生存力就是战斗力，详解美国下一代重型直升机CH53K的生存性设计

　　弁言：从＂超级种马＂到＂种马王＂——更高要求
　　2006年8月份，西科斯基飞机公司（SAC；Sikorsky Aircraft Corporation）收到了一份来自美国海军陆战队的新合同，这份合同被称为＂系统发展和演示＂（System Development and Demonstration）合同，其目的就是要求西科斯基公司为美国海军陆战队打造下一代的重型运输旋翼飞行器（Heavy-Lift Rotorcraft）平台。
　　这种新一代旋翼飞行器平台被定型为＂CH-53K＂（King Stallion；种马王），尽管从型号上来看，CH-53K看起来像是其前辈CH-53E＂超级种马＂重型直升机的某种衍生或者改进型号，但实际上，这是一种从头开始全新设计的重型直升机，集成了现今最尖端的多种直升机技术，采用了新打造的通用电气GE38-1B，7500马力型高性能发动机、电传操纵飞行控制系统和全新的复合材料机身结构设计。
　　图 1 CH-53E＂超级种马＂是美国海军陆战队现役的唯一一种重型直升机
　　这些新技术的引入加上与这些新技术相匹配的传动系统和旋翼系统设计，＂种马王＂重型直升机能够在高热环境下，承运27000磅（超过12吨，1磅≈0.45公斤，下同）的有效载荷跨越100海里（约185公里，1海里≈1.852公里，下同），这大概就是CH-53E超级种马重型直升机的3倍。
　　在2008年的时候，种马王直升机成功通过了＂初步设计评估＂，随后到2010年4月份，该机进入了＂关键设计评估＂阶段，在之后的发展中，＂种马王＂重型直升机，虽然稳步推进，但是却由于一些复杂的技术问题，使其始终未能跟上美国海军陆战队的计划表的速度。该机的地面开车试验从2014年4月份正式启动，2015年10月底启动了正式的飞行试验，而直到2018年5月份，第一架CH-53K才被交付到美国海军陆战队进行飞行试验。
　　图 2 在进行沙盲飞行测试中的＂种马王＂重型直升机原型机
　　好了，＂种马王＂重型直升机的发展履历暂时介绍到这里了，让我们回到今天的主题——＂种马王＂直升机的生存性设计——上面来。可以说，＂种马王＂重型直升机必将和它的前辈＂超级种马＂CH-53E重型直升机一样，随着美国海军陆战队执行＂远征作业 ＂而参与到实战环境中去。所以生存能力对于该机而言，其中重要性是不言而喻的。
　　而美国海军陆战队在该机＂作业需求文件＂（ORD；Operational Requirements Document）中提出了＂关键性能参数＂（KPPs；Key Performance Parameters），七条项目级的＂关键性能参数＂中有两条就直接涉及到了该机的生存能力设计，这两条分别是：兵力防护（Force Protection）和弹伤容限（Ballistic Tolerance），同时，美国海军陆战队对于该机的总体生存能力性能提出的总要求就是：相比现役的CH-53E＂超级种马＂重型直升机的生存能力要有显著的提升。
　　ORD文件中还提出了对于＂导弹预警设备＂和＂导弹干扰或诱捕＂设备的需求来进一步提高＂种马王＂重型直升机平台的生存能力。同时，为了验证CH-53K研制团队所进行的生存性能设计是否能够满足该机在实际军事行动中所能碰到的真实威胁，美国海军陆战队还要求试验测试团队对该机进行飞行测试、实弹测试和评估（LFT&E；Live Fire Test and Evaluation）以及弹伤风险降低测试。
　　图 3 在进行地面测试中的CH-53K直升机
　　另一方面，为了支持CH-53K直升机项目的顺利推进，研制团队在该机设计工作的每一个里程碑节点都针对其生存性能的细节设计进行了充分的研究，以此来确保其能够满足＂飞行器技术规范＂（AVS；Air Vehicle Specification）文件的要求。而在＂种马王＂直升机的生存能力方面，对两个生存性能学科的评估是重中之重，这两个学科就是：敏感性（Susceptibility）和脆弱性（Vulnerability）。
　　所谓敏感性，说白了就是指＂种马王＂直升机受到敌方武器打击的概率，越容易被敌方武器击中，敏感性指数就越高；而脆弱性则是在敏感性之后，直白来说就就是＂种马王＂直升机在所能够忍受敌方武器打击的耐受性，当然，脆弱性指数越高，说明该机的生存能力越差。
　　为了对这两个关键的生存性能学科进行评估，来自美国海军航空系统司令部、西科斯基公司、SURVICE工程公司、DOT&E以及美国国防分析研究所的专家组成了一支特别的＂生存能力小组＂。该小组同时也承担了＂种马王＂直升机的＂实弹测试和评估＂工作以及其弹伤风险降低测试工作，这些测试工作都是在位于加州的＂中国湖试验基地＂中的武器生存能力实验室、美国海军空战中心武器分部进行的。
　　图 4 第一架被美国海军陆战队接收的CH-53K直升机原型机（用于测试）
　　本文将着重介绍CH-53K＂种马王＂重型直升机为提升生存能力而采取的一系列设计措施，上文提到的关于实弹测试和作战风险规避（降低）等测试内容将会在另一篇专讲相关测试的文章中再行介绍。下面，请看正文。敏感性降低 – 威胁规避设计
　　对于飞行器来说，所谓敏感性（Susceptibility）就是其无法规避敌方打击威胁的程度指数。所以说，在军用飞行器的设计中，＂敏感性降低＂设计是一个重要因素。对于种马王重型直升机来说，其＂敏感性降低＂设计主要包括一套集成的＂飞行器生存性装备＂（ASE；Aircraft Survivability Equipment）套件，ASE套件能够提供激光、雷达和导弹等威胁的环境态势感知能力，并相应地采取 对抗措施。所以ASE套件从本质上提升了飞行员的威胁环境态势感知能力，并在条件允许的情况下为飞行员提供地方武器威胁规避能力。
　　图 5 ASE套件在种马王直升机上的分布侧视图
　　从宏观上来说，ASE套件包含有以下几个主要部件：
　　-雷达告警接收装置（RWR；Radar Warning Receiver）:AN/APR-39B(V)2/电子战管理系统
　　图 6 AN/APR-39数字雷达告警接收器已经被应用在＂阿帕奇＂直升机和＂鱼鹰＂倾转旋翼机上
　　-定向红外对抗系统（DIRCM；Directional Infrared Countermeasures System） :AN/AAQ-24(V)
　　-导弹告警系统（MWS；Missile Warning System），在该系统的升级版本中还集成了激光探测系统
　　-反制投射系统（CMDS；Countermeasures Dispenser System）: AN/ALE-47
　　图 7 BAE系统公司的ALE-47反制投射系统宣传册图片脆弱性降低 – 损伤容限设计
　　对于飞行器来说，所谓脆弱性（Vulnerability）就是其无法在受到攻击之后耐受损伤的程度指数。在AVS文件中，一些主要的威胁已经被进行了详细的归类，其中包括弹击损伤、火箭推进榴弹（RPG；Rocket-Propelled Grenades）和便携式防空武器。在种马王直升机上，为降低脆弱性和保护兵员所采取的设计措施主要包括：
　　-机身/结构：复合材料设计，并采用多余度力流设计以及强化的结构单元来限制损伤裂纹的扩大；
　　图 8 CH-53K直升机机身不同结构部件供货来源
　　-动力系统：全新的GE38-1B型发动机，其性能得到了显著提升，能够确保单发独立运作能力；
　　图 9 ＂种马王＂直升机配备了3台GE38-1B型涡轴发动机
　　-人员防护：为飞行员和副飞行员专门打造了座椅防护装甲和机翼装甲，此外，也为乘员防护设计了舱门和舱壁装甲；
　　-飞行控制系统：多余度电传操纵飞行控制系统，采用较高弹伤容限设计，并为主旋翼和尾桨的伺服驱动机构采用了干扰抵抗设计；
　　-燃油系统：＂种马王＂直升机采用了吸入式供油系统，并配备有额外的辅助发动机供油系统，该系统仅在苛刻的飞行条件下增加供油压力，燃油囊设计有自修复/抗坠毁能力，多余度的燃油交叉供给系统，以及具有自修复能力的高弹伤容限座舱燃油输运管道，还采用了燃油净化系统和燃油自动惰化系统（OBIGGS）；
　　图 10 OBIGGS燃油自动惰化系统被广泛用于军用运输机的油箱防爆中
　　-传动系统：CH-53K直升机主旋翼减速器采用了多余度＂干式油底壳＂（Dry Sump）润滑系统，从而降低漏油的隐患，并且能够确保＂种马王＂直升机在耗尽所有润滑油之后还能保持至少30分钟的飞行能力。该机传动系统的铝制中间件和尾部齿轮箱也采用了辅助润滑系统，同样能够确保在耗尽所有润滑油之后还能有至少30分钟的持续飞行能力。该机的尾桨传动轴也采用了较大的直径设计，从而确保其有较高的抗弹击损伤容限，同时对应的弹性联轴器也采用了较高的抗弹击损伤容限设计。
　　图 11 ＂种马王＂直升机尾桨特写
　　-液压系统：液压系统采用了三重裕度设计，加上集成的液压隔离系统，降低了该系统起火的风险，也能够防止液体损耗。
　　-旋翼系统：种马王直升机采用了复合材料桨叶和弹性轴承，一方面降低了旋翼系统的复杂性，减少了运动部件的数量。同时也采用了直径较大的主旋翼变距操纵杆，从而来提升旋翼系统的抗弹击损伤容限。
　　图 12 CH-53K桨毂系统特写兵员防护设计：防护性与重量、灵活性之间的折中
　　和＂弹击脆弱性降低设计＂类似，＂种马王＂重型直升机的＂兵员防护设计＂也是从CH-53K项目的早期阶段就已经启动了，而在后续的设计过程中，项目团队持续对其＂兵员防护设计＂进行迭代改进，从而确保这些设计在确保生存性能的同也满足美国海军陆战队提出的KPPs＂关键性能指标＂文件。而从系统部件来说，＂兵员防护设计＂主要涉及到了两个主要子系统，一个就是驾驶舱系统，另一个就是客舱系统。
　　2007年4月份的时候，CH-53K项目团队就已经完成了第一轮的＂兵员防护设计＂评估，当时主要采用的还是一套BRL-CAD三维模型和来自＂弹伤脆弱性评估＂的COVART（易损区域计算工具）数据，而当时的评估结果就认为＂种马王＂直升机的初步兵员防护设计能够满足美国海军陆战队KPPs文件的指标要求，甚至防护能力还显著＂超标＂了。客舱装甲设计
　　对于重型运输直升机而言，重量性能是相当重要的一个指标，所以在客舱装甲的防护性设计中，CH-53K项目组首先关注的就是如何在重量对装甲进行优化设计，使得这些装甲在确保防护能力等级不减弱的情况下，还能显著降低总体的重量占比。其实在飞行器的结构设计中，不同的区域其结构强度本来就有强弱之分，对于那些结构强度足够高的地方，理论上是可以不再布置额外的装甲的。
　　图 13　＂种马王＂直升机客舱装甲配置示意图
　　正是基于这个基础理论，项目组认为客舱的防护装甲并不需要覆盖所有部位，而可以合理避开结构强度本来就很高的一些点，由此，客舱的防护装甲设计就和＂种马王＂直升机客舱的结构设计绑定在了一起，在设计师进行客舱结构设计改进和迭代的同时，客舱防护装甲的设计也需要同步更新，以此来保证客舱整体的抗弹伤能力和重量性能。驾驶舱装甲设计
　　图 14 CH-53K直升机座舱特写
　　在装甲设计方面，除了客舱装甲设计之外，另一项重点当然就是驾驶舱装甲设计了，而驾驶舱装甲设计的重点就是飞行员座椅装甲设计，对于CH-53K项目组的设计师来说，这项设计的重点就是对座椅的装甲结构进行简化设计，从而确保座椅装甲设计能够适配整体座舱防护设计要求。
　　图 15　＂种马王＂直升机的早期座椅防护装甲设计方案
　　在早期的设计中，项目组为＂种马王＂直升机的座椅设计了多种配置的防护装甲设计方案，最后通过仿真试验手段，初步甄选出了能够为飞行员提供最佳防护效果的配置方案。改进前后方案的示意图已经展示在本节中，除了防护布局的明显变化之外，还可以看到改进后的的方案在防护的灵活性方面有了显著的提升。
　　图 16　＂种马王＂直升机改进后的座椅防护装甲设计方案小结：生存力就是战斗力
　　图 17 美国海军陆战队现役的MV-22＂鱼鹰＂倾转旋翼机
　　CH-53K＂种马王＂重型直升机是美国海军陆战队寄予厚望的下一代重型运输平台。尽管这几年MV-22＂鱼鹰＂倾转旋翼机在美国海军陆战队的表现有目共睹，其性能和可靠性也越发出色，但是，考虑一下——西科斯基在CH-53K项目上一度延期，美国海军陆战队因此承受着来自美国国会的巨大财政压力，即便在这种情况下，美国海军陆战队仍然始终坚持采购＂种马王＂直升机——从其态度就可以看出，像种马王这个级别的重型直升机，在可预见的未来，仍然是两栖作战和陆战部队的重要装备，不会被其他种类的航空器所取代。
　　而这种在战场上扮演＂关键先生＂角色的飞行器，一旦被击落，无论是对实际战斗力还是对士气，都是严重的打击，所以说，对于＂种马王＂直升机而言，生存力就是战斗力，只要存活，就能为战场源源不断输入有生力量、物资和补给，同时也给对手造成心理上的压制力。
　　图 18 图示为米-26重型直升机的最新改进型号米-26T2V
　　这也是为什么经济状况并不乐观的俄罗斯仍然要保持米-26重型直升机运输机队，更是为什么我们需要关注重型直升机。下一篇，我将着重介绍CH-53K在生存性能设计方面所进行的一些试验测试工作，欢迎持续关注… …