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原创:运20与伊尔76、C-17的比较

2015-04-08 17:01 编辑:admin 点击:
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核心提示: 空军世界网站编写 在今年的珠海航展中,首次正式向公众亮相的运-20运输机非常引人瞩目。运-20是我国军工企业自行研制的新一代大型军用运输机,于2013年1月成
空军世界网站编写

  在今年的珠海航展中,首次正式向公众亮相的运-20运输机非常引人瞩目。运-20是我国军工企业自行研制的新一代大型军用运输机,于2013年1月成功首飞。同一时间参加航展的还有俄罗斯研制的伊尔-76运输机,以及美国研制的C-17运输机,它俩是各自国家及外国用户军用运输机部队的中坚力量。中俄美三个世界大国的明星运输机共聚一堂,这还是首次,令航空爱好者们惊叹不已。这里我们对三位明星进行简要的对比分析。

  

  伊尔-76是三种运输机中最早研制装备的机型,早在1960年代前苏联已经启动了相关工作。其目的是替代安-12运输机,也就是我国运-8的原型。C-17的研制起步于1980年代,在世纪之交开始大量生产装备。而运-20是彻底尚未完成研制工作的新星,2000年前后提出了研制优于当时能够引进的伊尔-76的国产运输机,2004年相关模型首次公开亮相。2006年初,"发展大飞机"成为国家决策,随后大型飞机研制重大科技专项正式立项。

  2007年6月大型运输机项目正式立项,8月外刊报道了较为准确的项目概貌。2009

  年11月5日中国航空工业集团宣布大型运输机正在生产。

  三种机型最大的相同点是,它们的研制目的都是为部队提供完成战略、战术远距离快速机动部署的能力。远距离的要求是至少能够覆盖本国国土,同时应考虑全球部署,也就是跨越大洲的部署能力。快速指机动速度要高于铁路、海运等传统方式。同时必须尽量降低对起降机场条件的要求,否则起降地点的选择将非常有限,甚至失去实际意义。尽管中国目前没有远离本土空域、进行跨国大规模机动作战的需求,但中国领土辽阔,加上各种和平时期运输任务(例如人道主义行动)的要求,发展大型运输机有着战略层面的重大意义和战术层面的实际价值,这一点与美俄的考虑较为吻合。

  运载能力

  虽然三种机型年代相差很远,但三个机型的总体都采用了上单翼、翼吊发动机、高T尾翼、机尾跳板门的总体布局。作为运输机,最引人注意的指标是载重量,由于运-20的具体指标尚未公开,我们只能进行一些推断。据报道,运-20大致上长47米,翼展45米,高15米,起飞重量220吨,而载重量推测在55到65吨之间。而俄罗斯伊尔-76MF型运输机,也就是该机型较新的改型的载重量大致在55吨,运-20在载重量数字上略微优胜一些。而美国C-17运输机的尺寸大小、载重量指标定位较高,它的载重量大约为70到80吨。

  这一区别主要来自于用户对新运输机的定位,以及具体技术能力的限制,例如起降条件要求和发动机技术水平等等因素会对载重量指标的设置产生关键性的影响。以美军为例,C-5“银河”运输机的运载能力更为出色,但它对起降条件要求很高,只能在少数大机场降落,仅适合于执行空运枢纽之间的战略运输任务。以往美军使用较小的C-141和C-130运输机完成枢纽到一线作战机场的空运任务。而C-17的出现,令美军拥有了一种运载能力接近C-5,又具备在规模小的机场、乃至泥土跑道上起降能力的运输机,非常好的的衔接了战略和战术空运两个范畴。运-20是否具备这种能力尚不得而知。

  同时,一种军用运输机是否能装重量更大、品种更丰富的货物,是否能够灵活的满足用户的要求,并不仅仅由载重量数字指标决定。第一个重要的因素是货舱尺寸,伊尔-76就是一个典型的负面例子,由于它的货舱宽度太小,使得运载苏军新型坦克的操作较为困难,通常需要拆卸装甲裙板,更宽的货物则无法装载。货舱宽大意味着阻力增大,如果没有更大推力的发动机则无法弥补,这也是最初某些运输机货舱较窄小的主要原因。另一个因素是货舱装载重物的配平能力,特别是空投操作时的配平能力。假如一种运输机只能在货舱指定的狭小空间上装载重物,或者空投时重心变化会令飞机失控,那么它的实用性就变得很低。应该说运-20通过在伊尔-76基础上加宽、加高货舱,较好的解决了货舱尺寸问题。据称运-20的载货空间超过伊尔-76三分之一。由于伊尔-76运输机已经可以运载和空投三辆重达8.2吨的我军最新型伞兵战车,所以运-20的配平能力也应当不成问题。

  机翼

  如何做到货舱的最大化,而又不过大的增加阻力和结构重量,一直是运输机设计的难题之一,这也是这三种运输机的设计差异之一。最容易对运输机货舱空间造成影响的因素是机翼与机身的结合部分,有许多飞机的结合构件穿越机身,这是运输机设计上需要尽量避免的,因为这等于隔断了货舱空间。因此绝大多数运输机将结合构件安排在机身顶部或者底部,这样货舱就不受影响了。这一机翼安装位置的其它重要考虑包括给翼下吊挂的大尺寸涡扇飞机提供足够的安装和维护操作空间,同时尽可能避免地面沙石异物打中机翼的可能性——这对需要在泥土跑道上起降的战术运输机非常重要。

  这一机翼布局要求为机翼和机身的结合部件安排整流罩,降低阻力,因此这三种运输机顶部都有巨大的整流罩。这个整流罩如果不做进一步的优化,仅仅起到减小阻力的作用,但飞机设计师们精益求精,给它找到更大的用处。

  一些更大的运输机,例如C-5和安-124把机翼结合件安排在高于货舱的分隔空间内,因此它们的机翼结合件整流罩实际上成为了机身主体的延伸部分,提供了额外的空间。这两种运输机的机身空间其实被分隔为了上下两部分,上面就是整流罩延伸产生的空间,装有机翼结合件和其它能够安排进去的设备,下方才是货舱。这些分隔构件保证了强度,但要占用宝贵的重量,C-17则通过材料和设计上的改进,实现了无需带有隔板的中央翼内置结构,也不再需要设置机翼结合件整流罩,既节省结构重量,也减少了“外置”机翼结合件产生的阻力。

  C-17的机翼结合件后方延伸出一个额外的空间,构成了后部高大货舱空间的一部分。因此C-17的货舱后部要比前部更高(或者说前部并未像C-5那样有额外的上层隔间),机身后部显得比前部要翘起一些。这在装载上也有很大好处,这是因为大尺寸货轮进出尾部跳板门时需要占用较多高度,但进入货舱放平后占用的高度就下降了。C-17的这一设计难度很大,即使欧洲刚刚投产装备的A400M运输机,以及乌克兰的安-70,也仅仅使用了传统的中央翼整流罩外置布局。必须补充的是,C-5和安-124完整的上下隔间设计使得机头可以安排大尺寸货舱门,而C-17则无法做到。

  运-20的机身背部有较为高大的整流罩,说明它也采用了不影响货舱空间的机翼结合件设计。这也暗示了运-20和伊尔-76的联系,后者一样采用了这种“外置”中央翼的成熟设计。如前所述,这一设计需要一个整流罩,但阻力和重量方面都不如C-17的设计那样出色,但设计难度小,成熟可靠,因此也是一种可取的设计。此外,C-17的设计也有若干折衷,例如“内置”机翼结合件终究要占用一定的货舱空间,所以C-17的机身截面设计时有所增大,以弥补这方面损失的空间。进一步的问题是,C-17需要非常出色的发动机来克服以上特点带来的额外阻力,这对发动机技术不如美国的国家来说不切实际。

  尾翼

  三种运输机的另一个共通点是都采用了高置T形尾翼布局,也就是平尾安装在垂尾的顶部。这是一个优点、缺点都很突出的设计。该布局的优点是平尾有着较高的速度阻滞系数,效率比其它布局好。平尾为垂尾气流提供了有利的遮挡,提高了垂尾效率。飞机的主机翼会产生很强的气流尾涡,与机翼在接近的水平面上的平尾,比较容易避开机翼尾涡的干扰。此外高T尾翼也通常离发动机安装位置和发动机喷流更远一些,在某些尾挂发动机布局的飞机上只能采用高T尾翼。具体到军用运输机方面,高T尾翼可以使得机身货舱尾部部署大门变得更简单,也提供了较大的装载操作空间。这一布局的缺点是,支撑平尾的垂尾结构必须加固,重量增大,且不适合用于后掠角大的尾翼,也就是说不太适用于高速飞机。最大的争议,来自于特定迎角角度下主机翼和尾翼之间的不利干扰要比其它布局更为危险,但这一问题主要影响需要做出激烈机动动作的高速飞机,例如战斗机,对运输机来说问题不大。

  发动机

  三种运输机都才用了大涵道比涡轮风扇发动机,它最突出的优点是经济实惠,燃油消耗相对较低。主要原因是这种发动机外涵道的空气不进入燃烧室,而是与内涵道流出的燃气相混合后排出。内外涵道气体混合后,降低了喷嘴平均流速与温度,较低的流速带来较高的推进效率和较低的噪声,而根据热机原理,较低的温度能带来较高的热力学效率。两种因素共同作用,使得涡扇发动机在相同油耗的情况下能获得比涡喷发动机更大的推力。大涵道比发动机的推力主要来自于前风扇驱动的外涵道气流。

  根据网络现有信息,2005年4月我国自行研制的第一台高推重比涡扇发动机核心机点火成功。随后网上出现了我国测试飞机携带大涵道比涡扇发动机的照片,据信该发动机是国产涡扇-20发动机,在通过各项严格试验后,将被用于国产大型飞机,例如运-20。目前运-20配备的是俄罗斯D-30KP-2涡扇发动机,这与伊尔-76运输机使用的发动机是同一家族的产品。D-30KP-2虽然是前苏联研制的较为先进的该级别发动机,但与西方最先进的几种发动机相比有明显差距。首先其涵道比较低,还没有真正到达4或者5这样被公认为大涵道比发动机水平的比值。推进效率也比较差,D-30KP-2的巡航耗油率在0.72公斤上下,而西方先进产品的涵道比大约在5以上,巡航耗油率大约为0.6公斤。

  这里谈及的西方先进产品指的是已经研制成功、大量装备、军民两用的多种发动机,西方刚刚完成研制的新型发动机的性能要更为出色。C-17使用的是非常出色的普惠公司PW2040涡轮风扇发动机。此型发动机的前身是普惠公司的PW2037发动机,这是一种民航发动机,被波音757-200才用,而PW2040是它的改型,用于波音757-200货运型和加大航程型。PW2040的涵道比为5.9,是名副其实的大涵道比发动机。最终这一经历了完整研发改进过程、经受了大量实际应用考验的发动机被军方指定为C-17的发动机。当时此型发动机已累积了数百万飞行小时的使用经验。

  据称假如伊尔-76能够搭配西方标志性的CFM-56涡扇发动机,航程可以比原有水平提高20\%。为此,前苏联、俄罗斯正在研制新型PS-90A涡扇发动机,涵道比为5,巡航耗油率降低到0.6,但因为俄罗斯近年科研工作进展的缓慢,该发动机依然处于科研阶段。

  小节

  运-20作为一个以伊尔-76为基础进行重大改进的全新运输机,摆脱了伊尔-76若干严重的缺陷,将整体性能提高到了接近世界领先水平的范畴。与C-17相比,运-20因为定位和参考基准的重大区别,以及关键子系统(例如发动机)上的差异,与C-17有着相当的差距。但必须肯定运-20作为我国第一个自主研制的大型运输机,起点已经非常的高,在短短十几年内跨越了其他航空强国研制相似机型经历的漫长历程。运-20还为更为出色的未来中国大型运输机奠定了扎实的基础,可以确信我国在不久的将来将取得大型运输机研制工作上决定性的胜利。
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