历经波折终成正果——C-17“环球霸王”运输机发展回顾

万磁王

　　这项结构损伤是计划开始以来最严重的结构问题，正执行飞行试验的测试机和已出厂的飞机都暂时停飞，等待结构补强，美国空军要求在C-17正式装备前必须要出解决方案，补强后的机翼还必须和未来生产型机翼相同。麦道在发生损伤后，立即着手修复试验机体，并规划出厂飞机的返厂修复（retrofit），除了以机翼加强条（stringer）与机翼上蒙皮搭接部分以钢片（strap）补强外，许多翼肋和翼梁的腹板（web）也都以铝制迭片（doubler）补强，使得C-17的结构重量增加了270千克，不过这只占全机重量的极小比例，因此对平衡重心不会造成新的问题。
　　耐久性试验于1992年11月开始，模拟飞机在未来20年服役期、30000飞行小时里各种执行飞行任务：空投、空中加油、低高度跳伞、复飞、崎岖跑道起降...时所可能遭遇的负载情况。1995年7月完成了规范规定的两倍服役寿命试验，但为了未来C-17可能会有的延寿（life extension）需求，试验又多执行了1倍服役寿命，机身额外施加了28000个周期（cycle）的最大增压负载，在1997年7月完成全部试验。

在室外进行耐久性试验的机体

　　耐久性试验发现了两处次要结构件强度不足：发动机挂架与机翼相搭接的螺桩（stub）接头、机翼后侧梯形板（aft trapezoidal panel）与机身隔框搭接处。这两处损伤都是因为局部几何形状复杂、设计不良产生应力集中所造成的，经过设计修改后已无提前损坏的顾虑，且因为都是次要结构，对C-17计划的进度没什么影响。
　　1988年8月，五角大厦奋力抵挡国会及部内反对C-17的批评声浪，拒绝终止此型飞机的采购计划，有效地扼杀了想终结C-17的念头。国防部仍然维持原来210架的预定采购数量，生产尖峰定在1993年，当年需生产29架，而C-17的初始作战能力（Initial Operational Capability）建立日期，也就是第1个飞行中队12架飞机正式可执行任务的日期，也由1992年4月延后至1992年9月，又延至1993年五月，最后则是1995年1月。
　　1990年由于冷战已结束，加上美国政府对解决财政赤字一筹莫展，美军开始了瘦身计划。国防部在当年4月宣布将C-17的预定采购数量由210架锐减到120架，讽刺的是这项决定宣布后几个星期，就发生了有史以来规模最大的“沙漠盾牌”（Desert Shield）运输任务，迫切需要战略运输的能量。1999年科索沃（Kosovo）战争后，鉴于美军的空运能量确有不足，国防部在检讨报告里建议国会能批准增加采购60架C-17，使机队总数达到180架。
　　1991年8月，美国空军第一个C-17运输中队，位于南加州查尔斯顿（Charleston）空军基地的第437联队第17运输中队的飞行员开始接受C-17模拟器训练。1992年初，第17中队开始逐渐停止C-141的飞行任务。

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飞行测试
　　C-17的飞行测试任务由5架飞机执行，分别是原型T1机、生产型P1~P4机，试飞的目的在验证飞机的飞行性能，摸清飞机的飞行包线（flight envelop）。1991年10月17日，T1机的线传飞行系统在第11次试飞时失效，由机械备份系统接手，为此飞控软件进行修改。
　　1992年1月17日，T1机完成了100飞行小时、35架次的飞行测试。测试过程中，C-17的最大飞行速度达到0.85马赫、最高飞行高度10700米、最低飞行高度1200米，最小空速每小时154公里。测试内容包括在进场时把一台发动机关闭，并在空中重新起动，模拟发动机失效进场及重飞，使用的燃油有JP-4和JP-8。
　　第一架生产型P1机于1992年5月19日首飞，由长堤直飞爱德华兹（Edward）空军基地，机体表面涂装是空军机动司令部的标准灰色。这架飞机的主要任务是飞行负载试验（flight load test），并验证C-17在未铺柏油跑道路面上的起降能力。1992年底，P1机装载重达41吨的M60主战坦克进行了首次重负载试飞。
　　1992年6月17日，C-17的货舱门及装卸甲板首次在飞行中缓缓开启及关闭，当时高度为3000米，空速每小时370公里，验证了C-17的空投能力。
　　第二架生产型P2机于1992年6月20日首飞，机内增加了许多T1和P1原先没有的航电装备。
　　第三架生产型P3机于1992年9月7日首飞，由于爱德华兹空军基地的跑道因为修理而暂时关闭，C-17首次降落在干涸河床上。1994年1月，P3经过8个多小时穿越北极圈的飞行后，抵达阿拉斯加（Alaska）的埃尔森（Eielson）空军基地，进行寒冷气候测试。

P3在埃格林空军基地的气候实验室中进行冰冻测试

P3进行防冰测试

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　　第四架生产型P4机于1992年12月9日首飞，几个礼拜后的1993年2月，P4机飞到德州沃斯堡（Fort Worth）进行长期装载试飞，之后的主要任务则是测试飞机在各种气候下的机体情况。

进行电磁兼容测试的P5

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　　1993年5月，第17中队接收第一架C-17，为了练习以前C-141从没飞过的急速降落，查尔斯顿空军基地特别增建了一条宽27.4米、长10700米、未铺柏油的跑道。C-17的飞行性能让飞行员们印象深刻：“飞上天空后，飞机的表现无懈可击”。

小布什在查尔斯顿C-17前发表演说

　　1995年末，C-17完成了全部试飞，总试飞时数超过4000飞行小时。爱德华兹空军基地第6150中队非常有效率地一步步开发了C-17的飞行能力。C-17发展阶段的进度每每有所耽误，相比之下，各阶段的试飞计划都能吻合原先规划的进度。

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C-17概况
　　美国空军新一代C-17运输机的外观和传统运输机没什么两样：上单翼（high-wing）、四台翼吊发动机、T型尾翼（T-tail）。但飞机内部显示出这是一架全新设计的飞机：它有符合人体工学的驾驶舱、四部多功能数字显示器（multi-function digital display）、二具平显（HUD）（C-17是第一架安装平显的运输机）、任务计算机（mission computer）、综合式无线电管理系统，使飞行员的工作负荷维持在合理的范围内。并排的正、副飞行员座位后方还有二张座椅，提供长途飞行时轮换机组的座位。C-17使用飞行操纵杆（control stick）而不是传统的牛角型驾驶盘（yoke），由数字式四冗余飞控系统（quadruply redundant FBW control system）负责操纵29片控制面，另外还有机械式备份系统。

C-17的双座驾驶舱布局

进行长途或训练任务时，驾驶舱可以坐4人

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　　C-17的货舱为洞穴式设计，和一般的运输机没什么不同，采用了20世纪70年代在YC-15原型机上经过验证的输送台装/卸货系统，只需一位装载长（loadmaster）就能进行货物的装卸。前机身两侧有58个侧壁式（side-wall）常设乘客座椅，中央部分有48个可拆式座椅，共可搭载106名武装士兵。这些座椅必要时可以拆除改为安装12组医疗装备，每组有4副担架，进行紧急医疗支持。C-17的装/卸货舱门位于后机身，货舱装载空间长达20.73米，配有动力输送带，可装卸18个标准货柜。

C-17货舱尺寸

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　　C-17的货舱门开口比美军现役运输机都大，独具空投步兵战车（infantry fighting vehicle）的能力。在货舱门关闭时，舱门上还能承载重达18吨的货物，几乎是C-130全机的载货量，而一般运输机的舱门通常只能堆放较轻的货物。
　　C-17翼展长51.75米，后掠25度，采用超临界（supercritical）翼剖面，翼尖有小翼（winglet），小翼具有稳定气流作用，可以提高燃油效率。机翼上共有两片副翼、8片内翼扰流板、4片襟翼、8片缝翼（slat）。机翼重量约占全机结构重量的三分之一。

C-17的超临界翼型是NASA SC(2)-0412

C-17在设计上借鉴了很多客机的成熟技术，如PW2000发动机、发动机舱扰流片，以及翼梢小翼。这个装置可以减少翼尖涡流阻力，提高燃油经济性

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　　C-17安装四台普惠（Pratt & Whitney）的PW2040涡轮扇（turbofan）发动机，美军编号F117-PW-100。该发动机的前身是PW2037，由普惠公司在1979年12月开始研制，推力为17400千克，1983年12月通过美国联邦航空管理局（FAA）的认证，1984年12月开始装在波音757上使用。1988年普惠公司完成推力提升，将推力增加到18900千克，并赋予新型号PW2040。1988年12月获得军方认证安装在C-17上，当时此型发动机已累积了数百万飞行小时的使用经验，可靠且耐用。

测试台架上的PW2037发动机，已经打开了反推装置

发动机正常工作模式和反推模式的对比

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　　发动机以悬吊式挂架（cantilevered pylon）挂于机翼的前下方，每具挂架由数个铸铝螺桩（stub）结构与机翼相搭接，使外挂载和机翼间有连续的负载路径（load path）。由于挂架和发动机靠得很近，在强度及温度的考虑下，挂架主要采用钛合金材料制造。

制造中的C-17发动机挂架

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　　C-17的后机身有两片配平式水平尾翼、4片升降舵、一片垂直尾翼、两片方向舵。尾翼为T字构型，垂尾后掠41度，顶部是可变安装角（variable incidence）平尾。垂尾内有个特殊的设计，内部有一个维修通道，可让维修人员爬到平尾上进行维修。

C-17的操纵翼面

垂尾维护通道