2020年11月21日傳來的最新消息，當天運-20搭載四臺最新的「渦扇-20」大涵道比發動機進行了成功首飛。自2013年1月26日首飛以來，運-20終於在第八個年頭迎來了它的最終形態。若是從2006年2月26日國務院批准研發大型飛機算起，更是已經渡過了十四個春秋。據稱搭載渦扇-20的運-20有可能被命名為「運-20B」，這將是中國第一架由內而外連發動機都是全國產的大型飛機，在中國航空史上註定將留下濃墨重彩的一筆。為此，我們有必要全面回顧一下運-20這款激蕩人心的中國戰略運輸機。
圖1：2013年1月26日首飛當天的運-20，第一次將中國帶入了國產大型運輸機時代
一、研製背景
中國人談到的「大飛機」，一般是指起飛重量超過100噸的運輸類飛機，或是載客超過100人的民航客機。中國自主研製的第一款大飛機還要追述到上個世紀70年代研製的「運-10」，但因為經費、技術、市場等原因，運-10最終胎死腹中。然後中國航空業在大型飛機領域便是長達30年的沉寂。在這段時間裡，中國空軍的運輸機隊就只有運-8和少量伊爾-76挑大梁，在民用航空領域更是幾乎全盤進口。
時間直到了2006年，此時的中國改革開放已近30年，經濟上取得了巨大的成就，技術積累也有了相當基礎，軍民兩用的航空市場也蓬勃發展。於是在此年2月26日，時任中國國務院總理溫家寶，在主持召開的國務院常務會議上，原則批准大型飛機研製重大科技專項正式立項，將「發展大飛機」作為國家決策寫進《國家中長期科技發展規劃綱要》和《十一五規劃發展綱要》。國家將在整個大飛機項目上投資500-600億元人民幣，要在軍用大型運輸機、民用大型客機、航空發動機三個領域實現技術突破，並將伴隨相關的產業整合。
在民用大型客機領域，在2008年5月11日，在上海將原中航商用飛機有限公司、上海飛機設計研究所、上海飛機製造有限公司（原運-10生產商）、上海飛機客戶服務有限公司、上海航空工業有限公司整合，成立了「中國商用飛機有限責任公司」。現主要產品為ARJ-21支線客機，並正在研製C-919、C-929等大型幹線客機。
在發動機領域，在2012年4月15日，在北京將原中國航空研究所（606所）、中國航空動力機械研究所（608所）、中國燃氣渦輪研究院（624所）、貴州航空發動機研究所（649所）等研製單位整合，成立了「中航空天發動機研究院有限公司」，然後又和瀋陽黎明航空發動機有限責任公司、貴州黎陽航空發動機公司、成都發動機有限公司、西安航空發動機有限公司等單位再次重組為「中航發動機有限責任公司」，該公司現今是中國唯一的航空發動機生產商，其產品幾乎涵蓋了中國所有正在生產或研製中的航空發動機。
在軍用大型運輸機領域，在2013年1月6日，在西安將原西安飛機公司旗下的西安飛機國際航空製造股份有限公司（簡稱西飛國際，新舟系列客機生產商）、陝西飛機工業有限公司（運-8系列運輸機生產商）、中航飛機起落架有限責任公司、西安航空制動科技有限公司、西安飛機工業有限責任公司整合，成立了「中航飛機股份有限公司」，現主要產品為轟-6、殲轟-7等軍用轟炸機、新舟系列客機、運-7、運-8系列戰術運輸機和運-20戰略運輸機。在該公司正式掛牌20天後，在2013年1月26日，下午14時整，一架編號為20001的「運-20」戰略運輸機在西安閻良試飛基地一飛沖天，這正式標誌著中國航空業在大型運輸機上的重大突破，這也是中國正式服役的第一款國產大型飛機，該機延續了西飛以神話傳說命名戰機的傳統，被命名為「鯤鵬」。
圖2：曾經的天空——運-10
二、氣動設計
不同於一些保密級別較高的作戰裝備，運-20在首飛後不久官方即正式對外公布，並公開了大量的圖片並有基本的技術參數。根據官方數據我們得知，運-20全長47米，翼展45米，高15米，最大起飛重量220噸，設計最大載重66噸。氣動布局上採用翼下懸掛式4發動機、T型垂尾、懸臂梁式上單翼。機身採用寬體設計，多支柱野戰起落架，機組人員由3人組成。從圖片和參數中我們不難發現，運-20其實是一架設計「中庸」的運輸機。並沒有太多讓人眼前一亮的設計，當然也沒有一味為降低風險而只採用「成熟技術」。首先從機體規模上來說，比美軍裝備的C-17「全球霸王」幾乎小了一圈，但又比俄羅斯伊爾-76「耿直」大了一圈，該機在設計上明顯參考了伊爾-76的某些設計，但在機尾等位置又融合了C-17的一些特點。
再來先看機翼，機翼是一架飛機產生升力的主要部件，機翼設計的好壞，直接決定了一架飛機的定位和性能。運-20的機翼設計具有懸臂梁式上單翼、外置中央翼盒、超臨界翼型、滑退式三開縫增升襟翼、沒有採用翼梢小翼等設計特點。
外置中央翼盒，就是機翼的中央翼盒從貨艙頂部而過，置於機體之外，通過整流罩以機體相連，在機背上形成了一個較凸出的鼓包，特徵比較明顯，IL-76正是採用此種設計。與之形成對比的，美國C-17採用的是內置中央翼盒，機翼從機身內部穿過，機體外較平滑。外置中央翼盒的最大好處是機翼不擠佔機內貨艙的寶貴空間，可保證貨艙的最大有效高度。此外整流罩可提供額外的儲存空間，一般會用來放置油箱，再來就是可產生一定的升力；但壞處也是顯而易見的，首先就是外置中央翼盒和整流罩增加了機體額外的重量、複雜度和不小的飛行阻力，第二就是使機體整體重心上移。
是否採用外置中央翼盒，這主要由運輸機的定位決定的。比如C-17，它的貨艙採用了極端設計，是該級別運輸機中能夠設計出來的最大貨艙，其貨艙尺寸為：20.8m×5.5m×4.5m（長寬高，貨艙長度不含貨橋），其5.5米的貨艙寬度僅僅比C-5「銀河」運輸機略窄29公分，但4.5米的最大高度卻比C-5還要高30公分，甚至比世界上最大的運輸機安-225「夢幻」還要高10公分。如此高大的貨艙，C-17選擇內置中央翼盒當然不在話下，雖然一定程度上會影響貨艙的最大高度，但就算在中央翼盒之下，貨艙仍有3.96米高。內置中央翼盒，只有大型運輸機才能採用這種設計，比如美國的C-5、C-17，俄羅斯的安-22、安-124、安-225，貨艙較矮的運輸機是無法接受貨艙在高度上這麼大幅損失的，比如近幾年才面試的一些新型戰術運輸機，如歐洲的A-400，烏克蘭的安-70、日本的XC-2等等，他們採用的全都是外置中央翼盒。
圖3：美國C-17運輸機的剖面圖，可以清楚看到中央翼盒從貨艙正中間穿過，原本4.5米（14英尺9英寸）高的貨艙，在中央翼盒處驟減為3.96米（13英尺），貨艙較矮的運輸機是無法承受這樣的損失的
圖4：中央翼盒穿過C-17運輸機貨艙正中央，該圖為阿聯空軍的C-17
在翼型設計上，運-20採用了超臨界機翼。超臨界機翼中國研究較早，早在三十年前研製運-10時就成功應用了超臨界機翼，近年又用K-8教練機改裝過新型超臨界機翼驗證機，之後又在ARJ-21上成功應用，現在用在運-20上，自然是水到渠成的事。超臨界機翼最早是由美國NASA蘭利研究中心的著名空氣動力學家理察·惠特科姆博士（Richard Whitcomb）在1967年提出的。
飛機的機翼是靠流經機翼上下不同的氣流速度產生的壓力差來產生升力的。一般的亞音速民航客機或是軍用運輸機，當飛機速度超過0.8馬赫，進入高亞音速區域時。此時機翼表面的氣流速度已經超過了音速，如果飛機繼續加速，機翼表面就會出現激波，引起氣流分離，從而產生激波阻力，使飛機整體阻力大增。超臨界機翼就是通過對機翼剖面的特殊設計，讓氣流在通過機翼時加速性放緩，使飛機在繼續加速中，推遲激波產生，或是產生較弱激波。這種設計可以使飛機保持較高經濟航速，還具有內部容積大、結構重量輕、翼展較短等優點。
伊爾-76由於設計年代較早，並沒有採用超臨界機翼，而C-17是採用了的。所以我們就能看到伊爾-76的50.5米翼展竟然比C-17的50.29米翼展還長，就算C-17加上外飄的翼梢小翼也不過才51.74米，但伊爾-76的最大載重卻只有C-17的一半；運-20也是類似情況，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，但最大載重卻比它們高50%以上，體現出極高的設計水平。
在襟翼增升方面，運-20採用了非常複雜的滑退式三開縫襟翼，這種設計一般見於大型民航客機上，滑退式三開縫襟翼在飛機飛行時和機翼融為一體，以減少阻力。當飛機需要起飛、降落或低速飛行需要增加升力時，襟翼才會滑退伸展開，並向下偏轉。當這種襟翼伸展開時會大大增加機翼向下的彎度和機翼面積，並改變機翼剖面形狀。其翼面形成的三條橫向縫隙，會將機翼下的高壓氣流引向襟翼上部，大大增加機翼上部的氣流流動速度，減小了壓力，並延緩上表面氣流分離，進而使升力係數提高。根據計算，這種滑退式三開縫襟翼，可以使全機升力係數提高1.5倍左右（未扣除配平損失）。不足之處是這種襟翼十分複雜，有多達十餘個活動翼面，滑退、偏轉機構較為繁瑣，作動機構、滑軌、整流罩等也是數量最多的，這在野戰條件或惡劣氣候時勢必降低可靠性。伊爾-76的襟翼也使用了類似設計。
C-17上使用的則是大名鼎鼎的外吹式襟翼，這種襟翼最早應用在麥道公司的YC-15上，當襟翼放下時，會處於發動機向後的排氣區中，經襟翼折轉後，發動機燃氣會向後斜下排向機體後下部，形成類似推力矢量系統，強大的尾噴口氣流還會通過襟翼的雙開縫引向襟翼上部，加速翼面上部的氣流速度，進而大大增加升力。C-17這種外吹式襟翼增升效果當然無與倫比，與運-20的滑退式三開縫襟翼相比，增升效果還要強大，可控性更高，而且系統要簡單的多。但缺點在於這種襟翼處於發動機的高溫燃氣中，必須使用高溫鈦合金製造，對材料技術有較高要求，而且由於是全金屬襟翼，重量也不輕。
圖5：C-17使用的外吹式襟翼原理示意圖
圖6：C-17正在降落，已經放下外吹式襟翼，並打開發動機反推力裝置，機翼上部的4塊擾流板也已經升起，注意發動機短艙兩側的渦流發生器
翼梢小翼方面，運-20並沒有採用，這倒是讓筆者略感失望，但又覺得在情理之中。中國在翼梢小翼上有相對較深厚的技術積累，在上個世紀八十年代初研製「運-7-100」客機時就設計有翼梢小翼，之後在2000年研製「ARJ-21」支線客機和隨後設計的「C-919」客機時也有成功應用。
翼梢小翼的好處首先是降低了翼尖渦流和誘導阻力。由於機翼下部的氣流壓力要遠大於機翼上部，在機翼翼尖會出現高壓氣流從機翼下部往上翻卷的現象，形成翼尖渦流，這會讓機翼翼尖升力大減，形成誘導阻力，從而降低了全機的升阻比。翼梢小翼則可以分導氣流，將翼下的高壓氣流導引至機翼外側並上移至層流之上，進而大大減弱翼尖渦流，降低誘導阻力，這還使機翼上下表面的壓力差變得更大，反而提升了機翼升力。阻力降低，升力提高，這直接的好處就是油耗降低、航程增加、巡航速度提高，還增強了飛機的爬升能力；第二個好處則是增加了飛機的抖顫裕度，抖顫裕度的增加可使飛機在更高的高空飛行，這進一步增加了航程；第三個好處則是翼梢小翼使飛機產生的尾流有明顯減小，在編隊飛行時對後機尾流幹擾也變得更小，這還有利於提高飛機起降和巡航性能；第四則是降低了飛機起降過程中的噪音，這一點對民航客機來說至關重要，甚至比降低油耗，增加航程還具吸引力。
但翼梢小翼也並不是完美無缺的，首先翼梢小翼會增加重量，還對翼根產生不小的氣動彎矩，這需要加強機翼結構的強度、剛度，等於增加了不小的機翼自重，還會加劇機翼疲勞，造成全機的整體壽命下降，對於軍用飛機來說，這一點也許不那麼容易接受；第二翼梢小翼雖然面積不大，但卻處於機翼的末梢，而機翼的位置正好是全機的重心點上，所以像小風帆一樣的翼梢小翼一受到較大的側風影響，就會像槓桿原理一樣，撬動整架飛機都受到巨大影響，而且會讓飛機的水平機動能力變得較差，機動性下降，對於軍用飛機來說同樣很難接受；第三翼梢小翼雖然降低了誘導阻力，卻增加了摩擦阻力和幹擾阻力，這等於減弱了翼梢小翼在降低誘導阻力方面的好處，還增加了飛機控制的複雜性；第四翼梢小翼的製造成本和後期維護成本也是不可小視的一筆較大費用。
所以在通盤考慮利弊以後，軍用運輸機很少採用翼梢小翼，包括像歐洲的A-400，烏克蘭的安-70、日本的XC-2這些新銳運輸機也沒有採用。C-17是主流軍用運輸機中唯一採用翼梢小翼的，C-17最開始其實也沒有設計翼梢小翼。後因為美空軍要求在92m×122m的停機坪裡可以停放3架C-17，於是翼展被迫減少了3米，為了彌補由此造成的升力損失，才加裝了翼梢小翼，C-17的翼梢小翼不僅降低了翼展，還可以降低油耗2%左右，減少阻力3%左右。翼梢小翼最早是在道格拉斯公司的DC-10上成功應用的，它的發明者同樣是美國NASA的理察·惠特科姆博士，所以C-17的翼梢小翼，其實是NASA設計的。理察·惠特科姆博士實在是空氣動力學方面的天才，不僅發明了超臨界機翼、翼梢小翼，還發現了跨音速面積率，為戰後航空業的發展做出了巨大貢獻。
在其它方面，C-17在後機身下方設計有小巧的腹鰭，可以改善機尾的紊流，減少機尾阻力，這個腹鰭可以在巡航狀態下減少機後阻力約3%，而運-20和伊爾-76都沒有這樣的設計；C-17在每個發動機短艙兩側還分別安裝有小翼，這一對兒小翼其實是渦流發生器，可以產生機翼的前緣渦流，能延緩機翼上氣流的分離，提升機翼的升力，可以使最大升力係數提高6%，而阻力不增加，運-20和伊爾-76同樣沒有這樣的設計。總的說起來，在氣動設計上，C-17是最精緻的，考慮了很多細小的細節，應用了大量的尖端技術，這也正是美國全球最強航空工業實力的真實體現。而俄羅斯的伊爾-76是最粗糙的，而且實在太老了，運-20則還在逐步成熟階段，像翼梢小翼或是機尾的腹鰭這些如果確實需要，也是可以後期再加裝的，只能說不等運-20真正以完全之姿量產那一天，還是無法一窺它的全貌。
圖7：運-20機翼上的6塊擾流板已經收起，而滑退式三開縫襟翼已經全部收攏
圖8：運-20上用的滑退式三開縫襟翼
三、貨艙設計
一架運輸機，它真正的價值還是要體現在它的運輸能力上，而運輸機貨艙的設計，正是這裡面重要的一環。假如貨艙不夠寬大，將很難裝載大尺寸的作戰裝備，比如主戰坦克、飛彈發射車、舟橋設備、武裝直升機等等，這對於運輸機的戰場定位也是一個關鍵性的指標。
美國的C-141就有一個另人失望透頂的貨艙，其貨艙尺寸為28.44m×3.11m×2.78m（C-141B型），雖然貨艙有28.44米長，但是卻只有3.11米寬，其寬度甚至還不如C-130，高度更是不足2.8米，基本上不能運載任何機械化裝備，甚至因為貨艙太小，常常貨艙裝滿貨物也達不到最大起飛重量。再加又不具備像C-130一樣的野戰起降能力，所以第一次海灣戰爭後就在美軍全面退役了；俄羅斯伊爾-76也在貨艙寬度上吃盡苦頭，它跟C-141一樣最開始是為了替代像安-12這樣的戰術運輸機設計的，並沒有過多考慮裝載重型機械化設備的能力，其貨艙尺寸為20.5m×3.45m×3.4m（不含貨橋），雖然基本型有40噸的最大載荷，在重量上勉強可帶一輛空車的T-72，但T-72有3.52米寬，已經超過了伊爾-76的3.45米的貨艙地板寬度，要想上飛機，只有把坦克兩側的裙板拆掉，這時候T-72就只有3.38米寬了。根據印度陸軍實際使用經驗，這個時候T-72兩邊的履帶距伊爾-76貨艙壁勉強只有一隻腳的寬度，也就是不到十釐米。
而與之形成對比的是C-17，它有一個令人生畏的貨艙，其尺寸為20.8m×5.5m×4.5m（不含貨橋），尤其是5.5米的貨艙寬度，可以完全並排兩輛8×8的重型卡車，幾乎能運載美國陸軍的所有裝備。例如，可以運載一輛標準作戰狀態的M1A2主戰坦克、兩輛M2A3步兵戰車、同時運載2架AH-64武裝直升機和2架OH-58偵察直升機、能夠並排18個2.7m×2.2m的貨盤（貨艙裡14個，貨橋上4個），甚至能裝載一架CH-47支奴幹直升機。巨大的貨艙和強大的裝載彈性是C-17的一個顯著特點。
圖9：C-141的貨艙十分狹小，幾乎不能運輸任何機械化裝備
圖10：伊爾-76的貨艙也是十分窘迫
圖11：印度常用伊爾-76向克什米爾高原運送T-72，兩側的裙板已經被拆掉了
至於運-20，由於貨艙尺寸並沒有官方發布，我們只能進行一定程度的推理了。首先，對於陸軍來說，重量最大的單件核心裝備是主戰坦克，重裝機械化兵團能否實現快速部署，是否能空運主戰坦克是一個核心指標，如果不具備空運主坦克的能力，那該機對陸軍的意義將至少降低一半。運-20官方公布的最大載重是66噸，顯然正是瞄準裝載主戰坦克這一目標來的。第二，還是要看它的貨艙，運-20並沒有公布它的貨艙尺寸，我們仍然進行推理。首先，運-20使用了俄制D-30KP-2發動機，它的正面進氣口直徑是1455毫米，然後運-20的翼展是45米，這些尺寸我們是已知的。知道了這些尺寸，我們就不難推出運-20的機體寬度在5.6米至5.7米之間，這個寬度是新一代運輸機為了保證起碼的貨艙寬度而必須要的，比如A-400的機體寬度是5.64米，安-70是5.6米，日本的XC-2是5.66米，而這三款運輸機的貨艙地板寬度都是4米左右，所以我們就不難得出結論，運-20的貨艙地板寬度也是4米左右，由於使用了傳統的外置中央翼盒，所以貨艙高度也是可以保證的，至少可以在4米以上。運-20全機長47米，跟伊爾-76基本相當，所以它們的貨艙長度也應該基本相當。這樣我們就得到了運-20大概的貨艙尺寸，其尺寸為：20m×4m×4m（不含貨橋）。而根據官方公開報導，運-20的貨艙容積為320立方米，恰好跟筆者推測的貨艙尺寸互相印證。
從運-20的貨艙尺寸來看，它並沒有追求C-17那樣的巨型貨艙，這顯然是為了控制機體規模和研製風險，當然，沒有強勁的發動機也是一個重要原因，但是也沒有像伊爾-76一樣因為採用窄機體設計而過分的犧牲貨艙的裝載彈性。4米的貨艙寬度應該說是完全夠用的，比如「紅旗-9」的泰安卡車底盤，最大寬度才2.8米；「03式火箭炮」、「東風-21」、「長劍-10」的萬山卡車底盤，最大寬度才3.5米；「99式主戰坦克」也才3.6米；「東風-31」的漢陽卡車底盤最大寬度也不過3.8米，運-20裝載這些裝備是完全沒有問題的；而C-17超寬貨艙的好處在於運載一般2.4米寬的重型卡車時，可以並排兩輛，比如豪士科（oshkosh）公司的M977重型卡車，然後全機可以運載4輛。如果是運-20，則只能一前一後運載兩輛。當然這涉及另一個問題，就是全機的最大載重，因為就算貨艙放得下，飛機也不一定載得動。運-20由於在最大載重上不如C-17，所以在貨艙尺寸上採取保守設計，也是情理之中的。
圖12：C-17的巨大貨艙，即使並排兩輛8×8重型卡車也是綽綽有餘。圖上左側是一輛2.2米寬的悍馬軍車，右側是一輛2.4米寬的豪士科（oshkosh）公司M977重型卡車
圖13：C-17貨艙是標準的兩車道，而且高度也大，裝載能量十分強悍
圖14：：並且C-17能執行多樣化的運輸任務，比如人員運輸
圖15：運-20的貨艙，後一排雖然只站立了七名士兵，但從空間上看，完全可以站下第八名，以一個士兵0.5米的寬度計算，貨艙完全達到了4米的寬度
圖16：運-20的貨艙，可以看到貨艙內相當先進，此時為運送傘兵的隔艙雙層狀態
當然，貨艙太寬也不全是好事，以C-17為例，貨艙地板寬度達到了5.49米（18英尺），但美國陸軍M1主戰坦克寬度也不過才3.66米（12英尺），空餘出來的空間完全是浪費。C-17在絕大多數的空運任務中，貨物最大寬度不超過4米。過寬的貨艙不但增加了額外的體積和重量、增加了飛行阻力、增加了油耗、還增加了生產商的成本。於是在2010年範保羅航展上，波音公司推出了改進型C-17FE，把貨艙寬度大砍1.52米（5英尺），將貨艙地板寬度修改為3.96米（13英尺），以提高航程和市場競爭力。據估算縮減貨艙寬度的C-17FE，仍能完成99%的JFTL任務（Joint Future Theater Lift program）和80%的空運任務。
圖17：波音推出的縮窄貨艙版C-17FE，機身和機翼重新設計，並更換發動機
鯤鵬扶搖九萬裡，怒飛翼若垂天雲——深度解析中國「運-20」戰略運輸機（二）
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