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纳兰容若

自在飞花轻似梦,无边丝雨细如愁

 
 
 

日志

 
 

运20性能与美军C-17相比如何?  

2016-06-15 19:33:21|  分类: 【中国空军】 |  标签: |举报 |字号 订阅

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纳兰容若 - 网易博客

运20最早公开亮相是在2014年的珠海航展

近日有关运20的消息多了起来,不仅民间盛传运20即将交付空军使用,运20的研制方中航工业也公开作出同样的表示。第一款国产大型运输机即将服役,那么运20的设计和性能特点如何?在全球军用运输机中又处于什么水平?

一、运20总体上是标准的军用运输机设计

1.运20为何要采用上单翼设计?

与其它多数军用运输机一样,运20采用了上单翼(即机翼在机身上方)、下挂发动机吊舱的设计,而这与喷气式客机所惯用的下单翼布局迥异。这种设计的缺点有两个,第一个是发动机吊舱离地面很高,平时的检修工作不方便而且对地勤人员安全风险较大;第二是由于吊舱(尤其是内侧两个)更接近机身,而且缺乏机翼的阻隔,噪音和振动对于机身的影响都要明显得多,对机身内人员的舒适性影响比较严重。

但上单翼设计对军用运输机来说,是至关重要的。由于发动机距离地面高,即使是在很糟糕的跑道起降——比如就是把地碾平清走石子杂物的土跑道上,甚至是在大量聚积泥水的情况下,运20也不用太担心发动机因吸入异物而被打坏。

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美军C-17运输机在野战机场上起飞

其次,军用运输机在使用中,必定要承担大量的空投任务——包括人员,也包括物资。当人员从机身侧舱门或者尾舱门跳伞、或者物资从尾舱门投送的时候,没有任何人会希望撞在机翼上或者被吸入发动机吊舱,也不会有人希望会被卷入流经机翼的紊乱气流和发动机喷流中去。上单翼设计,机翼与侧舱门、尾舱门均有相当大的距离,可以避免以上情况。

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没有人希望跳出飞机的时候被卷入这样的尾流里

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    上单翼设计,使C-17里的伞兵从侧舱门跳伞出来时,进入的是“干净而均匀”的外界高速气流,而不是经过机翼的危险气流

2.运20机身设计和民用飞机有什么差异?

实际上全世界绝大部分的空中运输,都不是用军用运输机完成的——而是用民航客机,尤其是大量客改货机。除了乌克兰安-124这样的冷战遗产以外,几乎完全见不到军用运输机投身民用货物空运行业。

这个中原因之一,是民航客机比起军用运输机(同吨位)的采购和使用成本——特别是油耗,低太多了,无论欧美、苏俄、还是中国,都跳不出这个规律。道理也很简单,军用运输机的机身因为三个方面的需求,必定会做得很粗肥。

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宰相肚里能撑船,运输机肚子里要装坦克,瘦了可真不行

首先说机身,军用运输机必须要顾及到一些平时极少用上、但战时若是缺了就要命的指标。

比如说要装某些型号的大型装甲车、直升机、甚至坦克进去,这就必须让货舱有足够的高度和宽度。而随着机身设计的粗肥,飞行阻力和油耗也就蹭蹭的上去了。比如波音C-17军用运输机在显摆性能时,就一直以超大空间的货舱为傲。

但美国空军一直矫情,觉得95%的运输任务里都在为巨大的、用不满的空间而额外烧钱——波音后来居然又推出了瘦身版的C-17计划,这种侮辱智商的事情最后理所当然没有成功。

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安70的起落架收纳设计减阻倒是成功了,但是货舱地板被抬高了,装卸效率就低了很多

其次,对于上单翼军用运输机来说,客机那种在机翼里容纳起落架、以减小阻力的设计根本不可能实现。加上把货舱地板降低高度,能够非常有效的改善货物装卸效率,因此军用运输机通常会把主起落架做在机身的两侧下方。这样即使是通过整流罩把它们包起来尽可能减小了阻力,但由于机身截面积的显著增加,总体飞行阻力加大仍然是无法避免的。

第三点,从外观看得不大出来,在内部的结构重量和制造成本上。大飞机最强的承力结构部件是连接两边机翼的主翼盒,靠着主翼盒来承担降落时的巨大冲击。民航客货机采用下单翼设计,起落架与主翼盒直接连接,结构重量小;而军用运输机的主翼盒要通过中部加强的机身框架与起落架连接,结构重量大许多。

尤其是300吨以下的军用运输机往往要求野战跑道降落,起飞着陆时对于起落架和机身结构产生的冲击振动强度远远高于民用客机,这种额外的性能要求迫使军用运输机必须采用更高规格的设计。

综上所述,军用运输机为了可以装宽大的军事装备、为了能够空投、为了能够粗暴地使用,结构重量要比民航飞机大,飞行阻力、耗油率也比较大,运20也是如此。

二、都是大运,运20和国外运输机相比在哪一个级别?

1.大型运输机怎么分等级?

通常来说,有个100吨以上的最大起飞重量,这架运输机就可以叫大运了。但从实际型号看,无论是已经全部退役的C-141(二战后第一种喷气式大运),还是最早版本的伊尔-76,军用大运,一般最大起飞重量至少在150-170吨以上。根据5500万四舍五入能有一个亿的数学道理,差不多我们可以认为,现代军用大运,200吨级算是正常的起步标准。

延续这个最简单的分级标准,在200吨以上还有300、400吨以至于更大吨位的运输机。比如接近300吨(实际测试最大起飞重量272吨)的C-17环球霸王,接近400吨的C-5银河和标准的400吨运输机安124鲁斯兰。

而目前世界上最大的运输机,则是达到600吨的安-225梦想。 

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运20和伊尔76大体尺寸相当,和安-124这样的战略运输机对比效果应该和上图差不多

而另一种比较复杂的分级方法,即区分战略和战术运输机,就是看使用特性了。

战略运输机的特征是能够进行超远距离(比如洲际运输)的大载重(大量兵源和大型武器装备,比如主战坦克)空重运输。而战术运输机,则要求能够能够携带物资在距离很短的野战跑道上起降,直接把物资运抵前线。在这种分级下,200吨级的运20就是典型的大型战术运输机。而400吨级的C-5和安124由于不能在前线野战跑道起降,具备战略运输能力而不具备战术运输能力。C-17的定位比较特殊,是唯一一种能执行战术运输任务的战略运输机,它的使用成本也比较高。

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虽然苏联人造出了600吨级的安225,但它对机场条件要求太高,并不适合军用

2.运20和伊尔76相比如何?

运20和伊尔76都属于200吨级的大型战术运输机。

但是伊尔76的最大起飞重量在170-190吨之间,而运20则达到200-220吨。伊尔76系列(不包括加长型的MF),空重在90吨左右,最大的有效载重在47-50吨;而运20的最大载重可以达到60吨,而且货舱尺寸比伊尔76要大。

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    伊尔76设计时没有考虑运输坦克的能力,载重最初只要求40吨,而且货舱体积也因为估计到航程要求而做的比较狭窄,塞不下也驮不动现在动辄55吨以上的重型主战坦克。

简单的说,运20和伊尔76定位非常相似,关键性能规划指标更高,是淘汰取代关系。伊尔76能干的所有任务,运20都能干而且干得更好;但是运20的一些关键能力,比如运送99这样的新一代主战坦克,伊尔76无论载重量和货舱尺寸都不行。

3.运20和日本的C2、欧洲A-400M比怎么样?

A400M运输机是一种最大起飞重量136.5吨的4发涡轮螺旋桨大运。这种飞机的定位相当特殊,它针对是欧洲快速干涉非洲的军事运输需求,因此它不需要坦克这样的重装备,只运人员和轻型装甲车辆,因此最大载重仅37吨。

但是另一方面,这种飞机对于起降要求能力极其苛刻——几乎可以说是随便找个平整的地方就要能落的下去。实际上说穿了,A-400M就是欧洲在有限军事需求下,开发的放大版C-130运输机。它在技术采用上确实比运20先进很多,但是除了起降能力外,多数总体性能规划指标上低于运20。

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欧洲A400M运输机

日本在1966年开始设计的C-1运输机吨位很小,最大起飞重量只有45吨,根本不算大飞机,和运20根本不在一个级别上。而最新的C-2,其最大起飞重量刚刚过140吨,最大运载重量不到38吨,无法运输其10式坦克(44吨)。

实际上日本C-2和欧洲A400M很相似,都是有限军事需求下削减总体性能指标,以降低采购和使用成本的产物。不过因为没有A-400M那种变态的起降要求,C-2采用了双涡扇发动机以避免高油耗(双发对四发)和噪音振动。

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日本的C-2最大起飞重量和载重能力都比运20小很多

4.运20和C17相比如何?

美国在60年代造出400吨级的C-5银河运输机以后,一直被C-5的高起降要求困扰,大量物资只能运输在具备高等级跑道的后勤中枢基地,再次转运过程中耗费的时间和物资损耗大大抵消了空运本身的优势。

因此在C-5的下一代型号上,美国人决定让战略运输机也具备战术运输机的能力,通过把重型坦克连带一堆附加装甲、弹药和人员,直接跨洲际投送到一线野战跑道的方式,使军事空运能力实现跨代性的突破。

而这就是C-17的由来,它与世界上所有其他运输机都存在性能代差。

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C-17是全世界唯一一种具备战术运输机起降能力的战略运输机

C-17采用4台超过18吨推力的发动机,最大起飞重量实测可到272吨。

而运20采用的是4台D-30-KP2发动机,单台推力仅12吨,这是运20与C-17差距最大的地方。

另外运20毕竟是我国自行研制的第一款200吨级飞机,结构设计、复合材料运用方面与C-17应该也有一定差距。航空电子方面,得益于我国近年飞速发展的电子工业,运20在这方面可能与C-17没有差距,甚至更好。

三、运20设计水平如何?

1.比伊尔76C-5都先进得多的气动效率材料工艺水平也比伊尔76好很多

伊尔76设计于上世纪60年代末期,原型机首飞于1971年。由于时代的限制,许多当时未出现、或者尚未成熟的技术,伊尔76都未能采用——包括能有效提高升力效率、降低高速飞行阻力的超临界翼型(机翼截面的形状)等气动外形设计,以及电传飞控技术等等。而这些技术,都是运20的设计基础。超临界翼型由美国NASA在60年代末提出概念,70年代的试飞证明该设计非常成功,随后成为西方大飞机的标配设计。而伊尔76采用的是苏联流体院自己开发的P-151翼型,性能上相差非常巨大。实际上美国人的C-5银河,自己也没用上这个技术——它1968年就首飞了。

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超临界翼型的流场图,它能比常规翼型减小阻力

而另一方面,伊尔76、C-5这些采用机械飞控、静稳定常规布局的飞机,在维持正常飞行的时候,平尾都必须形成向下的足够大的负升力才能维持飞行平衡。而采用电传飞控技术以后,运20只需要小得多的平尾就能满足控制要求,而且平尾还是用和机翼一样的正升力来维持飞行平衡。比如德国曾在L1011飞机上进行电传飞控改进试验,将平尾面积从119.1平米成功减少到了74.3平米,重量减轻771公斤;而巡航效率提升了2-3%。美国在B-52上进行的试验也得到了同样的好效果,CCV-B52验证机的平尾面积从84平米降低到46平米,发动机和起飞重量不变的情况下;飞机结构减重了4.6%,航程增加了4.3%。

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B52的主动控制技术验证机,性能比原来有很大的提升

依赖于时代的进步,使用了超临界翼型、电传操纵系统的运20,在气动设计的水平和效率远远优于伊尔76和C5等前辈机型。而在新材料新工艺的应用上,包括大量复合材料结构部件的应用、超高强度钢起落架、碳碳刹车等,运20也远远比伊尔76要强。

2.发动机水平运20仍然有很大提升空间

依靠气动、飞控、材料工艺上的后发设计优势,运20目前即使是仍然采用伊尔76的D30-KP-2发动机,性能依然能明显胜出。但这种发动机并不是运20真正的目标发动机,运20真正的目标发动机,是设计上与美法联合研制的CFM56系列发动机非常相似的国产涡扇20发动机。

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目前运20采用的是伊尔76的发动机,这款发动机的缺点是涵道比小、油耗高,最大推力也较小

虽然目前涡扇20的具体性能指标,比如最大推力和油耗等尚不明朗,但是根据2007年中国航空学会的公开学术年会论文可知:“该发动机主要技术指标与正服役的CFM56发动机相当,与现役俄制D-30KP发动机相比明显提高,在同等条件下,将使大型军用运输机航程增加10%以上,具有一定的先进性,可满足我国大型军用运输机对动力装置的需求。”

根据我国与法国签署的合同,未来法方将向中国提供LEAP系列发动机的生产线用于组装。换句话说,中国会在未来获得该发动机的组装技术和部分生产技术,这对于涡扇20未来的进一步改进意义非常重大。

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早在两年前已有网友拍到,我国一架伊尔76试验机装上一台直径明显比D-30大的发动机进行试飞

这可能就是涡扇20


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 法国与美国联合研制的LEAP系列发动机是CFM56家族的最新型号

虽然我国在战斗机用的太行发动机上走了很多的弯路,但涡扇20与太行相比,设计上更贴近现在主流的CFM56系列型号,而且材料、工艺、质量控制上的很多教训,也已经在太行上总结了出来。相信涡扇20会比太行更顺利地完成试飞定型和批产,早日成为运20的可靠心脏。

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附:4台涡扇20开始装机试飞  运20将换国产心脏


    近日,互联网媒体曝光了一张某机场的卫星图片,图片显示一架安装有4台涡扇-20发动机的伊尔-76试验机停放在机场上。有军事观察员对“国科环宇”表示,一架运输机可以安装4台正在试制中的新型发动机,这或许说明,中国涡扇-20发动机的可靠性已经得到较好的解决,涡扇-20离定型生产已经为期不远了。众所周知,目前中国空军空运能力尤其是重装空运能力严重依赖伊尔-76运输机,但是伊尔-76运输机的数量太少,并且依赖国外,不利于中国空军空运能力的自主。

    近期,运-20即将装备给解放军空军部队领先试用,这显然将会有效的增强中国空军的空运能力。不过,大家最为关心的问题依旧是,中国航空工业能否解决传统的“心脏病”问题,为国产大型军用运输机配备一颗强劲有力的“中国心”。

从目前公开的资料来看,为了解决发动机问题,运-20暂时装备的是俄罗斯的D-30K P-2发动机,但中国也相应地对其进行了仿制,命名为涡扇-18。不过由于未来中国大批量生产的军用运输机必须是“中国心”,而不是带有俄罗斯色彩的涡扇-18,所以中国还立足自我研发的“太行”发动机,研制新型大涵道比发动机涡扇-20。虽然涡扇-18虽不能成为未来大运的“心脏”,但在“中国心”未成熟之前,临时应急还是极具现实意义的。

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涡扇-20发动机曝光图片

涡扇-20发动机最早曝光于2014年。当时该发动机被安装在一架空中试验台上进行测试,从照片来看,该发动机短舱和结构类似于美国CFM56-7发动机和GE90发动机。一些分析人士指出,未来,该型发动机不仅可以作为中国大运的发动机,还可作为大型客机、第二代远程反潜巡逻机,甚至是飞翼布局远程隐身轰炸机的主要动力。

运-20只是解决大飞机有无,未来中国将研发更先进的发动机和运输机

据外国媒体推测,按照研制的时间节点,这种大涵道比涡扇发动机已经进入飞行试飞阶段,将在未来3至5年内投入使用。至此,中国成为继美、英、法、俄之后,第五个能够独立研制大涵道比高性能涡扇发动机的国家。该型发动机不仅填补了中国航空发动机领域的一项重要空白,更是作为中国航空发动机发展道路上具有里程碑意义的一件大事。

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资料图:国产CJ-1000A发动机模型

目前,基于“太行”核心机衍生发展而来的涡扇-20完全符合当前中国在役大飞机及运-20的动力需求,不过考虑到目前运-20只是中国解决大飞机的有无问题,并不是中国对大飞机的终极追求。可以预见,随着中国综合国力大幅提升,中国还会研制更加先进的大型运输机,所以对发动机的推力增长提出了更高要求,这就意味着中国还会研发更为先进的发动机。

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