大运ABC

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  2008年2月16日,温家宝总理原则批准大型飞机研制重大科技专项正式立项,同意组建大型客机股份公司,要求尽快开展工作。整个大型飞机项目国家将投入500亿~60(I亿元,该资金使用范围包括大型运输机、大型客机和发动机,2009年11月初,法制晚报网站报道,年底国产大型运输机的实物样机即将完成。本刊记者特别就大型运输机的相关知识请教了著名航空专家朱宝鎏先生。
  记者(以下简称记):我国为什么要研制大型运输机(以下简称大运)?
  朱宝鎏(以下简称朱):大运对各国空军装备来讲,是和战斗机、战略轰炸机地位相当的装备,因为现在空军不是单独作战,而是海、陆、空联合作战。大运主要用来运输作战装备、军事物资、兵员以及空投、空降伞兵、突击分队,支援海、陆军等等,对作战取胜的作用不比其他机种差,而且还可以用来改装为特种飞机,如电子对抗机,空中加油机等,所以现在很热门。例如西欧联合研制的400M运输机日前已首飞,俄罗斯宣称要恢复停产很久的安-124生产线。
  此外,也由于当今各国服役的大运,如美国的C-17算是最新的了,1991年首飞,也已经服役十几年。很多国家的大运更旧一些,需要更新换代。所以各空军强国都重视研制新大运。
  记:为什么叫大运,如何来界定?
  朱:从世界范围来看,运输军事装备或投放兵力,一般很难从后方直接运到前线,主要是机场条件和安全的原因,一般分两级,一级是远程的,先将东西运到中间站,这个中间站的机场应该比较好。然后再从中间站运到前线或靠近战区。后一段用中小型运输机、直升机甚至汽车。大运就是指大型、长航程的第一级的运输机,而我国现在缺乏这一级的运输机。
  记:大运有哪些特别的规格和要求?
  朱:世界上并没有统一的标准,主要根据本国的军事思想、国土大小、机场分布、国家的技术力量、财力等因素决定。如果国家很小,肯定不需要飞五六千千米的军用运输机,因为它不会单独跑那么远去作战。而有些国家国土很大,或要求全球战略,所以必须有更大的飞机。如果本国没有很大的坦克等装备,也没必要配备大运。
  记:大运的规格有哪些,具体要求是什么?
  朱:简单地说,首先必须能运载大型军用物资。
  大运和大客机在设计思想上的主要区别在于,大运首先要考虑运输大设备,经济性放在第二位。大客机首先考虑经济性,如波音新的B-787,宣称经济性比现在的其它型号客机好20%。这点很有吸引力,民航要赚钱。大运则首先考虑运程作战运输大设备的需要。当然不同大运型号之间经济性有差别,而且研制时也不能不考虑经济性。否则长期使用后国家财力支持不了也不行。
  第二,明确要求装多大重量、飞多远、多快。例如A400M原来的基本要求是装30吨物资飞行4000千米。6小时到达。这规格可根据各国预计的未来作战要求决定。
  第三,对机场的要求。这个要根据本国和可能去的外国机场条件决定。但对机场条件要求过高,例如可以在小的草地机场起降,肯定影响飞机其它性能。
  第四,在满足军事要求的前提下,尽量满足经济性。
  此外还有各种特殊的规格要求,例如是否需要在海拔三、四千米高原机场上使用等。
  记:规格要求之间发生矛盾怎么办?
  朱:主要由总师与各方协商后最终裁决。
  记:现在研制全新的大运,有什么最新的技术?  
  朱:在空气动力、动力装置、材料工艺、局部设计(如起落架)、机上系统和电子设备等方面,近年都有不少的进步。  气动力设计这些年发展很快。从美国C-17首飞到现在已经18年了,这18年来空气动力进步很大。
  记:可是人们从外表上看不出气动力有很大的变化。
  朱:气动布局的确变化不大,空气动力的进步点主要是机翼翼型以及机翼翼稍等方面。翼型的发展经过两个阶段,原来翼型研究主要靠吹风试验。大量吹风,吹几百几千个不同的翼型,从里面挑。后来60年代初出现尖峰翼型,当时有人发现机翼前缘更圆一点(很粗略的说法),机翼上表面压力分布在前缘附近会产生一个负压尖峰,可以减弱近音速时机翼上表面出现的激波,使得飞机巡航速度可以快一些。  这里有一个参数称“临界M数”,指速度增加到高亚音速,飞机或翼型废阻力开始猛增时的M数(一般用废阻力系数增加10%作标准求对应M数)。尖峰翼型的出现,使机翼和全机的临界M数增加。如果发动机力量足够,巡航速度就可以快一些。飞机的有利巡航M数可达到临畀M数80%左右。例如美国C-5飞机临界M数约0.90,巡航M数0.72~0.74。  
  记:有哪些飞机采用了尖峰翼型?
  朱:我国早年研制的运-10,美国的C-5“银河”,英国的“三叉戟”都采用尖峰翼型。所以有人说我国运10抄袭波音707是不对的,运-10的翼型就比波音707的好。
  飞机机翼上采用的翼型以前只能选用。研究单位根据各种预设定形状变化画出一系列翼型来分别吹风,得出各翼型压力分布及性能数据公布于众。在飞机设计时,设计人员选用其中认为合适的翼型。
  计算流体力学发展后,已经倒过来了,现在根据我们自己想要的性能所对应的压力分布,通过计算机计算,反推出翼型形状。例如为争取高临界M数,可根据设定的压力分布倒算出翼型形状,叫“超临界翼型”。当然,得出这个翼型后,也要吹风验证。但这是很大的进步。整个机翼的效率得到很大提高,特别是高亚音速飞行性能方面。据称C-17就采用超临界翼型。同样方法也可以设计出适合其它特殊要求的翼型。
  还有一种方法是计算整个翼展的压力分布,求出更好的机翼形状。以前机翼靠近翼尖部分的升力总是受翼尖涡流的影响,很不理想。为改善这问题,最初是在不同机翼位置用不同的翼型。所以根部翼型和翼尖的翼型不一样,安装角度、扭转角度不一样。这个外表看不出来。后来用理论计算方法。计算空气动力学可以算出一个理想的机翼平面形状,整个翼展方向的压力分布都比较理想。
  翼尖部分采取的改进办法中,从外表能明显看出来的就是“翼稍小翼”。老鹰飞的时候,翅膀尖部伸出好几根疏开的羽毛,就是“翼稍小翼”。飞机翼稍小翼当然不能象老鹰的那样,而往往只是单独一小片。但如设计好,就可以减弱翼尖涡流,翼尖涡流是产生诱导阻力的根源。用翼稍小翼直接后果是使飞机升阻比略有提高,减少油耗。
  其它进步包括采用更好的襟翼增升装置,对飞机起降时降低机场要求起到很好作用。
  记:所有这些进步起最大作用的是什么,是风洞试验、还是理论摸索?  
  朱:应该是计算机的进步。以前也知道这些问题,但算不出来。当然算出来后 还要吹风核实,但先经过理论计算,大为减少了吹风洞的次数。以前是什么都靠吹风,
  记:再来谈谈动力装置吧,为什么有一些新型运输机,如A400M,还使用涡桨发动机,喷气发动机还有缺点吗?
  朱:这个问题航空界争论了很久。以前,安装涡扇喷气发动机的飞机速度快一些、升限高。涡桨飞机速度慢、升限低、省油,,所以要速度快,只能用涡扇发动机。但这些年,涡桨以及桨扇发动机进步很大,用这种发动机的飞机也可以飞得很快,特别是螺旋桨的气动力改进很大,早期的苏联图-95涡桨轰炸机速度就可以接近高亚音速,最大时速880千米而且省油、航程远,不过发动机功率要很大,机身瘦长,阻力尽量减小。现在A400M的桨扇发动机用8桨叶螺旋桨,复合材料制成,转速只有842转/分,桨距自动调节,与发动机数字电调、飞机电传操纵系统结合,在近音速不同飞行状态下优化,这种螺旋桨在大高度、大临界M数时效率很高。同时,新桨扇发动机功率也很大,飞机上共4台,每台11000轴马力 所以A400M的巡航M数是0.68-0.72,比使用涡扇喷气发动机的C-17巡航M数0.74低不了多少,升限也可以达到11280米。
  记:但图-95的噪音很大,以至于其成员的听力受到很大损伤。
  朱:这只是一个传说。即使本来噪音大,后来可以通过最新的隔音措施解决。而且原来苏联的某型发动机噪音大,不表示涡桨或涡扇发动机的噪音都大。
  记:A400M的每侧机翼下两台发动机螺旋桨的旋转方向为什么是相反的?
  朱:这是为避免“陀螺效应”。高速旋转的大直径螺旋桨会产生陀螺效应。其作用是会使飞机自动偏转,增加操纵复杂性,例如右旋螺旋桨飞机起飞时,一抬机头,飞机会发生右偏转,驾驶员只能赶快蹬点左舵。所以飞完螺旋桨初级教练机养成习惯后,再飞喷气飞机的飞行员,有些人会有不必要的修正动作。当然现在电传飞控可解决一些问题。
  当同一架飞机不同螺旋桨旋转方向相反时陀螺作用就互相抵消,但会带来维护上的问题。因为有些同样功能和形状的零件其实是不通用的,要特别注意防止安装错误,或者零件上有防错措施。
  记:喷气飞机升限高,是不是在高空中对提高速度有利?
  朱:那倒不完全是这样。在同温层以下,飞高一些会省油,这与发动机及飞机特性有关。每种飞机都有它最适合的巡航高度。新型桨扇飞机这个高度也不低。C-17飞机用涡扇发动机,其有利巡航高度也只是8500米,后降为8230米。
  动力装置还有一个关键技术是发动机电调,现在已发展到综合电子调节。原来是靠计算机调节油门、转速,现在综合考虑外面大气温度,飞机速度、高度等进行全面优化。还有发动机的反推装置,与涡喷发动机这种功能相似,涡桨发动机可以改变桨叶角度,也可使产生的拉力反向,达到着陆减速目的。
  实际上研制大运到底采用何种发动机往往不是根据技术优劣决定,而只是根据可以获得何种发动机而又基本上满足要求而定。此外还有经济性上的考虑。
  记:在工艺材料方面有哪些新技术和动向?
  朱:原来认为复合材料是最好的,坚固耐用、重量轻。但军用飞机使用后,发现复合材料结构抗破碎能力比较差,损坏后不易修补,另外就是价格很贵。A400M复合材料使用比例较高,波音787更高。因为军用飞机还是要考虑破损、战区修理等问题。如果是铝合金结构,一旦破损,可以补一块,比较容易,复合材料就很难,破一个洞可能整块就碎了或者大块更换,修补工艺复杂。另外,复合材料加工、制造成本很高。
  记:如果全世界大范围使用后,成本有可能降低。
  朱:有这个可能。到底用多少复合材料要总师来综合平衡。要考虑价格、破损安全、修理、自己的技术能力等。
  记:大飞机的关键技术之一的大型模锻件。需要七八万吨的大型模锻机来制造大梁,现在据说我国在建设大型模锻机,原来的运-10是如何解决的?-
  朱:如果没有大型模锻机也不是不能制造大飞机,大型模锻机一次制造出来的部件重量会轻一些。如果用铆钉铆也可以,但同样强度,该零件重量增加,甚至可以多出很多。但太先进的工艺,也可能在一定时间内会影响大批量生产。据我了解,当年运-10生产并不缺乏大型模锻机。
  记:局部改进方面呢?
  朱:比如起落架,小飞机都用单支柱,现在大飞机要用多支柱,十多二十个轮子。起落架为“跪式”,可以缩短机身与地面距离,便于装卸重型装备。但为此要增加一点重量。C-17在这方面就设计得很好。
  记:C-17发动机短舱外的小翼作用是什么?
  朱:这属于局部改进。在飞机的某一部位加一个小翼片,产生一个局部涡,影响其后的某部位。C-17发动机短舱上的小翼片就是为此后来增加的。增加翼片和出现气涡虽然会增加阻力,但利用好了会产生好的作用,例如影响机翼前缘气流,减弱水平尾翼或后机身气流分离。
  这种翼片称涡流发生器很早就有,例如美国上世纪初的A-4飞机,机翼表面有一排顺翼展分布的很小翼面,可防止襟翼区气流过早分离。还有鸭翼产生的涡流就对机翼流场产生好的作用。但像C-17那样显目的大片涡流发生器是近些年才出现。
  记:结合开头的问题,大运这么多年来气动布局为什么变化不大?
  朱:对,上单翼,翘尾巴布局是运输机应用最多的布局。上单翼是因为翼梁穿过机身,牢靠一些。中机翼如果穿过机身,影响货舱可用容积。下单翼不利于采同高效率、易维修的翼吊发动机。
  后机身不上翘对装卸和投放大型装备不利。但要付出代价,即阻力比直形流线型机身大。至于水平尾翼的上下位置,是根据机翼气流在不同迎角对其影响多大来确定的。T形平尾、高水平尾翼的最大好处是不受机翼后气流影响,另外它装在垂尾上面,对垂尾起“端板”作用,减少垂尾顶端的乱气流,对垂尾起好作用。缺点是垂尾要加固、加重。而且T形平尾位置高,维修不便。例如以前升降舵,飞机停在地面时。怕风吹乱动。有专门东西夹在舵面缝隙中。每次起飞前都要取出,着陆后装上。而T形平尾就不大好办。
  记:但有一些大运。如C-5、安-124和很多波音、空客的客机没有采用T形平尾,平尾位置还是较低的,为什么?
  朱:低也不能低到受机翼下洗气流的影响。低一点当然可以,只要低到下洗气流影响不大的地方或者用带下反角的V形平尾。所以水平尾翼位置要经过很多风洞试验,找一个优化的方案。T形尾翼不用做那么多试验,现在很时髦,而且效果不错。所以权衡利弊,大多数大运选择了这种形式。不过也不能绝对化,如果总师经过试验分析比较,把平尾安装在他认为最佳位置也并不奇怪。
  最近有一些理论认 为,从气动力效果、储物空间利用等角度来看,飞翼布局最好。但作为大运使用,飞翼要做一个很胖的机身,以满足运输坦克等大型装备的需要。而且飞翼的操纵性不好,因为没有水平尾翼,起降性也不好。但空中飞行效率较高,将来大型客机用这种布局倒是可能的。
  记:C-17用驾驶杆操纵而没用大飞机常用的方向盘,为什么?
  朱:这主要看设计者的想法,一般大飞机普遍用方向盘,甚至一些小飞机也用方向盘。方向盘装在杆上,可以向后拉或向前推,以控制俯仰。
  记:像伊尔-76那样老式的大运没有电传操纵,是靠液压操纵吧。
  朱:对。早期人力操纵中波音707是最绝的一种。波音707研制时。液压助力系统还不过关或不经济,直接用人力拽升降舵拽不动,因为波音707是大飞机,升降舵也很大。波音公司就设计出拽调整片的方法。调整片装在升降舵后面,如果调整片向下,调整片的气动力就将升降舵抬起来,如果调整片向上,就将升降舵压下来。升降舵变成一个被动翼面。
  记:操纵调整片就省力吗?
  朱:省力,因为它面积小,比直接操纵大面积舵面省力,而调整片的空气动力足以改变舵面角度。那时操纵飞机是“力气活”。我们运10也是采用这种方法。不过这种操纵方式后来已随着液压助力系统的发展淘汰了。
  记:现在用电传很省力了吧。
  朱:对,但也要有传感器模拟反馈操纵力量的大小,例如用弹簧,当舵面偏转角大了,弹簧就越来越紧。否则飞行员将无法知道舵面情况。 记:总的来说,研制大型飞机与研制小型飞机,如战斗机相比,哪个更难?
  朱:各有各的难点,就像研制汽车。大飞机需要一些重设备,大型设备。
  记:但是工业界有句话,说能研制卡车只是小学水平,研制小轿车才是大学水平。
  朱:那可能是指某些国家现状,你看西方的长途大型卡车,其技术含量一点不比小汽车低,特别要考虑经济性和装卸便利等问题。应该说各有特点,不好比。
  记:研制大运还有什么特殊要求?
  朱:特别要提出的一点,大运还需要很高的可靠性。大运每次飞行约5~6个小时。所以它平均故障间隔时间一定要是平均飞行时间的三、四倍以上,即15~20小时以上。所有零部件要求就更严格,否则使用起来就麻烦了。当然新飞机试用阶段要求不能太高。无论如何,大运的可靠性与战斗机不是一个数量级,所以大运上使用的航电设备,各主要系统都要满足很高可靠性要求。据称A400M每次飞行前后只作简单的检修,飞机可以连续使用15天不用维修。
  现在新型大运经济性也有很大进步。A400M的单机价格只是C-17的1/2,全寿命费用是C-17的113。这是航空技术近十多年来快速进步的结果。【注】桨扇发动机是上世纪8n年代发展的新动力装置。它主要是在涡桨发动机的基础上将螺旋桨改进,同时涡轮带动螺旋桨的转速用大比例减速箱降低。其螺旋桨的特点是直径小,叶片多,约8~12片,转速低,叶片的气动力特性好,所以推进效率高,适合高亚音速飞行,例如M数0.8左右飞行。耗油率比同级别涡扇发动机省40%左右。但现在桨扇发动机的名称已跟涡桨混用,一般不再区分。不过从螺旋桨叶片上可以看出与老式涡桨不同。
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