运-20设计初探

晨枫 · 发表于 2013-5-13 11:15:04

运-20是中国自行研制的第一种大型运输机，也是当今世界上最重要的大型运输机之一。一般认为，运-20的机长47米，翼展45米，机高15米，最大起飞重量220吨，最大载重量66吨。相比之下，伊尔-76（以最新版本伊尔-76TD-90为例）的机长46.59米，翼展50.5米，机高14.76米，最大起飞重量195吨，最大载重量50吨；C-17的机长53米，翼展51.75米，机高16.8米，最大起飞重量265吨，最大载重量77.5吨；空客A-400M的机长45.1米，翼展42.4米，机高14.7米，最大起飞重量141吨，最大载重量37吨；安-70的机长40.7米，翼展44.06米，机高16.38米，最大起飞重量145吨，最大载重量47吨。

运-20的基本布局符合当代大型运输机的主流，采用上单翼、高平尾、机腹多轮起落架和翼下发动机布局。但飞机和人一样，单纯罗列主要身体特征，那所有的人都是一样的。运-20也一样，在外观上和C-17、伊尔-76很相似，但有一些关键的不同。

运-20的中央翼盒不穿过桶形机体，而在外部和桶形机体连接，这造成了“驼背”的外观。外置翼盒的好处是保持机体内径的完整，整个机舱长度里机舱高度都是一致的，有利于按照最大高度装载单件的长大货物。但外置翼盒的坏处也是明显的，增加了阻力。不光暴露的翼盒本身增加阻力，用于和机体圆滑过渡的整流罩也加大，增加了重量和阻力。伊尔-76对中央翼盒的位置是和运-20一样的。相比之下，C-17的中央翼盒穿过桶形机体的顶部，从机舱内部看，可以看到翼盒明显“侵入”中段机舱的顶部，局部降低了机舱高度，使得按照前段和后段的最大高度装载单件的长大货物不可能。但埋入机体的中央翼盒大大降低了阻力，整流罩较小则进一步降低了阻力。

外置还是内置中央翼盒的做法不能简单地说好还是不好，或者哪一个技术水平更高。现代民航客机都采用内置中央翼盒，中国的C-919也不例外，尽管和世界上其他同类客机一样是下单翼，而不是C-17那样的上单翼。就结构而言，上置还是下置的内置翼盒没有原则差别，军用运输机的机翼受力情况比较恶劣，但民航客机的翼盒还是主起落架的安装点，受力情况同样严峻。外置还是内置翼盒的关键在于机舱内部尺寸。现代运输机的主要任务不再是运送人员，从C-130到C-17，运兵量的增加与起飞总重或者载重量的增加简直不成比例，只要航程足够，用C-17运兵比用C-130运兵一点优越性也没有。但C-17增加的不仅仅是载重量，也是运送长大尺寸货物的能力。现代装备不仅有坦克那样沉重的实心大家伙，也有雷达车、导弹发射车那样庞大但并不特别沉重的空心大家伙，而且后者越来越多，所以现代运输机的机舱尺寸至少和载重量一样重要，伊尔-476那样载重量增加但机舱尺寸依然很受局限的“新型运输机”不大受欢迎就是这个道理。

C-130的机舱宽度只有3米，高度2.74米；伊尔-76的机舱宽度也只有3.16米，高度稍高，达到3.26米；C-17的机舱宽度则达到5.49米，机舱最大高度4.5米，但翼下只有3.76米。这里的宽度和高度都是最大可载货物的宽度和高度，因为鼓出的机舱侧壁实际上对于载货没有多少用处。运-20的机舱尺度还没有可靠数据，应该在伊尔-76和C-17之间。比较数据容易看出，C-17的翼下机舱高度尽管降低了，但还是高于伊尔-76。换句话说，并不低。对于C-17来说，机舱尺度用来运载低矮、沉重的坦克足够了。对于特别高大的货物，只要在长度上能在后舱容纳下，并没有必要达到全长全高。或者说，美国空军对于全长全高没有需求。雷达车高大，但并不长；美国没有运送机动弹道导弹发射车的需求，加上还有C-5的存在，C-17的机舱高度并不是一个问题。伊尔-76则不然，如果沿用C-17同样的机舱高度损失数据，也就是0.74米，伊尔-76的机舱高度将在局部下降到可怜的2.52米，还不到C-130的机舱高度。即使伊尔-76的中央翼盒没有C-17那样肥厚，机舱高度的损失也同样是不可忍受的。对于运-20来说，也有同样的问题，除非达到C-17相似的机舱宽度，否则采用内置翼盒的话最低机舱高度将不优于伊尔-76，中国可没有C-5或者安-124帮忙运载运-20装运不下的超尺寸货物。如果不出意料，运-20的机舱宽度将在4-5米之间，高度也在4米左右，高于C-17的翼下段，但低于C-17的前段和后段，而与机舱宽度相适应。换句话说，起飞总重、推力、载重量等要求决定了机舱宽度，而机舱宽度一旦决定，外置翼盒还是内置翼盒是由机舱高度要求决定的。对于运-20的尺度来说，采用外置翼盒是唯一合理的选择。

如果固定机舱最低高度，但把机体直径增加，使得中央翼盒内置，这可以降低中央翼盒导致的阻力，但将大幅度增加机体重量和阻力。假定机舱高度要求4米、翼盒厚度0.7米的话，外置翼盒的机体直径保持为4米，机体周长为12.56米；内置翼盒则机体直径增加到4.7米，机体周长增加到14.76米。这当然是简单化的计算，没有考虑舱壁厚度和其他因素，也没有考虑增大直径后保持机体强度所需要的额外加强，但仅仅基本的材料重量就要增加17.5%。较大的机体直径必然意味着拉长的机体，以保持合理的长细比，实际起飞总重将至少增加25-30%。增加的直径使迎风面积也增加38%，增加的湿面积也意味着额外的阻力。这一切都要求发动机推力相应增加。更大的运输机当然具有更大的运载能力，但成本、油耗、技术风险也相应提高，更何况有需求问题。中国空军并不需要C-17一级的运输能力，或者说负担不起这样豪华的能力，运-20采用外置翼盒是必然的。

外置翼盒需要较大的整流罩，不光纵向需要更大的整流罩以便向机体上表面平滑过渡，横向也需要较大的整流罩，以便整合翼根和机体之间的空间。较大整流罩的重量、阻力都增加，但内部燃油空间也增加，所以并不是一边倒的坏事。在载重量方面，已经透露的66吨也是合理的，这和运-20的尺度相匹配。现在还不知道这是配用4台D30涡扇还是换用4台国产新型大推力高涵道比涡扇后的载重量。4台索洛维耶夫D30达到66吨的载重量似乎超过了通常认为可能达到的水平。另一方面，索洛维耶夫D30是俄罗斯的第一代涡扇，中国正在为C-919配套研制的CJ-1000是第三代涡扇，并有消息说中国还在用为歼-10、歼-11配套的“太行”的核心发动机同步研制高涵道比涡扇，这些新型涡扇的推力和耗油都优于D30，有望使运-20的性能达到新的水平。

运-20具有巨大的三缝襟翼，用于在起飞、降落时增升。有意思的是，运-20的襟翼设计和伊尔-76很相像，但不同于C-17。伊尔-76使用后退式三缝襟翼，其中第一道襟翼和第二道襟翼之间有明显空隙。这是供翼下高压气流穿过去，对翼上气流产生拉动作用，增加升力。这是一个比较传统的设计，简单、有效。当然，简单是原理上简单，设计和制造上并不简单，至少比非后退式的简单襟翼复杂多了。但C-17采用双缝的喷气襟翼，不仅有同样的缝隙，供下翼面高压气流产生引射增升，还直接处于发动机喷流之中，极大地增强了增升作用，缩短起飞、降落距离。原理类似的吹气襟翼在F-4“鬼怪”式战斗机上早就有应用，但那是从发动机压气机引出气流产生增升，C-17直接用发动机喷气产生增升，增升效果强烈得多。

运-20没有采用喷气襟翼可能有几方面原因。除了喷气襟翼本身的技术难度外，发动机推力不足可能是最大的障碍。喷气襟翼放下后，接受发动机喷流的吹拂，将喷流部分向下偏转，并通过缝隙引射增升，增升效果明显。同时，喷气襟翼要求发动机的推力轴线紧贴下翼面，这样才能是襟翼处在喷流之中。但发动机喷流紧贴下翼面可能影响喷流的发育。但另一方面，向下偏转的推力轴线降低了实际向前的推力，在发动机推力不足的情况下，这是很要命的。喷流在喷出喷口之后，并不是像铅笔一样的直筒子，而是像喇叭口一样散开，然后再形成捅形。这是因为高压喷流在离开喷口之后，喷流中心的压力使得喷流向压力较低的环境空气膨胀出去，好像吹肥皂泡一样。喷流的发育受到机翼下表面的阻碍的话，不光烘烤翼面结构，还会造成推力损失。考虑到要用推力不足的D30先飞起来，运-20不能负担这样的推力损失。

另外，结构上的要求可能也是一大障碍。喷气襟翼要求发动机喷口的轴线紧贴下翼面，这样发动机吊舱必须向前、向上，基本平伸，吊架成为直直前伸的悬臂，基本平伸的发动机吊架还有迎风阻力较小的好处，但沉重的重量对机翼形成很大的扭转力矩，极大地提高了机翼刚度的要求，对吊架的刚性要求也较高。另外，喷气襟翼本身也需要极大地加强，否则被强力的喷流吹散了架就不妙了。发动机喷流紧贴机翼下表面也提高了结构耐高温的要求。所以和喷气襟翼相适应的发动机的位置很讲究，太高了要影响喷流发育，太低了要错过襟翼的位置，极大地加宽襟翼的宽度可以补偿较低的发动机位置，但襟翼的重量大大增加。考虑到种种复杂性和实际效益，运-20没有采用喷气襟翼是谨慎的。

但运-20也没有一味降低技术风险而放弃技术创新，运-20采用了超临界翼。常规翼型大体上像为横剖一半的水滴，前半部比较肥厚，后半部比较瘦削，后缘则是尖利的。气流沿上表面加速，在接近音速时，尽管飞行速度尚未达到音速，但上表面局部速度已经达到甚至超过音速，形成强大的激波阻力。超临界翼是NASA气动奇才理查德•惠特康姆发明的，他还发明了导致超音速飞机蜂腰的面积律和眼下实行的翼尖小翼，对现代航空科技的影响无人可比。推迟激波产生的通常做法是采用很薄的翼型，并采用较大的后掠角，这不仅不利于低速飞行，也要为恢复结构刚性付出重量上的代价。超临界翼一反常规机翼，上表面较为平坦，以减少气流加速，推迟和弱化激波的产生。这使得超临界翼可以相对较厚，或者降低后掠角。较厚的机翼受力较好，结构重量较轻；较低的后掠角也降低机翼对翼根的扭矩，降低结构重量。超临界翼的下表面前半段相对饱满，后半段向上“挖掉”一块，和上表面延伸过来的后缘下垂相对应，形成“钩子”一样的后缘。下表面压力较高，气流贴附着挖出来的凹面流动，然后沿“钩子”一样的后缘向下流动，产生额外升力，补偿上表面的升力损失。超临界翼的前缘也比较钝，迎面过来的气流贴附较好，配合较低的后掠角，在低速时增加升力。超临界翼已经成为现代客机和运输机的典型翼型，不过从外观上不容易看出端倪来。C-17也采用超临界翼。

比较有意思的是运-20的翼展。相比于C-17的51.75米的翼展和伊尔-76的50.5米的翼展，运-20的翼展只有45米，只比起飞总重少1/3的空客A-400M的42.4米或者安-70的44.06米略大。这说明运-20的超临界翼达到了很高的设计水平。运-20机翼另一个饱受疑问的地方是没有C-17或者现代民航客机上常见的翼尖小翼。翼尖小翼的作用是降低翼尖绕流，间接降低阻力。由于机翼下表面压力高于上表面，翼尖附近的气流不仅从前向后流动产生升力，还绕过翼尖形成“短路”的侧向流动。这不仅导致翼尖升力损失，还产生强烈的翼尖涡流。涡流的能量最终来自发动机的推力，但这部分消耗的能量对于升力和速度毫无用处，所以形成阻力。翼尖小翼降低了翼尖绕流，具有显著的增升减阻作用，相当于延长翼展。但翼尖小翼除了本身的重量和阻力外，还要求机翼结构额外加强，导致额外的重量。所以翼尖小翼在设计中要在得失之间仔细权衡，不是包赚不赔的买卖。如果发动机推力足够，可以用额外的推力补偿翼尖小翼的增重，而在翼展大体不变的情况下获得有效的增升，以增加飞机的起飞总重。但对于现阶段的运-20来说，更大推力的发动机一时还没有就绪，现有机翼设计已经保证了足够的升力和起飞总重，就不必急于加装翼尖小翼。等到更大推力的新型发动机就绪的时候，具备了增加起飞总重的条件，那时再加装不迟。事实上，C-17的翼尖小翼也是“后加”的。按照原设计，C-17的最优翼展应该为53.4米，但美国空军规定了野战机场的占地要求，在90米x120米的停机坪上要能够停放3架C-17，所以翼展只有缩短到50.3米，加装翼尖小翼以补偿翼展损失。算入略微外倾的小翼后，翼展增加到51.75米。运-20可以反过来，在增重条件成熟的时候，加装翼尖小翼，实现更大的等效翼展、更大的起飞重量和载重量。

运-20采用机腹起落架，每侧三排，每排两轮。这个安排是与空客A-400M和安-70相同的，与C-17的每侧两排、每排三轮不同。伊尔-76更加极端，每侧两排、每排四轮，连前起落架都是单排四轮的，而所有其他主流运输机都采用双轮前起落架。多轮起落架的轮子越多，对地面的压力越低，在简易跑道上起飞、着陆的性能越好。另一方面，轮子横排而不是纵排，后轮重蹈前轮胎迹的问题就越小。后轮重蹈前轮胎迹不仅在松软地面可能造成后轮下陷，在硬质跑道上也对同一表面反复碾压，增加跑道的损耗。但另一方面，轮子横排不便于起落架的收藏，或者增大本来已经有很大鼓起的起落架舱，导致较大的重量和阻力；或者需要具有复杂的扭转、折叠机构的起落架，增加重量和降低可靠性。所以横排轮子也不是只有优点、没有缺点的。相对来说，运-20的三排六轮的重量、阻力和起落架复杂程度都较小，只要符合简易跑道起落要求，还是不错的选择。

现代运输机的尾门对快速装卸非常重要。尾门放下后，是车辆和人员迅速进出的跳板，或者是空中空投的平台；尾门收起后，成为机尾密封结构的一部分，尾门上还可以额外装载货物。通常尾门分上下两半，下半向外放下，上半向内收起，形成高大的装卸通道。C-17只有上下两半，结构简洁，密封较好，但尾锥因此相对宽扁，机尾的涡流比较严重，为此增加了两片斜向的腹鳍进行局部导流，降低涡流影响。伊尔-76的上半比较复杂，中间部分和常规的上半一样向上收起，左右两片向外下垂打开，同样形成高大的装卸通道。但在尾门全部关闭的时候，尾锥比较尖瘦，阻力较小，气动上更加优美。在空投中尾门打开时，左右两片还对机尾涡流起一定的屏蔽作用，降低涡流影响，改善空投环境。但伊尔-76的尾门结构复杂，重量较大，密封难度也更高。运-20采用了伊尔-76形式的尾门。

运-20的尾翼和C-17十分相像，同样采用两段式双铰舵面。也就是说，对于垂尾方向舵来说，上下两段舵面可以分别运动，每段舵面还有像两节鞭一样的前后两部分，后半可以在前半的基础上进一步偏转。高平尾也一样，每侧平尾有内外两段，每段有前后两部分，可以分别偏转，提高操纵效率，降低铰链力矩。相比之下，伊尔-76就是简单的单片式方向舵和升降舵。

作为中国第一架大型运输机，运-20和世界上其他典型运输机相比较是自然的。在现代运输机中，C-17无疑代表了最高水平，或者说是豪华级的；伊尔-76已经有40年的历史，但依然皮实、实用，代表了起码水平，或者说是平民级的。运-20在载重量上介于两者之间，在技术水平上也介于两者之间，但在很多方面更加靠近C-17。运-20的超临界翼设计明显比伊尔-76先进，翼身融合处的整流罩设计更为饱满、精细，尾翼设计、起落架舱与机体的融合则和C-17相近，但尾锥、尾门设计、襟翼设计和发动机吊挂方式则采取了伊尔-76的优点。和尺寸相近的空客A-400M或者安-70相比，运-20的起飞总重和载重量要大得多。在具体特征上，运-20或许和世界上其他同类飞机有这样那样的相似之处，但就总体设计而言，运-20采用了具有中国特色的设计取舍，不是对任何一架飞机的简单模仿。总体平衡下来，运-20离世界最高水平还有差距，但已经达到了很高的技术水平。作为中国第一架大型运输机，运-20的成就是可喜可贺的。西飞干得好！

李根 · 发表于 2013-5-13 11:41:26

作为中国第一架大型运输机，运-20的成就是可喜可贺的。西飞干得好！

晨枫同志写得更好！！！

dragan · 发表于 2013-5-13 11:51:45

点评下日本的XC-2?

晨枫 · 发表于 2013-5-13 11:58:07

dragan 发表于 2013-5-12 21:51
- F5 U, u0 Q" y) \, ~点评下日本的XC-2?

这架飞机有意思，等有机会会聊一聊。

树和藤的树 · 发表于 2013-5-13 12:11:42

看到运20首飞的消息时，真的是高兴的跳起来。

liuqing098 · 发表于 2013-5-14 22:44:53

晨大就是牛！

五月 · 发表于 2013-5-15 10:52:29

俺特喜欢读晨大的军文。虽然俺对里面大多数名词的理解都似是而非，虽然看了后面的内容就忘了前面的，虽然读了好多篇军文才闹清楚原来F35别看型号数字高其实比F22低档，但是就是喜欢看，希望那种娓娓道来里逻辑的铿锵有力，像是小时候读《海洋的秘密》《我们爱科学》那些课外书的感觉

晨枫 · 发表于 2013-5-15 12:34:52

五月发表于 2013-5-14 20:52 + R8 h, K' l& v
俺特喜欢读晨大的军文。虽然俺对里面大多数名词的理解都似是而非，虽然看了后面的内容就忘了前面的，虽然 ...

哇，你说得我都不认识自己了。

xlan1976 · 发表于 2013-5-15 12:49:05

本帖最后由 xlan1976 于 2013-5-15 12:55 编辑

嘿嘿，又见晨大好文

鲜花之余，俺再来泼点凉水。。

我怎么好象老这么干。。

有关运输机翼盒和起落架以及尾舱门那部分，其实大家可以去看@TopGun 兄在运20公布之初发的几个帖子，那个更专业，也更准确。。实际上C17的那个设计不仅不会降低货舱高度，而且它的货舱的高高度也是缘于这样的翼盒设计。。
至于双开缝襟翼嘛，没有那么神奇啦。现在的737、767基本都是双开缝襟翼，这个东西已经应用了20多年了，不是啥新东西。。发动机尾喷气流可能会对襟翼的增升产生一定影响，但没有那么大啦，因为双开缝也好，三开缝也好都不可能装到尾喷后面去。。737、767的双开缝襟翼在发动机尾喷那里被截开，分为内侧襟翼和外侧襟翼，就算靠近尾喷部分的襟翼会受到尾喷气流的影响，但那只占整个襟翼的很小一部分，而且也只是在尾喷的旁边，而不是后方。。估计螺旋桨飞机的螺旋桨产生的气流对襟翼的影响更大一些。。
有关发动机尾喷内的气流的工作状态和出喷口后的状态大家可以看我的日志里面拿篇以前发表在铁血上的文章。。
另外这种向前伸出的吊架形式几乎现在所有的下单翼都有采用，不是啥新鲜东西。发动机吊架所承受的主要载荷是发动机的推力，这个比发动机自身重力大的多，所以吊架设计也主要是从如何传递发动机推力考虑。这中前伸的吊架很正常。
至于超临界翼型嘛，刚出的时候很炫，现在几乎是高亚音速运输类飞机的标配了，你不用这个出门都不好意思跟人打招呼。。

@TopGun 兄也来发表下看法吧，这个你更专业呦

xlan1976 · 发表于 2013-5-15 12:56:33

本帖最后由 xlan1976 于 2013-5-15 13:04 编辑

xlan1976 发表于 2013-5-15 12:49 6 L3 s* [/ T- A
嘿嘿，又见晨大好文
) b; X- \' \7 a+ w鲜花之余，俺再来泼点凉水。。我怎么好象老这么干。。
1 ?3 ^8 I; j3 w" x' z5 c有关运输 ...

@TopGun 兄也来发表一下意见吧，这个你更专业呦

。。为啥@不了。。

Pipilu · 发表于 2013-5-15 13:49:00

xlan1976 发表于 2013-5-15 12:56
G0 C2 g3 R" N4 ]' @% }& B% H@TopGun 兄也来发表一下意见吧，这个你更专业呦( P8 H; C# ^# H- R, @& j z2 B
。。为啥@不了。。 ...

@TopGun

TopGun · 发表于 2013-5-16 00:48:57

Pipilu 发表于 2013-5-15 00:49
; ?) Z0 z ~/ E@TopGun

感谢@xlan1976 和@Pipilu 的通知。

Y-20最大的弱项还是发动机。我由衷地期待着国产高涵道比发动机的出现和成熟。至于Y-20其他方面，我在写了五星红旗高高飘扬——评运20首飞和大肚能容后，又读到了一个有意思的信息。可是今天在写这个发言时再在网上找，居然找不到了。

这个信息就是Y-20刚开始时居然使用了实心轮胎？我是几个星期前在网上匆忙中读到的，现在再找就再也找不到了。只找到曙光橡胶工业研究设计院是Y-20轮胎的开发者。

不知道哪位知道Y-20轮胎的信息？到底是充气的还是实心的？

xlan1976 · 发表于 2013-5-16 01:05:41

TopGun 发表于 2013-5-16 00:48
1 n; v# \3 j3 i, ^: f感谢@xlan1976 和@Pipilu 的通知。" D5 y8 O6 v- w5 Y. p* G

5 C" d/ [ X+ @! `, j k! ^Y-20最大的弱项还是发动机。我由衷地期待着国产高涵道比发动机的出现 ...

实心轮胎。。

这个确实很特别喔。。在民航飞机上我没见过类似的例子。。
不知那位由信息可以提供。。

所以我才打高球 · 发表于 2013-5-16 01:22:01

TopGun 发表于 2013-5-16 00:48
1 @# B; `" ^' ^$ {, ~, o- S感谢@xlan1976 和@Pipilu 的通知。! I- f. H: x, t) V) I: `

9 c/ \5 W' D/ i# t* X5 f( k) M$ }Y-20最大的弱项还是发动机。我由衷地期待着国产高涵道比发动机的出现 ...

内啥给说说，如果是实心轮胎，就咋嘀了？

TopGun · 发表于 2013-5-16 03:44:35

所以我才打高球发表于 2013-5-15 12:22 * G* I, Y$ G/ z
内啥给说说，如果是实心轮胎，就咋嘀了？

我只能凭记忆了，可能记得对，也可能记错了。当初要是记录下来就好了。

那篇文说的是最初的情况，不知道现在是实心还是充气。

最初用实心，文中似乎说的是在当时的技术水平下，充气的无法满足要求。

如果我能在网上再找到此文，会贴出来。

至于实心与充气的区别，我个人觉得相同尺寸的轮胎，实心的可以承载更大的载荷。

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运-20设计初探

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