深度解析中国“运-20”军事新闻战略运输机

军事新闻 2021-02-1595未知admin

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  2020年11月21日传来的最新消息,当天运-20搭载四台最新的“涡扇-20”大涵道比发动机进行了成功首飞。自2013年1月26日首飞以来,运-20终于在第八个年头迎来了它的最终形态。若是从2006年2月26准研发大型飞机算起,更是已经渡过了十四个春秋。据称搭载涡扇-20的运-20有可能被命名为“运-20B”,这将是中国第一架由内而外连发动机都是全国产的大型飞机,在中国史上注定将留下浓墨重彩的一笔。为此,我们有必要全面回顾一下运-20这款激荡的中国战略运输机。

  

  图1:2013年1月26日首飞当天的运-20,第一次将中国带入了国产大型运输机时代

  一、研制背景

  中国人谈到的“大飞机”,一般是指起飞重量超过100的运输类飞机,或是载客超过100人的民航客机。中国自主研制的第一款大飞机还要追述到上个世纪70年代研制的“运-10”,但因为经费、技术、市场等原因,运-10最终胎死腹中。然后中国业在大型飞机领域便是长达30年的沉寂。在这段时间里,中国空军的运输机队就只有运-8和少量伊尔-76挑大梁,在民用领域更是几乎全盘进口。

  时间直到了2006年,此时的中国已近30年,经济上取得了巨大的成就,技术积累也有了相当基础,军民两用的市场也蓬勃发展。于是在此年2月26日,时任中国总理,在主持召开的常务会议上,原则批准大型飞机研制重大科技专项正式立项,将“发展大飞机”作为国家决策写进《国家中科技发展规划纲要》和《十一五规划发展纲要》。国家将在整个大飞机项目上投资500-600亿元币,要在军用大型运输机、民用大型客机、发动机三个领域实现技术突破,并将伴随相关的产业整合。

  在民用大型客机领域,在2008年5月11日,在上海将原中航商用飞机有限、上海飞机设计研究所、上海飞机制造有限(原运-10生产商)、上海飞机客户服务有限、上海工业有限整合,成立了“中国商用飞机有限责任”。现主要产品为ARJ-21支线等大型干线客机。

  在发动机领域,在2012年4月15日,在将原中国研究所(606所)、中国动力机械研究所(608所)、中国燃气涡轮研究院(624所)、贵州发动机研究所(9所)等研制单位整合,成立了“中天发动机研究院有限”,然后又和沈阳黎明发动机有限责任、贵州黎阳发动机、成都发动机有限、西安发动机有限等单位再次重组为“中航发动机有限责任”,该现今是中国唯一的发动机生产商,其产品几乎涵盖了中国所有正在生产或研制中的发动机。

  在军用大型运输机领域,在2013年1月6日,在西安将原西安飞机旗下的西安飞机国际制造股份有限(简称西飞国际,新舟系列客机生产商)、陕西飞机工业有限(运-8系列运输机生产商)、中航飞机起落架有限责任、西安制动科技有限、西安飞机工业有限责任整合,成立了“中航飞机股份有限”,现主要产品为轰-6、歼轰-7等军用轰炸机、新舟系列客机、运-7、运-8系列战术运输机和运-20战略运输机。在该正式挂牌20天后,在2013年1月26日,下午14时整,一架编为20001的“运-20”战略运输机在西安阎良试飞一飞冲天,这正式标志着中国业在大型运输机上的重大突破,这也是中国正式服役的第一款国产大型飞机,该机延续了西飞以传说命名战机的传统,被命名为“鲲鹏”。

  

  图2:曾经的天空——运-10

  二、气动设计

  不同于一些保密级别较高的作战装备,运-20在首飞后不久即正式对外公布,并公开了大量的图片并有基本的技术参数。根据数据我们得知,运-20全长47米,翼展45米,高15米,最大起飞重量220,设计最大载重66。气动布局上采用翼下悬挂式4发动机、T型垂尾、悬臂梁式上单翼。机身采用宽体设计,多支柱野战起落架,机组人员由3人组成。从图片和参数中我们不难发现,运-20其实是一架设计“中庸”的运输机。并没有太多让人眼前一亮的设计,当然也没有一味为降低风险而只采用“成熟技术”。首先从机体规模上来说,比美军装备的C-17“全球霸王”几乎小了一圈,但又比伊尔-76“耿直”大了一圈,该机在设计上明显参考了伊尔-76的某些设计,但在机尾等又融合了C-17的一些特点。

  再来先看机翼,机翼是一架飞机产生升力的主要部件,机翼设计的好坏,直接决定了一架飞机的定位和性能。运-20的机翼设计具有悬臂梁式上单翼、外置翼盒、超临界翼型、滑退式三开缝增升襟翼、没有采用翼梢小翼等设计特点。

  外置翼盒,就是机翼的翼盒从货舱顶部而过,置于机体之外,通过整流罩以机体相连,在机背上形成了一个较凸出的鼓包,特征比较明显,IL-76正是采用此种设计。与之形成对比的,美国C-17采用的是内置翼盒,机翼从机身内部穿过,机体外较平滑。外置翼盒的最大好处是机翼不挤占机内货舱的宝贵空间,可货舱的最大有效高度。此外整流罩可提供额外的储存空间,一般会用来放置油箱,再来就是可产生一定的升力;但坏处也是显而易见的,首先就是外置翼盒和整流罩增加了机体额外的重量、复杂度和不小的飞行阻力,第二就是使机体整体重心上移。

  是否采用外置翼盒,这主要由运输机的定位决定的。比如C-17,它的货舱采用了极端设计,是该级别运输机中能够设计出来的最大货舱,其货舱尺寸为:20.8m×5.5m×4.5m(长宽高,货舱长度不含货桥),其5.5米的货舱宽度仅仅比C-5“”运输机略窄29公分,但4.5米的最大高度却比C-5还要高30公分,甚至比世界上最大的运输机安-225“梦幻”还要高10公分。如此高大的货舱,C-17选择内置翼盒当然不在话下,虽然一定程度上会影响货舱的最大高度,但就算在翼盒之下,货舱仍有3.96米高。内置翼盒,只有大型运输机才能采用这种设计,比如美国的C-5、C-17,的安-22、安-124、安-225,货舱较矮的运输机是无法接受货舱在高度上这么大幅损失的,比如近几年才面试的一些新型战术运输机,如欧洲的A-400,乌克兰的安-70、日本的XC-2等等,他们采用的全都是外置翼盒。

  

  图3:美国C-17运输机的剖面图,可以清楚看到翼盒从货舱正中间穿过,原本4.5米(14英尺9英寸)高的货舱,在翼盒处骤减为3.96米(13英尺),货舱较矮的运输机是无法承受这样的损失的

  

  图4:翼盒穿过C-17运输机货舱正,该图为阿联酋空军的C-17

  在翼型设计上,运-20采用了超临界机翼。超临界机翼中国研究较早,早在三十年前研制运-10时就成功应用了超临界机翼,近年又用K-8教练机改装过新型超临界机翼验证机,之后又在ARJ-21上成功应用,现在用在运-20上,自然是水到渠成的事。超临界机翼最早是由美国NASA兰利研究中心的著名空气动力学家理查德·惠特科姆博士(Richard Whitcomb)在1967年提出的。

  飞机的机翼是靠流经机翼上下不同的气流速度产生的压力差来产生升力的。一般的亚音速民航客机或是军用运输机,当飞机速度超过0.8马赫,进入高亚音速区域时。此时机翼表面的气流速度已经超过了音速,如果飞机继续加速,机翼表面就会出现激波,引起气流分离,从而产生激波阻力,使飞机整体阻力大增。超临界机翼就是通过对机翼剖面的特殊设计,让气流在通过机翼时加速性放缓,使飞机在继续加速中,推迟激波产生,或是产生较弱激波。这种设计可以使飞机保持较高经济航速,还具有内部容积大、结构重量轻、翼展较短等优点。

  伊尔-76由于设计年代较早,并没有采用超临界机翼,而C-17是采用了的。所以我们就能看到伊尔-76的50.5米翼展竟然比C-17的50.29米翼展还长,就算C-17加上外飘的翼梢小翼也不过才51.74米,但伊尔-76的最大载重却只有C-17的一半;运-20也是类似情况,它翼展45米,跟A-400的42.4米翼展,安-70的44.5米翼展也相差不大,但最大载重却比它们高50%以上,体现出极高的设计水平。

  在襟翼增升方面,运-20采用了非常复杂的滑退式三开缝襟翼,这种设计一般见于大型民航客机上,滑退式三开缝襟翼在飞机飞行时和机翼融为一体,以减少阻力。当飞机需要起飞、降落或低速飞行需要增加升力时,襟翼才会滑退伸展开,并向下偏转。当这种襟翼伸展开时会大大增加机翼向下的弯度和机翼,并改变机翼剖面形状。其翼面形成的横向缝隙,会将机翼下的高压气流引向襟翼上部,大大增加机翼上部的气流流动速度,减小了压力,并延缓上表面气流分离,进而使升力系数提高。根据计算,这种滑退式三开缝襟翼,可以使全机升力系数提高1.5倍左右(未扣除配平损失)。不足之处是这种襟翼十分复杂,有多达十余个活动翼面,滑退、偏转机构较为繁琐,作动机构、滑轨、军事新闻整流罩等也是数量最多的,这在野战条件或恶劣气候时势必降低可靠性。伊尔-76的襟翼也使用了类似设计。

  C-17上使用的则是大名鼎鼎的外吹式襟翼,这种襟翼最早应用在麦道的YC-15上,当襟翼放下时,会处于发动机向后的排气区中,经襟翼折转后,发动机燃气会向后斜下排向机体后下部,形成类似推力矢量系统,强大的尾喷口气流还会通过襟翼的缝引向襟翼上部,加速翼面上部的气流速度,进而大大增加升力。C-17这种外吹式襟翼增升效果当然无与伦比,与运-20的滑退式三开缝襟翼相比,增升效果还要强大,可控性更高,而且系统要简单的多。但缺点在于这种襟翼处于发动机的高温燃气中,必须使用高温钛合金制造,对材料技术有较高要求,而且由于是全金属襟翼,重量也不轻。

  

  图5:C-17使用的外吹式襟翼原理示意图

  

  图6:C-17正在降落,已经放下外吹式襟翼,并打动机反推力装置,机翼上部的4块扰流板也已经升起,注意发动机短舱两侧的涡流发生器

  翼梢小翼方面,运-20并没有采用,这倒是让笔者略感失望,但又觉得在情理之中。中国在翼梢小翼上有相对较深厚的技术积累,在上个世纪八十年代初研制“运-7-100”客机时就设计有翼梢小翼,之后在2000年研制“ARJ-21”支线客机和随后设计的“C-919”客机时也有成功应用。

  翼梢小翼的好处首先是降低了翼尖涡流和阻力。由于机翼下部的气流压力要远大于机翼上部,在机翼翼尖会出现高压气流从机翼下部往上翻卷的现象,形成翼尖涡流,这会让机翼翼尖升力大减,形成阻力,从而降低了全机的升阻比。翼梢小翼则可以分导气流,将翼下的高压气流导引至机翼外侧并上移至层流之上,进而大大减弱翼尖涡流,降低阻力,这还使机翼上下表面的压力差变得更大,反而提升了机翼升力。阻力降低,升力提高,这直接的好处就是油耗降低、航程增加、巡航速度提高,还增强了飞机的爬升能力;第二个好处则是增加了飞机的抖颤裕度,抖颤裕度的增加可使飞机在更高的高空飞行,这进一步增加了航程;第三个好处则是翼梢小翼使飞机产生的尾流有明显减小,在编队飞行时对后机尾流干扰也变得更小,这还有利于提高飞机起降和巡航性能;第四则是降低了飞机起降过程中的噪音,这一点对民航客机来说至关重要,甚至比降低油耗,增加航程还具吸引力。

  但翼梢小翼也并不是完美无缺的,首先翼梢小翼会增加重量,还对翼根产生不小的气动弯矩,这需要加强机翼结构的强度、刚度,等于增加了不小的机翼自重,还会加剧机翼疲劳,造成全机的整体寿命下降,对于军用飞机来说,这一点也许不那么容易接受;第二翼梢小翼虽然不大,但却处于机翼的末梢,而机翼的正好是全机的重心点上,所以像小风帆一样的翼梢小翼一受到较大的侧风影响,就会像杠杆原理一样,撬动整架飞机都受到巨大影响,而且会让飞机的水平机动能力变得较差,机动性下降,对于军用飞机来说同样很难接受;第三翼梢小翼虽然降低了阻力,却增加了摩擦阻力和干扰阻力,这等于减弱了翼梢小翼在降低阻力方面的好处,还增加了飞机控制的复杂性;第四翼梢小翼的制造成本和后期成本也是不可小视的一笔较大费用。

  所以在通盘考虑利弊以后,军用运输机很少采用翼梢小翼,包括像欧洲的A-400,乌克兰的安-70、日本的XC-2这些新锐运输机也没有采用。C-17是主流军用运输机中唯一采用翼梢小翼的,C-17最开始其实也没有设计翼梢小翼。后因为美空军要求在92m×122m的停机坪里可以停放3架C-17,于是翼展减少了3米,为了弥补由此造成的升力损失,才加装了翼梢小翼,C-17的翼梢小翼不仅降低了翼展,还可以降低油耗2%左右,减少阻力3%左右。翼梢小翼最早是在道格拉斯的DC-10上成功应用的,它的发明者同样是美国NASA的理查德·惠特科姆博士,所以C-17的翼梢小翼,其实是NASA设计的。理查德·惠特科姆博士实在是空气动力学方面的天才,不仅发明了超临界机翼、翼梢小翼,还发现了跨音速率,为战后业的发展做出了巨大贡献。

  在其它方面,C-17在后机身下方设计有小巧的腹鳍,可以改善机尾的紊流,减少机尾阻力,这个腹鳍可以在巡航状态下减少机后阻力约3%,而运-20和伊尔-76都没有这样的设计;C-17在每个发动机短舱两侧还分别安装有小翼,这一对儿小翼其实是涡流发生器,可以产生机翼的前缘涡流,能延缓机翼上气流的分离,提升机翼的升力,可以使最大升力系数提高6%,而阻力不增加,运-20和伊尔-76同样没有这样的设计。总的说起来,在气动设计上,C-17是最精致的,考虑了很多细小的细节,应用了大量的尖端技术,这也正是美国全球最强工业实力的真实体现。而的伊尔-76是最粗糙的,而且实在太老了,运-20则还在逐步成熟阶段,像翼梢小翼或是机尾的腹鳍这些如果确实需要,也是可以后期再加装的,只能说不等运-20真正以完全之姿量产那一天,还是无法一窥它的全貌。

  

  图7:运-20机翼上的6块扰流板已经收起,而滑退式三开缝襟翼已经全部收拢

  

  图8:运-20上用的滑退式三开缝襟翼

  二、货舱设计

  一架运输机,它真正的价值还是要体现在它的运输能力上,而运输机货舱的设计,正是这里面重要的一环。假如货舱不够宽大,将很难装载大尺寸的作战装备,比如主战坦克、导弹发射车、舟桥设备、武装直升机等等,这对于运输机的战场定位也是一个关键性的指标。

  美国的C-141就有一个另人失望透顶的货舱,其货舱尺寸为28.44m×3.11m×2.78m(C-141B型),虽然货舱有28.44米长,但是却只有3.11米宽,其宽度甚至还不如C-130,高度更是不足2.8米,基本上不能运载任何机械化装备,甚至因为货舱太小,常常货舱装满货物也达不到最大起飞重量。再加又不具备像C-130一样的野战起降能力,所以第一次海湾战争后就在美军全面退役了;伊尔-76也在货舱宽度上吃尽苦头,它跟C-141一样最开始是为了替代像安-12这样的战术运输机设计的,并没有过多考虑装载重型机械化设备的能力,其货舱尺寸为20.5m×3.45m×3.4m(不含货桥),虽然基本型有40的最大载荷,在重量上勉强可带一辆空车的T-72,但T-72有3.52米宽,已经超过了伊尔-76的3.45米的货舱地板宽度,要想上飞机,只有把坦克两侧的裙板拆掉,这时候T-72就只有3.38米宽了。根据印度陆军实际使用经验,这个时候T-72两边的履带距伊尔-76货舱壁勉强只有一只脚的宽度,也就是不到十厘米。

  而与之形成对比的是C-17,它有一个令人生畏的货舱,其尺寸为20.8m×5.5m×4.5m(不含货桥),尤其是5.5米的货舱宽度,可以完全并排两辆8×8的重型卡车,几乎能运载美国陆军的所有装备。例如,可以运载一辆标准作战状态的M1A2主战坦克、两辆M2A3步兵战车、同时运载2架AH-武装直升机和2架OH-58侦察直升机、能够并排18个2.7m×2.2m的货盘(货舱里14个,货桥上4个),甚至能装载一架CH-47支奴干直升机。巨大的货舱和强大的装载弹性是C-17的一个显著特点。

  

  图9:C-141的货舱十分狭小,几乎不能运输任何机械化装备

  

  图10:伊尔-76的货舱也是十分窘迫

  

  图11:印度常用伊尔-76向克什米尔高原运送T-72,两侧的裙板已经被拆掉了

  至于运-20,由于货舱尺寸并没有发布,我们只能进行一定程度的推理了。首先,对于陆军来说,重量最大的单件核心装备是主战坦克,重装机械化兵团能否实现快速部署,是否能空运主战坦克是一个核心指标,如果不具备空运主坦克的能力,那该机对陆军的意义将至少降低一半。运-20公布的最大载重是66,显然正是瞄准装载主战坦克这一目标来的。第二,还是要看它的货舱,运-20并没有公布它的货舱尺寸,我们仍然进行推理。首先,运-20使用了俄制D-30KP-2发动机,它的正面进气口直径是1455毫米,然后运-20的翼展是45米,这些尺寸我们是已知的。知道了这些尺寸,我们就不难推出运-20的机体宽度在5.6米至5.7米之间,这个宽度是新一代运输机为了起码的货舱宽度而必须要的,比如A-400的机体宽度是5.米,安-70是5.6米,日本的XC-2是5.66米,而这三款运输机的货舱地板宽度都是4米左右,所以我们就不难得出结论,运-20的货舱地板宽度也是4米左右,由于使用了传统的外置翼盒,所以货舱高度也是可以的,至少可以在4米以上。运-20全机长47米,跟伊尔-76基本相当,所以它们的货舱长度也应该基本相当。这样我们就得到了运-20大概的货舱尺寸,其尺寸为:20m×4m×4m(不含货桥)。而根据公开报道,运-20的货舱容积为320立方米,恰好跟笔者推测的货舱尺寸互相印证。

  从运-20的货舱尺寸来看,它并没有追求C-17那样的巨型货舱,这显然是为了控制机体规模和研制风险,当然,没有强劲的发动机也是一个重要原因,但是也没有像伊尔-76一样因为采用窄机体设计而过分的货舱的装载弹性。4米的货舱宽度应该说是完全够用的,比如“红旗-9”的泰安卡车底盘,最大宽度才2.8米;“03式火箭炮”、“东风-21”、“长剑-10”的万山卡车底盘,最大宽度才3.5米;“99式主战坦克”也才3.6米;“东风-31”的汉阳卡车底盘最大宽度也不过3.8米,运-20装载这些装备是完全没有问题的;而C-17超宽货舱的好处在于运载一般2.4米宽的重型卡车时,可以并排两辆,比如豪士科(oshkosh)的M977重型卡车,然后全机可以运载4辆。如果是运-20,则只能一前一后运载两辆。当然这涉及另一个问题,就是全机的最大载重,因为就算货舱放得下,飞机也不一定载得动。运-20由于在最大载重上不如C-17,所以在货舱尺寸上采取保守设计,也是情理之中的。

  

  图12:C-17的巨大货舱,即使并排两辆8×8重型卡车也是绰绰有余。图上左侧是一辆2.2米宽的悍车,右侧是一辆2.4米宽的豪士科(oshkosh)M977重型卡车

  

  图13:C-17货舱是标准的两车道,而且高度也大,装载能量十分强悍

  

  图14::并且C-17能执行多样化的运输任务,比如人员运输

  

  图15:运-20的货舱,后一排虽然只站立了七名士兵,但从空间上看,完全可以站下第八名,以一个士兵0.5米的宽度计算,货舱完全达到了4米的宽度

  

  图16:运-20的货舱,可以看到货舱内相当先进,此时为运送伞兵的隔舱双层状态

  当然,货舱太宽也不全是好事,以C-17为例,货舱地板宽度达到了5.49米(18英尺),但美国陆军M1主战坦克宽度也不过才3.66米(12英尺),空余出来的空间完全是浪费。C-17在绝大多数的空运任务中,货物最大宽度不超过4米。过宽的货舱不但增加了额外的体积和重量、增加了飞行阻力、增加了油耗、还增加了生产商的成本。于是在2010年范保罗航展上,波音推出了改进型C-17FE,把货舱宽度大砍1.52米(5英尺),将货舱地板宽度修改为3.96米(13英尺),以提高航程和市场竞争力。据估算缩减货舱宽度的C-17FE,仍能完成99%的JFTL任务(Joint Future Thter Lift prram)和80%的空运任务。

  

  图17:波音推出的缩窄货舱版C-17FE,机身和机翼重新设计,并更换发动机

  四、野战机降能力

  战术运输机的一个重要特点,就是其野战起降能力,民用运输机只需要在机场起降是不需要这个能力的。但战术运输机不一样,随着战线的不断交错,或者为了一些战术目的,战术运输机需要在尽可能广泛的地形上降落,比如未经铺设的跑道、低等级跑道、较平整的农田、戈壁、草原、冰面,甚至是海边符合条件的沙滩。伊尔-76和C-17开创了集战略运输和战术起降于一身的先河,既能像战略运输机那样大位、长距离运输,又能像战术运输机那样拥有野战机降能力,运-20当然也拥有这样的能力。

  野战起降能力的高低,关键取决于几个因素,一个看是否配备有强劲的起落架,以适应更广泛的野外地形和野战起降时的降落;二个看是否有设计合理的短距起降能力,因为毫无疑问,无论是起飞还是降落,在未经整备的跑道上滑跑越长,安全风险就越大,而且在野外也未必会有那么长的跑道;三是要有强化的机体结构。运输机为了缩短货桥和方便装载货物的需要,需要货舱地板尽可能的接近地面,所以运输机起落架都比较粗短,而为了节约宝贵的货舱空间,主起落架舱都是设计在机外突出的整流罩内;为了强化野战起降能力,运输机的起落架都会采用多支柱、多轮式设计,并使用中、低压轮胎,以降低对地面的压强;而为了提高起落架的“越野”性能,又会使用大机轮、多车道设计,让主起落架在运输机正面尽可能多的接触跑道,产生尽可能多的车轮辙印,以提高起落架的抓地性能和适应跑道的多变性。

  

  图18:运-20机身两侧各有三个双轮式主起落架,收放方式简单,可靠性非常高

  

  图19:运-20上安装的D-30发动机和它的反推力装置,此时反推力装置已经展开

  从运-20的照片我们可以看到,它的前起落架采用并列双轮设计,机身两侧各有3个双轮式主起落架。主起落架一共12个机轮,加前起落架一共14个机轮,在降落时只有前起落架的2个机轮和主起落架最前面的4个机轮,一共6机轮与跑道做首次接触,产生6道车辙印。这6个机轮由于是飞机最前面首次与跑道接触的6个机轮,产生较大的阻力,抓地能力较强,而后面跟着的8个机轮由于是走在前面这6个机轮碾压过的车辙印里,阻力较小,抓地能力就大减了。在短距起降方面,因为使用的俄制D-30发动机带有反推力装置,可以把发动机尾喷口气流从两侧导向机体正前面,产生反推效果。机翼上的滑退式三开缝襟翼设计,在飞机降落时也能产生较强的增升效果,降低飞机的降落速度,缩短滑跑距离。

  总的来看,运-20并没有特别强化野战起降能力,其起落架设计,比较类似于A-400或安-70这样的战术运输机,与跑道做首次接触的机轮数量不及全机机轮的一半,抓地能力有限。考虑到运-20巨大的降落重量,这样的起落降架设计做野战起降可能稍有不足。但好处就是主起落架舱体积较小、重量轻、空中阻力小、起落架结构简单、可靠性高。最后综合发动机反推力装置和机翼上的三开缝襟翼增升效果来看,运-20的野战起降能力只能说一般。这有可能是考虑运-20绝大多数情况只会在中国国内使用,而且还会做为加油机、预警机等二线机种的空中,并不会有太多野战起降的机会。

  C-17前起落架也是并列双轮设计,机身两侧是各两个3轮式主起落架。主起落架一共12个机轮,加前起落架一共14个。在机轮数量上跟运-20相当,但不一样的是C-17的主起落架是并列3轮设计,和前起落架相加,有8个机轮与跑道首次接触,产生8道车辙印。其F117-PW-100发动机的反推力装置也是一绝,在飞机降落滑跑时,可以把发动机燃气导向飞机正前方斜上45度,这种能力还可以推动C-17在24.7米内做180度的三点转弯,甚至让飞机在2度的斜坡上倒车。其机翼的外吹式襟翼也是鼎鼎大名,可产生较强的动力增升效果,大大降低飞机的起降速度。

  

  图20:为了强化野战起降能力,C-17的主起落架为并列3轮设计,又为了减小起落架舱体积,主起落架使用了相对复杂的向上提起,90度旋转收起方式

  总的来看,C-17还是比较重视野战起降能力的,8个机轮与跑道做首次接触,超过了全部机轮的一半,算是较优秀的设计。但付出的代价是主机落架的并列3轮设计明显比运-20的并列双轮更加宽大,为了不增加起落架舱的体积,C-17主起落架使用了较为复杂的收放方式。当每侧两个主起落架在空中需要收起时,会先相对旋转90度,然后再向上提起收进起落架舱,这种收放方式,无疑大大增加系统复杂度,降低了可靠性。综合所有这些设计,C-17可在满载78.11货物降落时,只滑跑914米就完全停住。称野战起降时,对跑道的要求不超过C-130,可说是十分优秀。

  

  图21:正在戈壁地形上进行野战起降的C-17

  前苏联因为有广袤的西伯利亚,这里地广人稀,交通不便,很多地方至今都不通公,所以前苏联的运输机特别注重野战起降能力,伊尔-76就是典型代表。起落架上伊尔-76采用了十分极端的设计。前起落架采用了并列4轮,机身两侧则各有两个4轮式主起落架。主起落架一共16个机轮,加前起落架一共20个机轮,在降落时飞机正面共有12个机轮与跑道做首次接触,可以产生12道车辙印,阻力巨大,抓地性能十分强劲。再加上D-30发动机的反推力装置,伊尔-76在这个级别的运输机中,野战起降能力堪称世界之最。

  总的来看,伊尔-76特别强化了野战起降能力,甚至专门在机头设置了透明玻璃组成的领航舱,设置了领航员用来观察跑道情况,还安装有气象雷达、地形测绘雷达等设备。其与跑道做首次接触的12个机轮,占全部机轮的60%,算是无出其右的设计了。但付出的代价也是巨大的,因为4个巨大的主起落架,为了能在恶劣气候中维持可靠性,并没有采取像C-17一样的特殊设计,而是采用了传统向内翻转收进整流罩的方式,这造成伊尔-76的起落架舱外有四个巨大的整流罩,不但机构复杂、重量大、飞行阻力大,还抬高了货舱地板离地高度,其货舱地板甚至比C-17还要高将近半米,C-17的货桥放下后,与水平线度。货舱地板抬高,又变相的影响到了货桥的设计,因为货桥是要在空中收入机尾的,货桥又使机尾重量增加,体积变大,总之,这巨大的起落架使伊尔-76付出了巨大的代价,机头向下凸出的领航员舱和雷达舱也额外增加了重量和阻力。但综合来看,伊尔-76的野战起降能力毫无疑问是最强的,其后期型能在满载48货物时,在900米以内就能完全停下。而最新型伊尔-476,得益于更换大推力发动机,起飞和降落的滑跑距离还会缩短。

  

  图22:正在雪原上进行野战起降的伊尔-76,反推力装置已经,激起了发动机舱前面的积雪

  

  图23:伊尔-76其强大起落架可产生多达12道车辙印,这一数字比C-17高50%,是运-20的两倍

  

  图24:但付出的代价也是巨大的,伊尔-76腹部起落架舱外四个巨大的整流罩,不但增加重量、阻力,还抬高了货舱地板距地面高度

  五、抗战毁能力

  军用运输机的一个特点就是要考虑战场的存活性,尤其是在野战机场起降或是敌后空投时,及易遭受敌方火力打击。所以抗战毁能力也是军用运输机的一个重要指标。以C-17为例,它在全机任何部位,都可以承受12.7mm穿甲弹以600m/s的速度打击,在座舱和关键部位还有重达半以上的碳化硼装甲。全机的机载设备大多也是按多余度思维设计,C-17采用四余度数字电传操作系统,使用四台操作控制电脑(FCC),只需要有两个或两个以上的操作电脑正常工作,飞机就能正常控制。而在三个及以上操作控制电脑出现故障,电传系统完全失效时,飞机也能自动切换成液压机械备份系统,而全机配备了四套液压系统,只需要其中任何一套正常工作就能控制全机;全机还配置了三台任务电脑,也只需要一台能正常工作,就能拥有全部的任务能力。油箱也采用隔舱设计并安装有惰性气体发生器,油箱被击中后不会爆燃,每个油箱有两台抽油泵,全机一共12台,只需要有一台能正常工作,就能飞机持续飞行。C-17此外还配备有导弹接近告警系统(WS)、红外干扰仪、干扰箔条和干扰弹等设备。

  伊尔-76的抗战毁能力同样强劲,在关键部位采用了装甲防护。其它方面也多采用了多余度设计,例如配备了四台发电功率为60千伏安的三相交流电发电机,只要有一台能正常工作,就能飞机安全飞行。在发动机舱、机翼前缘等处还设有防火设施,可自动侦测火情并自动灭火。此外还安装有雷达告警系统,可提供360度范围内的雷达告警,起落架保形罩内还可安装96枚红外线干扰弹,员正前方的玻璃窗之间的保形罩里安装有电子对抗设备,机尾有金属箔片和红外线干扰弹发射装置。油箱同样安装有惰性气体发生器,可产生惰性气体为油箱增压,避免油箱被击中。并且机上还设有辅助动力装置,可在紧急情况下使用。伊尔-76的某些型甚至还装有双23mm炮塔,可在必要时用于自卫。但操作系统方面伊尔-76仍是传统的液压助力操作系统搭配辅助操作系统和辅助操作装置三部分组成,全凭人力操作,这点却是远不如C-17的电传操作系统了,严重影响了可靠性。

  运-20的抗战毁能力没有权威公布,现在可以确定的是也使用了四余度数字电传操作系统,这有助于提高可靠性,然后使用液压机械备份也是情理之种的事;第二在驾驶室、大梁等关键部位使用装甲加强也是可以预计到的。油箱惰性气体加压、红外干扰弹、金属箔片、导弹告警系统、电子对抗这些也是肯定有的。其它再多的就不好猜测了,倒不是说有多高的技术难度,而是取舍的问题,这要看运-20自身定位,要不要特别强化抗战毁能力,还是说只保持在一般的水平。或者说留下升级的空间,以后根据任务情况再升级或改装,这些都是有可能的。当然如果飞机成本超标或是超重,这些东西也是首先被剔除的设备。

  六、发动机

  近些年中队装备发展很快,新装备不断推陈出新,发动机这个老问题虽然已经在很大程度上得到极大的舒缓,但仍没完全达到称心如意的地步,运-20显然也不能“免俗”。

  首飞和第一批量产型运-20使用的是四台俄制D-30KP-2发动机,该发动机由“土星”科学生产联合体有限生产,总重2.3,推力12.5(123千牛),推重比5.43,之前曾作为伊尔-76MD和轰-6系列轰炸机的发动机,在中国有较多做为储备的存货,国产型就是WS-18。军事新闻该发动机四机合力可产生50推力,在运-20以220最大起飞重量起飞时,可以获得0.22的推重比。而最新的伊尔-476使用四台PS-90A-76发动机,单机推力14.5(142千牛),四机合力58,在伊尔-476以210最大起飞重量起飞时,可以获得0.27的推重比。而且该发动机相比D-30KP-2在推力提高的基础上,还能省油13%-17%。C-17装备了四台普惠的F117-PW-100,推力高达18.5(181千牛,在C-17上该发动机推力被在这个数值上,而该发动机的民用型PW2040推力可到185.5千牛),四机合力可产生74的推力,C-17以265的最大起飞重量起飞时,能获得0.28的推重比。

  

  图25:之前出现在网络上的,挂于一架伊尔-76空中实验台上的WS-20大涵道比发动机

  可以看出,运-20目前使用的D-30KP-2发动机性能明显弱于伊尔-476和C-17,而且D-30KP-2过于老旧,它是前苏联第一款大涵道比涡扇发动机,从史的角度来说,都找不出比它更老的了。其缺点十分明显,油耗高、机械复杂、可靠性低、寿命短。老旧的设计也了它的改进,无法使用数字式控制,也无法和飞控系统融合。国产WS-18也只是解决了有无的问题,使用四台D-30KP-2发动机的运-20最大载重只有55,与66的设计指标有明显差距。

  运-20的目标发动机当然不是D-30KP-2。就在当年运-20首飞后不久,中国空军指挥学院战略研究室教授、政策委员会副、空军少将乔良便向透露,中国正在为运-20研制国产发动机,而且已经接近尾声,这就是WS-20。在2020年末,WS-20的照片和消息不断被披露出来,根据现有的公开资料显示,WS-20是一款设计先进的大涵道比发动机,使用全新的数字发动机控制系统,使用大量的新材料、新工艺,使用寿命、可靠性等指标都有大幅提高,WS-20最大推力达到了16(156千牛),四机合力推力达到,运-20以220最大起飞重量起飞时,可以获得0.29的惊人推重比,已经超过了C-17,可以说是相当优秀了。并且在增加推力的前题下,油耗比D-30KP-2还能降低15%,寿命延长30%。根据最新的消息,运-20已经搭载四台WS-20发动机于2020年11月21日进行了成功首飞,这无疑表示着WS-20朝着最终服役迈出了的一步。

  现在国内正在研发的大涵道比发动机,除了为运-20配套的WS-20以外,还有为C-919大型客机配套的CJ-1000A(长江-1000A),CJ-1000A的验证机已经于2017年12月25日在上海组装完成,2018年5月点火成功。此外还有为C-929研制的CJ-2000A(长江-2000A,也被称呼为AEF-3500),2020年3月,,CJ-2000A核心机点火成功,2020年8月,验证机开始整机组装,CJ-2000A最大推力可达35.7(350千牛)。目前国内在大涵道比发动机领域正呈现多头并进,百花齐放的格局,此次WS-20的装机首飞,也标志着我国成为继美、英、法、俄之后第五个能自行研制并装备大涵道比发动机的国家。

  

  图26:中航工业于不久前公开的WS-20实机照片

  

  图27:CJ-1000AX发动机的验证机,最后的X是验证机的意思,该发动机为C-919的配套发动机

  

  图28:CJ-2000A发动机模型,该发动机也被称为AEF-3500,为C-929的配套发动机

  

  图29:公布的挂载四台WS-20大涵道比发动机的运-20模型,军事新闻此为最终形态

  

  图30:1、表格中的“货舱尺寸”都是不含货桥尺寸

  2、伊尔-476虽是最新改进型机种,但货舱只是加长,并未加宽和加高

  3、运-20货舱尺寸、使用空重为推估,换装WS-20国产发动机后数据,根据报道

  七、运-20的地位

  美国的空军运输体系,在战术运输机方面是C-130, 战术和战略运输有C-17,跨洲际战略运输还有最大的有C-5;前苏联在战术运输方面有安-12,中程有伊尔-76,战略运输有安-124。不过像C-5和安-124这样的超级运输机,都是美苏出于全球战略而研制的跨洲际飞行运输机,除了美苏这样需要全球争霸的超级大国外,其它国家一般是用不着的。中国在一个较长时间段内也看不出有这样的需求,运-20服役后搭配现有的运-8,就已经完全满足中国在国内的所有空运任务了。

  运-20首飞不久,不少网友和军事观察家纷纷表示运-20可以改装成空中预警机、电子战飞机、加油机等空中。这种观点当然也不能说错了,但果真这么做的话,或多或少却总透着一种无奈。

  就像冷战后流行在武器装备中大量使用“商规部件”一样。美欧在空中加油机、预警机、反潜巡逻机、电子战飞机、空中实验机这些对飞行要求不高的二线机种中广泛使用民航客机。民航客机有生产量大、装备量大、零部件储备量大、生产和使用成本低廉、相关领域人才广泛等优势。且由于是民航客机,这些飞行在全球任何一座民用机场都能很方便的得到维修和后勤服务。相比之下,使用军用运输机作为空中,可就痛苦多了。以运-20为例,它是作为一款大型军用运输机而设计的,如果将其改装成空中加油机、预警机等空中,那为军事运输设计的巨大货舱、推力巨大的发动机、抗战毁能力、野战起降能力等,这些无形中都是一种巨大的浪费,而且在空中还将形成呆重,影响性能,且在采购和成本上还将十分高昂。想像一下,如果把运-20改装成预警机,那么这架预警机里的雷达操作人员,抬头看着头顶上足有四米高的天花板,将是一种多么的无奈呀。

  没有合适的机种做为空中,这一点一直困扰中国空军,相比之下可使用的选项还要多不少,俄空军曾广泛使用图系列客机改装空中,中国在当前的选项则基本没有。以至于不得不使用“运-8”这样的战术运输机来改装“高新”系列实验机和“空警-500”预警机,用“轰-6”这样的轰炸机来改装空中加油机。即使运-20服役后,这样“不匹配”的状况短期内也难有根本改观,只有等中国在C-919和C-929等民航客机成熟后,才会逐步得以改善。

  八、结语

  美国空军第一架C-17(尾:87-0025)在服役21年以后,已经于2012年4月23日在代顿市莱特兄弟的故乡退役了,而这又过了9个月,运-20的第一架原型机才实现首飞。这不得不让人感叹中美在领域的巨大差距,但从另一个角度看,运-20也正是中国人在后急起直追的重要一步。运-20的成功首飞,和一步步的升级改进,对中国空军、中国业甚至是中国史都具有里程碑的意义。

  C-17不愧为一代杰作,伊尔-476也是老而弥坚,运-20作为一款后起之秀,还需要不断的改进和完善。从目前来看装备WS-20的运-20在实验完成后,在几年内将逐步装备部队,以实现当初设计时的全部能力,到那时中国空军将迎来一片崭新的天空。

  

  本文来源:观察者网 责任编辑: 史栋友_NS13124相关推荐热点推荐

  

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