深度:国产大型运输机的技术创新

2014年07月25日 11:39  新浪军事  收藏本文

  另外,结构上的要求可能也是一大障碍。喷气襟翼要求发动机喷口的轴线紧贴下翼面,这样发动机吊舱必须向前、向上,基本平伸,吊架成为直直前伸的悬臂,基本平伸的发动机吊架还有迎风阻力较小的好处,但 沉重的重量对机翼形成很大的扭转力矩,极大地提高了机翼刚度的要求,对吊架的刚性要求也较高。另外,喷气襟翼本身也需要极大地加强,否则被强力的喷流吹散了架就不妙了。发动机喷流紧贴机翼下表面也提高了结构耐高温的要求。所以和喷气襟翼相适应的发动机的位置很讲究,太高了要影响喷流发育,太低了要错过襟翼 的位置,极大地加宽襟翼的宽度可以补偿较低的发动机位置,但襟翼的重量大大增加。考虑到种种复杂性和实际效益,运-20没有采用喷气襟翼是谨慎的。

资料图:吹气襟翼对材料的要求很高,图为C-17在野外机场降落并打开反推。资料图:吹气襟翼对材料的要求很高,图为C-17在野外机场降落并打开反推。

  但运-20也没有一味降低技术风险而放弃技术创新,运-20采用了超临界翼。常规翼型大体上像为横剖一半的水滴,前半部比较肥厚,后半部比较瘦削,后缘则是尖利的。气流沿上表面加速,在接近音速时,尽管飞行速度尚未达到音速,但上表面局部速度已经达到甚至超过音速,形成强大的激波阻力。超临界翼 是NASA气动奇才理查德惠特康姆发明的,他还发明了导致超音速飞机蜂腰的面积律和眼下实行的翼尖小翼,对现代航空科技的影响无人可比。推迟激波产生的通常做法是采用很薄的翼型,并采用较大的后掠角,这不仅不利于低速飞行,也要为恢复结构刚性付出重量上的代价。超临界翼一反常规机翼,上表面较为平坦,以减 少气流加速,推迟和弱化激波的产生。这使得超临界翼可以相对较厚,或者降低后掠角。较厚的机翼受力较好,结构重量较轻;较低的后掠角也降低机翼对翼根的扭矩,降低结构重量。超临界翼的下表面前半段相对饱满,后半段向上“挖掉”一块,和上表面延伸过来的后缘下垂相对应,形成“钩子”一样的后缘。下表面压力较 高,气流贴附着挖出来的凹面流动,然后沿“钩子”一样的后缘向下流动,产生额外升力,补偿上表面的升力损失。超临界翼的前缘也比较钝,迎面过来的气流贴附较好,配合较低的后掠角,在低速时增加升力。超临界翼已经成为现代客机和运输机的典型翼型,不过从外观上不容易看出端倪来。C-17也采用超临界翼

  比较有意思的是运-20的翼展。相比于C-17的51.75米的翼展和伊尔-76的50.5米的翼展,运-20的翼展只有45米,只比起飞总重 少1/3的空客A-400M的42.4米或者安-70的44.06米略大。这说明运-20的超临界翼达到了很高的设计水平。运-20机翼另一个饱受疑问的 地方是没有C-17或者现代民航客机上常见的翼尖小翼。翼尖小翼的作用是降低翼尖绕流,间接降低阻力。由于机翼下表面压力高于上表面,翼尖附近的气流不仅从前向后流动产生升力,还绕过翼尖形成“短路”的侧向流动。这不仅导致翼尖升力损失,还产生强烈的翼尖涡流。涡流的能量最终来自发动机的推力,但这部分消耗的能量对于升力和速度毫无用处,所以形成阻力。翼尖小翼降低了翼尖绕流,具有显著的增升减阻作用,相当于延长翼展。但翼尖小翼除了本身的重量和阻力外, 还要求机翼结构额外加强,导致额外的重量。所以翼尖小翼在设计中要在得失之间仔细权衡,不是包赚不赔的买卖。如果发动机推力足够,可以用额外的推力补偿翼尖小翼的增重,而在翼展大体不变的情况下获得有效的增升,以增加飞机的起飞总重。但对于现阶段的运-20来说,更大推力的发动机一时还没有就绪,现有机翼设计已经保证了足够的升力和起飞总重,就不必急于加装翼尖小翼。等到更大推力的新型发动机就绪的时候,具备了增加起飞总重的条件,那时再加装不迟。事实 上,C-17的翼尖小翼也是“后加”的。按照原设计,C-17的最优翼展应该为53.4米,但美国空军规定了野战机场的占地要求,在90米x120米的停 机坪上要能够停放3架C-17,所以翼展只有缩短到50.3米,加装翼尖小翼以补偿翼展损失。算入略微外倾的小翼后,翼展增加到51.75米。运-20可 以反过来,在增重条件成熟的时候,加装翼尖小翼,实现更大的等效翼展、更大的起飞重量和载重量。

资料图:运-20的起落架布局。资料图:运-20的起落架布局。

  运-20采用机腹起落架,每侧三排,每排两轮。这个安排是与空客A-400M和安-70相同的,与C-17的每侧两排、每排三轮不同。伊尔 -76更加极端,每侧两排、每排四轮,连前起落架都是单排四轮的,而所有其他主流运输机都采用双轮前起落架。多轮起落架的轮子越多,对地面的压力越低,在简易跑道上起飞、着陆的性能越好。另一方面,轮子横排而不是纵排,后轮重蹈前轮胎迹的问题就越小。后轮重蹈前轮胎迹不仅在松软地面可能造成后轮下陷,在硬 质跑道上也对同一表面反复碾压,增加跑道的损耗。但另一方面,轮子横排不便于起落架的收藏,或者增大本来已经有很大鼓起的起落架舱,导致较大的重量和阻力;或者需要具有复杂的扭转、折叠机构的起落架,增加重量和降低可靠性。所以横排轮子也不是只有优点、没有缺点的。相对来说,运-20的三排六轮的重量、阻力和起落架复杂程度都较小,只要符合简易跑道起落要求,还是不错的选择。

  现代运输机的尾门对快速装卸非常重要。尾门放下后,是车辆和人员迅速进出的跳板,或者是空中空投的平台;尾门收起后,成为机尾密封结构的一部分,尾门上还可以额外装载货物。通常尾门分上下两半,下半向外放下,上半向内收起,形成高大的装卸通道。C-17只有上下两半,结构简洁,密封较好,但尾锥因此相对宽扁,机尾的涡流比较严重,为此增加了两片斜向的腹鳍进行局部导流,降低涡流影响。伊尔-76的上半比较复杂,中间部分和常规的上半一样向上收起,左右两片向外下垂打开,同样形成高大的装卸通道。但在尾门全部关闭的时候,尾锥比较尖瘦,阻力较小,气动上更加优美。在空投中尾门打开时,左右两片还 对机尾涡流起一定的屏蔽作用,降低涡流影响,改善空投环境。但伊尔-76的尾门结构复杂,重量较大,密封难度也更高。运-20采用了伊尔-76形式的尾 门。

资料图:运-20采用了伊尔-76形式的尾门。资料图:运-20采用了伊尔-76形式的尾门。

  运-20的尾翼和C-17十分相像,同样采用两段式双铰舵面。也就是说,对于垂尾方向舵来说,上下两段舵面可以分别运动,每段舵面还有像两节鞭一样的前后两部分,后半可以在前半的基础上进一步偏转。高平尾也一样,每侧平尾有内外两段,每段有前后两部分,可以分别偏转,提高操纵效率,降低铰链力 矩。相比之下,伊尔-76就是简单的单片式方向舵和升降舵。

  作为中国第一架大型运输机,运-20和世界上其他典型运输机相比较是自然的。在现代运输机中,C-17无疑代表了最高水平,或者说是豪华级的;伊尔-76已经有40年的历史,但依然皮实、实用,代表了起码水平,或者说是平民级的。运-20在载重量上介于两者之间,在技术水平上也介于两者之间,但 在很多方面更加靠近C-17。运-20的超临界翼设计明显比伊尔-76先进,翼身融合处的整流罩设计更为饱满、精细,尾翼设计、起落架舱与机体的融合则和 C-17相近,但尾锥、尾门设计、襟翼设计和发动机吊挂方式则采取了伊尔-76的优点。和尺寸相近的空客A-400M或者安-70相比,运-20的起飞总重和载重量要大得多。在具体特征上,运-20或许和世界上其他同类飞机有这样那样的相似之处,但就总体设计而言,运-20采用了具有中国特色的设计取舍, 不是对任何一架飞机的简单模仿。总体平衡下来,运-20离世界最高水平还有差距,但已经达到了很高的技术水平。作为中国第一架大型运输机,运-20的成就 是可喜可贺的。西飞干得好!(作者署名:鼎盛 晨枫)

资料图:运-20的尾翼和C-17十分相像,同样采用两段式双铰舵面。资料图:运-20的尾翼和C-17十分相像,同样采用两段式双铰舵面。

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