋翼、横向双主旋翼、前后主旋翼、同轴上下旋翼等。最后对于飞行的操控则导至目前主旋翼的通用型态,包括翼插梢及翼切面集合倾角(collective pitch)和循环倾角(cyclic pitch)的控制。所谓集合倾角即同时改变所有翼片的倾角来达到不同升力的效果,此时升力垂直于旋翼旋转平面。另外旋翼循环倾角即翼片倾角随着旋转翼的转动做周期性的改变,而其功用在于旋翼的升力随着翼片旋转时的位置不同而改变,使得旋翼的旋转平面由水平往侧边倾斜,造成旋转翼之升力由垂直向上往旁倾斜,因此有水平的分量来拉直升机做水平的飞行,如果其往前倾斜,则直升机亦往前飞行。

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第二节 直升机概念的萌芽

最早直升机的概念可以追溯到前(B.C. 400)中国已有的竹蜻蜓,竹蜻蜓包含一螺旋桨装在一根垂直轴上,人们以手转动此轴即可使竹蜻蜓升空飞行,这可能是人类最早的概念直升机。

但是此一概念并没有继续的发展,一直到十五世纪,达芬奇(Leonardo de Vinci)绘出他所认为飞行的机器,在图中他建议以旋转一绕垂直轴的螺旋面(双旋翼直升机概念鼻祖)来达到垂直的飞行。

达芬奇的直升机设想,与竹蜻蜓

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在十八世纪末期,Launoy 和 Bienvenue 制造了一架可自行起飞的旋转翼玩具。在 1796年英格兰的George Cayley 公爵制造了一些成功的直升机模型(右图),其中一架飞到27米高。在 1842年英格兰的 W. H. Phillips 制造一以蒸气推动的模型直升机重 10千克。

www.AirForceWorld.com 直升机原理在此必须提到一个人名叫 Ponton D'Amecourt,他相信飞行的可能,于 1863年创造了直升机(helicopter)这个字,根据其定义直升机即螺旋状的机翼,此机翼绕着一轴旋转,如果此轴垂直则机翼沿着轴垂直上升。他制造一以蒸汽引擎推动的模型,为了减轻重量他以铝材料建造蒸汽缸,虽然在当时人类并未发现铝材料;而为了抵消旋转时所产生的扭力,他利用两个相反方向旋转的共轴螺旋桨:

但是此模型所产生的升力并无法令模型升空。因而这些先驱者开始研发可行的引擎,可以提供足够的动力。

终于在 1877年意大利的 Enrico Forlanini 教授以一个四分之一马力的蒸汽引擎成功地使一重八千克的模型飞行二十秒,最高达到十二米。十年以后于 1887年,法国的 Gustave Trouve 成功地以电动引擎来推动他的模型。 1880年美国的爱迪生先生制造一螺旋桨的测试台并以马达来转动螺旋桨。由此认识到直升机所需要的是一很轻的引擎且能提供大量的功率-即重量对功率的比为 1 to2 kg/hp,而当时的蒸汽引擎并不适合直升机的飞行,所以他开始从事引擎的开发。于实验室里,他利用棉火药作为引擎的燃料,但经过一次严重的爆炸而放弃。其后经过很多年的模型尝试,一直到了二十世纪初期,才有人开始尝试一些较大且可携带飞行员的直升机。而飞机开发的成功,对直升机的先驱们造成很大的冲击,他们不止努力地急起直追,一些飞机上使用的零件及概念亦被引用到直升机上,如螺旋桨、引擎及垂直尾舵等。

第三节 早期直升机的发展

大约在1900年,以汽油为燃料的往复式内燃机开始问世,使得飞机的飞行成真,同时人们亦开始利用在直升机的发展上。于1904年法国 Renard 制造一架横向双主螺旋桨直升机以一双缸引擎推动(下图),同时他利用翼片扑动插梢(flap hinge)来解决因翼片升力所造成螺旋桨轴毂的力矩问题。

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1907 法国 Brequet-Richet 建造了一架重 578千克 40 匹马力,有四个主螺旋桨其直径为 8.1米的直升机。这是第一架由驾驶员飞行的直升机,但因操控的问题,试飞时由四个帮手抓住机身且只做有限度的飞行,停在空中约一分钟离地0.6米。虽然如此,但他是第一个了解到需要在螺旋桨片靠近轴的部位,以活节的方式(articulated)来解决前进飞行所造成升力不对称的问题,而此种方法一直沿用至今。同年十一月三日法国 Paul Cornu 驾驶自制的直升机,而这也是飞行史上第一架真正只由飞行员操作飞行的直升机:

在其1908年的陈述中他建造两个转向相反直径 6米的螺旋桨装在一以铁管制的 V 型机身上,机身中心位置装有飞行员座位及一二十四马力的引擎,透过滑轮及皮带转动前后螺旋桨,为了达到方向控制,在螺旋桨下方各装一平面,透过控制平面的倾斜角度,利用螺旋桨的下洗流方向来达到直升机的方向控制。这一架直升机总重203千克飞行员 57千克共260千克,于十一月十三日的试飞中离地0.3米空中停留约20 秒,试飞时为了防止无法控制,直升机以绳索绑住以防止上升过高。但因些机械及控制的问题,最后于一次试飞中,此架直升机因高度振动而破坏。

1909年美国 Emile 和Henry Berliner 父子建造了一架同轴双螺旋桨以两个引擎带动的直升机,没有以缆线绑住的情况下成功地试飞。

其后在1922年他们建造了一架横向双螺旋桨的飞行机器,在此不用直升机这个名辞,因为此机并无空中停留的能力,他们将螺旋桨相对于机身往前倾斜,利用螺旋桨产生的升力在水平方向的分量来前进飞行。

1912年苏联 Yuriev 建造了一架原型机重200千克(下图),这是世上第一架只有单一主螺旋桨配上一垂直反扭力螺旋桨。而此设计即目前最常见的型式。因为经济问题再加上第一次世界大战及苏联革命,他停止继续研究。

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后来于1923年 Emile Berliner 以此一设计申请专利。1916年澳大利 Petroczy 和 Van Karman 建造一共轴双螺旋桨直升机重 815千克,螺旋桨直径 6米以一 120马力的引擎带动,为维持其稳定性以缆线绑在地上,此机试飞时离地 49米,但在第十五次降落时坠毁。

在第一次世界大战前后,因战争需要高性能的飞机,较佳的引擎被开发出来,直升机所面临功率不足的问题迎刃而解。有了足够的动力令直升机起飞,先驱们开始可以集中精力在直升机稳定性及控制性的问题上加以探讨。为解决控制稳定的问题,一些以前直接引用飞机的概念有了进一步的修正,如不再以垂直尾舵的方式来控制方向而改以翼面循环倾角和以旋转翼来取代螺旋桨等。旋转翼与螺旋桨最大的不同在其刚性的设计,旋转翼为柔性设计,允许翼片大量的位移及变形。反之螺旋桨则为刚性设计只允许少量的变形。

第一次大战结束的几年后,有三位直升机制造者竞相地号称其完成真正的飞行。事实上他们试飞的日期相隔不久,且各自有其破当时直升机第一次飞行的记录和对直升机的发展有所贡献。兹将他们的事迹分别类举:

I. Pescara 在第一次世界大战结束时,一位阿根廷(Argentina)的工程师 Marquis Pescara 建造一架包含两个转向相反的共轴旋转翼直径 6.4米,每一旋转翼有上下两个平面,每一平面有四个翼片:

此架直升机经过几次的试飞及修改后具有 180马力,在1923年十一月十九日破当时飞行距离的记录飞行了736米。他是第一位有效地以扭转翼片的方法来控制旋转翼的循环倾角,同时他亦是第一位了解直升机具有自动旋转降落(autorotation)能力的人。在此之前,人们都相信直升机如飞机般只有在引擎运转时才能飞行,当引擎停止时直升机会像飞机一样掉下来。由他的陈述中得知:当没有引擎推动的情况下降落,若将翼片倾角降低至非常小可使旋转翼继续旋转,如风车一般。当下降至一程度时,将翼片倾角增加产生升力,其作用就有如煞车一般减低直升机下降的速度,同时可以提供直生机安全降落所需的升力。

II. De Bothezat一位苏联的科学家于苏联革命时被迫逃离母国到美国,于1916年他写了一本直升机旋翼理论的书。在1921年六月一日他和美国陆军签署一项合约,帮军方发展一架可升高至 100米且可在引擎转速下降情况下降落的直升机,此为美国军方第一次直升机订单的合同。此机为一交叉型铁管梁组成的机身,于梁的四端各有一六个翼片直径 6.6米的旋转翼,旋转翼片的倾角则由一飞轮控制,全机重 1610千克配以一200马力的引擎(下图)。

当前后两组旋转翼的翼片倾角不同时,造成前后的升力差,由此可达到机身的纵向控制;左右两侧旋转翼的翼片倾角不同时,造成左右升力差,由此可达到机身的翻滚控制。而此设计更利用翼片负倾角来达到自动旋转降落的要求。于1922年十二月十八日在一些人的见证下,在高度约两米空中停留,但于飞行过程中,机身的水平方向无法有效控制以致机身往侧向移动,因此在空中停留了一分四十二秒后降落。而此计划亦因其无法达到合约目标及考虑当任一旋翼故障时的非对称形控制问题而取消。

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III. Oehmichen一位法国工程师 Etienne Oehmichen 在1920年建造一架类似 Paul Cornu 所造的直升机,机身由一水平梁构成,于梁的两端各有一双翼片旋转翼,其直径 6.4米由一20 到25马力的引擎透过皮带来带动。但此机升力不足,他以缆线将一充满70 立方米的氢气球悬吊在上机身架子:

气球不只提供其升空所需不足的升力,同时气球的阻力亦有稳定直升机的功能。但此机并非真正的直升机,他给其一个新的名辞叫“helicostat”,意即静升力辅助直升机。当时直升机发展趋势是朝真正直升机,因此他开始着手建造真正的直升机,而 helicostat 的观念后来被用来吊起很重的对象而非用来稳定直升机。他所建造的直升机类似 Bothezat 所建造的有四个旋转翼,另外他又加上八个小螺旋桨用来推进及控制,所有系统由一 120马力的引擎带动,总重大约900千克,如下图:

在1923年五月完成超过五分钟的空中停留,次年五月四日完成 1 公里长的绕圈飞行,飞行最高点为 16米。

一直到1934年,直升机的发展并无显著的进步,此一时期亦有些先驱从事直升机的开发。英国 Louis Brennan (1924-1925年)建造了一架直升机在其旋转翼的自由端装有螺旋桨,以螺旋桨的推力来转动旋转翼。而旋转翼相对于旋转轴则可自由旋转,因此无因旋转翼旋转所造成的扭力问题。荷兰 A.G. von Baumhauer (1924-1929年)开发一直升机,有一双翼片直径 15米的主旋转翼,由一200马力的转子引擎带动,同时以一由另一个 80马力转子引擎带动的垂直尾旋转翼,用来平衡主旋转翼所产生的扭力。主旋转翼装有扑动插梢允许翼片上下翻转,但同时以一缆线连接两个翼片形成一翘板式的旋转翼(teetering rotor),所谓翘板式旋转翼即一个翼片如果上升则另一翼片则下降,此型的旋转翼通常使用在双翼片旋转翼上。翘板式旋转翼其二翼片亦可为连续性的构造以单一扑动插梢连接于转轴上。

相同的观念用于多翼片旋转翼时称为吊架式旋转翼(gimballed rotor)再利用一片斜盘板(swashplate)的倾斜改变翼片的循环倾角来达到控制的目的,此发明得到法国及英国的专利权。意大利 Corradino d'Ascanio (1930年)建造一同轴双旋转翼直升机。旋转翼为双翼片直径 13米,由一95马力的引擎带动,翼片装有扑动插梢及翼片倾角转动铰炼(feathering hinge),另外他利用翼片尾端的控制片来改变翼切面外形,进而改变空气动力的特性来达到翼片集合倾角及循环倾角的控制,而控制片则由飞行员利用缆线及滑轮来操控,于垂直飞行时,控制片同时移动以增加或减小全部翼片的倾角,藉以改变直升机的升力,水平飞行时控制片则做周期性的改变。其飞行记录-高度 18米、飞行时间 8 分 45秒及距离 1078米则保持了好几年。

美国 M. B. Blecker (1926-1930年)建造了一架有四片类似机翼的旋转翼直升机,为克服扭力问题,于每个机翼上装有一螺旋桨,全部机翼则绕旋转翼的主轴自由旋转,动力则透过齿轮和炼条由一装于机身的 420马力引擎带动,控制则由机翼上附加的空气动力板面及机身尾舵的移动来达到。此机经过多次的测试,但因振动及不稳定的问题而被放弃。Hellesen-Kahn (1926年)建造了一架有两个旋转机翼的直升机,机翼长度 6.5米,全部机翼面积大约20 平方米。在每个机翼中间装置有螺旋桨由一75马力的引擎带动,因而使机翼绕着轴毂旋转,于试飞时因离心力及回转力的问题无法解决而放弃。于法国及英国 Isacco(1929年)采用类似的设计, 如下图:

两翼各由一个 32马力的引擎来推动装置于翼端的螺旋桨,由两机翼组成的旋转翼直径 12.5米,另外他于机鼻部份加装一引擎及螺旋桨做为水平推进的力量。可是置于翼端的引擎因机翼旋转而承受巨大离心力,使得其供油及润滑非常困难,因而此计划经过几次试飞后就停止了。匈牙利 Oscar de Asboth (1928-1930年)建造一架共轴双旋翼直升机, 如下图:

其旋转翼直径 4.30米由一 130马力引擎带动,翼片由柔性木质材料制成。飞行员经由一操纵杆及脚踏板控制装于机身的六片绕水平轴回转的反射板来稳定飞行,反射板的功用在于反射旋转翼旋转时所造成的下洗流(downwash)而产生稳定的力量。他后来又于机身加装一水平螺旋桨推进器。在非常平静的天气下,此机非常的稳定但也非常不容易操控,其控制反应非常的缓慢。究其原因,其旋转翼有很高的受力约为每平方米有 34千克,因而其下洗流的速率很大。但如果在不稳定的天气或快速前进的情况下飞行,因下洗流到达反射板的量改变,此机可能无法如试飞时稳定。在比利时 Florine (1930-1933年)建造一双旋翼直升机,不同于其它先驱们所造的,其两个旋转翼的转向相同,此二旋转翼各往不同的方向倾斜,由此二旋转翼升力的水平分量形成一力偶来克服扭力的问题。全机总重950千克,由一200马力的引擎带动。于1933年十月非正式地打破由 Ascanio 所保持的飞行纪录,飞行九分五十八秒。

同一时期苏俄的气动力与水动力研究中心(ZAGI),于1928年成立垂直飞行部门,由 G.H. Sabinin 主持直升机的发展计划,其第一架直升机(ZAGI 1 A)以铁管做成机身,主旋转翼有四个翼片刚性地固定在旋翼转轴轴毂,由两个 120马力的引擎带动,此为直升机史上第一架双引擎直升机。另外有两个双翼片辅助旋转翼,各装置在机身的前后部来控制飞行。经过一连串试飞后,此机在一次下降时因引擎超速而损坏。而其第二架直升机除了主旋转翼外基本上和第一架相同,其为一个三翼片固定于旋翼转轴轴毂,直径 10米的旋转翼,另外有三个较短的翼片(直径7.8米)装置于长翼片间以循回倾角来控制飞行。在1934年其非正式的飞行记录为:每小时20 公里的飞行速率、飞行距离为700米、最大高度为 40米和最长时间 13 分钟。

自从 Oehmichen 于1924年创造了高度纪录(16米)后,十年间直升机的发展基本上并无多大的进展。但同一时期,另外一种飞行机器-自旋机(autogyro)却发展的相当迅速,到了1934年其技术已到了成熟的阶段。在此提到自旋机的主要原因是自旋机的技术后来被运用到直升机上,且在直升机发展上扮演一不可抹没的角色。而所谓的自旋机一开始的概念是运用旋翼自动旋转降落的能力来提供飞机于低速时和飞行失去动力时的飞行安全,因此最原始的自旋机即在飞机上加装一旋翼,为利用其自动旋转降落的功能,此旋翼为无动力式可自由旋转,也因此自旋机并无垂直升飞行的能力。后来亦有人于自旋机的旋翼加上动力,于地面上先令旋翼在无翼片倾角时超速转,以储存大量的动能,当飞行员突然增加翼片倾角时可将自旋机升空,此方法即所谓的跳跃升空(jump take-off)。西班牙的 Juan de la Cierva 于1920年到1930年间发展的,同时他亦是创造“autogyro”名辞的人。

Juan de la Cierva 于1919年设计一架飞机,靠近地面飞行时因失速而坠毁。引发他对飞机具有低速起飞及降落的兴趣,而飞机具低速起飞及降落的主要关键在于是否能设计一于低速下有高升力低阻力的机械。在旋转翼模型的风洞实验中,他得知在无动力的情况下,如果旋转翼往后倾斜,甚至在低速情况下亦有高升力低阻力的效用,且最好的结果是于低速下旋转翼有些许的正倾角。在1922年他将一五个翼片的旋转翼装置在飞机上,一开始翼片刚性地固定在旋转翼轴毂。于前进飞行时,飞机因旋转翼升力的不对称而有向旁边翻落的倾向,因此他改用较柔性的棕榈材料做成的翼片来改善问题,如此发现成功的飞行在于柔性的翼片的使用,而这个结果令他在往后的设计改用活节式旋转翼(articulated rotor)。而且他亦是第一个成功的运用翼片扑动插梢于旋转翼飞行器上的人。下图为该型号模型。

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同时他学习到为避免高度的振动,于翼片前后移动的方向须加一吸振器(lag damper),其后吸振器成为避免直升机地面共振(ground resonance)不可欠缺的装置。而所谓的地面共振即当直升机停在地面而旋转翼旋转时,翼片在前后方向移动的惯性力造成转动轴上一周期性的水平力作用于机身上,如果此力的频率与机身包括起落架的频率相同时,机身的反应会增加很快,一般于几秒钟内即可将全机摧毁。在1923年他将一四个具有扑动插梢翼片的旋转翼装置在飞机上。旋转翼直径9.8米由一具 110马力引擎带动,而自旋机的飞行控制则完全利用飞机的空气动力表面,飞机原有的螺旋桨则用来推进自旋机,此种结合使他得到非常满意的飞行结果,展现出具有直升机的自动旋转降落的功能。

之后他再建造一架自旋机,其旋转翼直径为 11米以一 100马力的引擎带动。于1925年在英国皇家飞机航空局(Royal Aircraft Establishment)的飞行表演中非常成功的展出,而此亦一般所称 Cierva 第一架成功的自旋机。也因为这次的表演激励了英国早期对旋转翼的分析。同年他于英国成立制造自旋机的公司,在往后的十年中大约有 500 架由其公司或其授权的公司生产。于1927年的一次飞行意外中自旋机坠毁,经过探讨后发现因翼片扑动所导致很高翼片于旋转平面前后运动的力量,因此翼片再加上一前后运动插梢(lag hinge)以除去因翼片前后运动时所产生的弯矩,而活节式旋转翼到此完全发展成功且一直沿用至今。到了1932年他以直接控制旋转翼转动轴相对于机身的倾斜来操控自旋机的纵向及横向飞行,取代了原本于低速时并不很有效的方法即以控制飞机气动表面的方法来操控。1935年英国 Raoul Hafner 利用控制翼片循环倾角的方法来使旋转翼之旋转平面的倾斜,而取代了直接使旋转轴倾斜的方法。另外在美国 E. Burke Wilford 也建造一架自旋机,亦以翼片循环倾角的方法来控制。但其不同于一般自旋机的地方在于旋转翼为无插梢式旋转翼(hingeless rotor),其翼片运动所产生的力量由翼片里的梁来承受而非以插梢消除。

到了1935年自旋机的发展阶段已几乎完成,其发展进展领先直升机的进展,主要原因在于其旋翼不需动力或只需很少的动力即可达到低速飞行、起飞及降落的目地,在此情况下,其旋转翼的机械构造就简单多了,换句话说自旋机以直升机垂直起飞和空中停留的功能换来较简单的旋转翼设计,而这在于自旋机发展初期并没有预料到的。因为旋转翼主要是做为一高升力装置而没有其它的功能,发展时所遭遇的问题较直升机所遭遇的简单,其问题的解决亦较容易。其次自旋机的技术基本上是沿习飞机的技术,尤其是在飞行操控及推进系统,而当时飞机的发展已达到相当令人满意的阶段。可是也因为功能的限制,自旋机一直无法和飞机及直升机竞争。虽然如此,自旋机发展过程中其解决问题的技巧及结果对直升机的发展有无法抹杀的贡献,尤其是在1920年代针对自旋机旋转翼所发展出的旋翼理论及分析后来成为直升机理论的基础。

第四节 直升机发展的起飞期

前面所提到的 Louis Breguet 于1932年成立另一家专门制造自旋机的公司,同时他将发展直升机的工作交给 Rene Dorand 。而当时一位刚毕业的年轻工程师 Maurice Claisse 被指定来参与此工作。根据其事后的回忆我们可了解其发展的过程。一开始他们建造了一活节式同轴双旋转翼,为了易于操控共装置三十二个油压帮浦(oil pump)透过装于旋转轴支撑架里非常复杂的连杆机构来操控翼片集合倾角及循环倾角。而倾角控制连杆(pitch link)位置的选择使得当翼片上扬时会减少翼片倾角,以降低翼片上扬角度,其功用在于防止上下旋转翼的相互影响。此种倾角与扑动偶合(pitch-flap coupling)的方法有助于旋转翼的稳定,目前的旋转翼设计中亦常见到此种安置。同时翼片在厚度及宽度方向亦采用渐缩式(tapered)。有了旋翼之后,他们在废物场找到适用的机身及引擎,经过几个月多次的试验后决定于1933年十一月进行第一次试飞,不幸地直升机翻覆而损坏。经过修复及一些改良后总重2000千克、旋翼直径 16.5米,由一个 450马力引擎带动,他们在飞行测试中心及飞行俱乐部人员的见证下,于1936年九月二十二日以 158米破了当时的高度记录,同年十一月二十四日,以ㄧ小时两分钟五十秒破当时空中飞行记录,以 44 公里破了当时来回飞行距离的记录,十二月九日以每小时 108 公里的速率破当时前进飞行记录,二十二日以十分钟破当时空中停留(hover endurance)的记录:


而其自动旋转降落的飞行测试,在其第二次尝试时机身着地破坏而停止。此后因第二次世界大战的原因,其公司转移到飞机发展及制造上而停止继续从事直升机的研究。

讲到直升机的的发展就必须提到得德国的 Heinrich Focke 教授,他所发展一系列横向双主轴旋转翼直升机不止打破当时的很多记录,完成直升机史上第一次的自动旋转降落,同时对于直升机的应用上亦有相当的贡献。于1923年和 G. Wulf 组成一家生产小型商用飞机的公司,但到了1933年这一家公司被纳粹(Nazi)收归国有。因此他决定研究旋转翼飞机,同时取得上一节所提到 La Cierva 的授权制造自旋机。由制造自旋机的经验及一些风洞的测试,于1934年建造了第一架直升机,FOCKE 6I。此机由机身横向向两旁延伸出三角型支架,各支撑着一个减速齿轮箱及一个三翼片活节式旋转翼,一般而言,直升机的旋转翼以固定转速旋转,而引擎转速远快于旋转翼转速,减速齿轮是用来降低引擎轴所传递的转速以达到旋转翼所须的转速。此旋转翼直径7米,以 160马力引擎来带动两个旋转方向不同的旋转翼,全机总重950千克直升机的方向由双旋转翼循环倾角的不同来控制、纵向则由双旋转翼相同的循环倾角控制,而其机身的滚动则由双旋转翼集合倾角的不同来控制,其旋转翼的转动轴向前倾斜来增加其稳定性,且旋转翼的旋转平面往前倾斜的角度因而增加,如此可允许较大的前进飞行速率。而其垂直尾舵及水平尾翼则在前进飞行时用来控制其平稳性。于1937年五月十日成功的完成自动旋转降落,同年六月二十五、六日以2100米高度和 100 公里的直线飞行距离打破由 Breguet-Dorand 所保持的记录。

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有了此次成功的经验, Focke 教授决定按照比例将其放大为较大型的直升机, FA223 ,并且得到政府的合同。全机总重为 4300千克;包括机重 3200千克、飞行油料 400千克、飞行人员两人重 180千克和外加负载 520千克。经过仔细的计算、风洞实验及一连串的测试与修改,原型机历经大约四年时间于1942年完成。在1940年八月到1945年底期间,此机通过一连串官方正式的认证包括:最快前进飞行速率每小时 182 公里、爬升速率每秒钟 8.8米、飞行高度限制7100米、自动旋转降落时的着地速率每小时 55 公里、垂直起飞最大重量 4414千克、垂直提升最大外负荷 1284千克、最大垂直爬升及降落的高度2320米和最长飞行时间 3 小时 42 分 。在其认证过程中,他们首创以缆线悬吊外负载,开拓直升机工业用途的先机。同时他们亦在高山上测试,山上的起飞降落地点为未铲平的一般山地,且山上因地理环境有较严重的乱流,但都能安全的通过认证试飞,开创以后直升机于山地救难、游览观光及城市运输的商机。于1943年六月十二日在当时德国的统制者希特勒(Adolf Hitler)前的表演后,直升机开始被使用于战争上。一开始他们受命承制三十架,后来又受命增加到每个月四百架,但当时已是第二次世界大战尾声,一直到大战结束时只有九架完成开始飞行,其中六架因轰炸而被炸毁。 Focke 教授在直升机发展上的成功事迹激励了各国于大战前对直升机发展的投入。

于同一时期英国 La Cierva 自旋机公司的主工程师 C.G. Pullin 于1937年开始建造一架类似 Focke 6I 的直升机,重只有 385千克以一 50马力的引擎来带动双翼片的横向双旋转翼。经过一些困难后总共累积了78 飞行小时的经验,其最高速率达到每小时 110 公里。有了这些经验后,他又建造一架较大的三翼片横向双旋转翼直升机,旋转翼直径 8米以一200马力引擎带动,全机总重 1100千克。于1939年十月开始试飞,总共累积了70 飞行小时,最快速率达每小时 125 公里,此计划因英国对德国宣战而停止。

于1937年德国 Anton Flettner 建造一架单一主旋转翼直升机,他在机尾装置两个垂直螺旋桨,以一推一拉的方式来平衡旋转翼旋转时所产生的扭力。另外他又建造一横向双主旋转翼直升机,旋转翼直径 12米由一 140马力引擎带动,但和 Focke 教授所建造的不同,其两个旋转翼旋转平面相互交叉,两旋转轴成24 度夹角,其旋转翼中心只相隔0.6米,双旋转翼旋转时有如打蛋机般,一般称之为同步双旋转翼直升机(synchropter),图1.4.4,适用于空间较小的地方操作。隔年他得到德国海军的合同建造六架直升机,第一架在1939年五月开始飞行,但因飞行时两个旋转翼的翼片相互撞击而损毁。经过改良之后,第二架因飞行员忘了加满油箱,于飞行时油料用尽而落海。剩下的四架则很成功的飞行,最大速度达每小时 160 公里,最大的起飞重量为 1000千克。也因此德国空军总部订购三十架经过修改的此型直升机,以巡洋舰为起飞降落的基地用来保护舰队。其修改主要是将引擎置于旋转翼下飞行员后面,以便使飞行员有最好的视角,这也开起了舰队使用直升机的先例。一开始为单人座,后来又于引擎后面加装一观察员座位面向后面,其中二十四架配置在德国的舰队参与战争。完成三十架之后,又决定生产 1000 架,但还没生产出来以前,因大战的结束而停止。大战之后,他移居美国在 Kellett 飞机公司做事,而 Kellett 公司亦采用他的设计建造了一系列同类型的直升机。

同时其苏俄由于其 Zagi I 的经验,亦开始建造一架较大型的直升机,Zagi II 以一具 630马力的引擎取代原先使用的两具 120马力引擎,直升机于1936年完成,但因当时俄国共产党的领导者斯大林(Stalin)开始大屠杀,以致于一直到了1940 十月才开始第一次的试飞。试飞期间因缺乏备用零件,到了1941年春天在很少的试飞情况下整个计划被停止。但受到德国 Focke 成功的影响,在1940年莫斯科航空学院成立设计部门亦开始从事横向双旋转翼直升机的设计及建造,2 MG Omega。其旋转翼直径7米各由一个 MV 6 具有220马力引擎带动,机身由铁管制成再以布遮覆有前后两个座位,总重2050千克。1943 开始试飞,除了引擎较不可靠所引发的一些问题外,直升机本身大体来说还令人满意。为解决引擎带来的问题,他们建造第二架直升机以两具 MG 31 具有 350马力的引擎带动,全机总重增加到2300千克。1944年十月开始测试,隔年此机被做为直升机飞行员的飞行训练之用。

战前因为受 Focke 教授直升机成功飞行的影响,欧洲国家对直升机发展的投入不遣余力,但欧战开始及战后家园的重建,使得各国不得不停止直升机的发展。反观在大西洋彼岸的美国,于战争期间及战后的数年间,因为本土未受到战争的洗礼其直升机发展亦进步神速,进而发展成一产值可观的工业。1940年到1945年期间可说是其直升机工业的诞生,其中影响最大的首推 Igor Sikorsky(西科斯基飞机公司) 和 Authur Young (贝尔直升机公司)两人。在提到他们两人的事迹之前,先讲到美国军方的第二个直升机合同- Platt-Lepage 直升机。

于1938年原先在一家自旋机公司的公程师 Laurence Lepage 辞职,与 H. Platt 成立一家直升机公司(Platt-Lepage Aircraft Company)从事直升机的发展工作。他曾于德国参观过 Focke 6I 的飞行并将其录像,回到美国后放映给军方的工程师观看,同时说服军方编列预算发展直升机。年中国会通过预算,军方开始着手招标事宜,美国政府对于新型武器原型机的研发及测试一向均由两家夺标,测视完后再根据其结果决定最后厂商以确保其产品的品质。而在1940年六月十九日及十二月十七日,这家公司及西科斯基公司分别赢得此合同建造直升机,由西科斯基公司建造单一主旋转翼直升机,而此公司建造一架类似 Focke 6I 的横向双旋转翼直升机,XR 1,隔年建造完成。其中机身除了没有机鼻螺旋桨及引擎外其它则类似一般飞机,前后两个座位,座舱底部以透明的鎙塑料制成以利观察及降落着地时的安全,尾翼为一高水平舵的设计,机身旁在座舱后延伸两片类似机翼的结构,两端装置左右两个反向旋转的旋转翼,旋转翼直径9.3米,由三个翼片组成的活节式旋转翼,全机总重2300千克,由一 450马力引擎推进。于1941年五月十二日开始试飞,期间问题一直不断,一直持续到1943年六月试飞中摔毁。之后又建造另一架 XR 1A ,其最大飞行高度达到90米。由军方支持的试飞一直持续到1945年军方正式采用西科斯基公司的直升机为止,此后他们继续自行试飞直到公司卖给麦唐纳公司(McDonnell Company 后来和 Douglas Aircraft 合并成立麦唐纳道格拉斯公司)为止。

Igor Sikorsky (西科斯基)于1908年夏天的德国之旅,因受到当时莱特兄弟(Wright Brother)成功飞行事迹的冲击,引发他对直升机莫大的兴趣,同时亦开始他第一架直升机的构想,回到苏俄后得到其姐姐的资助从事直升机的发展工做。隔年初,他以不到二十岁的年纪只身前往法国巴黎搜集资料及购买所需的引擎,于巴黎停留时间由一些飞机先驱们的教导中,学习到基本的航空理论及飞行的经验,且选购了一具三缸25马力的引擎。回到俄国后于1909年中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,其后又建造了一架直升机,经过量测旋转翼所产生的升力及所需引擎的马力后,他晓得以当时引擎的马力根本无法令直升机升空,因此他终于在1910年放弃直升机转而往飞机的建造方面发展。虽然如此,他对直升机的兴趣保持不变及对直升机的升空一直很有信心,后来他移居美国在联合飞机公司(United Aircraft Company)从事飞机的制造工作。在那段期间,一些较轻的材料,较好的引擎开始问世,同时有关直升机的操控问题亦有较好的答案,因此又燃起他对直升机的希望。在1931年,他独自完成一架直升机的设计同时取得其专利,但当时公司正从事于第一架越洋飞机的设计及建造,所以直升机的开发无法进行,直到1938年底说服公司的主管后,公司成立西科斯基直升机公司,而且根据他的设计构架开始从事直升机的发展。

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此架直升机为一主旋转翼和一垂直尾螺旋桨用来克服主旋转翼旋转时所产生的扭力,于1939年秋天完成,由一75马力引擎利用皮带带动一三翼片旋转翼,旋转翼直径约 8米,机身由钢管焊接制成,飞行员座位为完全开放式位于机身前部位,编号为 VS 300 。于1939年九月十四日开始试飞,一开始他决定不以主旋转翼的翼片倾角控制飞行,因而另外加装两个水平尾螺旋桨,这三个螺旋桨的倾角随着主控制杆的移动而改变,当控制杆往前或后移动时,两个转螺旋桨的倾角有相同方向的改变,如此可利用其升力的改变达到直升机纵向的控制,而控制杆横向移动时,两个水平螺旋桨的倾角有相反方向的改变,如此可达到横向的控制。

1941年四月十七日,他在起落架加装浮筒,如此一来直升机可在陆上及水上操作,而同年五月六日终于以一小时三十二分半打破当时直升机的飞行时间记录。此机于空中停留或非常低速前进飞行时其控制还算令人满意,但于一般前进飞行时,因主旋转翼的下洗流的关系,两个水平旋转翼受其影响而损失大部份升力,以至于直升机于前进飞行时无法有效的控制,因此他逐步地回到以主旋转翼循环倾角的方法来控制直升机的飞行。首先他将两个水平螺旋桨减为一个,同时将其装置在机尾较高的部位防止旋转翼下洗流的影响,机身的操控则以垂直螺旋桨控制方向,以水平螺旋桨控制纵向而以主旋转翼来控制横向,另外为了较为美观前机身则以布覆盖。经过改良后,此机已可以大约每小时 100 公里的速率前进飞行。

那一年底,他终于全部采用主旋翼循环倾角的方法,而把机尾的水平螺旋桨拿掉而形成目前最常见的主旋转翼及尾螺旋桨搭配的直升机型式。其垂直尾螺旋桨的动力直接由主旋转翼的传动系统提供,如此当在无动力飞行下降的时后,尾螺旋桨亦有方向控制的功能。而其它的控制则完全靠主旋转翼的循环倾角来达成;其中主控制杆控制旋转翼循环倾角、副控制杆控制旋转翼的集合倾角、角踏板控制尾螺旋桨的集合倾角及一扭转式的节流阀控制引擎的供油量。而在其发展的同时,军方于1940年十二月十三日正式决定建造 VS 300 改良型的原型机,编号 XR4。此为西科斯基直升机公司第一架直升机的建造合同,其为一三翼片直径 11.6米的主旋转翼及垂直尾螺旋桨单人座直升机,总重 1100千克由一 185马力引擎带动。此机于珍珠港事件的同一天即1941年十二月七日建造完成,隔年开始进行试飞,其结果令军方非常满意,终于在试飞表演之后,美国陆军前后总共订购了 126 架编号 R 4 的直升机。

一般于美国军方飞行器的编号前如加一 X 即表示是实验机种,而进入量产时再将其去掉。不久之后军方决定建造较大型双人座的直升机,且由西科斯基直升机公司设计及制造,编号 XR5。于1943年七月完成,R 5 为一主旋转翼及尾螺旋桨的前后双人座直升机,直径 15米三翼片的插梢式旋转翼,以一 450马力引擎带动,于1944年初开始量产,到世界大战结束共生产 123 架。在此同时他们亦生产 R4改良型直升机,编号 R6。此型直升机基本上与 R4 相同,但为左右双人座直升机,采用 R4的旋转翼及尾螺旋桨以一245马力引擎带动,其机身则较为流线型,总重约 1200千克,陆军共订购900 架。因西科斯基直升机公司早期的成功垫定其在世界直升机工业领先的地位,同时亦激励当时美国其它直升机的研发工作。

当西科斯基一步一步地克服其困难时,Arthur Young 亦默默地进行他的直升机发展工作。于1929年普林斯顿大学数学系毕业后,他开始直升机的发展工作,首先他先了解直升机的发展过程及飞行理论,然后开始直升机问题的探讨,而对此他总是由模型机上着手。1931年建造第一架模型直升机,其旋转翼由三个翼片组成,其直径为 4.5米,有一20马力的引擎经由穿过翼片的长轴来转动装置在翼片尖端的螺旋桨,利用螺旋桨的推力转动旋转翼,而引擎则由电缆线在地面上控制。但耗费了七年,他仍然无法使其升空。之后,他建造一架同轴双主旋转翼直升机模型,其上旋转翼转速较快且提供升空的主要升力,而下旋转翼的设计在于产生高阻力,使其在较低的转速下仍然可产生所须的反扭力。

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终于他的模型升空了,由一连串的试飞及失败中,他了解典型空中停留时的旋转翼不稳定问题。他将旋转翼改成固定式双翼片,以转速的大小来控制升力,因无循环倾角的功能且无螺旋桨的推进,此模型只能垂直上升下降而无前进飞行的功能,同时旋转翼上和翼片成90度的方向加装两个稳定棒以解决稳定的问题。而稳定棒于试飞及风洞的测试中证明了他的理论,他相信在没有循环倾角的状况下此为直升机升空的唯一答案。为了能记录下其飞行的状况及可能发生的问题,每次试飞他均以录像机拍摄其过程。同时他觉得如要说服厂商或军方生产其所设计的直升机,则直升机必须具有前进飞行的功能而非只是垂直升降而已。因此他将其模型改装成具有循环倾角的单一旋转翼由一控制阀经由斜盘板来控制,且于机尾加装一个由马达带动的垂直螺旋桨,以螺旋桨推力来平衡旋转翼所产生的扭力,同时由地面透过缆线改变输入马达的电流,进而改变螺旋桨转速的方法来控制直升机模行的方向:

为了使模型指向同一方向,他以回转计自动量测模型绕垂直轴旋转的角速度,其所量测的值用来改变输入马达电流的大小,亦即改变螺旋桨的转速。相同地,他录下模型成功飞行的过程,于1941年它开始四处洽询厂商,终于引起贝尔飞机公司(Bell Aircraft)创办者 Larry Bell 对其模型的兴趣和对他实事求是逐步探讨问题的方法及精神的欣赏。于是在公司众多的反对下,Larry Bell 支持他于当年十一月在纽约水牛城附近开始建造其设计的直升机。起初只计划建造两架;一架单人座和一架双人座直升机,但后来在没有 Larry Bell 的允许下,又偷偷的建造第三架原型机,而也是这一架直升机使得贝尔公司能于今日在直升机工业占一席之地。一年后于1942年底完成第一架原型机。

基本上是模型机按照比例加以放大,在几次小心的试验后,因飞行员操作所引起的垂直方向的震荡而损坏,他们重新做了一些修正后,于隔年的试飞中,因严重的振动而无法达到设计的巡航速率,经过研究后认为翼片在其前后移动方向的刚性不够,以至其旋转时的自然频率与第二旋转频率(2 per rev)相近。在一般转动机件较常见的激荡力量多为旋转频率的倍数如第一旋转频率(1 per rev)、第二旋转频率、第三旋转频率等,而当系统自然频率与其相同时则产生共振现像,此时系统运动量大增。因而决定增加翼片于此方向的刚性。而 Arthur Young 更以模型验证他们的推论,他建造一于翼切面弦线(chord)方向较具挠性翼片的旋转翼,当提高其旋转速度时会产生很严重的振动。其飞行员 Floyd Carlson设计一瑞典轭(Swedish yoke)固定在每一个翼片根部以增加其刚性,如此其自然频率就高于第二旋转频率,而翼片亦不会因而产生大幅振动。其之所以叫瑞典轭的原因在于 Carlson 为瑞典裔美国人,而他亦以此设计申请了专利。经过改良后此原型机已可在其设计的巡航速率下前进飞行,但此原型机因起落架及机尾设计的不当的缘故,于1943年八月的首次自动旋转降落时机尾触地而损毁。而此时其第二架双人座原型机已几近完成,因此决定于第二架完成试飞期间再修复第一架单人座原型机。于八月底双人座原型机完成:

此机有较完美的机身,同时亦有较先进的传动系统。其传动系统装有离合器及剎车带,当剎车带拉紧时,外环齿轮相对于行星齿轮无法运动,而剎车带放松时,外环齿轮相对于行星齿轮可自由运动,外环齿轮连接着旋转翼转动轴而行星齿轮则连接着引擎的传动轴,如此当剎车带拉紧时,引擎就可带动旋转翼。此种装置有两个好处:起飞前可先发动引擎而不转动旋转翼和自动旋转降落时可分离旋转翼及引擎让旋转翼自由旋转。而其控制则与西科斯基直升机大同小异;包含控制循环倾角的操纵杆、控制集合倾角的控制杆及一脚踏板控制尾螺旋桨的集合倾角。此原型机虽然还有一些问题但其飞行令他们很满意,他们用此机在伊利湖(Lake Erie)救起了一位渔夫开启直升机在急难救助的应用,也利用此机在暴风雪情况下运送医生到乡下的农家医治重病患开启直升机在医疗救助的应用,但对他们而言最重要的是 Larry Bell 终于有机会乘坐直升机。

此时贝尔飞机公司销售部门急于将直升机公开及销售,同时 Arthur Young 和公司所签的合同亦已全部达成,照约定此后他们只被允许利用原型机继续收集飞行试验的资料,而新产品的设计则交由贝尔司公司的工程部门进行。但他们认为如果试飞时所学习到的经验不加以运用则是一大浪费,而且他们也不相信建造飞机的工程部门能处理直升机的事务,因此偷偷的进行第三架原型机(Bell 47,下图)的建造工作。但此事终被公司知晓后,他们答应公司此机只用来收集飞行资料而不量产才得以继续完成建造的工作。此机装置有 Arthur Young 所发明的玻璃机舱,其为一双翼片翘板式主旋转翼配上尾垂直螺旋桨直升机,旋转翼直径 10.7米同时装有 Arthur Young 所发明的稳定棒,此机总重950千克由一具 178马力引擎带动。于1946年此架直升机获得美国航空局(FAA)的适航认证,认证当时航空局并无直升机适航的认证程序,因而以当时飞机的程序加以修改,如此机无法达成的步骤则删除,而此机具有的特性则加上,因而如果说 Bell 47 设立了直升机适航任证的程序并不为过。而贝尔公司亦以此机进入直升机的生产行列,此后贝尔工司陆续的推出一系列 Bell 47 的改良型:47B、47B3、47D、47D1、47G、47J、47G2、47H1。

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另外一位对直升机发展有较大贡献者为 Frank Piasecki ,他是第一位克服技术上的困难建造前后双旋转翼直升机。此型直升机虽然因有两个旋转翼可相互平衡旋转时产生的扭力而不需尾垂直尾螺旋桨,但也因如此而需要两套传动系统及两套控制系统来带动及操控旋转翼。另一方面因其机身倾角(pitch control)的控制是利用前后旋转翼不同的翼片集合倾角所提供不同升力来控制,而当集合倾角不同时翼片所产生的阻力不同所需引擎的动力亦不同,再方面机身绕垂直轴转动(yaw control)的控制则利用前后旋转翼不同的翼片循环倾角所提供不同倾斜方向的升力所造成的力矩来控制,因此其传动系统及控制系统的设计有别于单一旋转翼及尾垂直螺旋桨的直升机且更为复杂。对此复杂的问题,他都能一一克服,事实上目前亦只有波音公司(Boeing Vertol)因并购了此公司而得以成为目前世界上唯一生产此型直升机的公司。

因为对飞行的热爱, Frank Piasecki 于1936年高中毕业后到一家制造自旋机的公司做事,虽然在公司只从事一些打杂的工作,但也让他有了第一次乘坐自旋机的机会,同时引发他对直升机的兴趣。后来到宾州大学就读于机械1成立一家工程工作室,利用业余的时间为工作室赚钱来累积建造直升机所需的经费。几年之后,他们终于累积了足够建造一架直升机的经费,开始建造 PV2 原型机。此机为典型的单一旋转翼及垂直尾旋转翼原型机,于1943年四月十一日开始试飞。之后他获得美国海军的合同建造一架纵向双旋转翼直升机,型号 XHRP-X 。此机前后旋转翼为三翼片活节式旋转翼,其直径为 12.5米由一 450马力引擎带动,全机总重 3100千克,于1945年三月七日开始试飞。于1946年成立 Piasecki Helicopters 公司,开始生产 HRP1 ,此型直升机改以 600马力的引擎带动,于隔年十一月第一架量产机开始飞行,公司随着又根据原设计发展出 HRP2 及 H21 。之后几年公司再建造 HUP 系列及 H16 纵向双旋转翼直升机,其中 H16 为西方世界所曾建造最大型直升机,全机总重 14500千克。这家公司一直到1956年三月被波音公司并购后改名为 Boeing Vertol。

另外美国 Stanley Hiller 亦在直升机史上有一席之地,他以不到二十岁的年龄即建造了一架可飞行的直升机。在他童年时他的父亲即以其拥有的飞机教他如何飞行,而开启他对航空的认识及兴趣。当他十几岁时,遇到当时正在发展其第一架直升机 VS 300 的西科斯基,此次会面使得他对直升机有了基本的认识。他于十六岁就读于加州大学时和家人开始做生产汽油模型引擎的生意,但因在生意上的意见一直与他的父亲合不来,而决定退出自行创业。他将所卖得的股金用来成立一家建造直升机的工场,当时单一旋转翼直升机的发展已几乎完成,而其它型式的直升机的发展进展不大,因此他决定继续 Breguet 的工作发展同轴双旋转翼直升机。他建造一架单人座同轴双旋转翼直升机,型号 XH44,由一九十马力引擎带动总重约 650千克,同时他以金属材料制做翼片,在此之前翼片均以木质材料制做。一开始旋转翼采用固定式,经过几次的失败后改采活节式,但最后则用半固定式的旋转翼,而且引擎亦改为 125马力以改善原引擎马力不足的问题。在成功的飞行后,有一家公司(Kaiser)因其发展直升机的过程并不顺利,于1944年底将他的工场买下成立直升机的部门,之后他们又建造双人座的同轴双旋转翼直升机。但一年半后 Kaiser 公司对直升机失去兴趣,直升机部门独立出来成立联合直升机公司(United Helicopters)。后来又改名为直升飞机公司,而他们亦改为建造单旋转翼直升机,于1948年以三人座直升机 Hiller 360 取得美国航空局的适航认证。此为直升机史上第四架完成认证的直升机,前面三架分别为贝尔公司的 Bell47、西科斯基的 S51及 S52。

在同时还有一些其它直升机发展的尝试,但最后均无疾而终。可是由于美国本土没受到世界大战战火的侵袭及前面所提到这些人的投入,使得美国在直升机的发展上后来居上地取得领先的地位。而单一旋转翼直升机亦因西科斯基的成功变成目前直升机型式的主流。


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