年11月21日传来的最新消息,当天运-20搭载四台最新的“涡扇-20”大涵道比发动机进行了成功首飞。自年1月26日首飞以来,运-20终于在第八个年头迎来了它的最终形态。若是从年2月26日国务院批准研发大型飞机算起,更是已经渡过了十四个春秋。据称搭载涡扇-20的运-20有可能被命名为“运-20B”,这将是中国第一架由内而外连发动机都是全国产的大型飞机,在中国航空史上注定将留下浓墨重彩的一笔。为此,我们有必要全面回顾一下运-20这款激荡人心的中国战略运输机。
图1:年1月26日首飞当天的运-20,第一次将中国带入了国产大型运输机时代
一、研制背景
中国人谈到的“大飞机”,一般是指起飞重量超过吨的运输类飞机,或是载客超过人的民航客机。中国自主研制的第一款大飞机还要追述到上个世纪70年代研制的“运-10”,但因为经费、技术、市场等原因,运-10最终胎死腹中。然后中国航空业在大型飞机领域便是长达30年的沉寂。在这段时间里,中国空军的运输机队就只有运-8和少量伊尔-76挑大梁,在民用航空领域更是几乎全盘进口。
时间直到了年,此时的中国改革开放已近30年,经济上取得了巨大的成就,技术积累也有了相当基础,军民两用的航空市场也蓬勃发展。于是在此年2月26日,时任中国国务院总理温家宝,在主持召开的国务院常务会议上,原则批准大型飞机研制重大科技专项正式立项,将“发展大飞机”作为国家决策写进《国家中长期科技发展规划纲要》和《十一五规划发展纲要》。国家将在整个大飞机项目上投资-亿元人民币,要在军用大型运输机、民用大型客机、航空发动机三个领域实现技术突破,并将伴随相关的产业整合。
在民用大型客机领域,在年5月11日,在上海将原中航商用飞机有限公司、上海飞机设计研究所、上海飞机制造有限公司(原运-10生产商)、上海飞机客户服务有限公司、上海航空工业有限公司整合,成立了“中国商用飞机有限责任公司”。现主要产品为ARJ-21支线客机,并正在研制C-、C-等大型干线客机。
在发动机领域,在年4月15日,在北京将原中国航空研究所(所)、中国航空动力机械研究所(所)、中国燃气涡轮研究院(所)、贵州航空发动机研究所(所)等研制单位整合,成立了“中航空天发动机研究院有限公司”,然后又和沈阳黎明航空发动机有限责任公司、贵州黎阳航空发动机公司、成都发动机有限公司、西安航空发动机有限公司等单位再次重组为“中航发动机有限责任公司”,该公司现今是中国唯一的航空发动机生产商,其产品几乎涵盖了中国所有正在生产或研制中的航空发动机。
在军用大型运输机领域,在年1月6日,在西安将原西安飞机公司旗下的西安飞机国际航空制造股份有限公司(简称西飞国际,新舟系列客机生产商)、陕西飞机工业有限公司(运-8系列运输机生产商)、中航飞机起落架有限责任公司、西安航空制动科技有限公司、西安飞机工业有限责任公司整合,成立了“中航飞机股份有限公司”,现主要产品为轰-6、歼轰-7等军用轰炸机、新舟系列客机、运-7、运-8系列战术运输机和运-20战略运输机。在该公司正式挂牌20天后,在年1月26日,下午14时整,一架编号为的“运-20”战略运输机在西安阎良试飞基地一飞冲天,这正式标志着中国航空业在大型运输机上的重大突破,这也是中国正式服役的第一款国产大型飞机,该机延续了西飞以神话传说命名战机的传统,被命名为“鲲鹏”。
图2:曾经的天空——运-10
二、气动设计
不同于一些保密级别较高的作战装备,运-20在首飞后不久官方即正式对外公布,并公开了大量的图片并有基本的技术参数。根据官方数据我们得知,运-20全长47米,翼展45米,高15米,最大起飞重量吨,设计最大载重66吨。气动布局上采用翼下悬挂式4发动机、T型垂尾、悬臂梁式上单翼。机身采用宽体设计,多支柱野战起落架,机组人员由3人组成。从图片和参数中我们不难发现,运-20其实是一架设计“中庸”的运输机。并没有太多让人眼前一亮的设计,当然也没有一味为降低风险而只采用“成熟技术”。首先从机体规模上来说,比美军装备的C-17“全球霸王”几乎小了一圈,但又比俄罗斯伊尔-76“耿直”大了一圈,该机在设计上明显参考了伊尔-76的某些设计,但在机尾等位置又融合了C-17的一些特点。
再来先看机翼,机翼是一架飞机产生升力的主要部件,机翼设计的好坏,直接决定了一架飞机的定位和性能。运-20的机翼设计具有悬臂梁式上单翼、外置中央翼盒、超临界翼型、滑退式三开缝增升襟翼、没有采用翼梢小翼等设计特点。
外置中央翼盒,就是机翼的中央翼盒从货舱顶部而过,置于机体之外,通过整流罩以机体相连,在机背上形成了一个较凸出的鼓包,特征比较明显,IL-76正是采用此种设计。与之形成对比的,美国C-17采用的是内置中央翼盒,机翼从机身内部穿过,机体外较平滑。外置中央翼盒的最大好处是机翼不挤占机内货舱的宝贵空间,可保证货舱的最大有效高度。此外整流罩可提供额外的储存空间,一般会用来放置油箱,再来就是可产生一定的升力;但坏处也是显而易见的,首先就是外置中央翼盒和整流罩增加了机体额外的重量、复杂度和不小的飞行阻力,第二就是使机体整体重心上移。
是否采用外置中央翼盒,这主要由运输机的定位决定的。比如C-17,它的货舱采用了极端设计,是该级别运输机中能够设计出来的最大货舱,其货舱尺寸为:20.8m×5.5m×4.5m(长宽高,货舱长度不含货桥),其5.5米的货舱宽度仅仅比C-5“银河”运输机略窄29公分,但4.5米的最大高度却比C-5还要高30公分,甚至比世界上最大的运输机安-“梦幻”还要高10公分。如此高大的货舱,C-17选择内置中央翼盒当然不在话下,虽然一定程度上会影响货舱的最大高度,但就算在中央翼盒之下,货舱仍有3.96米高。内置中央翼盒,只有大型运输机才能采用这种设计,比如美国的C-5、C-17,俄罗斯的安-22、安-、安-,货舱较矮的运输机是无法接受货舱在高度上这么大幅损失的,比如近几年才面试的一些新型战术运输机,如欧洲的A-,乌克兰的安-70、日本的XC-2等等,他们采用的全都是外置中央翼盒。
图3:美国C-17运输机的剖面图,可以清楚看到中央翼盒从货舱正中间穿过,原本4.5米(14英尺9英寸)高的货舱,在中央翼盒处骤减为3.96米(13英尺),货舱较矮的运输机是无法承受这样的损失的
图4:中央翼盒穿过C-17运输机货舱正中央,该图为阿联酋空军的C-17
在翼型设计上,运-20采用了超临界机翼。超临界机翼中国研究较早,早在三十年前研制运-10时就成功应用了超临界机翼,近年又用K-8教练机改装过新型超临界机翼验证机,之后又在ARJ-21上成功应用,现在用在运-20上,自然是水到渠成的事。超临界机翼最早是由美国NASA兰利研究中心的著名空气动力学家理查德·惠特科姆博士(RichardWhit