弁言：下一代兩棲運輸巨無霸

西科斯基已經開始開發CH-53K重型運輸直升機了。成名已久的H-53系列直升機已經在美國海軍陸戰隊、海軍和空軍中服役多年，在多次局部戰爭——主要是美國所謂的「反恐作戰」——中立下了赫赫戰功。但是這種出色的重型運輸能力是有代價的，而且H-53系列直升機已經是上世紀七十年代的設計，在最初的方案設想中，這是一種專用度非常高的航空器，並且只需要小規模生產。

圖 1 CH-53K直升機在進行空中加油的測試

換句話說，老的H-53系列直升機，主要是美國海軍陸戰隊現役的CH-53E「超級種馬」直升機已經有些過於「陳舊」，因此已經無法滿足美國海軍陸戰隊的實際需求了。為此，懷著切實解決美國海軍陸戰隊對未來重型兩棲運輸任務的實際需求，CH-53K誕生了。美國海軍陸戰隊對於重型兩棲運輸直升機的需求指標主要來自於「2015海軍陸戰隊遠征旅」（2015MEB）作戰概念和「艦到目標機動」（STOM；Ship to Objective Maneuver）戰術概念。

對於萬眾矚目的下一代重型直升機，西科斯基在對早期的CH-53K期望值是這麼描述的：

「CH-53K將借鑑40多年來CH-53A/D/E型直升機執行艦載重型運輸作業的經驗和教訓，並利用這些積累的經驗來製造具有無與倫比的性能和通用性的新一代直升機。總的來說，CH-53K的有效載荷/航程將會至少在CH-53E的兩倍以上，並且其作業成本將會大幅度降低，藉此，CH-53K將有望成為世界上性能最強、通用性最好的重型直升機。」

那麼到底要怎樣才能設計出如此出色的下一代重型直升機呢？請看正文。

面向需求的設計總覽

從某種程度上來說，「超級種馬」CH-53E是一型相當成功的重型直升機，它本質上是為了美國海軍陸戰隊的專用任務而誕生，這些專用任務包括重型運輸和船到岸的兩棲突擊任務。為此，「超級種馬」直升機設計有接觸的最大起飛重量和空重比參數，並且在海平面的高度和短距離內有著相當出色的性能。不過「超級種馬」直升機在這方面性能的突出表現是有代價的，其代價就是犧牲了該機在高海拔的航程和作業性能。

圖 2 槳葉摺疊收起的CH-53K直升機

隨著遠征部署任務的增多，美國海軍陸戰隊也越來越認識到，艦載重型直升機需要用重型貨物或兵員投送到更遠的距離，並且需要具備更為優越的高海拔作業性能，以此來支援陸地目標地點的作業任務，而不僅僅是只能夠執行近岸突擊或者支援任務。上述內容已經成為美國海軍陸戰隊所提出的「艦到目標機動」戰術的基礎，也自然而然就成了其下一代重型直升機CH-53K的需求的基礎。

CH-53K的設計是面向美國海軍陸戰隊的「操作需求文檔」（ORD；Operational Requirements Document）中定義的大量的需求指標，這些需求指標主要被納入七個關鍵性能參數（KPPs；Key Performance Parameters）項下面。除了需要運送27000磅（約12247公斤，1磅≈0.45公斤，下同）的有效負載跨越100海里（185.2公里，1海里≈1.852公里，下同）的半徑執行運輸任務之外，CH-53K還需要滿足下述6條KPP要求：

• -聯網準備率[0]（戰術指揮網絡）
• -提升的任務可靠性
• -更小的後勤占地面積[1]
• -更高的出勤率（出動架次率）
• -更高的生存能力
• -更強的兵員保護能力

可以看到7條中有兩條是關於生存性能的描述，可見美國海軍陸戰隊對於該機生存能力的介紹，而在生存性設計方面，我在之前一篇關於CH-53K的文章中已經進行了介紹，感興趣可以翻閱。

言歸正傳，美國海軍陸戰隊給出的這一組明確定義的指標要求促成了CH-53K初步設計方案的出爐。圖 3給出了CH-53K直升機的總體布局方案示意圖。「種馬王」直升機的設計是全新的，以此來滿足美國海軍航空系統司令部所提出的現代化標準。為了滿足這些新的要求，該機的空機重量從33000磅增大到了43000磅，最大起飛重量為也從73500磅增大到了84700磅。空基重量的增大部分是由於美國軍機現代化設計標準對於耐撞性、生存性、裂紋容限要求的增加，但最主要的還是由於該機結構設計總重從46000磅增大到了60000磅。

圖 3「種馬王」直升機的總體布局方案示意圖

關鍵技術要素

美國海軍陸戰隊在確定下一代重型直升機的具體指標需求的時候，也確切表示要儘快更換其日益老化的CH-53E直升機機隊，甚至指出需要在21世紀10年代的早期開始對其更換（現在來看這個目標當然是沒有實現的）。從這個點出發來說，CH-53K直升機必須要是一種研製風險較低的飛行器，其所涉及的技術需要在相對的環境中完成演示。

所以在西科斯基的CH-53K項目團隊開始進行方案設計工作之前就進行了「技術準備率」的評估工作，並定義了CH-53K的「關鍵技術要素」（CTE；Critical Technology Elements），正如圖 4。為了確保CTE所涉及到的技術不存在較大的風險，項目團隊在啟動方案設計之前就啟動了相應的技術成熟度提升和風險降低項目。這些工作內容包括：

• -通過風洞測試驗證主旋翼槳葉性能的評估；
• -全尺寸的原型主旋翼阻尼器風險降低測試；
• -主傳動套筒軸風險降低測試

圖 4 「種馬王」直升機方案設計中的關鍵技術要素

「種馬王」系統介紹——設計細節的權衡

CH-53K的「心臟」是主旋翼動力系統。為了滿足KPPs所提出的載荷和航程指標——比「超級種馬」CH-53E高兩倍以上的性能——CH-53K的主旋翼「快速更換總成」（QCA；Quick Change Assembly）重量達到了12000磅，如圖 5所示。該系統的設計既要確保它能夠吸收來自3台6000軸馬力級別的發動機的輸出功率，同時還要確保魯棒性、高可靠性和低維護需求。在CH-53E直升機的操作過程中，美國海軍陸戰隊發現有超過60%的作業和維護成本都花費在該機的旋翼、傳動和推進系統上。為了能夠大幅度降低作業和維護成本，項目團隊在這些系統的全新設計中引入了大量的現代化技術。

圖 5 「種馬王」直升機主旋翼「快速更換總成」系統

主傳動系統採用的是「扭矩分離式」布局，其最大起飛功率超過了17000馬力。「扭矩分離式」傳動系統的好處就是能夠確保這部分子系統在充分傳遞發動機功率的同時，確保其重量和尺寸維持在一個較低的水平。按照項目團隊額評估，採用類似於CH-53E的行星齒輪式變速箱的話，這部分傳動系統的重量將會多出500到800磅，並且尺寸會更大。變速箱殼體的主材質由鎂改為了鋁，以提高其耐腐蝕性，和易加工性，並且採用了一種改進的與鈦傳動梁的聯接方式。傳動軸附件的緊固件設計成可以從機艙內部觸及，從而提升了傳動系統的可維護性。

圖 6 主旋翼傳動軸示意圖

項目團隊對該機的主旋翼系統（如圖 7所示）載荷的評估認為其量級將會達到CH-53E直升機的1.5倍左右，那麼全新的旋翼系統首先要能夠承受這些強載荷，同時也要保證其可靠性和可維護性。由此，CH-53K的旋翼系統採用了彈性焦軸承和鈦制槳轂、槳根套筒和全新的旋轉式粘彈減擺器。在旋翼槳葉摺疊系統中，項目團隊在液壓系統和電控系統中進行了權衡之後還是選擇了液壓系統，這主要是考慮到艦載作業高海況的條件下，槳葉摺疊時候可能會面臨極高載荷的問題，這種情況下液壓系統的可靠性更好一些。

圖 7 「種馬王」直升機主旋翼槳轂示意圖

在提出將CH-53K的負載和航程性能指標提升一倍以上的同時，美國海軍陸戰隊還要求CH-53K必須要保持H-53系列直升機出色的艦載兼容性，這就意味著新的重型直升機不能夠增加旋翼的尺寸。為同時滿足這兩個要求，最關鍵的還是要大幅度提高旋翼槳葉的氣動性能。

其實西科斯基公司一直都在致力於發展改進的旋翼槳葉氣動設計，其中最具代表的就是他們近十幾年來一直在致力推進的「第四代旋翼」項目，在該工作中，西科斯基公司將改進的翼型及其分布、槳葉平面形狀和槳尖三維外形都納入了設計體系。應用這種新技術的打造的高性能旋翼槳葉安裝到CH-53K直升機上之後，相比常規的旋翼槳葉系統，在懸停狀態下能夠多提升5000磅左右的負載。「第四代旋翼」項目的一個重點就是對旋翼槳尖三維外形進行改進設計，如圖 7所示，除了設計方面的挑戰之外，由於槳尖還存在著高載荷的情況，如何將槳尖段與旋翼主梁相連接，對於西科斯基CH-53K項目團隊的結構工程師來說也是一個不小的挑戰。

圖 8 「種馬王」直升機主旋翼槳尖設計

在開展CH-53K直升機的設計工作之前，西科斯基公司就已經開始了新型旋翼槳葉的風洞吹風試驗，以此來確保旋翼槳葉的性能符合預期。新的槳葉系統還淘汰了西科斯基公司早年發展的已經略顯「陳舊」的「槳葉檢查方法」（用以檢查槳葉裂紋）系統，並採用了改進的防腐蝕保護機制來提升可靠性。

CH-53K的尾槳系統的設計也得到了改進。在CH-53E上採用的主要還是油潤滑的尾槳系統，而在CH-53K上，西科斯基公司採用的是一種與西科斯基其他現代化直升機型號類似的尾槳系統，這種尾槳系統採用了面內剛性的柔性梁設計。這種柔性梁尾槳採用了全新的複合材料槳葉，槳葉採用了先進的翼型設計來提升氣動效率，此外，尾槳的槳葉弦長也增大了6%，以此來提供更好的抗彈擊損傷容限。

圖 9 「種馬王」直升機的尾槳系統示意圖

為給上述這些系統提供足夠的動力，項目團隊最終敲定採用6000軸馬力級別的渦軸發動機，通用電氣的GE38-1B成為了最佳選項。GE38-1B能夠在海平面輸出的軸馬力超過7500hp，並能夠全飛行包線內為該機提供充足的動力需求，其中包括KPPs中所提出的3000英尺（約914.4米，一英尺≈0.3048米，下同）海拔高度，91.5華氏度（約33℃，0℉≈-17.8℃，下同）的環境條件。

除此之外，GE38-1B發動機在燃油消耗方面也有著顯著的改進，這有助於提升CH-53K的任務性能和降低作業成本。該型發動機還大幅減少了零部件的數量，提升了動力傳動系統的可靠性和可維護性。

圖 10 「種馬王」直升機的GE38-1B型發動機及其安裝布局示意圖

確定了發動機的型號之後，西科斯基的CH-53K項目團隊隨後完成了發動機的安裝布局的設計，這部分工作主要包括：將發動機安裝到機身、通過鼻頭部的減速器連接到傳動系統、安裝「發動機空氣顆粒保護系統」（EAPPS；Engine Air Particle Protection System）、消防保護系統和短艙，這些都在發動機及其安裝示意圖中有所展示。早期的CH-53K的發動機安裝布局設計還有一個特點就是設計了一個2號嵌入式進氣口，安裝在發動機後側。項目團隊進行這項設計的主要考慮就是這樣的設計可以降低主旋翼塔架設計的複雜性，降低了重量，順帶還能降低塔架的氣動阻力，並提高了主旋翼及其傳動系統的維修可達性。但是，出人意料的是，在後期CH-53K的試飛過程中，試飛團隊發現「種馬王「直升機會吸入自身發動機排出的廢氣，這個問題是導致CH-53K項目延期的重要因素之一。

圖 11 西科斯基進行的「種馬王」直升機發動機排氣再攝入測試，工程師採用彩色油煙來捕捉旋翼尾跡和風的影響

CH-53K在機身結構設計方面也取得了不小的進展。項目團隊充分利用給美國海軍陸戰隊多年的「超級種馬」直升機操作經驗以及相應的「CH-53E使用壽命評估項目」（SLAP；Service Life Assessment Program）的成果，確定了機身上受疲勞載荷、損傷和腐蝕影響最嚴重的區域。並針對性地對這些區域進行完全重新設計或者改進，以此來消除所有壽命較低或者可靠性較差的部位。

圖 12 「種馬王」直升機機身結構示意圖

CH-53K的機身，如圖 12所示，是一種混合的金屬/複合材料結構。機艙採用了鋁製框架和碳纖維複合材料蒙皮。一些蒙皮是採用縱梁結構的單片式設計，但也採用了一些蜂窩夾層板材來降低整體的空重。在駕駛艙還採用了鈦合金傳動梁設計。尾部過渡段、尾槳塔架/安定面、舷側凸體和主旋翼塔架其主要材質都是複合材料，這些部件中金屬材料的使用率相當有限。

CH-53E直升機一般會採用輔助的外掛油箱來執行大多數美國海軍陸戰隊的現代化任務。這些外掛油箱在早期的CH-53A/D型直升機上只是一個任務包，但是到CH-53E之後就成了基本配置的一部分。由於外掛油箱需要額外的硬體裝置和結構，所以其對於全機的重量性能而言很不友好，不過CH-53E外掛油箱的設計一直沒有被美國海軍陸戰隊捨棄，其中一部分原因就是美軍考慮在執行重型運輸任務的時候，一旦單發失效，那麼他們還可以選擇捨棄外部油箱來保障直升機的生存能力。

圖 13 CH-53E「超級種馬」重型直升機側視圖

回到CH-53K的設計上來，CH-53K的動力系統包含有40%的剩餘功率，更重要的是GE38-1B配備了全權限數字發動機控制系統（FADEC）。這意味著在單發失效的情況下，如果「種馬王」需要更多的功率，那麼剩下的發動機可以在非常高的功率條件下運轉一段時間來提供全機所需的功率。這些新的特徵消除了美國海軍陸戰隊對於「丟棄外掛油箱」的需求，現在這些外掛油箱已經併入到舷側凸體的內部，從下圖可以看出，舷側凸體內部包含兩個燃油艙格，這種設計一方面有利於增大全機的重心變化範圍，另一方面也能確保在特殊情況下實現燃料的轉移。

圖 14 種馬王重型直升機舷側凸體內部結構示意圖

舷外凸體中除了油箱之外還容納有主起落架和一些電子設備。摺疊式起落架的設計容許載荷顯著高於CH-E直升機的載荷以滿足嚴苛的指標要求，從而確保該機在高下降率和顛簸中著陸的時候能承受住過高的載荷。從起落架布局上來說，CH-53K保留了CH-53E的前三點輪式起落架，主要目的是為了確保該機的艦載起降兼容性。

結論——研製與使用的相輔相成

限於篇幅，本文到此暫且告一段落，留下的一點尾巴包括有該機的燃油傳輸系統設計、內部貨物裝載系統和外部弔掛系統設計，除此之外，該機的設計與集成工具、航電與飛控系統也都是值得仔細揣摩的地方，在後續的文章中，我還會找機會詳細介紹。

圖 15 飛行測試中的CH-53K「種馬王」重型直升機

總的來說，從CH-53K的設計方案的權衡和考量中，我們可以學到很多東西。一方面，西科斯基有著H-53一整個系列的直升機（尤其是CH-53E）研發經驗作為技術支撐，這是CH-53K項目能夠實施的基礎；另一方面，美國海軍陸戰隊在實際的局部作戰以及對重型直升機的使用過程中積累及發展了充分的針對性能和任務的具體需求，從而能夠形成具體的對CH-53K切到實處的指標要求，這是推動CH-53K設計方案落地的重要推進力。

從這個程度上來說，H-53系列直升機的發展和美國海軍陸戰隊戰術的發展本來就是相輔相成的，其中有很多值得我們深入思考的地方。

[0] Net Ready，這個參數主要是確保航空器能夠確保集成到美軍的戰術指揮體系中去

[1] Logistics Footprint，考慮需求中所提到的「maintain the same shipboard footprint」，此處footprint應該指的是吊運作業的「著陸（或者懸停吊裝）所需的地面區域」