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运-20设计初析

发布时间:2013-06-01  原作者:晨枫   点击数:

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  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。

各国运输机同比例侧视图(转飞扬)

  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。

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。

运-20采用外置翼盒结构

  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。

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。

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。

空客的A400M也是外置翼盒结构

  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。

图为我国研制的国产长江-1000A大涵道比涡扇航空发动机,主要用于装备C-919客机

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

运-20换装国产发动机对比想象图

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