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波音C-17“环球霸王III”运输机

发布时间:2013-05-05  原作者:佚名   点击数:

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  在阿富汗战争中,绰号“环球霸王”的 C-17 运输机为美军立下了汗马功劳。C-17 既能装载大量物资经空中加油直接运往世界上任何一个角落,又能以杰出的短距起落性能在前线一般机场起降,为前沿部队提供后勤支援。所以,它的作战范围和功能已涵盖了过去 C-5 巨型机和 C-130 中型机所具备的一切。在环球霸王十余年漫长的研发过程中,经历了不少的风风雨雨,也差一点遭到被终结的命运,第一架原型机终于在 1991 年 9 月 15 日顺利升空,美国空军的远程战略运输能力,也从此迈入了新的里程碑。

背景

  身为美国空军机动司令部(Air Mobility Command)下一代的战略运输机,C-17 的背后有个长篇故事。发展任何新军机是既耗费时间,又花大钱,发展 C-17 的时间是美国有史以来最久的,从 1981 年赢得发展合约到 1995 年完成全部的飞行测试,共历经 14 年;而发展经费方面,目前它是美国第三花钱的军机,只输给 E-3 空中预警机和 B-2 隐形轰炸机。

  C-17 的发展开始时间可回溯至 1971 年,当时美国常因为战争或天然灾害,必需以战略运输机运送成千上万的军队远赴全球各地,当时空军机动司令部的运输主力是由洛克希德(Lockheed)设计制造,于 1964 年开始服役的 265 架 C-141 星式运输机(Starlifter)。此型飞机的原始设计寿命是 30,000 飞行小时,后来由于美国空军想增加运输容量而将机身加长,当时的分析显示机体疲劳寿命可达 45,000 飞行小时,但是由于繁重的训练任务,和次数频仍的高速低空飞行任务,使得机翼下蒙皮的损伤迅速累积,原设计服役寿命将会提前届满,加上机翼主梁和驾驶舱窗户框缘有裂纹,必须限制 C-141 的飞行,机动司令部的战略运输能力倍受考验。原制造厂洛克希德曾提出延寿和重开 C-5B 生产线的计划,但二者都不符合五角大厦的想法。

C-141 过度使用造成的机翼断裂事故

  1971 年美国空军提出先进军事短距起降运输机(Advanced Military STOL Transport)的需求,要求能将大型的物品直接运送到战地,在此需求下的产物就是波音(Boeing)的 YC-14 和麦道(McDonnell Douglas)的 YC-15。二者都能装载 150 名士兵或 36.7 吨的货物,且能在 572 米长度之内的跑道上起降。这二种飞机都使用了短距起降的技术,YC-14 采用吹气(blown air)技术;YC-15 则是使用外吹式双开缝襟翼(double-slot-ted)来增加升力。

YC-14

  波音的 YC-14 在 1976 年 8 月 9 日首飞,安装二具推力为 23,133 千克的通用电气(General Electric)CF6-50D 涡轮扇发动机;麦道的 YC-15,在 1975 年 8 月 26 日首飞,装载四具推力各为 7,257 千克的普惠 JT8D-17 涡轮扇发动机。

YC-15,简直就是 C-17 的缩小版

  不过由于 C-130H 的继续生产已能满足美国空军的需求,因此上述二种机型后来都没有实际生产,但后来当美国空军提出 C-X 的需求时,YC-15 的经验显然对麦道公司有很大的帮助。

发展历程

  1980 年 2 月,美国空军提出了 C-X 重型运输机的需求草案(Request For Proposal),10 月份提出正式文件,新的运输机将担负起战略运输任务,先支持 C-5 和 C-141,最后则是取代 C-141。需求中说明新的运输机必需和 C-130 一样具备短场起降能力;飞机的起落架和高升力装置使满载(payload)时能在 2,438 米长的跑道上起飞,915 米长的跑道上降落;满载航程至少为 4,443 公里;机身内部须能容纳大型物品,如 M1 主战坦克;飞机须能在拥挤的停机坪随意进出,且能在满载及五分之二燃油的情况下,在 2% 的斜坡上后退。

  波音、洛克希德、麦道都提出了 C-X 的设计方案,波音的设计构型是三发动机运输机,洛克希德设计的外型则很类似 C-141。

  虽然洛克希德乔治亚州的工厂在制造运输机上有比较丰富的经验,不过在 1981 年 8 月 28 日,美国空军宣布最后的决定时,雀屏中选的却是麦道。同年 9 月,落榜的洛克希德公司提议重新生产 44 架的 C-5,不但交机时间快,也比 C-17 便宜,这个想法获得参议院武装部队委员会(Senate armed services committee)主席的支持。

  1982 年,美国空军采购了 50 架重新生产的 C-5B,和 60 架麦道的 KC-10A 加长型双用途加油/运输机,而长期性的运输需求则由国会进行研究,以安抚国会议员,他们每一位都是运输机的坚强拥护者——只要飞机是在他们的选区制造。为了安慰麦道,空军也拨出部分款项以提前开始 C-X 的设计工作,并赋予编号为 C-17。麦道在 1983 年为 C-17 取名为全球霸王(Globemaster),这个名字符合该公司一贯的命名方式,如 C-54 为 Skymaster、C-118 为 Liftmaster、C-133 为 Cargomaster。

  1984 年 C-17 完成基本设计,货舱加驾驶舱的全尺寸模型深获空军好评。1984 年 9 月 11 日至 20 日,美国空军由一位现役的运输机装载长,针对陆军和海军陆战队的使用需求,进行货舱装载测试。测试装载的物品共有 11 种组合,典型的装载物有:1、两部装甲人员运输车、两部五吨大卡车加二吨半拖车、三辆吉普车;2、三架 AH-1S 眼镜蛇(Cobra)直升机、三架 OH-58C 奇奥瓦(Kiowa)直升机。

  1985 年 12 月,麦道获得总金额 34 亿美元的经费,C-17 进入全尺寸发展(full scale development)阶段,以制造包括原型机在内的六架测试机。

  1986 年国会对运输机的需求评估有了结论:美军必需有每天运送 3,568 万吨/公里的能力。而全美包括军事空运司令部(Military Airlift Command)的战略运输机、后续增购的 C-5B 和 KC-10A、空中国民警卫队(Air National Guard)、空军后备部队(Air Force Reserve)、民用后备空运部队(Civil Reserve Air Fleet),只能运送 2,486 万吨/公里,不足约30%的部分,要靠未来的C-17来补足。

虽然新型运输机的需求已有了定论,但国会的政治干扰仍然阴魂不散,由于当时航空公司的营运欠佳,国会议员得协助它们处理老旧的波音 747 ,而军队就成为最佳的资源回收中心。在里根主政的 1981 到 1987 年间,就打算让第 105 军事运输机联队(Military Airlift Wing)和纽约空中国警队,使用二手的 747(军方编号 C-19),但 747 既无法在战地降落,也无法运送大型物品,引起美国空军的不满,最后第 105 联队接收了 C-5A,而 C-17 的设计工作则是缓慢持续进行中。

  1988 年 4 月,C-17 的估计重量较设计目标重量增加了 8.2%,因此无法满足合约中的一项性能需求:由于重量增加,C-17 的航程由合约中规定的 9,098 公里,降低到小于 8,700 公里。不过仍然满足合约中,载运 75.7 吨的情况下,以 833 公里的巡航速度,不需空中加油直飞 4,443 公里航程的规定。

  1988 年 8 月,五角大厦奋力抵挡国会及部内反对 C-17 的批评声浪,拒绝终止此型飞机的采购计划,有效地挡回了想终结 C-17 的念头。国防部仍然维持原来 210 架的预定采购数量,生产尖峰定在 1993 年,当年需生产 29 架,而 C-17 的初级战备能力(Initial Operational Capability)建立日期,也就是第一个飞行中队 12 架飞机正式可执行任务的日期,也由 1992 年 4 月延后至 1992 年 9 月,又延至 1993 年 5 月,最后则是延到 1995 年 1 月。

  几经波折 C-17 原型机(编号 T-1,87-0025)终于在 1991 年 9 月 15 日首飞。第一架生产型飞机也于 1992 年 5 月 18 日上天。随着试飞结束,转入批生产,麦道公司计划每年至少生产 12 架 C-17。1993 年 2 月 5 日,美国中军宣布给 C-17 冠以“环球霸王 III”的名字,这是因为在 40 年代未,道格拉斯公司生产了 C-74(环球霸王 I)与 C-124(环球霸王 II)。美国空运司令部前司令汉斯福特·约翰逊将军在国会军事委员会上说,如果 1991 年海湾战争时空军已装备了 C-17 的话,则可以提高 20%~35% 的运送装备与士兵到战场的速度。由此可见,虽然前苏联已经解体,克林顿又锐意削减军费,C-17 计划仍旧得以保存是有其理由的。

首架 C-17,在完成了试飞之后,也进入部队服役

进行空中加油测试的原型机

起飞中的原型机,还未涂装

  1990 年由于冷战已结束,加上美国政府对解决财政赤字一筹莫展,美军开始了削减计划。国防部在当年 4 月宣布将 C-17 的预定采购数量,由 210 架锐减到 120 架,很讽刺的是,这项决定宣布后几个礼拜,就发生了有史以来规模最大的沙漠盾牌(Desert Shield)运输任务,迫切需要战略运输的能量。1999 年科索沃(Kosovo)战争后,鉴于美军的空运能量确有不足,国防部在检讨报告里建议国会能批准增加采购 60 架,使机队总数达到 180 架。

  1991 年 8 月,美国空军第一个 C-17 运输机中队,位于南加州查尔斯顿(Charleston)空军基地的第 437 联队第 17 运输中队的飞行员开始接受 C-17 模拟机的飞行训练。1992 年初,第 17 中队开始逐渐停止了 C-141 的飞行任务。1993 年 5 月,第 17 中队接收第一架 C-17,为了练习以前 C-141 从没飞过的急速降落,查尔斯顿空军基地特别增建了一条宽 27.4 米、长 1,067 米、未铺柏油的跑道。C-17 的飞行性能让飞行员们印象深刻:“上天空后,飞机的表现无懈可击”。

细看 C-17

  C-17 采用大型运输机常规布局。机翼为悬臂式上单翼,前缘后掠角 25°,NASA 翼梢小翼高 2.90 米。悬臂式 T 形尾翼。垂直安定面与机身连接处向前伸有小背鳍,嵌入式方向舵分为上、下两段,升降舵分为两段。垂直尾翼有个特殊的设计,内部有一隧道式的空间,可让一位维修人员攀爬通过,以进行上方水平尾翼的维修。液压可收放前三点式起落架,可靠重力应急自由放下。前起落架为双轮,主起落架为 6 轮。前起落架向前收入机身,主起落架旋转 90° 向里收入机身两侧整流罩内。可在铺设与未铺设的跑道上使用。起落架装有碳刹车装置。机身长 53 米,机高 16.8 米,翼展 503 米,外形尺寸与 C-141 相当。最大起飞重量 263 吨。

  C-17 刚一出现就凭借先进性能,创造了许多世界航空记录。C-17 运输机曾在 1993~1994 年在货运类别中 22 次创造了爬高和速度记录。2001 年底,C-17 在美国爱德华兹空军基地创造了 13 项航空新记录。最近创造的记录是:·装载 1000~40,000 千克有效载荷达到最大高度;无有效载荷达到最大高度;·装载最大有效载荷飞到 2,000 米;无有效载荷、稳定持久平飞达到最大高度。

  为了使 C-17 研制计划减少技术风险,麦道公司最大限度地利用经过论证或已经掌握的先进技术。如 C-17 沿用了 DC-10 飞机采用的先进复合材料结构和翼梢小翼技术;发动机是波音 757 飞机上用的 PW2040 的发展型;采用了 MD-11、F-18 和波音 757/767 飞机上使用的先进座舱;特别是在 YC-15 飞机上验证过的吹气襟翼技术、超临界翼型、反推力装置和平视显示仪等。但在整合这些先进技术的过程中,麦道也遇到了不小的困难。

  C-17 安装四具普惠(Pratt & Whitney)的 PW2040 涡轮风扇(turbofan)发动机,美军编号 F117-PW-100。此型发动机的前身是 PW2037,由普惠公司于 1979 年 12 月开始研发,推力为 17,418 千克,1983 年 12 月通过联邦航空管理局(FAA)的认证,1984 年 12 月开始装于波音 757 上使用。1988 年普惠公司完成推力提升,将推力增加到 18,915 千克,并赋予新的型号 PW2040。1988 年 12 月获得军方认证安装在 C-17 上,当时此型发动机已累积了数百万飞行小时的使用经验,可靠且耐用。

  发动机以悬吊式挂架(cantilevered pylon)挂于机翼的前下方,每具挂架由数件铸铝螺桩(stub)结构与机翼相搭接,使外挂载和机翼间有连续的负载路径(load path)。由于挂架和发动机很靠近,在强度及温度的考虑下,主要使用材料是钛合金。C-17 发动机具有反向推力装置(thrust reverser),发动机罩的外型为滑套后缩(slides backward)双罩式,二罩间有一开口,当启动反向推力时,发动机排气经由此开口被导向前上方 45° 度,因此不会吹起地面的砂石与尘土。另外在发动机运转时,不会影响卸货或是一些地面工作。反向推力装置也让 C-17 具备一项新的地面操作功能,可以在 27.4 米宽的跑道上进行 180 度的回转,也能在 2.25g 的情况下,于倾斜度 2% 的斜坡上后退。反向推力装置在飞机静止时也可以启动,不会有发动机过热的问题。

发动机反推已打开,发动机排气经由此开口被导向前上方 45° 度,Photo:www.b-domke.de

  C-17运用了吹气襟翼技术,发动机的排气流会被导入机翼下,通过襟翼铰链,流向襟翼的上、下方。根据在 YC-15 上飞试的结果,襟翼向下偏折时,发动机的排气流会产生反作用升力(reaction lift)和环流升力(circulation lift),使飞机能以较低的进场空速(每小时 215 公里),和较大的下降速率(每秒钟 4.6 米)迅速落地;前缘缝翼全幅伸展时,可提供最大的升力及失速特性。

机翼复杂的增升装置,Photo:www.b-domke.de

  C-17 和将被它取代的 C-141 有一项特别的不同之处:在必要的情况下,可以在未整修的路面上短场紧急降落,原型机试飞员曾表示:C-17 的落地就和战斗机一样,因此起落架必须格外坚固与耐震。主起落架减震支柱除了传统的油气压式减震外,还采用前后双支柱配置,每根支柱搭配三个主轮,落地时由后方较长的减震支柱三主轮先着地,当受压成 90 度时,前方减震支柱三主轮再落地。

C-17 主起落架,Photo:www.b-domke.de

  C-17 的主起落架没有转向功能,左右各有六个轮胎,起飞后收进低风阻的起落架舱内;鼻轮有二个轮胎,具转向功能,起飞后收放于机身内。

  C-17 飞机的机组只需 3 个人,即正副驾驶员和货物装卸员。用人如此少,因为座舱采用先进数字式航空电子系统,包括 4 个阴极射线管显示器和两个通用电气公司电子部的平显仪,集中显示各种信息,减轻了驾驶员的工作负担。机上采用通用电气公司的数字式电传操纵系统、汉尼韦尔公司的复式大气数据计算机。发动机以及飞行操纵数据也可由多功能显示器显示。导航通信可全频率调谐。任务和通信显示器具有频率和频道预先存储能力,它既可人工操纵又可使用预先编好程序的磁带来改变正在进行的飞行计划而不干扰导航系统。采用特里达因公司的操纵警告系统,主警告器可自动提供主系统的监控,并可在显示屏上显示可见监控信号,还可在机内通话系统中发出声响或语音信号。另外装有德尔科电子公司的航空电子设备,包括任务计算机和电子操纵系统;汉密尔顿标准公司的飞机和发动机数据管理系统计算机;汉尼韦尔公司的自动测试设备和辅助系统数据采集和控制系统;特列丰尼克公司的无线电管理系统。除了正常的飞行信息外,显示系统还可提供飞机各系统的状态、必要的应急程序和常规的检查项目表等。

C-17 座舱

  C-17 容战略和战术空运能力于一身。在货舱设计上,尽管 C-17 外形尺寸和 C-141 差不多。但其货舱尺寸却与外形尺寸比 C-17 大的 C-5“银河”相当。按能在货舱中两排布置 6 辆卡车的要求,货舱宽度为 5.49 米,长 26.82 米,高 4.11 米。吉普车可 3 辆并列,也可装运 3 架 AH-64 攻击直升机。各种被空运的车辆可直接开入舱内。机舱中心线和机舱两壁可装折叠式座椅。空投能力包括空投 27,215~49,895 千克货物,或空降 102 名伞兵。为了装载陆军最重的装备——55 吨重的 M1 主战坦克,货舱地板由铝合金纵梁加强,达到了 60 吨的最高承载能力。有消息说,陆军最新的 62 吨的 M1A2 型主战坦克也可顺利承载。地板上布置了系留环、导轨、滚珠、滚棒系统等设施,这些设施延伸到可在飞行中放下的货桥上,货桥上有货物降落伞拽出装置。每个系留环可承受 11,340 公斤拉力。C-17 货舱门关闭时,舱门上还能承重 18,150 千克,几乎是C-130全机的装载量,而一般的运输机舱门通常只能堆放轻的货物。机身尾部两侧各有一跳伞舱门。尾部机身顶上和机翼前的机身顶上分别有两个水上降落应急出口。

C-17 巨大的货舱

展望

  1995 年 7 月,C-17 完成了一项重要的里程碑:通过美国空军的可靠度、维修度、妥善率评估(Reliability, Maintainability and Availability evaluation)。在为期一个月的评估中,12 架 C-17 依照预定的装载和飞行路线,执行了 513 架次的全球性飞行任务,以评估包括:飞机、机员、基地、基础设施、装载量、装卸速率、战争仿真、...等的表现。评估的结果令美国空军非常满意,C-17 的载运量是 C-141 的二倍,C-130 的四倍,但 C-17 的可靠度高达99%,任务完成率为 91%;C-17 飞行返航后,例行检修外的额外检查率只有 2%,100 架次中只有二次,而 C-5 和 C-141 则高达 40%。

  事实上,由于研发制造过程中风波不断,加上价格昂贵屡受国会抨击,原本国防部只打算采购 40 架的 C-17,但由于 C-17 在这次评估中优异的表现,国防部才最后确定了 120 架的采购量。

  2001 年 6 月 28 日,波音公司向英国政府交付了首批 4 架中的两架 C-17。英国是首家 C-17 外国客户。英国并非购买 C-17,而是采用租用方式,租期 7 年。合同明确规定不论任何原因,如果英国损失了 C-17,必需按合同对波音公司进行赔偿。这一方式也是以往军用采购中所罕见的。C-17 将布置在英国最大的作战基地布莱兹诺顿。该基地建造了能容纳 5 架 C-17 飞机的巨大机库。作为与波音和美国空军签定合同的一部分,英军第一批四名飞行员和四名装卸长从年初开始,在俄克拉何马州的阿尔特斯空军基地进行模拟和作战飞行培训。

英国租借的 C-17

  目前潜在的客户还包括日本和沙特。分析家称如果日本改动宪法,开始执行各种国外的军事任务,可能采购 C-17。沙特阿拉伯作为传统的美国武器进口国,也可能青睐 C-17。

  2002 年 6 月美国空军开始计划在夏威夷和阿拉斯加的两个空军基地部署 C-17,各布置 8 架,以加强太平洋空军的新型空运能力。以太平洋为基地的 C-17 运输机能根据战略空运需要,在 24 小时之内赶往太平洋的任何地区。司令部认为部署需要大约 4 到 4.25 亿美元,同时需要增加两个基地的人员。今年审查之后将决定需要的资金和人员,资金在 2004 财年到 2007 财年到位,飞机最早在 2006 财年交付。

  2002 年 8 月,波音公司获得国防部总额达 97 亿美元的订货合同,用于生产 60 架 C-17 运输机,在 2008 年以前交付。由于美国民用航空业境况不佳,订货数量急剧减少,波音的商用航空业务也受到了极大影响。911 事件以来,该公司的产量削减了一半。波音已向大约 3 万名工作人员发出了解雇通知单,因此波音一直急于得到这份合同。同时汉密尔顿·桑得斯特兰德公司从波音公司获得一项总额 9,000 万美元的合同,为新生产的 C-17 提供飞行系统,将提供电源系统、冲压空气涡轮应急动力系统、发动机电子控制装置、燃油流量表以及飞机/推进数据管理计算机。此外,该公司还制造该机的主燃油泵。

  2003 年 1 月美空军加快实施为 C-17 运输机安装新型导弹防御系统的项目,为 12 架 C-17 安装诺·格公司大型运输机红外干扰(LAIRCM)系统。原计划于 2006 年完成,目前已经提前到 2004 年 3 月完成。C-17 已经装有用于对抗红外制导导弹的 AN/ALE-47 干扰系统,得到 LAIRCM 后将更加安全可靠。诺·格公司将确保大型运输机红外干扰(LAIRCM)系统与 ALE-47 兼容,并能与之联合使用。ALE-47 系统由 BAE 系统公司制造,它可以利用可编程的诱饵对抗所有的红外和雷达制导导弹威胁。计划还将在 79 架 C-17 和 C-130 上安装该系统。最后美国 900 多架空中机动指挥飞机也将安装大型运输机红外干扰(LAIRCM)系统。首架安装 LAIRCM 系统的 C-17 运输机将在今年夏天推出,全部完成将在 2004 年 3 月。合同将由两部分组成,第一部分价值 1,840 万美元将给予波音公司。合同的第二部分价值 720 万美元,将授予诺·格公司。诺·格公司将负责尽快为 C-17 运输机设计、开发、测试和交付红外干扰能力。LAIRCM 项目不包括商业应用,美国将采用其他方法保护商用客机免遭例如以色列客机所遭受的攻击。

LAIRCM 安装在大型运输机机腹位置,提供下半球全向防护

  2003 年 12 月 10 日美国空军一架 C-17 军用运输机(SN:9900057)从巴格达国际机场起飞后不久遭遇肩扛地空导弹或 RPG 射击,发动机发生爆炸,此后被迫返回机场紧急着陆。似乎是对 LAIRCM 系统的最大支持。

  2004 年 6 月,美国空军和波音公司表示正在努力推进 BC-17 民用运输机计划。波音公司官员估计,大型设备、飞机发动机和钻井机械之类的运输市场对 C-17 的需求量将达到 20 到 30 架。BC-17X 计划始于 2000 年 12 月,但由于当时缺乏客户,再加上"9·11"事件对航空运输业的影响,一度造成该计划踌躇不前。该计划将减少军用型 C-17 的采购成本,从而使空军可采购更多的 C-17 飞机。空军正在论证对 C-17 飞机的需求,目前已经订购了 180 架 C-17,估计论证结果将增加采购量。波音目前已交付了 120 架 C-17 飞机,估计到 2008 年按合同交付剩余的 60 架。熟悉该计划的人员称,BC-17X 计划将有助于空军将老型号的 C-17 卖给客户,继而采购更多即将从波音下线的新型 C-17 飞机。目前已有几家航空公司,如长青国际航空公司、联邦快递航空公司表示考虑购买 C-17 作为它们的货机,另外也有公司表示这种型号飞机不适用于它们的业务。业内人士评论,BC-17X 将要面对安-124 和波音 747-400 货机的竞争局面,如果没有足够的政府补贴是否可行值得怀疑。

BC-17X 假想图

尺寸数据

  翼展 50.29 米,机长 53.04 米,机高 16.79 米,机翼面积 353.0 平方米,前缘后掠角 25° ,货舱(长×宽×高)26.82 米×5.49 米×4.11 米。

重量数据

  使用空重 125,645 千克,最大载重 77,292 千克,最大起飞重量 265,352 千克。

性能数据

  巡航速度(高度 8,535 米)M0.77,低空最大巡航速度 648 千米/小时,海平面空投速度 213~463 千米/小时,进场速度 213 千米/小时,实用升限 13,715 米,起飞场长 2,286 米,着陆场长(使用反推力装置)915 米,航程 4,630 千米。

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