晨枫谈大飞机
晨枫
原载西西河
相关资料:泰坦的战争 波音的故事 空客传奇 民航喷气式客机的发动机布局
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本质安全设计是最好的情况。比如说,客机的舱门在空中如何保证不会意外打开,这是一个不简单的问题。为了保证门能关紧,以保证机舱密封,门框应该一圈开口大、一圈开口小,这样门关起来的时候可以抵住较小的门框,密封圈才能有效地保证密封。但小框应该在外面呢,还是在里面?小框在里面,舱门设计和制造简单,开关容易,但万一门锁或铰链失效,就有可能脱落,造成舱门洞开。在环境气压比舱内气压低的高空,这就要造成机舱急剧减压,危及乘客和机组的生命安全,这是不容许的。所以小框应该在外面,这样即使门锁或铰链失效,舱内较高的气压依然将舱门顶在较小的门框上,依然是安全的。即使在大气压力较高的低空,小框在外也使舱门相对不容易意外打开。但这样一来,舱门的开关就是一套很复杂的机构。开门时先要把门向里缩,然后才能从门洞中间较高的地方延伸到机外。但延伸到了机外还不能就象家里的门一样成 90 度地打开。万一飞机迫降,需要紧急离机,成 90 度打开的舱门或许正好挡住乘客最优的逃生方向,或者挡住营救人员进入飞机的通道,所以舱门延伸出机体后,必须打开到和机体平行的门侧,以最大限度地避免遮挡。这样一来,小小的机舱门就是一个相当复杂的系统。汽车也有车门,但汽车车门的小框是靠里的。这就是危害发生的机率和危害后果之间的平衡了。不可能什么东西都做到“无限可靠”的。机舱门只是一个小小的例子,更重要的但是常人不容易注意到的系统还有很多。飞机上采用液压作动机构而不是电动,就是考虑到液压系统是本质防火防爆的。 不能做到本质安全的时候,就要根据危害的发生机率和危害的后果入手。比如发动机的个数,在发动机相对不可靠的时候,单发失效对四发的影响就要比对双发的影响小很多。但是当发动机可靠性非常高的时候,四发在可靠性上的优越性就不再显著,但四发在经济性上的损失就浮现出来。就是采用双发,还有发动机的位置问题。在飞行中,机翼产生升力,升力传递到翼根和机身的连接处,将机身托起。这样,机翼相对于机身有一个向上的扭曲力。翼下吊挂的发动机的重量可以平衡一部分这个扭曲力,降低结构强度的要求和结构重量,这也是为什么波音 707 以来大部分大型客机都采用翼下吊挂发动机的布局的道理。发动机越往外,对机翼的卸载作用越明显。但是发动机越往外,单发停车对飞机的偏航力矩也就越大,就越不容易控制。所以必须在确保单发停车后的偏航控制的情况下,才能把发动机向外移动。这里面又是一个权衡的问题。 经济性是大客和大运又一个不同的地方。军用运输机也要求省油,这样可以增加航程,增加载重。但在空投和野战机场起落所必须的低空低速要求面前,省油是第二位的。民航客机就相反,不为短距起落而损失巡航的经济性。两者的差别就在机翼。在最大速度、起飞重量和技术水平属于同一级别的情况下,C-17 的机翼较粗短,后略较小,只有 25 度,采用前后缘襟翼等增升装置;波音 777 的机翼较细长,后略较大,达 31.64 度,只用较简单的后缘襟翼。作为军用运输机,一次运载大量伞兵并没有太大的实用价值,空投的出口只有那么多,拉长的空投时间不光增加遭受地面防空火力打击的危险,也大大增加了伞兵的散布。还不如缩短机身,减轻重量,把注意力集中在运载沉重的货物上。所以军用运输机较为粗短,C-17 的载重量比 C-130 大三倍还多,但装载伞兵的数量相差无几。民航客机当然可以改装为货机,但载客是主要使命,当然载客越多,经济性越好,所以需要较长的机身,以多载乘客。较长的机身在气动上也比较匀称,有利于跨音速面积率的考虑。军用运输机的机身截面形状和尺寸是由需要运载的装备决定的,为了方便载货,有些军用运输机的机身截面甚至是矩形的。但为了最大限度地减小机身表面积造成的摩擦阻力,和在同样截面积下取得最轻的机体,民航客机只要可能,尽量采用圆形的截面,而尺寸是由载客经济性、舒适性、载运航空集装箱的个数、行李的空间和巡航阻力之间的权衡来决定的。 显然,除了发动机、座舱外,大运和大客只有在材料、具体的系统和元器件、翼型、设计过程、制造技术、测试技术上可以共享,在主要的机体构件上很难共享。 大运和大客在原则上的差别解决后,还有具体定型的问题。最大的问题就是:大运、大客应该多大?航程应该多远?这些问题决定了大运和大客的设计的基调。 中国空军现在的主力军用运输机是运-8 和伊尔-76。运-8 是和世界上使用最广的 C-130 同级的运输机,性能良好,功能完善,使用灵活。但用于运载快反部队的机械化装备时,运-8、C-130 就有点勉为其难了。重量是一个问题,LAV 轻型轮式装甲车的大小的重量就是围绕着 C-130 的装载能力设计的,M8 轻型坦克也是一样。这样一来,战场上需要的防护能力、火力就受到限制。这种削足适履的做法在美军中受到强烈批评,对快反装备的发展也带来极大的限制。美军由于已经装备了大量的 C-130,只能将错就错。中国空军装备的运-8 在数量上远远不能相比,还有机会更改,所以不应该将大运局限在这个吨级上。
Y-8 四发涡桨中型、中程多用途运输机
难得一见的运-8 与 C-130 比翼 伊尔-76 是前苏联为取代运-8 的原型安-12 而设计的,速度更快,航程更远,载重量更大,并保持了良好的野战机场起落性能。中国进口了相当数量,使用经验十分满意。但伊尔-76 依然有机舱不够宽大的问题,用于装载主战坦克太局促。在载重量上,伊尔-76 同样很局促,勉强能装载 T-72,但不足以装载中国的 96、99 式坦克。
运-8 的终极发展型:运-9
最新“平衡木”载机从外形上看应属于运-9,采用了与运-9 相同的机头垂尾结构,以及六叶 JL4 复合材料螺旋桨 美军最新的运输机是 C-17。C-17 具有机舱宽大(可以运载 M1 坦克)、载重量大(达 75 吨)、航程远(达 4,400 公里,有空中加油时可以达到无限航程)和起落性能好(对跑道的要求不超过 C-130)的优点,是结合 C-130 的野战机场起落性能和 C-5 的战略运输性能于一身的优秀运输机。但 C-17 这样的运输机十分昂贵,对解放军是有点不必要的奢华。在可预见的将来,全球快速部署不是解放军的主要使命,所以航程可以降下来一点,4,000 公里就足够了。如果有联合国维和行动的需要超过航程的能力的话,可以在友好国家中途加油。若是载重量以能够运载一辆战斗状态的主战坦克的话,那 55 吨就够了。考虑到主战坦克重量不断上升的趋势,可能放宽到 60 吨比较合适。机舱尺寸应该能够容纳 96、99 和计划中的新主战坦克,以及红-9 甚至东风-15 这样需要战略机动的武器系统。这样,理想大运就然而出了:
运-8“高新”系列电子战机,绘图:刘明 上单翼,高平尾,大尾门,四发,载重量约 60 吨,最大起飞重量约 200 吨,航程约 4,000 公里 如果大运的要求相对清晰的话,大客的要求就远没有那么清晰了。大客的概念首先就十分模糊,到底多大才算大客?在运-10 的年代,载客 120 人就算大客了,现在 120 人的载客量只有支线客机的水平,而载客 200 人以上的波音 787 反而算中型客机了。当然,中国的标准可能和空客、波音不一样,不是一定要 A380、波音 747 才算大型客机的。 如果不抠字眼的话,中国最需要的是两的级别的大客,一是波音 737/A320 级别的窄体客机,载客 150 左右;二是 A330/波音 777-200 级别的宽体客机,载客 250-300 人左右。
运-8 家族图谱,绘图:刘明 |
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