运20设计初析 水平超过伊尔76接近C17.docx
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运20设计初析水平超过伊尔76接近C17
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运-20设计初析水平超过伊尔-76接近C-17
2014年07月25日11:
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新浪军事编者:
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资料图:
各国运输机同比例侧视图。
运-20是中国自行研制的第一种大型运输机,也是当今世界上最重要的大型运输机之一。
一般认为,运-20的机长47米,翼展45米,机高15米,最大起飞重量220吨,最大载重量66吨。
相比之下,伊尔-76(以最新版本伊尔-76TD-90为例)的机长46.59米,翼展50.5米,机高14.76米,最大起飞重量195吨,最大载重量50吨;C-17的机长53米,翼展51.75米,机高16.8米,最大起飞重量265吨,最大载重量77.5吨;空客A-400M的机长45.1米,翼展42.4米,机高14.7米,最大起飞重量141吨,最大载重量37吨;安-70的机长40.7米,翼展44.06米,机高16.38米,最大起飞重量145吨,最大载重量47吨。
运-20的基本布局符合当代大型运输机的主流,采用上单翼、高平尾、机腹多轮起落架和翼下发动机布局。
但飞机和人一样,单纯罗列主要身体特征,那所有的人都是一样的。
运-20也一样,在外观上和C-17、伊尔-76很相似,但有一些关键的不同。
资料图:
高山绘制的大运、伊尔-76、A400M对比图。
运-20的中央翼盒不穿过桶形机体,而在外部和桶形机体连接,这造成了“驼背”的外观。
外置翼盒的好处是保持机体内径的完整,整个机舱长度里机舱高度都是一致的,有利于按照最大高度装载单件的长大货物。
但外置翼盒的坏处也是明显的,增加了阻力。
不光暴露的翼盒本身增加阻力,用于和机体圆滑过渡的整流罩也加大,增加了重量和阻力。
伊尔-76对中央翼盒的位置是和运-20一样的。
相比之下,C-17的中央翼盒穿过桶形机体的顶部,从机舱内部看,可以看到翼盒明显“侵入”中段机舱的顶部,局部降低了机舱高度,使得按照前段和后段的最大高度装载单件的长大货物不可能。
但埋入机体的中央翼盒大大降低了阻力,整流罩较小则进一步降低了阻力。
外置还是内置中央翼盒的做法不能简单地说好还是不好,或者哪一个技术水平更高。
现代民航客机都采用内置中央翼盒,中国的C-919也不例外,尽管和世界上其他同类客机一样是下单翼,而不是C-17那样的上单翼。
就结构而言,上置还是下置的内置翼盒没有原则差别,军用运输机的机翼受力情况比较恶劣,但民航客机的翼盒还是主起落架的安装点,受力情况同样严峻。
外置还是内置翼盒的关键在于机舱内部尺寸。
现代运输机的主要任务不再是运送人员,从C-130到C-17,运兵量的增加与起飞总重或者载重量的增加简直不成比例,只要航程足够,用C-17运兵比用C-130运兵一点优越性也没有。
但C-17增加的不仅仅是载重量,也是运送长大尺寸货物的能力。
现代装备不仅有坦克那样沉重的实心大家伙,也有雷达车、导弹发射车那样庞大但并不特别沉重的空心大家伙,而且后者越来越多,所以现代运输机的机舱尺寸至少和载重量一样重要,伊尔-476那样载重量增加但机舱尺寸依然很受局限的“新型运输机”不大受欢迎就是这个道理。
资料图:
伊尔-76货舱尺寸。
C-130的机舱宽度只有3米,高度2.74米;伊尔-76的机舱宽度也只有3.16米,高度稍高,达到3.26米;C-17的机舱宽度则达到5.49米,机舱最大高度4.5米,但翼下只有3.76米。
这里的宽度和高度都是最大可载货物的宽度和高度,因为鼓出的机舱侧壁实际上对于载货没有多少用处。
运-20的机舱尺度还没有可靠数据,应该在伊尔-76和C-17之间。
比较数据容易看出,C-17的翼下机舱高度尽管降低了,但还是高于伊尔-76。
换句话说,并不低。
对于C-17来说,机舱尺度用来运载低矮、沉重的坦克足够了。
对于特别高大的货物,只要在长度上能在后舱容纳下,并没有必要达到全长全高。
或者说,美国空军对于全长全高没有需求。
雷达车高大,但并不长;美国没有运送机动弹道导弹发射车的需求,加上还有C-5的存在,C-17的机舱高度并不是一个问题。
伊尔-76则不然,如果沿用C-17同样的机舱高度损失数据,也就是0.74米,伊尔-76的机舱高度将在局部下降到可怜的2.52米,还不到C-130的机舱高度。
即使伊尔-76的中央翼盒没有C-17那样肥厚,机舱高度的损失也同样是不可忍受的。
对于运-20来说,也有同样的问题,除非达到C-17相似的机舱宽度,否则采用内置翼盒的话最低机舱高度将不优于伊尔-76,中国可没有C-5或者安-124帮忙运载运-20装运不下的超尺寸货物。
如果不出意料,运-20的机舱宽度将在4-5米之间,高度也在4米左右,高于C-17的翼下段,但低于C-17的前段和后段,而与机舱宽度相适应。
换句话说,起飞总重、推力、载重量等要求决定了机舱宽度,而机舱宽度一旦决定,外置翼盒还是内置翼盒是由机舱高度要求决定的。
对于运-20的尺度来说,采用外置翼盒是唯一合理的选择。
资料图:
C-17货舱尺寸,可以看到翼盒的影响。
如果固定机舱最低高度,但把机体直径增加,使得中央翼盒内置,这可以降低中央翼盒导致的阻力,但将大幅度增加机体重量和阻力。
假定机舱高度要求4米、翼盒厚度0.7米的话,外置翼盒的机体直径保持为4米,机体周长为12.56米;内置翼盒则机体直径增加到4.7米,机体周长增加到14.76米。
这当然是简单化的计算,没有考虑舱壁厚度和其他因素,也没有考虑增大直径后保持机体强度所需要的额外加强,但仅仅基本的材料重量就要增加17.5%。
较大的机体直径必然意味着拉长的机体,以保持合理的长细比,实际起飞总重将至少增加25-30%。
增加的直径使迎风面积也增加38%,增加的湿面积也意味着额外的阻力。
这一切都要求发动机推力相应增加。
更大的运输机当然具有更大的运载能力,但成本、油耗、技术风险也相应提高,更何况有需求问题。
中国空军并不需要C-17一级的运输能力,或者说负担不起这样豪华的能力,运-20采用外置翼盒是必然的。
资料图:
2012年,珠海航展展出的我国大涵道比涡扇发动机。
据悉,该发动机具有四大特点:
高效率,低燃油消耗;高可靠性,长使用寿命;低排放,低噪音;低维护成本,维修性佳,将用于国产大飞机。
外置翼盒需要较大的整流罩,不光纵向需要更大的整流罩以便向机体上表面平滑过渡,横向也需要较大的整流罩,以便整合翼根和机体之间的空间。
较大整流罩的重量、阻力都增加,但内部燃油空间也增加,所以并不是一边倒的坏事。
在载重量方面,已经透露的66吨也是合理的,这和运-20的尺度相匹配。
现在还不知道这是配用4台D30涡扇还是换用4台国产新型大推力高涵道比涡扇后的载重量。
4台索洛维耶夫D30达到66吨的载重量似乎超过了通常认为可能达到的水平。
另一方面,索洛维耶夫D30是俄罗斯的第一代涡扇,中国正在为C-919配套研制的CJ-1000是第三代涡扇,并有消息说中国还在用为歼-10、歼-11配套的“太行”的核心发动机同步研制高涵道比涡扇,这些新型涡扇的推力和耗油都优于D30,有望使运-20的性能达到新的水平。
资料图:
运-20换装国产发动机对比想象图。
运-20具有巨大的三缝襟翼,用于在起飞、降落时增升。
有意思的是,运-20的襟翼设计和伊尔-76很相像,但不同于C-17。
伊尔-76使用后退式三缝襟翼,其中第一道襟翼和第二道襟翼之间有明显空隙。
这是供翼下高压气流穿过去,对翼上气流产生拉动作用,增加升力。
这是一个比较传统的设计,简单、有效。
当然,简单是原理上简单,设计和制造上并不简单,至少比非后退式的简单襟翼复杂多了。
但C-17采用双缝的喷气襟翼,不仅有同样的缝隙,供下翼面高压气流产生引射增升,还直接处于发动机喷流之中,极大地增强了增升作用,缩短起飞、降落距离。
原理类似的吹气襟翼在F-4“鬼怪”式战斗机上早就有应用,但那是从发动机压气机引出气流产生增升,C-17直接用发动机喷气产生增升,增升效果强烈得多。
资料图:
运-20机翼上复杂的前后缘增升装置以及扰流板。
运-20没有采用喷气襟翼可能有几方面原因。
除了喷气襟翼本身的技术难度外,发动机推力不足可能是最大的障碍。
喷气襟翼放下后,接受发动机喷流的吹拂,将喷流部分向下偏转,并通过缝隙引射增升,增升效果明显。
同时,喷气襟翼要求发动机的推力轴线紧贴下翼面,这样才能是襟翼处在喷流之中。
但发动机喷流紧贴下翼面可能影响喷流的发育。
但另一方面,向下偏转的推力轴线降低了实际向前的推力,在发动机推力不足的情况下,这是很要命的。
喷流在喷出喷口之后,并不是像铅笔一样的直筒子,而是像喇叭口一样散开,然后再形成捅形。
这是因为高压喷流在离开喷口之后,喷流中心的压力使得喷流向压力较低的环境空气膨胀出去,好像吹肥皂泡一样。
喷流的发育受到机翼下表面的阻碍的话,不光烘烤翼面结构,还会造成推力损失。
考虑到要用推力不足的D30先飞起来,运-20不能负担这样的推力损失。
另外,结构上的要求可能也是一大障碍。
喷气襟翼要求发动机喷口的轴线紧贴下翼面,这样发动机吊舱必须向前、向上,基本平伸,吊架成为直直前伸的悬臂,基本平伸的发动机吊架还有迎风阻力较小的好处,但沉重的重量对机翼形成很大的扭转力矩,极大地提高了机翼刚度的要求,对吊架的刚性要求也较高。
另外,喷气襟翼本身也需要极大地加强,否则被强力的喷流吹散了架就不妙了。
发动机喷流紧贴机翼下表面也提高了结构耐高温的要求。
所以和喷气襟翼相适应的发动机的位置很讲究,太高了要影响喷流发育,太低了要错过襟翼的位置,极大地加宽襟翼的宽度可以补偿较低的发动机位置,但襟翼的重量大大增加。
考虑到种种复杂性和实际效益,运-20没有采用喷气襟翼是谨慎的。
资料图:
吹气襟翼对材料的要求很高,图为C-17在野外机场降落并打开反推。
但运-20也没有一味降低技术风险而放弃技术创新,运-20采用了超临界翼。
常规翼型大体上像为横剖一半的水滴,前半部比较肥厚,后半部比较瘦削,后缘则是尖利的。
气流沿上表面加速,在接近音速时,尽管飞行速度尚未达到音速,但上表面局部速度已经达到甚至超过音速,形成强大的激波阻力。
超临界翼是NASA气动奇才理查德惠特康姆发明的,他还发明了导致超音速飞机蜂腰的面积律和眼下实行的翼尖小翼,对现代航空科技的影响无人可比。
推迟激波产生的通常做法是采用很薄的翼型,并采用较大的后掠角,这不仅不利于低速飞行,也要为恢复结构刚性付出重量上的代价。
超临界翼一反常规机翼,上表面较为平坦,以减少气流加速,推迟和弱化激波的产生。
这使得超临界翼可以相对较厚,或者降低后掠角。
较厚的机翼受力较好,结构重量较轻;较低的后掠角也降低机翼对翼根的扭矩,降低结构重量。
超临界翼的下表面前半段相对饱满,后半段向上“挖掉”一块,和上表面延伸过来的后缘下垂相对应,形成“钩子”一样的后缘。
下表面压力较高,气流贴附着挖出来的凹面流动,然后沿“钩子”一样的后缘向下流动,产生额外升力,补偿上表面的升力损失。
超临界翼的前缘也比较钝,迎面过来的气流贴附较好,配合较低的后掠角,在低速时增加升力。
超临界翼已经成为现代客机和运输机的典型翼型,不过从外观上不容易看出端倪来。
C-17也采用超临界翼
比较有意思的是运-20的翼展。
相比于C-17的51.75米的翼展和伊尔-76的50.5米的翼展,运-20的翼展只有45米,只比起飞总重少1/3的空客A-400M的42.4米或者安-70的44.06米略大。
这说明运-20的超临界翼达到了很高的设计水平。
运-20机翼另一个饱受疑问的地方是没有C-17或者现代民航客机上常见的翼尖小翼。
翼尖小翼的作用是降低翼尖绕流,间接降低阻力。
由于机翼下表面压力高于上表面,翼尖附近的气流不仅从前向后流动产生升力,还绕过翼尖形成“短路”的侧向流动。
这不仅导致翼尖升力损失,还产生强烈的翼尖涡流。
涡流的能量最终来自发动机的推力,但这部分消耗的能量对于升力和速度毫无用处,所以形成阻力。
翼尖小翼降低了翼尖绕流,具有显著的增升减阻作用,相当于延长翼展。
但翼尖小翼除了本身的重量和阻力外,还要求机翼结构额外加强,导致额外的重量。
所以翼尖小翼在设计中要在得失之间仔细权衡,不是包赚不赔的买卖。
如果发动机推力足够,可以用额外的推力补偿翼尖小翼的增重,而在翼展大体不变的情况下获得有效的增升,以增加飞机的起飞总重。
但对于现阶段的运-20来说,更大推力的发动机一时还没有就绪,现有机翼设计已经保证了足够的升力和起飞总重,就不必急于加装翼尖小翼。
等到更大推力的新型发动机就绪的时候,具备了增加起飞总重的条件,那时再加装不迟。
事实上,C-17的翼尖小翼也是“后加”的。
按照原设计,C-17的最优翼展应该为53.4米,但美国空军规定了野战机场的占地要求,在90米x120米的停机坪上要能够停放3架C-17,所以翼展只有缩短到50.3米,加装翼尖小翼以补偿翼展损失。
算入略微外倾的小翼后,翼展增加到51.75米。
运-20可以反过来,在增重条件成熟的时候,加装翼尖小翼,实现更大的等效翼展、更大的起飞重量和载重量。
资料图:
运-20的起落架布局。
运-20采用机腹起落架,每侧三排,每排两轮。
这个安排是与空客A-400M和安-70相同的,与C-17的每侧两排、每排三轮不同。
伊尔-76更加极端,每侧两排、每排四轮,连前起落架都是单排四轮的,而所有其他主流运输机都采用双轮前起落架。
多轮起落架的轮子越多,对地面的压力越低,在简易跑道上起飞、着陆的性能越好。
另一方面,轮子横排而不是纵排,后轮重蹈前轮胎迹的问题就越小。
后轮重蹈前轮胎迹不仅在松软地面可能造成后轮下陷,在硬质跑道上也对同一表面反复碾压,增加跑道的损耗。
但另一方面,轮子横排不便于起落架的收藏,或者增大本来已经有很大鼓起的起落架舱,导致较大的重量和阻力;或者需要具有复杂的扭转、折叠机构的起落架,增加重量和降低可靠性。
所以横排轮子也不是只有优点、没有缺点的。
相对来说,运-20的三排六轮的重量、阻力和起落架复杂程度都较小,只要符合简易跑道起落要求,还是不错的选择。
现代运输机的尾门对快速装卸非常重要。
尾门放下后,是车辆和人员迅速进出的跳板,或者是空中空投的平台;尾门收起后,成为机尾密封结构的一部分,尾门上还可以额外装载货物。
通常尾门分上下两半,下半向外放下,上半向内收起,形成高大的装卸通道。
C-17只有上下两半,结构简洁,密封较好,但尾锥因此相对宽扁,机尾的涡流比较严重,为此增加了两片斜向的腹鳍进行局部导流,降低涡流影响。
伊尔-76的上半比较复杂,中间部分和常规的上半一样向上收起,左右两片向外下垂打开,同样形成高大的装卸通道。
但在尾门全部关闭的时候,尾锥比较尖瘦,阻力较小,气动上更加优美。
在空投中尾门打开时,左右两片还对机尾涡流起一定的屏蔽作用,降低涡流影响,改善空投环境。
但伊尔-76的尾门结构复杂,重量较大,密封难度也更高。
运-20采用了伊尔-76形式的尾门。
资料图:
运-20采用了伊尔-76形式的尾门。
运-20的尾翼和C-17十分相像,同样采用两段式双铰舵面。
也就是说,对于垂尾方向舵来说,上下两段舵面可以分别运动,每段舵面还有像两节鞭一样的前后两部分,后半可以在前半的基础上进一步偏转。
高平尾也一样,每侧平尾有内外两段,每段有前后两部分,可以分别偏转,提高操纵效率,降低铰链力矩。
相比之下,伊尔-76就是简单的单片式方向舵和升降舵。
作为中国第一架大型运输机,运-20和世界上其他典型运输机相比较是自然的。
在现代运输机中,C-17无疑代表了最高水平,或者说是豪华级的;伊尔-76已经有40年的历史,但依然皮实、实用,代表了起码水平,或者说是平民级的。
运-20在载重量上介于两者之间,在技术水平上也介于两者之间,但在很多方面更加靠近C-17。
运-20的超临界翼设计明显比伊尔-76先进,翼身融合处的整流罩设计更为饱满、精细,尾翼设计、起落架舱与机体的融合则和C-17相近,但尾锥、尾门设计、襟翼设计和发动机吊挂方式则采取了伊尔-76的优点。
和尺寸相近的空客A-400M或者安-70相比,运-20的起飞总重和载重量要大得多。
在具体特征上,运-20或许和世界上其他同类飞机有这样那样的相似之处,但就总体设计而言,运-20采用了具有中国特色的设计取舍,不是对任何一架飞机的简单模仿。
总体平衡下来,运-20离世界最高水平还有差距,但已经达到了很高的技术水平。
作为中国第一架大型运输机,运-20的成就是可喜可贺的。
西飞干得好!
(作者署名:
鼎盛晨枫)
资料图:
运-20的尾翼和C-17十分相像,同样采用两段式双铰舵面。
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