五星红旗高高飘扬——评运-20首飞

1、五星红旗高高飘扬评运-20首飞TopGun五星红旗高高飘扬有两个字对中华民族航空工业的腾飞至关重要：川陕。在不久前的川中蜀地，八一军徽曾在 J-20 威龙的垂尾上耀眼夺目：而现在，在大秦上郡之地的陕西西安阎良，五星红旗又随着运-20 的首飞而在空中飘扬。下图就是运-20 首飞的照片，垂尾上的五星红旗清晰可见：运-20 是中国战略空运的基石，也是中国战略空运时代的开始。中国可以凭借运-20 将力量迅速投射到遥远的、甚至连地面车辆都难以到达的地方。所以这面国旗既代表了祖国对运-20 的希望，也代表了中国航空人报效祖国的雄心壮志。下面，我从气动和结构上对运-20 的机体设计提一些个人看法。机翼与机身

2、的结合1、两种不同的翼身结合运-20 的机翼高高地安置在机身上部。机翼的中央翼基本上是从外面安装在桶形机身的上方，如下图所示：从上图可以看出，运-20 机身背部有高高鼓起的整流罩。这个整流罩正好包住机翼的中央翼和中央翼与桶形机身的安装点。与运-20 不同的是，美国 C-17的机翼却是中央翼从桶形机身内部一穿而过，从而避免了运-20 那种高高的整流罩。下图是 C-17 正面照：下图是 C-17 的中央翼从机身内部一穿而过的示意图：运-20 这种中央翼基本外置的设计，虽然设计难度小，但是相对巨大的中央翼整流罩产生的阻力比较大、整流罩本身因为尺寸大所以重量也比较大。C-17 中央翼基本从机身内穿过的

3、设计，机身结构设计的难度大一些，却换取了两个主要好处：A、机翼和机身的整流要求小。不但阻力小，而且为整流付出的重量代价也小；B、上述小的整流阻力可以使机身的直径更大从而扩展货舱容积。因为机身加粗会增加阻力，而 C-17 凭借中央翼基本穿过机身所节省的阻力，正可以用来加粗机身直径使 C-17 拥有更大的货舱空间。这也是为什么从外观比例上看，C-17 比运-20 要“肥”一些。当然，中央翼基本从机身内穿过的设计导致 C-17 在货舱中部靠前的顶棚上有一个突出来的中央翼，如下图所示：但是正如前面 2 中所说，这个从天花板中突出的中央翼换取了更宽的货舱。所以是值得的。作为对比，下图是伊尔-76。伊尔-

4、76 与运-20 一样，是中央翼基本外置设计，所以其货舱顶棚因中央翼而突出的部分非常小，与 C-17 不可同日而语：2、技术的复杂性使类似运-20 的翼身结合方式仍在广泛应用虽然 C-17 使用的中央翼基本穿过机身有阻力低、可以增大机身直径的优点，但运-20 的中央翼基本外安装也有设计简单、结构简单的优点。所以现代的很多运输机仍然使用类似运-20 的翼身结合方式。比如欧洲的 A400M、乌克兰的 An-70，均是如此。下图是空中客车的 A400M 正面图，可以看到类似运-20 的翼身结合方式：下图是 A400M 翼身结合处机身部分的开口和整流罩的基本结构。这个开口比 C-17 那种中央翼基本穿

5、过机身的开口要小、要简单：所以，作为中国的第一种大型运输机，运-20 采用这种相对简单的翼身结合方式，是非常合理的。起落架运输机的起落架非常重要，因为这直接关系到运输机的场地适应能力，从而直接关系到战斗力。为了在未经铺设的跑道和低等级跑道起降，运输机起落架的轮胎压力要低一些、轮胎要大一些、轮胎数量要多一些。为了在诸如大雪覆盖的跑道上起降，运输机起落架轮胎的车辙印记最好不要重叠，以免后面的轮胎陷入前面轮胎碾压过的车辙中。在这方面，伊尔-76 做得非常好。伊尔-76 的主起落架每侧有八个轮胎，而且这八个轮胎形成多达四个车辙印记。这使得伊尔-76 可以在条件恶劣的场地起降。下图是伊尔-76 放下起落

6、架的照片：但是伊尔-76 付出的代价是沉重的起落架重量和巨大的起落架舱。伊尔-76 的起落架舱是如此之大，以至于需要四个巨大的整流罩。相比之下，绝大多是运输机仅仅需要两个。巨大的整流罩也增加了飞行阻力。下图中伊尔-76 机腹下面和侧面，可以见到两对共四个大鼓包，就是起落架舱的整流罩：C-17 很好地平衡了这个矛盾。一方面，C-17 每侧的主起落架有六个轮胎产生三个车辙印记；另一方面，C-17 只需要一对共两个并不很大的起落架舱整流罩。请见下图：运-20 的起落架在场地适应能力上，明显不如伊尔-76，应该也不如 C-17。因为运-20 主起落架的轮胎数量不如伊尔-76，轮胎的车辙印记数量也少于伊

7、尔-76 和 C-17。虽然这仅仅是简单的清点数量，还没有比较轮胎的压力、尺寸，但也能说明一定问题。下图可见运-20 的起落架布置：不过运-20 的起落架舱的整流罩明显比伊尔-76 小，从而减小了阻力。运-20 的起落架也应该比伊尔-76 的轻。这些都为运-20 虽然使用与伊尔-76 同样的发动机，但采用更大直径的机身提供了条件，可谓失之东隅，收之桑榆。尾舱门现代运输机的尾舱门主要有两大类：以 C-17 为代表的两片式，苏俄的伊尔、安东诺夫广泛使用的多片式。C-17 的尾舱门只有两片：上面一片向上开启、下面一片向下开启。下图中 C-17 正打开尾舱门进行空投：这种简单的尾舱门不但结构简单、可靠

8、性高，而且重量轻。但是这种舱门很容易形成一个宽而瘪的后机身，从而使阻力加大。C-17 通过精心的气动修行和安装扰流片克服了阻力大的难点。下图是 C-17 肥扁的尾部和尾部的扰流片：运-20 与伊尔和安东诺夫一样，使用了多片的尾舱门。这种尾舱门在关闭时可以很容易地形成低阻力的气动外形，但是因为需要开关多个舱门，所以结构复杂，重量较大。下图是伊尔-76 尾舱门打开时的样子：图中，伊尔-76 的上面一片舱门向上开启；两侧的两个舱门向侧面开启；下面还有一个舱门向下开启成为跳板。运-20 应该也是这种尾舱门。本章小结：1、运-20 是中国构建战略性的力量投射手段的开始。运-20 的开发单位前途无量；2、

9、运-20 气动设计和结构设计主要采用了比较成熟的技术，与 C-17 相比仍有差距。大肚能容运输机的货舱大，其任务灵活性就高。运输机经常要运些稀奇古怪的东西，其中有些尺寸会很大。如果运输机的货舱小了就装不下，从而无法运输。下面的两张照片可以看出货舱大的好处。第一张是一辆高大的工程机械正在开进 C-17 的货舱：第二张是一架 CH-47 直升机的机身正在进入 C-17 的货舱：但是增大货舱也意味着飞机外廓尺寸加大，从而增加飞行阻力、增加飞机结构重量。有没有一个巧妙的办法，仅仅付出较小的阻力和重量代价，便可以适当地增大货舱呢？有。一个办法就是在翼身结合处的整流罩上做文章。将一部分仅仅是整流而并无货物

10、承载用途的整流罩，经过整形、扩展、改变结构，使其变为货舱的一部分，从而达到加大货舱的目的。翼身结合处的整流当机翼的中央翼基本外置地安装在机身上时，必须使用大尺寸的整流罩以降低阻力。下图中伊尔-76 隆起的背部就是这个整流罩：这个整流罩不但在中央翼前方可以有很大尺寸，就如上面图中的伊尔-76；在中央翼的后面也可以很大。下图是欧洲的 A400M 运输机：图中机身背部红色的结构是已经部分安装的整流罩。可以看出，A400M 这个整流罩的后半部也很大。这种整流罩尺寸大并有一定的重量，却不参与装载货物或人员。这对于绞尽脑汁扩大货舱空间的运输机而言，多少有些可惜。中间道路：C-5 和 An-124 的双腔机

11、身结构所谓中间道路，是指在给机翼和机身结合处整流的同时扩大载荷空间，但并不直接扩大主要载荷空间，而是开辟次要载荷空间。下面，我用 C-5 作为例子来解释。C-5 外号“银河”，是美国在上个世纪六十年代开发的战略运输机。C-5 的最大载荷超过 100 吨。在 C-5 面前，美国在上世纪八十年代开发的 C-17 就像个侏儒。下图中，大个头的就是 C-5，小个头的是 C-17：C-5 使用了一种双腔机身结构。这个双腔机身结构在气动外形上，可以看作是将机翼与机身结合处的整流罩拉长、整形，形成上层机身。在这个上层机身中，C-5 布置了驾驶舱、成员休息舱、甚至还有客舱。而在结构上，C-5 这个上层机身与下

12、层机身构成一个硕大的、完整的双腔结构。这又与整流罩不同。先说气动。这个双腔机身在气动上的好处是机翼与机身的结合非常顺畅，仅仅需要很小的传统整流罩。下图是飞行中的 C-5，请注意其非常小的传统意义上的整流罩：再说结构。这个双腔机身在结构上的好处是提高了整个机身的结构效率。这种高结构效率主要是通过三方面实现的。第一个方面是有效地扩大了承力结构的结构高度；第二个方面是获得了额外的结构支撑；第三个方面是大幅地减少了仅仅是整流作用的传统整流罩从而节省了重量。下图是 C-5 的剖视图：所谓有效地扩大了承力结构的结构高度，是指上腔与下腔成为一个整体，共同承载下腔货舱中沉重的载荷。这比没有上腔而单纯依靠下腔承

13、担巨大载荷，在结构上有利得多。所谓额外的结构支撑，是指上、下腔之间的隔板给了机身以额外的支撑。这使得机身不必付出过大重量代价来加强结构以获得足够的刚度和强度。所谓减少了仅仅为了整流而存在的传统整流罩的重量，是指双腔机身的上腔部分已经兼任了传统整流罩的大部分作用。这种兼任比传统的专职整流罩，在飞机结构效率上是个提高。双腔结构对于运输作业的最直接好处是 C-5 可以有机首和机尾两个巨大的货船门。因为 C-5 的驾驶舱可以安置在上层机身，导致机首可以方便地开启。下图是 C-5 的机首、机尾货舱门全打开的样子：下图是 C-5 位于上腔机身中的驾驶舱，图中的机首货舱门处于打开状态：除了驾驶舱，C-5 上

14、腔机身中还有供成员睡觉的成员休息舱和运输人员的客舱。下图是 C-5 上层客舱，单通道每边有三纵座位。类似窄机身客机，但没有舷窗：与上腔客舱的狭小局促不同，下腔货舱宽阔、高大：苏俄的 An-124 也是与 C-5 一样的双腔机身结构。下图是机首和机尾的货舱门都打开时 An-124 的下腔货舱：从下图可见，An-124 与 C-5 一样，在翼身结合处也仅仅需要非常小的传统整流罩：下图是 An-124 的侧视图，可以看到机翼是横穿机身上腔：另一种中间道路：大型客机的双腔机身结构大型客机也是双腔机身。但是大型客机与运输机相反，是中央翼横穿下腔机身，而上腔机身是主要的运载空间客舱。大型客机机身的上、下腔

15、靠客舱地板分隔。下图是波音 787 的结构示意图：图中右上角是飞机的横截面结构示意图。图中上腔机身是双通道九纵列座位的客舱，下腔机身是运输行李等货物的货舱。机身的左右示意性地画出了机翼的翼根部分，在机身下部还示意性地画出了起落架的整流罩。这种双腔结构在原理上与前面说到的运输机双腔结构一样。但是这种双腔结构在设计上的难度远远小于运输机。一是因为客机不需要在机首和机尾做出巨大的结构开口安装货舱门；二是因为客机主起落架与机翼的连接非常直接，对传递巨大的着陆冲击载荷非常有利。相比之下，运输机的起落架冲击载荷必须通过机身结构传递到机翼，对机身是又一个负担。另外，客机的着陆非常缓和，与运输机在野战机场的粗

16、猛着陆不可同日而语。客机的双腔结构对其结构载荷分布是如此之关键，以至于基于客机改造而成的军用飞机，也都尽量秉承其固有的双腔结构。比如在客机基础上开发的空中加油机，基本都是上腔机身运货运人、下腔机身加装额外的油箱执行空中加油任务。如果下腔机身空间不够，才在上腔机身另外加装额外的油箱。下图是在波音 767 基础上开发的 KC-767 空中加油机，其下腔机身有额外油箱，而上腔机身是货舱和客舱：更进一步将双腔机身简化成单腔机身对于运输机而言，双腔结构虽然在不付出过大重量和阻力代价的前提下，开辟了次要载荷空间，却毕竟没有直接扩大主要载荷空间。如果能将双腔结构的隔板去掉，变成单腔结构，就可以直接扩大主要载

17、荷空间了。可是去掉隔板意味着结构的受力情况恶化，必须付出额外重量代价加强结构。当结构设计水平和钛合金、复合材料之类先进材料的加工水平达到一定程度时，这种额外的重量代价也可以减小，甚至变得可以接受。C-17 就是这样。下图是 C-17 货舱内部的照片：图中，中央翼从机身内部，在货舱顶棚一穿而过。而整个飞机并没有类似 C-5 那样的双腔结构，中央翼后面是高高的货舱顶棚。C-17 中央翼后面的高高度货舱长度其实很大，下图是 C-17 货舱尺寸示意图：图中可见，C-17 货舱中，有将近一半的长度是中央翼后面的高高度货舱。而中央翼部分及其前面的货舱高度虽然稍低于后部，其实际高度也已经很高。这种后面很高、前面稍低的货舱，也非常适应在野战机场非常简陋条件下的装货、卸货。因为货物在经过后舱门登记跳板上坡进入货舱时，因货物头部上翘而需要高一些的货舱高度。而当货物进入货舱放平后，其高度要求相应降低，正好可以推进到货舱前面高度稍低的地方。下图是一辆 18 轮大卡车正在进入 C-17 货舱：这个卡车的车厢方方正正，在通过跳板上坡进入货舱时，车厢后端会达到一个比其在水平状态更高的高度。这就是为什么货舱后部稍微高一些，对装卸货物更有利。下图是这个大卡车基本进入货舱时的照片：C-17 这种摒弃了隔板的中央翼内置结构，既不同于 C-5 和 An-124，也和客机的双腔机身结构非常不同。这种结构虽然扩大了货