大飞机科普（三）——运-20 C919落后吗？

万磁王

大飞机科普（一）——明白客机的制造流程
大飞机科普（二）——ARJ21项目15年得失
大飞机科普（三）——运-20 C919落后吗？
原作者：leeone  

　　这篇文章是我一直想写的，让大家更加懂得大型机的性能是如何评估的，至少要理性的对待分析。这篇文章注重性能评估，军用机和客机道理是通用的，只是各自侧重性能不同。
　　文章会结合大量的图表进行说明，资料来源主要波音及空客官网提供的PDF文件（运输机和民航客机的性能评估道理都相同，民用资料是公开的容易获得），少量的军用机型图表则通过网络搜索，不确定其可靠性！

文章数据及图表来源展示

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如何评估大型机的性能特点
　　大家在评论战斗机时，往往会在航电、武器、机动性等方面发生争论。大型机上其实简单很多，往往只有飞行性能一项，航电等性能对于大型机（对运输机、客机而言）来说并不是那么重要！预警反潜机等另说。而飞行性能，最通俗易懂当然是能载重多少，飞多远，省不省油等。其实如果真要细致了解大飞机的优劣，依然需要知道很多细节的数据才可以做出判断。这些数据主要的包括：
　　结构空重
　　运营空重
　　最大零燃油重量
　　最大起飞重量曲线
　　最大着陆重量曲线
　　巡航速度
　　单位油耗
　　在了解大型机性能前，必须要让大家了解一些概念，这个是重要的。

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批次
　　对于战斗机，大家很容易理解批次，像F-16 block30  block52这些。其实在大型机（至少客机）里面，也会随着技术流程优化推出新版本（非扩展型号）。比如用波音777，95年出厂的批次地板梁是铝合金，而04年后生产的批次改用铝锂合金，到了06年后的LR型号则换为复合材料。所以很多人说中国材料不行，造大飞机不行，看看人家最早批次的材料和我们现有水平相比如何再下结论。航电系统也是在升级的，这里就不细说了。机型性能在慢慢提升，拿着优化了几十年的后期型号去比新型号也不科学，当然市场会作出选择，让飞机制造商有动力去优化。

看看A350  2011年性能和2013年性能的区别，2013年空重142吨比2011年估算的135吨多了7吨。实际上787也超重，生产到100多架后才恢复到预期目标

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亚型
　　很多人以为，一个型号的大型机肯定就是一个性能，实际上在民用这块，比如说同一款的777-200ER，也会有不同的起飞重量选择，航空公司可以根据航线去选择（大起飞重量飞远，但是运营费用高，小起飞重量适合区域航线，运营费用低）。比如说新加坡航空，他们是拿飞14000公里的777-200ER降级为飞10000公里的777-200用，这样运营费用低很多，到卖时再恢复ER的能力，也好出手。军用机目前没有官方的pdf文件，不知道是否有亚型选择。不过波音推出过C-17FE概念，其实也是为美军提供一种选择，毕竟C-17FE可以执行98%的C-17任务并且更省钱，只是需要重新设计。

看到A340-300的各种亚型了吗，从WV000到WV029。起飞重量从254吨到277吨都有，可供选择。当然不是说同时有这么多款可以选择购买，其中很多是早期批次，现在已经停产。但是作为用户手册，必须让所有A340的用户都找到自己购买亚型的性能

波音给美军更省油的方案，C-17FE，可以作为扩展型，并不是亚型，只是改动会比较大了

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性能调整
　　客机的初步性能在JDP阶段就完成了，这个时候出来的性能是目标性能，但是随着工程进行，超重是不可避免的，首飞时的性能肯定不理性，随着量产进行才会慢慢接近当时JDP的性能。而随着使用者的实际使用，真实性能才会慢慢体现出来。最近波音就修改了旗下机型的飞行性能，普遍都是下降的。

产能
　　很多人喜欢说为什么运-20，ARJ这些这么久才生产这么几架，组装速度太慢了，你看波音737一个月40架。产能要看订单和阶段的，看看现在A350开始交付客户了，一年了也才交付了8架。而787开始交付的2011年也只是交付了10架不到。这个还是处于交付状态还是不试飞状态。C-17和777客机的生产速度同比就更慢了，因为C-17订单少，需要通过调整生产速度来维持订单储备，达到维持生产线目的（波音低价卖767货机，就是为了等空军的KC-46订单，先维持住生产线，结果现在反而又多卖了100多架货机）。

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载荷曲线图，大型机的最重要性能
　　说到战斗机，大家会讨论狗斗包线图。其实对于大型机，载荷航程曲线的地位就等同于狗斗包线图。我们用空客A400M运输机的包线图，最简单直观的看看这个图怎样看。

纵坐标肯定是载重量，注意单位，有磅、公斤、吨、公吨这些区别。而横坐标则是航程，有公里和海里，这些都是要看清楚的参数。每一个图表通常还会给出该图表的生成条件，如在这个A400M左下角，就标注了这是logistic  mission标准任务规则下的数据。包括了最大过载2.25G（不超载），长距离巡航速度飞行，在ISA标准气温还有Still  Air静风环境下的飞行。大家要记住ISA这个数据，在下面会提到温度对飞机性能有多大的影响。还有就是使用发动机的版本，因为不同的发动机对同一款机型有影响的，在展示民航客机时候就会看到区别

　　了解曲线图后就解答很多人的第一大误区“少装油就多装货”了。可以看看A400M最顶部的最大载荷曲线，飞机飞0海里和飞1800海里，最大载荷都停留在37吨。就是说哪怕一滴油都不装，也不可能加大飞机的最大载荷。
　　这是因为飞机的载荷是由结构强度决定的。有一个参数规定了正常使用下飞机最大载荷上限，这就是最大零燃油重量。这个数字减去飞机的运营空重，就可以理解飞机的最大载量了，超过这个载量，可能就会损坏结构，缩短寿命。当飞机要飞更远航程，最大起飞重量无法满足多装燃油的需求时，那么就要减少载荷量多装油换取航程了。
　　所以大家看第二段曲线，随着飞行距离增加，载荷量就开始减少，直到性能拐点。当载荷减少到0时，飞机就能飞到最大航程（可以理解为转场航程）。正常来说这个曲线对于任何飞行器都适用，但是由于直升机，战斗机涉及到外挂还有飞行剖面的问题，会更加复杂，而大型机则简单很多。
　　事实上，这条曲线是可以通过上面第二张表格的参数推算出来，当然最准确还是真实飞行中获得。所以大家应该要知道，载荷曲线图在不同定义下是有出入的。比如说空客的客机，载荷曲线图往往是静风、无备降燃油下的数据，而波音则是按典型飞行规则，有自然风、机场等5分钟、留规定备降油下的数据。这样就造成实际运营下来，空客很多机型都达不到曲线图上的飞行距离。现在运-20和C919很多参数还没给出，否则就可以自己推算着画一画这样的图表。
　　对于客机的航程载荷又需要更细致的分析。我们知道客机客舱装人，机身下部的货舱装货物，客机的最大可用载荷取决于人和货的总量。大家在wiki上会常常看到满载多少人飞多少公里这样的数据，那么我们再分析下具体情况。

看看wiki上对于777-200ER客机的航程描述，有最大载荷航程，也有最大载满航程的数据

这个是波音给出的载荷图，用RR引擎的777有三款机型，我们只看777-200ER的数据。当客舱装满人，货舱装货到最大载荷上限55吨时，航程10740公里。而只装满客人（波音是按三舱布局305座算）及行李载荷30吨时候，实现最大载满（客）航程14260公里。所以wiki上很多参数都不具体，很容易混淆

看图不要忘记上面提到的载荷图运营规则，可用看到波音左下角给出的数据，三舱，中远程，典型任务规则

这个资料是777-300ER，用GE90-115B引擎的，来自波音给派签员使用的飞机性能pdf。大家可以看着这个图，学会看懂上面的规则，记得分清楚，这个图最上面的就是最大零燃油重量，而不是常见的载荷重量。试着理解下为什么777-300ER怎样飞都能赚钱

　　无论军用还是民用，对飞机的载荷能力最熟悉的应该是签派员。他们会根据飞机的航程，天气，性能参数表决定这次航程装的货物和装多少油。
　　了解了航程曲线后，就可以理解不同机型到底是偏重什么性能。比如说很多人认为日本的XC-2有CF6引擎，推力比运-20大，必然运得多，但是大家看看XC的空重，明显是偏弱。从XC-2的设计理念就可用看出这款运输机是希望飞得远，能装大体积货物，但是对重载和短距离起降能力是弱化的，结构强度做得比较低。
　　大家应该知道压强这个物理单位，这个是很看结构的设计。比如说能载76吨的C-17，地板梁当初是按M1重量算的。当然，C-17之后也试过运M1A1，证明结构可用支持到M1A1的压强。
　　客机地板梁强度要求不高，直接用复合材料减重就好。但是对货机而言，则需要改为耐压性能更好的铝锂合金。军用运输机为了能重载和宽机身，结构上牺牲太多重量，所以飞行能力上比民航货机有很大差距。

这个图是紫色部分就是客机地板梁，是飞机重要的承力构件。现在747和767货机的地板梁都是由西飞制造的，而铝材则用中南铝业提供。所以不要以为我们提供给波音铝锂合金地板梁就是落后，其它客机用复合材料就是先进，目的不同选择不同而已

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起飞降落曲线图，限制飞机发挥最大性能的因素
我们从上面的载荷航程曲线得知了大型机的性能，但那是在最理想情况下的性能。在实际运营中，往往很难飞出理想性能（尤其是军用运输机），主要会受到以下的因素的影响：
　　飞行场——跑道长度，机场高度，飞行场等级（跑道硬度）
　　温度——跑道场温
　　起降环境——起降航线障碍物
　　单发失效——飞机单发性能
在说明起降能力影响前，也要了解STD和ISA气压。STD是海平面标准大气压，对应温度0度，ISA是国际标准大气压，对应海平面15度。下面的图表来自777-200LR起飞性能图表，使用的是STD。从这个图表可以看温度和机场高度对起飞性能的影响。

先看条件，这个是STD+15摄氏度的数据。纵坐标是起飞滑跑距离，横坐标则是最大起飞重量。而不同的曲线则代表是不同的机场高度。上图还有标柱不同的襟翼角度下的滑跑距离。可以看出，777-200LR在这个温度下，海平面达到最大起飞重量（347吨）大约需要3000米距离。如果机场高度到2000英尺，要实现最大起飞重量，滑跑距离则增加到3500米，如果机场高度再高到10000英尺（3400米）就算滑跑4000米跑道，最大起飞重量只能去到270吨不到

这个是STD+33摄氏度的数据。可以看到当温度上升了15度，即使在滑跑4500米的距离，海平面高度下，最大起飞重量也只有327吨左右（温度上升15度最大起飞重量就少了20吨）。而海平面增高情况下，数据会更低

　　降落的情况又怎样？飞机有最大着陆重量，超过了这个重量，飞机就有损坏和出事故危险了。再次用777-200LR看，最大着陆重量是223吨左右。看看跑道干湿和机场高度的影响，用襟翼25度获得的数据。

可以看到海平面下干跑道，可以实现最大着陆重量，滑跑距离是1800米，湿跑道则要约2000米（最大刹车下的最短距离）。如果机场高度增加到10000英尺，干跑道下实现最大着陆重量要2200米，湿跑道2500米距离

　　其它襟翼角度的数据会不同，最大襟翼角度可以获得更低的着陆速度，但飞机机动性也随之降低，更难操作。所以在阵风或者雷暴中，往往都不会用到最大襟翼角度降落。
　　大家可以看到起降条件对大型机的影响，其实任何固定翼机型，这个法则都是通用的。我们看一个报道，说C-17在“持久自由”行动中的平均运载量只有40吨不到，很多任务往往只运-20吨不到。正是山区野战机场条件大大影响了C-17的最大运输能力。而C-17已经是起降能力最好的机型了，我们的运-20暂时还没有用上C-17的增升技术，因起降环境恶化导致的减重影响也会很大。而且其它的单发性能，越障能力也会影响到飞机的最大载荷。

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　　我们会说客机有高原型，其实就是俗称的大马拉小车，引擎推力要大。而且飞高原航线的机型需要特别改装，我们知道如果座舱失压，客舱的氧气罐只能支持15分钟，飞行员需要在这段时间内把飞机降到3000米高度，可以不增压维持正常呼吸。但高原处于山区，不可能降低高度（撞山），只能维持在较高高度。这样就要求高原型客机能维持很久的氧气供给旅客呼吸。FAA这方面的规定是1小时，满足飞机飞出山区到达备降机场的要求。所以高原机型的氧气罐都要特别改装，增加数量，当然也会增加重量。
　　ARJ21特别强调设计之初就考虑了高原飞行要求，应该有这方面考虑，相信以后C919的高原型也要进行相应的改装。
题外话1：
　　发动机高原推力下降，当高原空气密度下降，涡扇发动机的推力是下降的。而且外涵道下降比内涵道更多。大家如果知道图-95在高空飞行，基本上推力都来自涡桨机的尾喷管就能理解了。所以4引擎机型的推力下降损失会比2引擎机型小一点。当777在很多地方大卖时候，南非航空、伊比利亚航空依然选择A340，看看他们的飞行目的地机场就知道原因了。至于汉莎的A340，那个确实是政治任务。
题外话2：
　　大家知道CPU是可以超频。实际上，很多型号的发动机反而是降频使用的。大家都知道GE90-115B，但是否了解有的777-200LR使用的GE90-110B呢，110B其实和115B相同，只是出厂时调低了推力。低推力的好处是发动机部件可以更耐用，发动机寿命更长，价格当然也低。虽然调整推力只需一个插销，那么能否买来110B改成115B使用呢，这样就失去了引擎保修，而且因私自改推力而导致的任何事故都由航空公司自己埋单。调低推力的引擎很多，如737上的CFM56的7B27、7B26、7B24，其实都是相同的引擎。
　　飞机的着陆性能很重要，不能只考虑飞起来不考虑降落。所以签派必须按降落场的情况来决定这次任务的最大载荷量。想飞机能装多点降落，答案当然是加强机身结构。我们看看777-200LR和777F，其实是相同的机型，一个客运，一个货运。我们知道一个经济舱座椅最轻都要近30公斤，商务舱那些更重，加上全机的厨房厕所行李架。货机全部拆除后，应该比客机减重很多。

但实际上777F能装108吨，为了能实现108吨货物降落，777F需要加强机身结构，导致了拆除的数吨重量全部用于加强结构。777-200LR运营空重145吨，777F运营空重144.5吨，最大起飞重量都是347吨，但777-200LR的最大降落重量只有223吨，777F增加到260吨。所以要想飞机装得多飞得远，结构重量是必须付出的代价

通过上面的分析，自己学会看懂777F的降落性能。260吨不是没有代价的

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　　比较遗憾的是，TG对飞机性能的都不太愿意公布。无论运-20还是C919，从来都没有给出哪怕可以支持画线的数据。或许民用这块以后会有突破，但是军用只能靠分析了，个人认为目前运-20并不是像C-17那样追求野战机场起降性能，能保持伊尔-76的水平也是合理选择。至于以后的改进以后再说，有机会的！但是在大推力引擎到来前，暂时不会有起降性能方面的改善方案。所以如果说运-20海平面运60吨是可行的，但无法在高原地区实现这个运力，所以暂时也不要指望运-20把99式带上高原，毕竟C-17也可能没有这个能力。96或者轻坦应该有可能，但是也要看机场情况。
　　民航客机飞的机场条件好很多，但也有些高原机场，如昆明、拉萨、九寨（山地）这些。这时飞机的单发越障能力会限制飞机的起飞重量，对载荷就有影响了。夏天从昆明机场（1900米高度）03号跑道起飞（跑道延长线有山），A319可以全重起飞，但737-300就要减重了。这个就是考虑到单发失效后的安全影响，造成这个差别最大原因就是那个短腿的737无法装更大推力的引擎。所以737MAX用的Leap  1B风扇尺寸小，推力也最小。波音说要靠优秀的气动补救，那么就看能改到多么优秀了。和C919和A320neo对比，737MAX在引擎上就先输了。

飞机制造商也会努力的帮客户改善起降性能，比如大家看到这架印度A320就安装了4轮小车起落架

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从油耗谈起，飞机的运营成本分析
　　我们先来了解一下哪些大方面制约着油耗：
　　发动机——这个大家都懂，下面再细说
　　重量——看了上面后大家也应该懂，飞机重油耗增加
　　阻力——这个很复杂，涉及包括有机身截面宽度，长宽比，表面阻力等，大家能理解导弹为什么是长条基本就能懂
　　升阻比——战斗机对这个不会太注重，但是大型机这个还是挺重要的，飞翼效率最高
　　对于大型飞机设计而言，飞机宽度是非常重要的，可以说宽度决定这款飞机的能力表现，这条规则对军用和民用都适用（民用甚至更重要）。等设计满足了任务需求后，才轮到省油这个目标。
　　为了更好理解这个章节，请有兴趣的可以自行看这个飞机设计文档中关于各种阻力的科普知识（很有用）http://aircraftdesign.nuaa.edu.cn/pd-2004/2009-PDF/2009-04.pdf。

比如说这个pdf里面关于长径比和阻力的关系图