运-20设计初析

运-20设计初析 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。 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。 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。 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CT7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。 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CT7之 间。比较数据容易看出，CT7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017 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T24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CT7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。 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。 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是第工代涡扇，并有消息说中国还在用为歼T0、 歼T1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。 运-20具有巨大的三缝襟翼，用于在起飞、降落时增升。有意思的是，运-20的襟翼设 计和伊尔-76很相像，但不同于C-17„伊尔-76使用后退式三缝襟翼，其中第一道襟翼和 第二道襟翼之间有明显空隙。这是供翼下高压气流穿过去，对翼上气流产生拉动作用，增 加升力。这是一个比较传统的设计，简单、有效。当然，简单是原理上简单，设计和制造 上并不简单，至少比非后退式的简单襟翼复杂多了。但CT7采用双缝的喷气襟翼，不仅 有同样的缝隙，供下翼面高压气流产生引射增升，还直接处于发动机喷流之中，极大地增 强了增升作用，缩短起飞、降