运-20设计初析
作者：晨枫运-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。
各国运输机同比例侧视图（转飞扬） 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。
高山绘制的大运、伊尔-76、A400M 对比图 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。
运-20采用外置翼盒结构 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C-17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。
伊尔-76货舱尺寸
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C-17之间。比较数据容易看出，C-17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C-17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-124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C-17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。
C-17货舱尺寸，可以看到翼盒的影响 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。
空客的A400M也是外置翼盒结构 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是第三代涡扇，并有消息说中国还在用为歼-10、歼-11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。
图为我国研制的国产长江-1000A大涵道比涡扇航空发动机，主要用于装备C-919客机2012年，珠海航展展出的我国大涵道比涡扇发动机。据悉，该发动机具有四大特点：高效率，低燃油消耗；高 可靠性，长使用寿命；低排放，低噪音；低维护成本，维修性佳，将用于国产大飞机运-20换装国产发动机对比想象图
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C-17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、降落距离。原理类似的吹气襟翼在F-4“鬼怪”式战斗机上早就有应用，但那是从发动机压气机引出气流产生增升，C-17直接用发动机喷气产生增升，增升效果强烈得多。
运-20机翼上复杂的前后缘增升装置以及扰流板 运-20没有采用喷气襟翼可能有几方面原因。除了喷气襟翼本身的技术难度外，发动机推力不足可能是最大的障碍。喷气襟翼放下后，接受发动机喷流的吹拂，将喷流部分向下偏转，并通过缝隙引射增升，增升效果明显。同时，喷气襟翼要求发动机的推力轴线紧贴下翼面，这样才能是襟翼处在喷流之中。但发动机喷流紧贴下翼面可能影响喷流的发育。但另一方面，向下偏转的推力轴线降低了实际向前的推力，在发动机推力不足的情况下，这是很要命的。喷流在喷出喷口之后，并不是像铅笔一样的直筒子，而是像喇叭口一样散开，然后再形成捅形。这是因为高压喷流在离开喷口之后，喷流中心的压力使得喷流向压力较低的环境空气膨胀出去，好像吹肥皂泡一样。喷流的发育受到机翼下表面的阻碍的话，不光烘烤翼面结构，还会造成推力损失。考虑到要用推力不足的D30先飞起来，运-20不能负担这样的推力损失。
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。
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。
超临界翼的特点
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。
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。
运-20的起落架布局 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。
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。
运-20的尾翼和C-17十分相像，同样采用两段式双铰舵面 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！
页:
[1]