军用和民用大飞机的设计差异

来源 :兵器知识 | 被引量 : 0次 | 上传用户:yu19910108
下载到本地 , 更方便阅读
声明 : 本文档内容版权归属内容提供方 , 如果您对本文有版权争议 , 可与客服联系进行内容授权或下架
论文部分内容阅读
  记:现在说的大飞机主要指运输机,运输机在什么情况下开始分为军用和民用?
  江:大飞机在不同时代有不同标准。在飞机发展早期,能安装多台发动机的基本就算是大飞机。二战前后,B-29和C-54这类规格的也算是大飞机。战后航空动力实现喷气化,使飞机载荷、航程和尺寸都得到大幅度增加。从50年代开始,大飞机普遍指起飞重量超过100吨的机型,这个标准到目前仍有意义。
  早期民用客机大都以轰炸机为基础改进。由于早期军用运输机的功能也是散货和兵员,因此,民用和军用运输机在设计上并无差异,民用客机的特点不过是更加舒适。DC-3、FW-200和JU-52这些机型都是以民为先,军民通用平台。
  军用运输机直到二战期间仍以空投/空降为基本任务,飞机的设计只需要满足人员和伞降运输任务,通常采用低机翼和翼上发动机设计。为保证螺旋桨不会在地面工作时碰触地面,主起落架大都安装在机翼发动机的下方,导致机体上的舱门距地面高度比较大。C-46/47和JU-52这些运输机,在大战期间承担着重要的运输任务,但在实际使用中,军方需要运输的装备远比人员更复杂。C-46运输过火炮和吉普车,德军在斯大林格勒和北非也面对重型装备物资运输需要。民用客机改造的军用运输机货舱较小,舱门尺寸和地板强度都不高,难以运输大型技术装备,将吉普车塞进C-46机舱是件非常艰苦的工作。对于大战中、后期的重装备空运及空降作战,各国都采用了设计和制造难度小的滑翔机,通过自重轻、载荷大,可设置大舱口甚至是一次性使用的滑翔机来运输大型装备。大战中的滑翔机是专为军事运输用途设计,用以机降步兵、物资的技术兵器,能够运输当时无法空投的大件或更多兵员。无动力滑翔机的结构远比常规飞机简单,铁、木结构的造价也相当便宜。虽然滑翔机实战损失数量远比常规飞机大,但滑翔机的低成本可以抵消部分损失。常规运输机对机降人员物资的限制,使滑翔机当时处于无可替代的地位。
  滑翔机广泛参与了欧洲第二战场的几次空降,牵引机和滑翔机的战斗和非战斗损失空前巨大,很多国家开始研究结合滑翔机和动力飞机优点的新机型。德国以滑翔机为基础的重型ME-323运输机,就是将滑翔机的合理结构与动力系统组合后的早期尝试。大战期间的滑翔机主要采用上单翼和高度较低的滑橇起落架。上单翼可以使机体上的出口靠近地面,有利于人员车辆等的装卸。直接安装在机体上的滑撬起落架结构简单轻便,适于在不平坦地面上保持机体稳定滑行。大战中的滑翔机在整体设计上与客机平台有了巨大变化,这两种设计也成为战后军用运输机设计的基础。
  二战后的军用运输机设计中认同了新的设计思想,不需要考虑民用市场,可以按照军事运输需要专门设计。为了提高人员物资和车辆装卸效率,基本设计特点是机体距地面高度低,机身上设置有大尺寸的舱门。因为在机体前段要留出驾驶舱的空间,绝大部分机型都将舱门安装在机身后段,人员、车辆和集装物资可自行进入机身货舱。为了给机身舱门提供比较好的空间,强化运输机在非铺砌场地使用的能力,军用运输机基本都选择了上单翼多发结构。上单翼布局可以将动力系统上拾,避免因为要给动力系统提供安全空间,机身货舱与地面距离增加造成跳板陡峭和影响强度。民用客机则继续采用传统的下单翼结构,发动机和起落架都设置在机翼/中央翼内,机体直筒段结构简单轻便,中央翼是机翼和主起落架集中受力结构,机身结构简单轻巧并有开敞的内部空间。相对民机普遍采用的下单翼结构,军机选择上单翼后,机身中段不但要为集装物资运输和起落架强化地板和机体结构,机身上方中央翼部分也必须强化结构,机身中段有下方起落架舱和上方中央翼两个受力结构,机体结构复杂并影响到机身气动性能。
  记:两者具体的设计差异有哪些?
  江:军用运输机和民用客机所需研制时间相同,航空材料、成品和动力系统也会基本相同,这是大飞机设计上可以共通的基础。但不同的设计要求在结构上产生很大差异,这从二战后期开始出现,到冷战初期就已非常明显。国外上世纪50年代开始发展大型飞机平台,基本同时期完成研制的安-12/伊尔-18和L188(P-3的民用机型)/C-130,在结构、动力和机载设备上有很多相同点,但整体设计有巨大差异。
  现代大型飞机发动机涵道比和风扇直径都越来越大。民用客机增加发动机风扇直径必然缩小发动机与地面距离,抗杂物干扰能力差,迫使机场提高对建造维护标准,整个飞机活动场地都必须进行硬覆盖。军机上单翼吊挂发动机离地较高,可以弱化风扇对地面的吸力,能大幅度放宽对场地的要求,部分型号甚至不需要硬道面就可以正常使用。
  民用大飞机良好的场地和调度条件,使其增升装置比较简单,系统尺寸重量较小,不会影响翼面结构。军机的场-地远比民机紧张,需要尽可能缩短起飞滑跑距离,也就是说军机必须采用更有效的增升设施,性能要求要比降低成本和重量更重要。较先进机型(如安-72、安-70和C-17)都采用了气动和动力组合的增升方式,依靠发动机工作时的气流改善翼面流场,通过翼面动力增升扩大气动增升措施的效果。
  民用飞机以人员运输为主,普遍采用等径面积最大和阻力优化的正圆形机身截面。宽体客机的机体直径虽然大幅度增加,但截面形状仍然保持了圆形这个基本特征。圆形机体框架在同样强度下的重量最轻,圆形机体最大截面在机身设置客座的中段,地板下和过道两侧上方的行李舱填补了机体收缩空间,乘座空间和行李间得到了最大程度的优化。军用运输机也要强调经济性和阻力优化,但由于需要在机体后部或前部开设全尺寸舱门,货舱内部必须有足够大的地板宽度和垂直高度。早期军机并不太要求货舱的宽度,如C-130/141等型号的机体也是圆形。随着对机舱尺寸要求的提高,有重装备运输需要的机型开始拉直机体侧向的曲面。从驾驶舱来讲,军机所需的空间和民机基本相同,机体加宽后驾驶舱却没必要加宽,而缩小机体上部宽度,在不影响货舱尺寸的前提下可以减阻减重,因此军机货舱截面大都呈现出向上方收缩的矩形。总的看,军机截面不是呈现出梨形,就是在圆形机身截面侧面存在较大的间隔空间,影响了机体的截面利用率。因此同样最大货/客舱宽度的机体,军机的截面尺寸和结构重量都要明显大于民机。   民机主要运输人员和集装箱等物资,它们的特点是载荷较轻,集中性比较差,满载时的载荷也是分散在整个机舱内。这就使民机适合采用较长的机体来增加载客量。而军机运输的装备如坦克等,载荷的尺寸不大但重量却很集中,这就使军机有比较高的满载重心位置要求,避免因装载重载荷导致飞机失去平衡。按照正常的设计,军机货舱宽度越大则货舱长宽比就越小,机身外形就越容易短粗,这种机体设计除了适合于重型集中载荷运输外,也是为降低机体结构重量和阻力。有些客机也进行了宽体化设计,降低了长径比,但经济性为主的要求使得其机身比例远没有军机极端。
  军用和民用大飞机的结构和材料无论有多少共同点,也难以调和这种设计差异。美国航空工业在这两种体系方面都很强,而欧洲虽然可以靠空客在民机上与美国对抗,但在开发军用运输机时,仍要重开炉灶开发“放大”型C-130的A400M。国外大飞机发展历程中,多次出现伊尔-18/安-12、波音707/C-141和波音747/C-5这样的双生子。通过国外军、民用运输机的设计特点,可以发现同时期军民机的技术基本相通,如果在市场和资源上无法兼顾,无论先发展哪型都可以同时促进另一型的技术进步。同样,如果技术达不到,无论先发展哪型也都没有成功的可能。就像中国在只有运-8/轰-6的研制能力时,拔苗助长的运10难以在市场上取得认同,标准更高的运-9甚至连完整的设计都没能力实现。
  记:美国在367-80试验机上发展了C-135和波音707两个系列,这两个系列是否可算作军民通用?能否作为中国发展大飞机的参考?
  李:C-135/707平台是窄机体远程飞机的经典,美国空军几乎所有特种平台的任务系统,都可以综合到C-135这个平台内,至少到目前还没发现突破平台的需求。民机的结构寿命设计较长,良好维护时有上万起落和几万飞行小时的寿命,正常的民用市场很少能消耗掉这些飞行寿命。美国这样技术更新快和市场竞争激烈的国家,民机市场对运营机型的舒适性、经济性要求提高很快,民机往往在剩余寿命很长时就因市场问题退役,波音707在美国就存在大规模提前退役的情况。这些剩余寿命很长的“过时”飞机为军用提供了充足的平台。美国空军在80年代发展E-3/8的时候,并没有选择当时已经成熟的767平台,而是选择了用民用客机退役封存的旧707改装,可见,即使在不惜代价军备竞赛的冷战期间,特种飞机成本中比例不大的平台也并不关键。KC-135是美国空军加油机的主力,美国也不是没有能替代KC-135的平台,KC-IO就是比现在竞争中的767/330更大的平台。但KC-10并没取代KC-135的地位,这也证明50年代开发的KC-135尚未过时。KC-135改进延寿后,即使到现在也能满足美国空军的需要,新加油机型号投标上美国空军的迟疑拖沓,也证明替代KC-135的任务并不紧迫。
  C-135平台的通用性和平衡性非常出色。当日本引进E-767时,很多人往r往着眼于767比707载荷和内部空间大多少,平台技术上提高幅度有多大,但事实却是707平台就能容纳的系统装到767平台上后,还有很大部分空间和载荷被浪费,而双发的E-767的可靠性却不如更小、更便宜的四发707。四发的707如果遇到单发失效,还可继续执行任务,而E-767单发失效后就只能返航。美国和西方其它国家的特种飞机平台中,C-135/707几乎已成为标杆。波音707的技术性能比较好,但窄机体的设计限制了内部空间,当经济性更好的宽体747/767开始使用后,单机载客少的707在经济性上就失去了竞争力。C-135和707生产规模很大,但停产时间较早,经济上又没有恢复生产的需求,使用中的飞机在消耗后无法得到补充。707现在之所以被替代,根本原因是寿命限制而不是因为平台小。
  C-135是美国一系列特种飞机的基础,也是波音707设计参考的平台。波音707在军、民用方面都很成功,这是由于它们的原型波音367-80本身就是纯粹的军机。美国空军在发展以加油机为基础的C-135的同时,也研制了以军用运输为要求的C-133/141。美国军用运输机型号的研制情况,证明美国空军很清楚C-135在结构设计上的局限。波音707的出现只能说明C-135符合当时民机的发展方向,因此从C-135推出的波音707取得了巨大成功,但不代表波音707也可以反推出C-135的成功。事实上,波音707的载荷尺寸在民机范围的改进中大幅度增加,但C-135各型号始终保持了最初的设计标准,这也证明了民机与军机即使基础一样,在发展过程中也会受需求牵引而分道扬镳。C-135的成功是个特例,很难复制,我们在设计民用大飞机的时候,不能让军机目标去干扰市场选择。军用特种飞机在结构上需要安装很多设备,这些设备的安装工作需要得到结构支持,但这些结构在民用上又没有任何价值,反而会增加结构重量和生产使用成本。我们难道可以考虑到要发展中国的P-8A,就在C-919设计上采用专用结构?难道为开发预警机,就对C-929的货舱尺寸和重量载荷分配进行更改?每种飞机的尺寸和载荷对每个功能都有个最佳值,功能扩展和改进的关键是平衡这个最佳值,而不是为了取得这个最佳标准去强求面面俱到。
  江:军用远程特种飞机平台规划中,现有最优的标准是120-150吨之间,相当于707级别,处于波音737和767之间。目前这个标准中能替代707的是空客的A310。中国民用大飞机发展过程中,ARJ 21和C-919是从50吨跨越到80吨的阶段,之后的C-929可选择150吨或200吨等级。中国大民机无论怎样选择规格,都只能由民用市场的需求决定,而不取决于军用机型的改进需求。
  记:如何看中国大飞机的级别选择?
  江:按国外机型情况,150吨是个分界线,超过150吨的军机开始进入战略运输机的范围,超过150吨的宽体客机则具备了洲际运输能力。假设中国开发200吨级别平台,民机类似于波音767和777之间的规格,基本能满足远程需要:军机则介于伊尔76和C-17之间,基本能满足战略运输需要,兼顾战术运输需要,与运-8/9运输体系对接。但这个规格的载荷空间小于民机,货舱舒适性也不如民机,机体空间和载荷标准过高,在军用型号改进上很难找到合适位置。   记:伊尔76的引进并不理想,即使能得到伊尔-76的改进型,其过时的设计也将限制自己的大飞机研发。
  江:国内型号开发经验不足,大军机研制很可能边参照边超越伊尔-76。中国大飞机的规格如果选择在200吨,将能够兼顾战略运输和战术运输需要。按照国外类似规格运输机的设计看,200吨的大飞机相当于缩小化C-17的标准,具备减载时在简易机场使用的能力,满油时又可以执行远程运输任务,能够像美国空军组合C-17/C-130那样与运-8配合使用。伊尔-76是个很好的参考平台,但伊尔-76毕竟从首飞到现在已经超过40年,当初设计时的要求和标准已完全过时,其圆形机体严重限制了装载物的规格和品种,局限在这个平台上已经没有前途,即使是参考也必须对伊尔-76的基础设计进行大幅度改善。
  李:军用大飞机规格的选择对发展潜力影响很大,基础设计上如果强调大截面货舱可以提高载荷范围,提高可运输重型装备的种类,增强大飞机在运输机功能上的效能和潜力,也有利于未来通过延长机体增加载荷的改进。军用机型可以参考伊尔-76和C-17,200吨标准的载荷和尺寸在这两个机型之间,能获得25米长(不计舱门/货桥)和5米宽的货舱内部最大空间,有效载荷可达到55-60吨,基本能满足运输国内预期重型装备的需要。军机可能会采用国外已经在伊尔-76和C-17上成功应用的布局,采用上单翼、推力12-15吨四发动力和T形尾翼,飞机的结构、材料和成品将与民机类似,在军事应用中将会起到放大版伊尔-76的作用。大飞机在设计上需要考虑到通用性和扩展性。按国外情况,200吨大飞机进行军用特种改进可能性较低。如果发展140-160吨级别,虽然在运输方面存在限制,但其规格更适合日后改进为预警和加油机,伊尔-76特种改进型A-50和伊尔-78的经验也能得以利用。中国如果研制出自己的大型运输机,现有伊尔76平台就有了替代产品。当国产大飞机开始批量生产装备部队后,现役伊尔-76可改进为特种飞机,并不需要在大飞机研制上对特种飞机平台进行过多考虑。
  记:如果发展200吨级平台,将其发展为预警和加油机型号时,其过大的体积也有优势,例如可以装比E-3上功率更大的雷达和发电机等,加油机也可以装比C-135更多的燃油,对此如何看?
  李:中国发展大飞机的目标是突破航空型号的空白,在技术和市场上打出自己的品牌。为实现这个目标,必须在产品规格上科学论证。从国外同型飞机的发展看,200吨平台的载荷航程和任务弹性相当高。但根据目前已有的特种飞机改进设计条件,太大的载机平台目前还看不到多少现实的价值。越大的飞机对场地和维护要求越高,单机成本也较高,但却不见得取得满意的效费比。如E-3全套任务系统重量只有30吨,707这样的平台完全可以满足需要,也能够保证人员工作条件,换用767可增加一倍的地板面积,但设备和人员就是那么多,增加的内部空间和载荷并没有多少实际意义。中国航空兵如果发展加油机,正常战术条件下,即使给大肚量的苏-30加油,加油机有50-60吨可供油量就基本够用,带上百吨油上天有什么价值?有装备大平台的条件去装备数量更多的中型平台,在战术上应该有更大的价值。美国空军对加油机的需求量很大,但KC-10始终没有取代KC-135,也没见美国空军给自己装备KC-747这样的大家伙。
  江:军用大飞机的设计难度要超过民用同规格机型,尤其是动力和主要成品自我保障的要求,必然增加大飞机设计和试验难度。军机的优势是基本上不存在较大的市场竞争。民机设计上,从市场竞争力和民用运输需求出发,对军用改进也不可能考虑过多。民机强调经济性的动力系统和结构。在军用机场目前的场地条件下,由民机改来的军用型,其可部署的机场范围势必受到限制。150吨的民机类似波音767和A310标准,能承担国内长途和中程国际运输任务,但国外已经用A330/350、波音777/787执行这些航线,类似波音767的规格已开始处于尴尬地位,用国产大民机填补A320/C919和A350之间的空白,在市场上不容易找到空间。小型飞机方面,MA600/700可以完成30吨以下支线换代,ARJ-21能填补60吨以下喷气支线空白。新C-919如采用系列化发展,也能覆盖50吨到90吨短程干线范围,未来的C-929或其它型号民机,则具备超越百吨规格的需求。中国大飞机民用型号总体布局将类似波音767,采用双发/四发下单翼的常规布局,能否成功也取决于市场。民机如果选择200吨,技术难度和市场开发难度都很大,其规格也超过绝大部分军事需要,在军用改进上效费比会比较低。如选择150吨规格,虽然在商业使用上略显竞争力不足,但其规格却可超过C-135的载荷空间标准,在预警和加油任务上优于200吨级平台。而满足国际航空市场需要的大民机在军用改进上很难成功。中国发展大飞机,先发展哪类都可带动整个技术发展,但同时发展在资金和技术上都不现实。
  李:国内很多民间分析,频繁讨论将军用作为民机功能扩展的目标,C-135和波音707这对双生子是最常被引用的例子,但全面兼顾会导致F-111和F-35那样的被动局面。以美国的航空科技和军费,在载机平台上也没贪大求新,而是在够用基础上考虑后勤和成本问题。中国的大飞机发展首先要有技术突破,现在就去探讨功能扩展是纸上谈兵。
其他文献
《微观航母》系列的第一篇是在2013年第11期刊载,“微观”的是我国海军航母“辽宁”舰,当时的时间节点是“辽宁”舰入列海军一周年,正出海海试开展科研训练。而从“辽宁”舰入役海军那天起,“走你Style”风靡大江南北后,民间的航母热就没有退烧。与此同时,不论是“辽宁”舰的科研训练任务,还是军迷圈传闻了十几载的“航母八月上船台”,都不断有着好消息传出。2016年8月,国防部新闻发言人在国防部例行记者会
21世纪初的伊拉克战争中,有“幽灵骑士”之称的“斯崔克”旅凭借其速度和态势感知能力的绝对优势,成功消灭和俘虏了大量敌军,而高机动、低噪音的“斯崔克”轮式装甲车正是其主要作战平台,每个旅装备约300辆。该装甲车噪音小、重量轻,公路速度可以达到100千米/小时,仅靠一个油箱的携油量便可行驶500千米。凭借其特殊的职能定位和卓越的机动能力,该车型一经问世,就有人称其为未来战场上“装甲战车的新王牌”。  
机缘巧合,我得以在2006年的春夏之交出差到不列颠。对我而言,英国著名的鲍明顿(Bovington)坦克博物馆无疑具有巨大魅力。但直到回国前五天,鲍明顿之行才得以实现。幸运的是,这一天恰逢坦克博物馆的坦克节,博物馆增加了坦克表演、二战地面战斗模拟和军品展示等内容,使参观者大饱眼福。我谨以拙笔忆述此次鲍明顿之行,与读者共享。    宁可不去伦敦,也要去鲍明顿    英国是坦克的诞生地,英国的坦克博物
诺思罗普·格鲁曼公司的长航时多情报混合飞艇监视项目已完成关键设计审查。六个月前,美陆军航天与导弹防御司令部/美陆军部队战略司令部授予该公司一份价值5.31亿美元的合同,为其建造三艘混合飞艇,该审查为未来数月后的艇体充气扫清了道路。  根据2010年6月美陆军授予的合同,诺思罗普·格鲁曼公司将设计、研制和测试长航时混合飞艇系统,为期18个月。在关键设计审查之前,长航时多情报混合飞艇已完成该系统的准备
◎德M1898步枪局部剖视◎德M1898步枪枪机取出状态  德国Gew98步枪(国际化称为德M1898步枪)从1898年到1918年约生产了500万支,是第一次世界大战德军主用步枪,战后继续使用其缩短型,成为第二次世界大战德军主用步枪,生产总量1 460万支以上。在两次世界大战中大规模采用它的国家有23个,各种大同小异的型号超过百种,著名的美国斯普林菲爾德步枪、英国恩菲尔德P14步枪、奥地利M19
M1A2“艾布拉姆斯”主战坦克是美陆军数字化部队的主要突击兵器,与“布雷德利”步兵战车、“阿帕奇”武装直升机、“帕拉丁”自行火炮、“中后卫”防空系统一道,被视为美陆军数字化部队的骨干。M1A2“艾布拉姆斯”主战坦克是美军数字化道路上的“先行者”,参加了从“沙漠铁锤”演习到“千年挑战”联合试验等所有数字化部队的“先期试验”,并于2003年参加伊拉克战争。它在试验与实战中不断改进、完善,经历了从M1A
“布雷德利”步兵战车,以美军五星上将布雷德利的名字命名,是一种履带式、重型战斗装甲车辆,可以独立作战,亦可协同坦克作战,曾经两次出现在伊拉克战场。在1991年海湾战争中,美军的2 000辆“布雷德利”步兵战车伴随着美军主战坦克,风驰电掣般在沙漠里驶行,成为“沙漠军刀”军事行动中的一把利剑,重创了伊拉克共和国卫队。2003年伊拉克战争中,“布雷德利”系列战车随坦克突入巴格达的“红色警戒区”,闯进伊拉
◎ 生产“长矛”导弹的沃特公司兵工厂  作为中子弹风波的主角,“长矛”导弹在一段时期吸引了全世界的目光。在“长矛”导弹服役之前,它就被视为一种潜在的携带中子弹头的工具,早期规划的几种中子弹原计划装到这种导弹上。下文将对其加以详细介绍。  “长矛”导弹是美国研制的近程、全天候地地战术导弹,是美陆军研制的第二代地对地战术导弹系统,也是美军实际部署的最后一种战场核导弹,是师级和军团级战术火力支援武器。该
7月16日,第51届范堡罗航展在英国伦敦西南部汉普郡拉开帷幕。本届航展最为轰动的是,英国国防大臣加文·威廉姆森在航展开幕当天正式宣布,将启动“暴风”(Tempest)计划,并展示了下一代战斗机的全尺寸模型,同时发布了《空战战略:着眼未来的宏大愿景》(Combat Air Strategy:An ambitious vision for the future),標志着英国正在重新调整自身定位,准备应
从古至今,导航一直是一门生活艺术。它基本上是关于两地之间旅行和找路的学问。也许最简单的导航发生在你不知道怎么去超市,别人告诉你,沿着这条路一直往前走,到尽头后左转就是了;或者在街边报亭买个地图,通过参照地图上的地理特征来确定自己的位置,通过地图导航路线到达超市,这也是路标导航,导航还有很多其它方式,如卫星导航、天文导航、定位推算导航等。其中惯性导航属于一种定位推算导航。推算过程为:从已知点的位置根