运-20与C-17同样先进,但貌合神离

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运-20是先进的四发大型运输机,除了发动机不够给力,在技术水平上与C-17相当

9月11日,中国首批参加俄罗斯“高加索-2020”战略演习部队搭乘2架运-20飞抵俄罗斯,9月14日,第二梯队3架运-20抵达。这是中国首次用运输机向境外点到点空运步兵战斗车等重型机械化设备。

运-20人称“胖妞”,是先进的四发大型运输机,外观上与美国C-17相像,都采用上单翼、翼下发动机、高平尾、腹侧多轮起落架,都具有大型尾门,打开后兼做装卸斜板,便于车辆和人员上下。在空中时,打开的尾门则便于空投作业。

运-20和C-17的设计定位相似,都在载重量和航程方面达到战略空运要求,但能在传统上只能运作战术运输机的跑道上起飞和降落。运-20和C-17这一级先进运输机模糊了战略空运与战术空运的界限,代表军事空运的最高水平。两者相比,运-20稍小,但也足够在战略空运的航程上运载主战坦克,满足中国空军的要求了。C-17更大,战略空运能力更强,不过美军主战坦克本来就比中国的更重。

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运-20与C-17在外观上相像,但恶魔就在细节之中

运-20和C-17在外观上相似,实际上貌合神离,在设计上有很多细微但关键的不同。运-20在设计上结合了一些伊尔-76上的有用做法,在使用上与C-17也不同。

运-20的机翼与机身结合部形成明显的隆起,C-17的结合就比较平顺。这不是运-20的设计水平低下,而是对机舱内顶板高度的考虑。C-17没有隆起,但翼盒穿过机体的部位造成机舱顶板降低,形成C-17机舱里前后高、中间低的局面,对长大货物的高度限制较大。运-20的机舱高度在全长里都是一样的,就没有这个问题,代价是隆起增加了一点巡航阻力。

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运-20(上)与C-17(下)相比,机背有显著隆起,翼身融合部比较粗大,阻力增加。C-17也有些许隆起,但小得多

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但运-20(上)的机舱空间完整,在全长内高度一致;C-17(下)机舱中段的天花板较低,影响长大物资的运输,中段货舱高度(3.76米)还低于运-20(4米),对特别宽大的机舱直径是一个浪费,但对美军还是够用了

运-20也没有采用翼梢小翼。机翼是靠下表面对上表面的压力差实现升力的。气流一定沿最小阻力途径流动,在机翼翼根到接近翼尖的地方都无机可乘,所以上下表面气流在机翼后缘汇合,老老实实产生升力。但在翼尖处,下表面气流可以横向绕到上表面,涡卷的能量带动环境空气,非但不产生升力,还形成阻力。翼梢小翼像挡板一样,阻挡涡卷的形成,降低翼尖阻力,可以等效为更大的翼展,产生更大的升力;或者把降低的阻力等效为推力,最终结果都是一样的。不过翼梢小翼产生升力的效果不如真正的机翼。换句话说,翼梢小翼的“翼展”等效为真正的机翼翼展是要打折扣的。一般只有在翼展受到物理限制而无法增加的时候,才用翼梢小翼。翼展在设计时就已经够用的话,那就没有必要增加翼梢小翼,运-20正是这种情况。

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运-20和C-17都是翼下发动机,但运-20的发动机位置更低

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C-17的喷气襟翼来自YC-15,注意发动机的推力线和襟翼的位置

运-20和C-17都是翼下发动机,但运-20的发动机位置相对更低,这是因为两者采用了不同的增升机制。C-17采用喷气襟翼,发动机的推力线很高,大面积襟翼放下后,直接处于喷流的冲刷之中,产生强大的额外升力,缩短起飞、着陆距离。这是从70年代美国空军“先进中型短距起落运输机”(AMST)项目中麦道YC-15的技术发展而来的。波音YC-14采用的上表面吹气增升技术更加科幻,但发动机喷流对机翼上表面的长期冲刷容易造成结构疲劳,还是麦道的喷气襟翼技术更加可靠。AMST下马了,但喷气襟翼最后用于C-17了。喷气襟翼的缺点是比较“吃”推力,在喷气襟翼将喷流向下偏转产生额外升力的同时,依然需要有足够的向后的推力,才能使得飞机达到足够的加速。

运-20采用的就是类似伊尔-76的常规大面积襟翼,技术上比喷气襟翼更加保守,因此翼载更低(运-20为710公斤/平方米,C-17为730公斤/平方米),巡航效率稍低。

但常规襟翼也适应运-20推力不足的现实。运-20还在用来自俄罗斯的索洛维耶夫D30涡扇,性能可靠,但油耗较高。中国仿制的涡扇18已经研发就绪,可以直接与D30互换。中国商发正在为C919研制CJ1000先进涡扇,技术水平与美国通用电气LEAP相当,但可靠性还没有建立。四发的运-20对发动机可靠性的宽容度更高,中国空军对迅速扩大运-20机队的要求急迫,可以先走一步。CJ1000在批量生产中完善工艺过程和质量管理,在使用中持续改进和提高可靠性,这对空军和民航是双赢的。先军后民也是美国经验,波音、普拉特-惠特尼、通用电气还有早年的洛克希德、道格拉斯都是这样借助军需完善技术、验证可靠性再转移到民用的。CJ1000更大的推力对运-20十分有用,运-20的性能潜力本来就需要更大推力的发动机来解锁。为了控制技术风险,也可以逐步解锁,从降低推力的CJ1000开始,放宽工作条件,对冲初始可靠性可能不足的顾虑,在积累使用经验后,逐步解锁发动机的推力潜力。

据说与通用电气CFM56对标的涡扇20也在研制中,但地位比较尴尬。涡扇18更成熟、可靠,CJ1000推力更大、油耗更低。估计只有在CJ1000的研发遇到严重阻碍的时候,涡扇20才会备胎转正。这将依然是对D30/涡扇18的有用升级。

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C-17在机侧跳伞时,有扰流板对气流稍作遮挡,便于伞兵跃出;在机翼后的位置也便于下洗气流将伞兵迅速与飞机分离

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运-20也是类似的设计,可以看到起落架舱后端上方的离机门。但运-20没有C-17尾锥下的一对腹鳍

作为军用运输机,运-20和C-17都有空投伞兵的任务。两者都可三门四路空投,也就是说,左右侧面加尾门左右侧,可四路离机。左右侧门都在机翼后、主起落架舱后端上方。这个位置便于伞兵离机后,在机翼下洗气流的作用下与飞机迅速分离。C-17的侧门打开时,兼做挡风板,便于伞兵跃出离机。运-20不清楚是否有同样的设计,做到应该不难。有意思的是尾门设计的不同。

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运-20尾门的后段采用类似伊尔-76的三片式结构

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C-17尾门的后段则是单片式

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显然,运20装运高大装备的条件更好

运-20和C-17的尾门都是是两段式,前半可放下兼做装卸斜板,后半打开时增加开度,但两者的做法不同。C-17的后段是单片式,整体向上升起,结构简单、干净、轻巧,但净高限制较大。由于C-17货舱直径很大,这个限制一般来说并不碍事,但还是限制了长大货物的装运。运-20的后段尾门为伊尔-76那样的三片式,结构复杂,重量较大,高空飞行时的密封要求也更高,但中片升高时,吸顶更加紧密,对净高的影响小,有利于充分发挥货舱空间的高度。

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图中为伊尔-76的尾门打开时,运-20的尾门设计与此相似

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C-17就要“裸露”得多

另一个不同的地方是,在空中打开尾门进行空投作业时,机尾紊乱气流会对伞兵或者空投物资造成危险。C-17在尾锥下有一对固定的腹鳍,用于整流,但在不进行空投作业的时候,增加巡航阻力。运-20在尾门打开时,侧片的长度和面积更大,整流作用比C-17的腹鳍更好,空投作业更加安全,关门收起后则没有额外阻力。三片式后段也有利于尾锥后段截面更加接近圆形,降低后体阻力。C-17那样的单片式后段使得尾锥后段的截面更加接近鸭嘴形,后体阻力较大。

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伊尔-76的舱顶有两条导轨,这是给天车用的,运-20也采用了这个设计

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这似乎是苏联运输机共有的,这是安-70

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伊尔-76的地板上也有滚轮,便于物资移动

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C-17只有滚轮,没有天车

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大件物资在舱内移动要靠人拉肩扛

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欧洲的空客A400M也没有天车,只有滚轮

舱内的货物移动系统也不同。大家都用固定货物和车辆用的地板挂钩点,都有地板滚轮(在装运车辆的时候可翻转隐藏),但运-20再次借鉴伊尔-76的先进经验,舱顶还有两条导轨,便于运作天车。天车不是用来吊运东西的,主要是帮助在舱内牵引沉重物资的,包括装卸和空投作业。有意思的是,这似乎是苏联运输机特有的,从安-12开始就就有了,现在中国也“拿来”了,但欧美运输机都没有,不管是美国的C-130、C-141、C-5、C-17还是欧洲的“协同”、A400M,这对强调效率、人机和自动化的欧美很不可思议。C-17反正也不能用导轨和天车,中间较低的顶板决定了即使用天车,也得分段,使用会很不方便,索性继续人拉肩扛的老传统了。

运-20是第一种中国独立设计和制造的大型运输机,结合和C-17和伊尔-76的很多特点,在技术水平上超过伊尔-76,与C-17相当。这是巨大的成就。根据公开信息,运-20的最大载重量为66吨,空重100吨,最大起飞重量220吨,机长47米,翼展45米,采用4台索洛维耶夫D-30KP-2涡扇,单台推力117.7kN,最大载重时航程4500公里。相比之下,C-17的最大载重量为77.5吨,空重128吨,最大起飞重量265吨,机长53米,翼展51.7米,采用4台普拉特-惠特尼F117-PW-100涡扇,单台推力179.9kN,载重71.2吨时航程4480公里。

两者大小不一样,单看基本数据不容易判断设计水平,换一个角度就容易些。运-20的翼载为710公斤/平方米,翼展与最大起飞重量之比为0.204,最大起飞重量下的推重比为2.14,空重与最大起飞重量之比为0.45,最大载重量与最大起飞重量之比为0.3。相比之下,C-17的翼载为730公斤/平方米,翼展与最大起飞重量之比为0.195,最大起飞重量下的推重比为2.70,空重与最大起飞重量之比为0.48,最大载重量与最大起飞重量之比为0.29。

对于战斗机来说,低翼载意味着更高的机动性,但这对运输机来说不重要,巡航效率和航程才是最重要的。运-20没有采用喷气襟翼之类的高增升技术,只能用更大的机翼面积(也就是更低的翼载)产生足够的升力,满足野战跑道的起飞距离要求。翼展与最大起飞重量之比不是一个常用的指标,但含意差不多,运-20需要用稍大的翼展才能达到同等的最大起飞重量。这两者都意味着运-20的结构重量和航程方面会稍有损失。

但结构和材料设计可以补偿机翼气动设计的不足,这方面,运-20得益于20年的技术进步,反而技高一筹,空重与最大起飞重量之比低于C-17,最大载重量与最大起飞重量之比则略高于C-17,两个指标上都意味着运-20的结构和材料水平略高于C-17,可以用较轻的机体承载更重的载荷。

但在动力方面,运-20显著落后了,最大起飞重量下的推重比只有2.14,大大落后于C-17的2.70,甚至低于伊尔-76的2.48。这严重影响了运-20的野战机场起飞能力。公开的数据里没有运-20的满载起飞距离,估计会显著落后于C-17和伊尔-76。运-20的最大速度为M0.75,C-17为M0.875,伊尔-76为M0.82,或许可以作为运-20动力不足的间接证据。

动力不足可能在一开始就限制了运-20的设计选择。喷气襟翼不仅在技术上更加激进,也需要更大的发动机推力才玩得动。D30的基本设计是为1963年首飞的图-134设计的,经过不断改进,涵道比也只有2.24,涡轮前温度提高到1427K,都远远落后于现代技术水平了。

中国商发正在研制的CJ1000则是按照现代最高技术水平设计的,涵道比超过9,推力为125-131kN,长度比D30更短,但直径更大,好在运-20的翼下空间足够,换用大直径涡扇没有问题。重要的是,CJ1000的油耗大大降低,从D-30KP-2的0.715公斤燃油/公斤推力/小时降低到0.52。

换用CJ1000的话,推力增加6.2-11.3%,最大起飞重量时的推重比提高到2.27-2.38,依然不够理想,但已经是显著的进步了。考虑到油耗降低28%,同样的载重和航程条件下,容许减少起飞时携带的燃油以降低起飞重量,缩短起飞距离。但在实用中,很少会有人主动降低燃油量,如果能把推力增加到135kN,可将最大起飞重量下的推重比增加到2.45,这就达到野战机场起落能力公认强悍的伊尔-76的水平了。增加到C-17的水平则无必要,毕竟没有使用喷气襟翼技术。改用喷气襟翼不仅涉及气动,还涉及机翼结构,就要推倒重来了。如果需要的话,运-20还可以加装翼尖小翼,增加等效翼展,改善野战机场起落能力和航程。当然,小翼不一定能在现有飞机上直接加装,但运-20还在生产初期,还将生产很长时间,改进型是指日可待的,整合进翼梢小翼并无不可克服的技术困难。

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运-20也是良好的加油机平台,伊尔-78加油机就是从伊尔-76运输机改装的

外国航空媒体根据卫星图片,发现在西安的飞机厂和阎良试飞中心曾同时有20架之多的运-20,运-20的实际产量应该大大超过20架。这不仅是中国空军的战略空运主力,还可能成为加油机的改型基础。西方加油机常用民航客机改型,中国缺乏现成的大型民航客机作为改装平台,而且军用运输机作为加油机的基础还有适合野战机场起落的优点,更加适合高烈度战争,尽管航程方面受一点损失。预警机、电子战飞机也可能采用运-20作为平台,但现在的趋势是分布化、网络化、小型化,运-20反而可能太大了。

运-20到俄罗斯已经不是第一次出国了,以后还会有越来越多的出国。军用运输机是非武装的,政治敏感度低,有利于在各种联合演习、人道救援等使命中把国旗和军旗飘扬到世界各地。胖妞还是个上得厅堂、下得地头的虎妞呢。

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