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运20是中国军用运输机发展史上的里程碑,从此中国军用运输机迈入世界第一梯队,换装涡扇20后,运20也将达到全规格能力。但光有运20还不够,中国还需要先进中型运输机。# C- E0 s( \) m$ C+ ?
, H* g0 w( H( i# ]! m8 N现在,中国空军中型运输机的任务由运8、运9承担。运9可以看作运8的深度改进型,两者的基本设计都是苏联时代的安-12,已经很老旧了。同时代的C-130还在用,最新改型C-130J也将长期使用。但这是欧美技术路径依赖的结果,而非最优选择。
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在2014年珠海航展上,出现了运30的模型,在外观和定位上接近空客A400M,但航展结束后就再没有后续消息。运30也是厂商自定型号,并非中国空军正式的型号。近来又有“新中运”的传说,但还是光听楼梯响、不见人下来。
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! k. X, w" V3 y' m+ rA400M是不错的设计,相对于C-130而言,其货舱尺寸更大。一直以来,很多欧美新型战术装备为了能用C-130运输部署,只得削足适履,很影响性能和发展潜力。A400M也增加了载重量,这也是C-130的瓶颈。先进涡桨则提高了经济性,使得A400M具有更大的航程,适合现代战区空运的要求。
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但A400M还是传统的筒体-机翼构型。一方面设计、制造、使用经验成熟,另一方面“机翼管升力、机体管运载”的分工成为气动效率的瓶颈。换发动机还算容易,换机翼都可以做到,但除了拉长,换机体就基本上不可能了。0 [2 f+ K/ ^' s! T n, |1 c5 I
4 Q, Y9 l) X G: p4 q很多年来,航空科技界在不断探索新的气动构型,没有找到能全面、完美替代筒体-机翼的构型。但这其中,翼身融合体(BWB)用于运输机最具潜力,美国空军已经指定新秀JetZero公司研制BWB技术验证机。4 r" `) l8 O9 N. ~! W3 _* a% {9 k) t
5 ?+ S6 n. |2 V, p+ P) RBWB介于传统的筒体-机翼布局和飞翼布局之间。飞翼的整个“机翼”都既产生升力,也用于承载有效载荷(人员或者货物、弹药)。飞翼具有最高的气动效率,堪称“没有一克重量不产生升力”。这意味着同样的起飞重量可以得到更大的载重-航程,或者同样的起飞重量可以大大降低油耗。, u" x4 h* h$ d# q
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升力是飞行的关键。机翼是“以阻力换升力”的装置,升力需要克服重量,重量由有效载荷和结构死重构成。机体不产生升力,这就是死重。飞翼消除了机体的死重。减少升力需求降低了阻力的产生,这是飞翼具有最高气动效率的基本道理。
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BWB具有规则但不一定是圆筒的机体,但机体与机翼之间高度融合,形成饱满的翼身融合体,在外观上和飞翼十分相似,只是“中央体”特别宽大、肥厚,也相对规整。规整的中央体包含运载有效载荷的机舱。与飞翼相比,BWB的机体也产生升力,只是气动效率没有飞翼高,但由于相对规整的机舱,运载有效载荷的能力比飞翼高。1 j% U8 c' f: \ G) ~
& M9 `4 U+ J; {1 f( r$ {4 EB-2一般认为是飞翼,其实也可以看作某种BWB,因为有效载荷并非分布在整个翼展,也是集中在中央体的内部。只是B-2缺乏明显的中央体,中央体到机翼是完全圆滑过渡的。典型BWB还是能隐约看出机翼和机体的分界线。# m6 ?6 T0 k, g( P
7 C% y1 K# r& W4 b; s" f& @BWB在80年代后期就得到研究,波音曾寄希望于BWB成为下一代客机的构型,还在NASA资助下研制了X-48研究机,获得大量有用的数据。BWB作为客机的问题和飞翼客机一样,中间旅客的感受很糟糕,正常登机离机的路线不顺,紧急疏散的问题更大。4 ^, e- W, p4 j Z" V9 U# [9 M* f
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但作为运输机,这些都不是问题。宽大的机舱还有便于运载尺寸大但是重量并不大的货物的好处,很多军用装备正是这样的,如机动雷达和机动导弹发射系统。
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3 ` ?8 j1 [2 w+ d# e! p更重要的是,BWB具有更好的隐身外形,可能成为下一代加油机的气动构型选择。
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t8 A% x ~6 D9 d说一千道一万,隐身的关键在于“一小抵三俏”。隐身措施可以掩盖庞大的雷达反射特征,但更小的物理尺寸才是更好的起点。最理想的隐身飞行器是圆盘形,但飞碟的问题比飞翼还要多,离实用化太遥远。飞翼对于装载不友好,BWB就是退而求其次的选择。
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隐身对运输机很重要,但对加油机更重要。
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7 a3 x8 ?5 i. ~/ v i) B$ E. o加油机对空中战场的重要性不言而喻,不管是战斗机、轰炸机,还是运输机、长航时无人机,都有旺盛的空中加油需求。但加油机的战场生存力越来越成为大问题。0 w9 ^8 O: Z ^+ W. d
3 O, y+ Y8 G" B所有飞机都有起飞后立刻空中加油的需要,以避免最大起飞重量对多载油还是多载弹的困扰。已经飞起来后,速度大大超过滑跑起飞状态,机翼升力大大提高,增加飞机重量不再是问题,但航程增加是显然的。起飞后的空中加油还补上了起飞中的耗油,这是最耗油的阶段。
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8 h2 ?7 I x9 S4 ] \7 Q起飞后加油只需要量大管饱,生存力没有特殊要求,什么加油机都可以。但对于战斗机来说,典型的战区空中加油方式是在战场边缘。战斗机在战斗间隙脱离战场,空中加油后返回再战。对于轰炸机来说,空中加油可能在出击和返航的中途,往往超过自己战斗机控制的区域。
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8 U+ o" ]+ h- _# e6 Q传统加油机以效率为基本考虑,民航客机为基础的加油机大行其道。军用运输机为基础的加油机具有野战机场起落能力的优点,但经济性不及民航客机为基础的加油机。然而,这两类加油机在空战战场边缘几乎没有生存力可言,敌人战斗机既可以奔袭,也可以用超远程空空导弹吊打。前者还可能通过战斗机护航应对,后者就很少有办法了,即使护航战斗机舍身救主,具有较高目标分辨能力的先进空空导弹都未必上当。
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加油机一旦被击落,很多亟待补油的战斗机就可能因为油尽而坠毁。加油机安全已经不止是加油机的生存问题,还是整个空中作战体系的生存问题。
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$ R0 K" @' e% s% _隐身加油机成为美国空军的研究话题已经有一段时间了,但在战略重点转向亚太后迫切性大大提高,BWB成为优先选择,JetZero的BWB技术验证机就有隐身加油机的背景。隐身加油机对中国空军也同样重要。中国战斗机要前出到第一岛链甚至更远,很难回避加油机的生存力问题。
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% v, p0 m9 j! uJetZero的BWB技术在Z-5设计方案中集中体现。这最初是从民航客机入手的,定位于波音“新中客”(NMA)的要求,也就是说5000海里(略超过9000千米)的航程和250人的载客量,与波音767同级。Z-5翼展为61米,与A330相似,但长度只有波音767的2/3不到,结构重量和动力要求只有波音767的一半。换句话说,可以用波音737一级的动力(比如通用电气LEAP或者普惠PW1000G)达到波音767一级的运力。( Y @6 J6 B6 s- E3 K. ]' [& Y; U
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作为加油机,BWB提供宽大的机内容积,较低的结构重量和油耗也意味着更大的可转移燃油量。JetZero声称Z-5为基础的加油机可以达到KC-46一倍的可转移燃油量。
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! m8 D' A4 W% O# @3 |5 s) o% R& [4 Y宽大的机内容积还为未来氢动力提供可能。氢动力最大的问题就是难以找到足够的机内容积,来携带足够的氢燃料。
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BWB特别宽大的机体意味着很宽的主起落架轮距,特别便于采用降低对跑道压力的多轮起落架,有利于提高起飞重量。传统运输机要采用多轮起落架,只有安装在有利于受力的机体下。但机体宽度不够,只得在机体两侧设计巨大的鼓包,在气动阻力和重量上都要付出很大的代价。. Q! n4 f! K1 N
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BWB没有这个问题,可以直接在腹部安装多轮起落架。如果只要求在高标准跑道上起落,也可以采用更加轻巧和常见的支柱式起落架。, q* J* W3 K8 ?/ i: H
7 \9 t% C' B7 g3 a! S7 l- @0 Q5 VBWB有一点“机体”长度,所以后掠翼翼展较大也不至于出现翼尖远远超出“机尾”,导致升力中心在重心之后太远的问题。大翼展、小展弦比对升阻比的好处是显然的,大翼展后掠翼BWB比大翼展后掠翼飞翼在气动上容易安排,洛克希德“暗星”无人机采用平直翼,部份原因就是没法解决后掠翼的升力中心和重心相对位置的问题。
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宽大的中央体还使得发动机位置容易解决,扁平、宽大的鸭尾体上方正好可以方便地并排安装发动机,单发、双发、三发都不成问题,完全看动力需要。发动机尺寸也不受限制,大直径的高涵道比发动机没有翼下离地净空问题。# l2 Z! Z) G3 _( O9 U4 W
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背部发动机还有利于抽吸BWB上表面的附面层。附面层是空气粘性导致的机体表面的呆滞气流。在理论上,气流速度在机体表面处为零,随离机体表面的距离而增加,最后达到自由气流的速度。速度分布可看作抛物线形,附面层的厚度则为机体表面到自由气流速度的距离。
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附面层内气流速度与自由气流速度的差别意味着“拖后腿”,这就是阻力。飞机的迎风阻力不仅由机体和机翼造成,还有附面层这个肥厚的虚拟套子造成。由于空气粘性,附面层沿气流流经的长度逐渐堆积。因此,机翼上的附面层还不是最大的问题,长长的筒形机体的由前向后的附面层堆积才是大问题。
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; |7 {( |& M9 e* t$ V' |8 q0 m飞机减阻的一个热门研究方向就是附面层抽吸(BLI)。BLI把机体表面的附面层通过抽吸而拉动起来,动摩擦低于静摩擦,附面层的阻力就小很多。流动起来的附面层也因为速度差异减小,降低附面层厚度,同样降低阻力。
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# m# P/ K l( w3 VBLI通常由环绕机尾尾锥的超大涵道风扇实现,将整个机体的附面层一起抽动。退而求其次,可以只抽动机体上表面,这还有增加上表面气流速度和产生一点升力的好处。BWB的机尾上方发动机正好起到一定的BLI作用。
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5 g% O# B% u; Y2 Q$ A/ L- v6 [* S H理想BLI需要更加均匀的抽吸,但有总是比没有好,80:20才是工程上的正道。
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BWB的鸭尾体也使得运输机尾门比较容易安排。传统运输机的筒形机体必须有一定的长度,才能提供足够的载货空间。但运输机为了地板低,起落架只能尽量短,反而由于尾锥的离去角限制而使得筒形机体从中后部就开始压扁,形成机尾下方的斜坡,便于安排尾门和装卸斜板。
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4 n$ |: t4 L6 _, Z这个斜坡使得机尾气流十分复杂。下表面气流沿着斜坡往上爬。另一方面,尾门和装卸斜板的尺寸使得尾锥的“双肩”很宽,最终的气动整合使得机尾的“鸭尾体”实际上略高于机体顶部,形成不大不小的“驼背”。机体上表面的气流流到这里,被“驼背”一劈为二,向侧下流动,与沿着斜坡往上爬的气流混合,形成复杂的机尾涡流。
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# Y; s. y* e" P对于飞机来说,所有对升力和推力无用的气流搅动最后都反映为阻力。有研究在C-130的机尾两侧增加扰流片,梳理复杂的气流,降低涡流阻力,也改善空投时的机尾气流流场。
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* X/ g8 ^7 k2 M6 \2 rBWB的“机体”短得多,离去角的限制也小得多,尾门和装卸斜板与机尾的气动整合简单得多。宽扁的机尾使得后体气流主要向后流动,向两侧的涡卷减少,额外气动阻力也相应降低。& T6 v3 `. f$ M4 y4 Z
鸭尾体的后缘正好是俯仰控制面的位置,因此不需要专门的平尾。如果飞控与发动机控制相整合,垂尾也可以省略,降低飞行阻力,也进一步改善隐身。6 U2 @- N9 R R+ k, Y
" f4 b& a+ @1 T+ l! [) B; S鸭尾体也对发动机噪声和喷口温度形成良好的屏蔽。屏蔽噪声对军用运输机和加油机不太重要,但屏蔽喷口温度对降低红外制导防空导弹的威胁有用。如果鸭尾体两侧再增加浅V形尾翼,可以进一步改善屏蔽,并增加偏航安定性,降低飞控难度。
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但是BWB俯仰控制力矩短的问题比飞翼好一点,但还是存在,起飞时拉起困难。为此,JetZero采用像法国舰载“阵风”战斗机的可弹出前起支柱,在起飞时弹出、伸长一米,使得迎角增大6度,帮助起飞中的拉起。
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1 p1 {6 |8 `# f! g9 ~9 [JetZero的Z-5是BWB客机,为此进行大量研究。在解决旅客憋闷感方面,除了尽量在前缘开窗外,还利用宽大的“顶棚”大量开设天窗,增加透光。这降低了舱内的憋闷感,但不解决向外视界问题,只能用更多的数字技术通过虚拟机窗来补偿。
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在登机、离机方面,较短的机体和多条平行的走廊实际上加速登机和离机。在紧急疏散方面,只有通过机顶紧急出口和自动放下的短梯满足要求了。
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但BWB客机还很遥远。空客的A321XLR达到200座、4500海里的水平,很接近NMA,暂且不会上马BWB。波音NMA则由于技术问题和737MAX危机而搁置了。9 N6 p# ]! m4 g. X
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美国空军的着眼点是加油机,中国空军加油机和中运都需要解决,BWB是值得考虑的切入点。尤其是中国已经解决了涡扇20的量产,这正好是LEAP同一推力级的发动机。中国还在研制CJ1000,这不仅在推力级方面和LEAP相当,在省油和技术水平方面也相当。
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4 y0 `5 [* J1 H$ fBWB需要解决非圆筒复材结构的设计和制造问题。中国在2009年购入奥地利的FACC公司后,起点大大提高。FACC是世界上航空级树脂传递模塑(RTM)技术的领先企业,也是空客等主流航空航天企业的主要供应商。
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RTM用于复材成型,将树脂注入到闭合模具中浸润增强材料并固化,不用传统的预浸料、热压罐,有效地降低设备成本、成型成本,而且适合大型件的制造。
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; e; U9 n5 ~2 \在多种军机和C919的设计、制造中,中国已经积累了大量的复材设计和制造经验,RTM是如虎添翼。C919没有采用复材中央翼盒很出业界意料,但C919是中国第一次独立、完整地设计大型民机,在技术上走金属中央翼盒路线是稳妥的,没有必要一口吃成胖子。但一顿一顿吃下来,是时候吃RTM这顿大餐了。* q/ z3 _! k7 o/ ?
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运30也是中国航空由赶变超的契机,运油结合更是是独特的机会。加油机已经进入新思维,不再是越大越好,而是适中、高生存力为好。少量、大型的加油机人为制造空中拥挤,也容易成为敌人打击的节点。分散化不仅是作战平台的需要,也是加油平台的需要。
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# p5 ^8 O" u `( ]+ C3 |: c% {中型、隐身、节油的运30更是海上巡逻机、预警机、远程电子战飞机等特种飞机的理想平台,宽大的机舱特别适合容纳任务设备和机上人员。2 R/ }) m" M+ ~' R' U7 q+ |- p
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运30,值得期待。
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