運-20 vs. C-17,看似外觀相近,實則貌合神離

2021-02-15 航空製造網

運-20是先進的四發大型運輸機,除了發動機不夠給力,在技術水平上與C-17相當運-20人稱「胖妞」,是先進的四發大型運輸機,外觀上與美國C-17相像,都採用上單翼、翼下發動機、高平尾、腹側多輪起落架,都具有大型尾門,打開後兼做裝卸斜板,便於車輛和人員上下。在空中時,打開的尾門則便於空投作業。運-20和C-17的設計定位相似,都在載重量和航程方面達到戰略空運要求,但能在傳統上只能運作戰術運輸機的跑道上起飛和降落。運-20和C-17這一級先進運輸機模糊了戰略空運與戰術空運的界限,代表軍事空運的最高水平。兩者相比,運-20稍小,但也足夠在戰略空運的航程上運載主戰坦克,滿足中國空軍的要求了。C-17更大,戰略空運能力更強,不過美軍主戰坦克本來就比中國的更重。 

運-20與C-17在外觀上相像,但惡魔就在細節之中

運-20和C-17在外觀上相似,實際上貌合神離,在設計上有很多細微但關鍵的不同。運-20在設計上結合了一些伊爾-76上的有用做法,在使用上與C-17也不同。運-20的機翼與機身結合部形成明顯的隆起,C-17的結合就比較平順。這不是運-20的設計水平低下,而是對機艙內頂板高度的考慮。C-17沒有隆起,但翼盒穿過機體的部位造成機艙頂板降低,形成C-17機艙裡前後高、中間低的局面,對長大貨物的高度限制較大。運-20的機艙高度在全長裡都是一樣的,就沒有這個問題,代價是隆起增加了一點巡航阻力。

運-20(上)與C-17(下)相比,機背有顯著隆起,翼身融合部比較粗大,阻力增加。C-17也有些許隆起,但小得多。

但運-20(上)的機艙空間完整,在全長內高度一致;C-17(下)機艙中段的天花板較低,影響長大物資的運輸,中段貨艙高度(3.76米)還低於運-20(4米),對特別寬大的機艙直徑是一個浪費,但對美軍還是夠用了運-20也沒有採用翼梢小翼。機翼是靠下表面對上表面的壓力差實現升力的。氣流一定沿最小阻力途徑流動,在機翼翼根到接近翼尖的地方都無機可乘,所以上下表面氣流在機翼後緣匯合,老老實實產生升力。但在翼尖處,下表面氣流可以橫向繞到上表面,渦卷的能量帶動環境空氣,非但不產生升力,還形成阻力。翼梢小翼像擋板一樣,阻擋渦卷的形成,降低翼尖阻力,可以等效為更大的翼展,產生更大的升力;或者把降低的阻力等效為推力,最終結果都是一樣的。不過翼梢小翼產生升力的效果不如真正的機翼。換句話說,翼梢小翼的「翼展」等效為真正的機翼翼展是要打折扣的。一般只有在翼展受到物理限制而無法增加的時候,才用翼梢小翼。翼展在設計時就已經夠用的話,那就沒有必要增加翼梢小翼,運-20正是這種情況。

C-17的噴氣襟翼來自YC-15,注意發動機的推力線和襟翼的位置

運-20和C-17都是翼下發動機,但運-20的發動機位置更低

運-20和C-17都是翼下發動機,但運-20的發動機位置相對更低,這是因為兩者採用了不同的增升機制。C-17採用噴氣襟翼,發動機的推力線很高,大面積襟翼放下後,直接處於噴流的衝刷之中,產生強大的額外升力,縮短起飛、著陸距離。這是從70年代美國空軍「先進中型短距起落運輸機」(AMST)項目中麥道YC-15的技術發展而來的。波音YC-14採用的上表面吹氣增升技術更加科幻,但發動機噴流對機翼上表面的長期衝刷容易造成結構疲勞,還是麥道的噴氣襟翼技術更加可靠。AMST下馬了,但噴氣襟翼最後用於C-17了。噴氣襟翼的缺點是比較「吃」推力,在噴氣襟翼將噴流向下偏轉產生額外升力的同時,依然需要有足夠的向後的推力,才能使得飛機達到足夠的加速。運-20採用的就是類似伊爾-76的常規大面積襟翼,技術上比噴氣襟翼更加保守,因此翼載更低(運-20為710公斤/平方米,C-17為730攻擊/平方米),巡航效率稍低。

 

但常規襟翼也適應運-20推力不足的現實。運-20還在用來自俄羅斯的索洛維耶夫D30渦扇,性能可靠,但油耗較高。中國仿製的渦扇18已經研發就緒,可以直接與D30互換。中國商發正在為C919研製CJ1000先進渦扇,技術水平與美國通用電氣LEAP相當,但可靠性還沒有建立。四發的運-20對發動機可靠性的寬容度更高,中國空軍對迅速擴大運-20機隊的要求急迫,可以先走一步。CJ1000在批量生產中完善工藝過程和質量管理,在使用中持續改進和提高可靠性,這對空軍和民航是雙贏的。先軍後民也是美國經驗,波音、普拉特-惠特尼、通用電氣還有早年的洛克希德、道格拉斯都是這樣藉助軍需完善技術、驗證可靠性再轉移到民用的。CJ1000更大的推力對運-20十分有用,運-20的性能潛力本來就需要更大推力的發動機來解鎖。為了控制技術風險,也可以逐步解鎖,從降低推力的CJ1000開始,放寬工作條件,對衝初始可靠性可能不足的顧慮,在積累使用經驗後,逐步解鎖發動機的推力潛力。據說與通用電氣CFM56對標的渦扇20也在研製中,但地位比較尷尬。渦扇18更成熟、可靠,CJ1000推力更大、油耗更低。估計只有在CJ1000的研發遇到嚴重阻礙的時候,渦扇20才會備胎轉正。這將依然是對D30/渦扇18的有用升級。

C-17在機側跳傘時,有擾流板對氣流稍作遮擋,便於傘兵躍出;在機翼後的位置也便於下洗氣流將傘兵迅速與飛機分離

運-20也是類似的設計,可以看到起落架艙後端上方的離機門。但運-20沒有C-17尾錐下的一對腹鰭

作為軍用運輸機,運-20和C-17都有空投傘兵的任務。兩者都可三門四路空投,也就是說,左右側面加尾門左右側,可四路離機。左右側門都在機翼後、主起落架艙後端上方。這個位置便於傘兵離機後,在機翼下洗氣流的作用下與飛機迅速分離。C-17側門打開時,兼做擋風板,便於傘兵躍出離機。運-20不清楚是否有同樣的設計,做到應該不難。有意思的是尾門設計的不同。

運-20尾門的後段採用類似伊爾-76的三片式結構

C-17尾門的後段則是單片式

顯然,運20裝運高大裝備的條件更好

 

運-20和C-17的尾門都是是兩段式,前半可放下兼做裝卸斜板,後半打開時增加開度,但兩者的做法不同。C-17的後段是單片式,整體向上升起,結構簡單、乾淨、輕巧,但淨高限制較大。由於C-17貨艙直徑很大,這個限制一般來說並不礙事,但還是限制了長大貨物的裝運。運-20的後段尾門為伊爾-76那樣的三片式,結構複雜,重量較大,高空飛行時的密封要求也更高,但中片升高時,吸頂更加緊密,對淨高的影響小,有利於充分發揮貨艙空間的高度。

圖中為伊爾-76的尾門打開時,運-20的尾門設計與此相似

C-17就要「裸露」得多

另一個不同的地方是,在空中打開尾門進行空投作業時,機尾紊亂氣流會對傘兵或者空投物資造成危險。C-17在尾錐下有一對固定的腹鰭,用於整流,但在不進行空投作業的時候,增加巡航阻力。運-20在尾門打開時,側片的長度和面積更大,整流作用比C-17的腹鰭更好,空投作業更加安全,關門收起後則沒有額外阻力。三片式後段也有利於尾錐後段截面更加接近圓形,降低後體阻力。C-17那樣的單片式後段使得尾錐後段的截面更加接近鴨嘴形,後體阻力較大。

(01)伊爾-76的艙頂有兩條導軌,這是給天車用的,運-20也採用了這個設計艙內的貨物移動系統也不同。大家都用固定貨物和車輛用的地板掛鈎點,都有地板滾輪(在裝運車輛的時候可翻轉隱藏),但運-20再次借鑑伊爾-76的先進經驗,艙頂還有兩條導軌,便於運作天車。天車不是用來吊運東西的,主要是幫助在艙內牽引沉重物資的,包括裝卸和空投作業。有意思的是,這似乎是蘇聯運輸機特有的,從安-12開始就就有了,現在中國也「拿來」了,但歐美運輸機都沒有,不管是美國的C-130、C-141、C-5、C-17還是歐洲的「協同」、A400M,這對強調效率、人機和自動化的歐美很不可思議。C-17反正也不能用導軌和天車,中間較低的頂板決定了即使用天車,也得分段,使用會很不方便,索性繼續人拉肩扛的老傳統了。

 

運-20是第一種中國獨立設計和製造的大型運輸機,結合和C-17和伊爾-76的很多特點,在技術水平上超過伊爾-76,與C-17相當。這是巨大的成就。根據公開信息,運-20的最大載重量為66噸,空重100噸,最大起飛重量220噸,機長47米,翼展45米,採用4臺索洛維耶夫D-30KP-2渦扇,單臺推力117.7kN,最大載重時航程4500公裡。相比之下,C-17的最大載重量為77.5噸,空重128噸,最大起飛重量265噸,機長53米,翼展51.7米,採用4臺普拉特-惠特尼F117-PW-100渦扇,單臺推力179.9kN,載重71.2噸時航程4480公裡。

 

兩者大小不一樣,單看基本數據不容易判斷設計水平,換一個角度就容易些。運-20的翼載為710公斤/平方米,翼展與最大起飛重量之比為0.204,最大起飛重量下的推重比為2.14,空重與最大起飛重量之比為0.45,最大載重量與最大起飛重量之比為0.3。相比之下,C-17的翼載為730公斤/平方米,翼展與最大起飛重量之比為0.195,最大起飛重量下的推重比為2.70,空重與最大起飛重量之比為0.48,最大載重量與最大起飛重量之比為0.29。對於戰鬥機來說,低翼載意味著更高的機動性,但這對運輸機來說不重要,巡航效率和航程才是最重要的。運-20沒有採用噴氣襟翼之類的高增升技術,只能用更大的機翼面積(也就是更低的翼載)產生足夠的升力,滿足野戰跑道的起飛距離要求。翼展與最大起飛重量之比不是一個常用的指標,但含義差不多,運-20需要用稍大的翼展才能達到同等的最大起飛重量。這兩者都意味著運-20的結構重量和航程方面會稍有損失。但結構和材料設計可以補償機翼氣動設計的不足,這方面,運-20得益於20年的技術進步,反而技高一籌,空重與最大起飛重量之比低於C-17,最大載重量與最大起飛重量之比則略高於C-17,兩個指標上都意味著運-20的結構和材料水平略高於C-17,可以用較輕的機體承載更重的載荷。但在動力方面,運-20顯著落後了,最大起飛重量下的推重比只有2.14,大大落後於C-17的2.70,甚至低於伊爾-76的2.48。這嚴重影響了運-20的野戰機場起飛能力。公開的數據裡沒有運-20的滿載起飛距離,估計會顯著落後於C-17和伊爾-76。運-20的最大速度為M0.75,C-17為M0.875,伊爾-76為M0.82,或許可以作為運-20動力不足的間接證據。動力不足可能在一開始就限制了運-20的設計選擇。噴氣襟翼不僅在技術上更加激進,也需要更大的發動機推力才玩得動。D30的基本設計是為1963年首飛的圖-134設計的,經過不斷改進,涵道比也只有2.24,渦輪前溫度提高到1427K,都遠遠落後於現代技術水平了。



大件物資在艙內移動要靠人拉肩扛

中國商發正在研製的CJ1000則是按照現代最高技術水平設計的,涵道比超過9,推力為125-131kN,長度比D30更短,但直徑更大,好在運-20的翼下空間足夠,換用大直徑渦扇沒有問題。重要的是,CJ1000的油耗大大降低,從D-30KP-2的0.715公斤燃油/公斤推力/小時降低到0.52。

 

換用CJ1000的話,推力增加6.2-11.3%,最大起飛重量時的推重比提高到2.27-2.38,依然不夠理想,但已經是顯著的進步了。考慮到油耗降低28%,同樣的載重和航程條件下,容許減少起飛時攜帶的燃油以降低起飛重量,縮短起飛距離。但在實用中,很少會有人主動降低燃油量,如果能把推力增加到135kN,可將最大起飛重量下的推重比增加到2.45,這就達到野戰機場起落能力公認強悍的伊爾-76的水平了。增加到C-17的水平則無必要,畢竟沒有使用噴氣襟翼技術。改用噴氣襟翼不僅涉及氣動,還涉及機翼結構,就要推倒重來了。如果需要的話,運-20還可以加裝翼尖小翼,增加等效翼展,改善野戰機場起落能力和航程。當然,小翼不一定能在現有飛機上直接加裝,但運-20還在生產初期,還將生產很長時間,改進型是指日可待的,整合進翼梢小翼並無不可克服的技術困難。

 

外國航空媒體根據衛星圖片,發現在西安的飛機廠和閻良試飛中心曾同時有20架之多的運-20,運-20的實際產量應該大大超過20架。這不僅是中國空軍的戰略空運主力,還可能成為加油機的改型基礎。西方加油機常用民航客機改型,中國缺乏現成的大型民航客機作為改裝平臺,而且軍用運輸機作為加油機的基礎還有適合野戰機場起落的優點,更加適合高烈度戰爭,儘管航程方面受一點損失。預警機、電子戰飛機也可能採用運-20作為平臺,但現在的趨勢是分布化、網絡化、小型化,運-20反而可能太大了。

 

運-20到俄羅斯已經不是第一次出國了,以後還會有越來越多地出國。軍用運輸機是非武裝的,政治敏感度低,有利於在各種聯合演習、人道救援等使命中把國旗和軍旗飄揚到世界各地。胖妞還是個上得廳堂、下得地頭的虎妞呢。

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