我为什么鼓吹先上军用运输机
中国要上大飞机,晚上不如早上,这基本没人再质疑了。剩下的问题是具体上什么。我比较赞成先上大型军用运输机。
中国现在要上一些大项目,钱是筹得起来的。问题在于,这百把来亿砸下去,到底是砸出一个原子弹,还是一个臭皮蛋,没人敢保证,保证了也没人相信。往“一元股”里投的都是小弄弄,真要砸大钱,先要做出一点绩优股来,投资人才肯冒风险。所以,现在的关键是竖一个牌子,竖一点信誉,有了信誉,后面的事情就好办了,这就需要合适的一个切入点。
干线、支线之争已经没有现实意义,因为支线飞机已经上了,不可能再拉下来为干线飞机让路。东西之争更是无聊,都是中国人的航空工业,都没有单干的实力,只有两股线拧成一股绳,没有别的选择。军民之争,这才是问题的焦点。
和美俄等大国相比,解放军的远程空中投送能力不足,这是公认的事实。问题在于,到底有多少不足。如果光看伞兵空投能力,除了武力制止台独的情况外,解放军还真没有太急切的需要,要求大规模地增加伞兵空投能力。但是军用运输机的用处远远不止伞兵空投和对伞兵作战的保障。
中国正在执行一项全面精兵政策。精兵的依据是现代军队高度的火力、机动能力,使依赖大量兵员的分兵把守方式不再必要。军事空运就是这其中机动能力的重要一环。重装甲地面部队全面依赖空运,这在短时间内不现实。但空军战斗机部队应该也有可能迅速地远程部署,以应付突发事件。我军新一代的歼-10、歼-11 战斗机已经有相当长的航程,为全疆域作战提供了良好的条件。然而,战斗机可以自己飞到战区,后勤保障部队的器材、燃油、武器没法自己飞到战区,用地面运输时间太长。国庆 50 周年时,东海舰队的飞豹转场到北京参加检阅,三个月前就开始转运器材了。这一方面是我军对转场部署经验和准备不足的体现,另一方面也是现代战机需要大量保障器材的写照。由于器材的体积、重量和前线机场的条件,军用运输机是实现战斗机远程部署的必要保障。随着未来战争行动中空中力量使用规模的增加,解放军对军用运输机的需求会急剧增加。即使对地面部队而言,兵员可以用征用的民航飞机运送,但装备和补给还是要靠军用运输机。事实上,近年的几次美军大规模作战中,运输机出动架次和出动强度急剧增加,但用于空投的出动架次在总出动架次中无足轻重。
中国重型军用运输机可能方案之一,从外形和性能上看都类似 C-17
中国大飞机构想模型,可见该型机总体与 C-17 相似,但机翼则与伊尔-76 接近
军用运输机也是预警机、雷达监视机、电子战飞机、加油机等大型军用飞机的理想平台。诚然,美国用波音 707、737、767 等作为预警机、雷达监视机、电子战飞机、加油机等的平台,并在实战中取得了良好的效果,但这是在对手没有能力破坏美军空军基地的情况下取得的。大型民航客机要求跑道长、平整,要求有相当的地面支援设施。全面大战时,这些设施是否能够保证,是很成问题的。军用运输机对简易机场和简陋的地面保障设施比较适应,对中国这样不能保证战时大型机场使用率的情况比较适合。同时,大型军用飞机也日益要求配备电子对抗天线、导弹来袭告警、箔条、闪光弹等对抗敌对地空导弹和空空导弹的设施,军用运输机本来就有这样的要求,在机体设计时预留了安装这些东西的地方,要加强这方面的能力也比较容易、自然。民航飞机要增加这方面的能力,就要在受力的机体上到处打洞,就没有那么简单了。
在战术飞机和洲际导弹之间,中国还需要一个中远程的半战略打击能力,这就是战略轰炸机。专业的战略轰炸机的设计和制造都很复杂,代价昂贵。除了 B-2 那样的隐身轰炸机,从 B-52 到图-160 都只能以远程空射对地攻击导弹(主要是空射巡航导弹)为主要打击手段,过顶轰炸已经过时。既然轰炸机已经主要是巡航导弹载机,那没有理由不能用运输机完成同样的任务。空射巡航导弹可以安放在特制的托盘上,像空投物资一样由机尾空投,在空中用阻力伞稳定后,导弹和托盘分离,点火,开始自己的飞行。理论上,这样投放的发射精度要受一点损失,但在运输机尾安装一个简单的雷达或激光装置,实时测定导弹-托盘的三维位置,实时更新导弹的导航数据,发射精度是可以解决的。何况巡航导弹的命中精度不取决于发射精度,而是取决于中途和末端制导的精度。
C-17 发射空射巡航导弹示意图
这些机型加起来,一百多甚至二百架应该有了。显然,解放军对军用运输机的需求是巨大的,是现实的。从机型来说,C-17 一级的飞机可能有点奢侈了,伊尔-76 一级的飞机更现实一点。伊尔-76 最大载重 47 吨,载重 20 吨时航程 6,100 公里。伊尔-76 的基本技术是 60 年代的,现在已经不再先进。在这个基础上重新设计,适当加宽机身,载重量应该能够装载最新的国产主战坦克,改用先进的翼型和发动机,保留伊尔-76 对粗糙跑道的适应性,可以是一架很不错的运输机。同时新机可以取代运-8 一级的运输机(伊尔-76 本来就是为取代安-12 设计的),简化解放军运输机队的构成。由于这牵涉商业竞争比较小,也不属于战略进攻性武器,获得国际合作的阻力会比较小。
中国空军的 IL-76MD,该机后来被改装成大预
大型军用运输机一旦研制成功,对中国航空工业在用户中建立信誉十分重要。这证明了几个重要问题:
1)中国航空工业有足够的能力解决大型飞机的空气动力设计、结构设计和制造、航电的设计、制造和系统综合
2)中国航空工业有能力组织和管理大型飞机研制和生产过程,按时间、按预算地完成研制开发
3)中国的大飞机的性能、质量和可靠性是出色的
有了这样一个开头,再开口要研制大型民机,就容易多了,买家也不会那么犹豫了,乘客也不必在性命和爱国之间选择了,但军方要先垫出一个启动资金。军方会不会出这个钱呢?这个问题除了军方最高层,谁也不知道。不过要是军方不愿出这个钱、启动资金,民航就更不会,毕竟民航要核算经济效益。
凤凰不死,只是重生
二十年前,运-10 在艰难中起飞,又在沉默中消隐。运-10之死成为中国航空人和关注中国大型飞机(简称大飞)事业的人们心中的永远之痛。然而,更牵动人们心扉的还是中国大飞向何处去的问题。日前,国务院决定正式为大飞立项,大型运输机(简称大运)定点在西安,大型客机(简称大客)定点在上海,投入巨资,一举解决了东西之争、大运大客之争。手笔之大,叫人不由得感叹:时代真是不同了。
国务院在立项的决定中指出,大运和大客应该在技术和资源上尽量共享。这有显而易见的经济上和技术上的原因,但也造成了一些有趣的问题。其中最大的问题,就是大运、大客有多大,在技术上如何共享。
大运是为了满足中国空军在未来战争中空中机动的要求而研制的。作为军用运输机,主要要求是:
1、具有野战机场起落能力
2、具有良好的低空低速能力,以便于空投操作
3、具有良好的快速装卸能力,包括机内货物移动系统
4、能够运送长大物件和车辆,货舱地板强度可以承载超重货物
5、具有空投专用设施
大客则是为了满足富裕起来的人们出行的需要,主要要求是:
1、安全
2、舒适
3、省油
4、可靠,可以保证出勤率
5、低噪音
这些主要要求的不同,决定了大运和大客是十分不同的两种大飞。
民航客机常用的翼下起落架的重量较轻,但对地面的压力大,对跑道的要求高,不适合野战机场起落。为了具有优秀的野战机场起落能力,军用运输机必须采用机腹多轮起落架,但多轮起落架的重量对民航客机的经济性是致命的。
C-17 的机腹多轮起落架
良好的低空低速能力决定了军用运输机的机翼应该采用先进的增升装置,如复杂的双缝襟翼,甚至前缘襟翼,这在大客上是一个浪费,既增加不必要的成本,又增加用不到的死重。
为了提供良好的空投能力,不使机尾发动机把空头的伞兵和货物吹得七颠八倒,军用运输机的发动机应该为翼下吊挂,而不是在机尾。这样,为了避免发动机离地过近,军用运输机只能采用上单翼。同样,为了在野战机场短距起落,上单翼有利于避开地面杂物。相反,为了使翼下起落架的长度最短,大客基本上可以肯定采用下单翼。发动机离地较近对大客不是问题,大客不会到野战机场去起落,只需要考虑干净的钢筋混凝土跑道就可以了。下单翼的机翼也对发动机的噪音有所遮蔽,减低机内噪音。
作为军用运输机,地板强度必须很高,好装载沉重的军事装备。地板也应该离地较低,方便快速装卸。有时,机腹的多轮起落架可以用液压升降,进一步降低地板,方便装卸。但大客的地板强度没有这么高的要求,即使作为货机,民用货物通常也不及军事装备的密度大,对地板强度的要求也没有那么高。地板离地高一点也无关紧要,也没有必要调节地板高度。
AN-124 货舱地板很低,方便装卸
现代军事空运的一个大问题是长大物件的运输,很多导弹、装甲车、特种车辆的重量没有超重,但尺寸较大,为了勉强装进运输机,只能牺牲性能而削足适履。为了提供尽可能大的机舱空间,运输机内的天花板尽量不安排管线和设备,这样整个机舱高度都可以用来装载,而管线、设备全部安排的地板下,地板下本来已经没有什么空间,难以像客机那样用来装载行李或货物。对于大客来说,客舱的天花板只要不憋闷就可以了,更高并没有什么好处。但管线和设备不能布置在地板下。一来地板下是行李和货运的空间,二来万一地板因为什么原因坍塌,所有管线将被掐断,而这些管线是飞行员操控机尾的控制面的神经,掐断就意味着失控。DC-10 早期的几起事故都是这么来的。
为了快速装卸货物或人员,军用运输机通常都有尾门和跳板,C-5、安-124 这样的超大型运输机的机头锥也可以当作首门向上翻起,这样卡车可以从首门开进去,从尾门开出来,大大加快装卸的速度。尾门和跳板也是伞兵跳伞的理想平台,尾门关上后本身也可以装载额外的货物。由于低空低速飞行时,机头上仰,水平尾翼的效果受到主翼的影响,水平尾翼应该高置在垂尾的顶端,即所谓T形高平尾,使水平尾翼保持在干净的气流中。客机为了简化垂尾的架构,减轻重量,很少采用 T 形尾,除非发动机安装在机尾两侧。当然,如果设计得当,军用运输机也有用低平尾的,像 C-130、安-124。
AN-124 的机鼻可以向上翻起,方便货物进出
如此看来,大客莫非是大运的简化型?非也。军用飞机和民用飞机的使用条件有本质的不同。首先,民航客机强调安全性。军人的生命当然重要,但军人本来就是一个冒险的生涯,军人对于风险的承受能力比平民高,所以军用运输机对安全性的要求没有民航客机严格就不奇怪了。另一方面,军用运输机的出勤率没有民航客机高。民航客机要求每天出动,一天飞两个甚至更多的航次也不奇怪。光是这个要求的话,军用运输机有时出动强度更高,但军用运输机的高强度出动是短时间的,而民航客机的这种出勤率是日常的。长年累月的高出勤率加高安全性的要求,使得民航客机在技术上要求极端可靠。对于一般工业产品来说,在实验室条件下证实原理,然后就日常使用条件对产品进行加强使之耐用,可靠性、安全性问题也就大体到此为止了。然而,对于高可靠性、高安全性的系统,在设计中要考虑本质安全问题,然后还要对所有细节做周密的安全危害审查,对所有的安全显患、隐患做出补救措施,这包括从根本解决到危害后果控制之间步步为营的所有措施。在安全危害审查面前,没有“不可思议”的事。对于所有安全危害,要拿出危害发生的机率,发生了如何处置,处置后还有多少“残余危害”,残余危害是否可以接收等周密考虑。这使技术复杂性大大增加。
本质安全设计是最好的情况。比如说,客机的舱门在空中如何保证不会意外打开,这是一个不简单的问题。为了保证门能关紧,以保证机舱密封,门框应该一圈开口大、一圈开口小,这样门关起来的时候可以抵住较小的门框,密封圈才能有效地保证密封。但小框应该在外面呢,还是在里面?小框在里面,舱门设计和制造简单,开关容易,但万一门锁或铰链失效,就有可能脱落,造成舱门洞开。在环境气压比舱内气压低的高空,这就要造成机舱急剧减压,危及乘客和机组的生命安全,这是不容许的。所以小框应该在外面,这样即使门锁或铰链失效,舱内较高的气压依然将舱门顶在较小的门框上,依然是安全的。即使在大气压力较高的低空,小框在外也使舱门相对不容易意外打开。但这样一来,舱门的开关就是一套很复杂的机构。开门时先要把门向里缩,然后才能从门洞中间较高的地方延伸到机外。但延伸到了机外还不能就象家里的门一样成 90 度地打开。万一飞机迫降,需要紧急离机,成 90 度打开的舱门或许正好挡住乘客最优的逃生方向,或者挡住营救人员进入飞机的通道,所以舱门延伸出机体后,必须打开到和机体平行的门侧,以最大限度地避免遮挡。这样一来,小小的机舱门就是一个相当复杂的系统。汽车也有车门,但汽车车门的小框是靠里的。这就是危害发生的机率和危害后果之间的平衡了。不可能什么东西都做到“无限可靠”的。机舱门只是一个小小的例子,更重要的但是常人不容易注意到的系统还有很多。飞机上采用液压作动机构而不是电动,就是考虑到液压系统是本质防火防爆的。
不能做到本质安全的时候,就要根据危害的发生机率和危害的后果入手。比如发动机的个数,在发动机相对不可靠的时候,单发失效对四发的影响就要比对双发的影响小很多。但是当发动机可靠性非常高的时候,四发在可靠性上的优越性就不再显著,但四发在经济性上的损失就浮现出来。就是采用双发,还有发动机的位置问题。在飞行中,机翼产生升力,升力传递到翼根和机身的连接处,将机身托起。这样,机翼相对于机身有一个向上的扭曲力。翼下吊挂的发动机的重量可以平衡一部分这个扭曲力,降低结构强度的要求和结构重量,这也是为什么波音 707 以来大部分大型客机都采用翼下吊挂发动机的布局的道理。发动机越往外,对机翼的卸载作用越明显。但是发动机越往外,单发停车对飞机的偏航力矩也就越大,就越不容易控制。所以必须在确保单发停车后的偏航控制的情况下,才能把发动机向外移动。这里面又是一个权衡的问题。
经济性是大客和大运又一个不同的地方。军用运输机也要求省油,这样可以增加航程,增加载重。但在空投和野战机场起落所必须的低空低速要求面前,省油是第二位的。民航客机就相反,不为短距起落而损失巡航的经济性。两者的差别就在机翼。在最大速度、起飞重量和技术水平属于同一级别的情况下,C-17 的机翼较粗短,后略较小,只有 25 度,采用前后缘襟翼等增升装置;波音 777 的机翼较细长,后略较大,达 31.64 度,只用较简单的后缘襟翼。作为军用运输机,一次运载大量伞兵并没有太大的实用价值,空投的出口只有那么多,拉长的空投时间不光增加遭受地面防空火力打击的危险,也大大增加了伞兵的散布。还不如缩短机身,减轻重量,把注意力集中在运载沉重的货物上。所以军用运输机较为粗短,C-17 的载重量比 C-130 大三倍还多,但装载伞兵的数量相差无几。民航客机当然可以改装为货机,但载客是主要使命,当然载客越多,经济性越好,所以需要较长的机身,以多载乘客。较长的机身在气动上也比较匀称,有利于跨音速面积率的考虑。军用运输机的机身截面形状和尺寸是由需要运载的装备决定的,为了方便载货,有些军用运输机的机身截面甚至是矩形的。但为了最大限度地减小机身表面积造成的摩擦阻力,和在同样截面积下取得最轻的机体,民航客机只要可能,尽量采用圆形的截面,而尺寸是由载客经济性、舒适性、载运航空集装箱的个数、行李的空间和巡航阻力之间的权衡来决定的。
显然,除了发动机、座舱外,大运和大客只有在材料、具体的系统和元器件、翼型、设计过程、制造技术、测试技术上可以共享,在主要的机体构件上很难共享。
大运和大客在原则上的差别解决后,还有具体定型的问题。最大的问题就是:大运、大客应该多大?航程应该多远?这些问题决定了大运和大客的设计的基调。
中国空军现在的主力军用运输机是运-8 和伊尔-76。运-8 是和世界上使用最广的 C-130 同级的运输机,性能良好,功能完善,使用灵活。但用于运载快反部队的机械化装备时,运-8、C-130 就有点勉为其难了。重量是一个问题,LAV 轻型轮式装甲车的大小的重量就是围绕着 C-130 的装载能力设计的,M8 轻型坦克也是一样。这样一来,战场上需要的防护能力、火力就受到限制。这种削足适履的做法在美军中受到强烈批评,对快反装备的发展也带来极大的限制。美军由于已经装备了大量的 C-130,只能将错就错。中国空军装备的运-8 在数量上远远不能相比,还有机会更改,所以不应该将大运局限在这个吨级上。
Y-8 四发涡桨中型、中程多用途运输机
难得一见的运-8 与 C-130 比翼
伊尔-76 是前苏联为取代运-8 的原型安-12 而设计的,速度更快,航程更远,载重量更大,并保持了良好的野战机场起落性能。中国进口了相当数量,使用经验十分满意。但伊尔-76 依然有机舱不够宽大的问题,用于装载主战坦克太局促。在载重量上,伊尔-76 同样很局促,勉强能装载 T-72,但不足以装载中国的 96、99 式坦克。
运-8 的终极发展型:运-9
最新“平衡木”载机从外形上看应属于运-9,采用了与运-9 相同的机头垂尾结构,以及六叶 JL4 复合材料螺旋桨
美军最新的运输机是 C-17。C-17 具有机舱宽大(可以运载 M1 坦克)、载重量大(达 75 吨)、航程远(达 4,400 公里,有空中加油时可以达到无限航程)和起落性能好(对跑道的要求不超过 C-130)的优点,是结合 C-130 的野战机场起落性能和 C-5 的战略运输性能于一身的优秀运输机。但 C-17 这样的运输机十分昂贵,对解放军是有点不必要的奢华。在可预见的将来,全球快速部署不是解放军的主要使命,所以航程可以降下来一点,4,000 公里就足够了。如果有联合国维和行动的需要超过航程的能力的话,可以在友好国家中途加油。若是载重量以能够运载一辆战斗状态的主战坦克的话,那 55 吨就够了。考虑到主战坦克重量不断上升的趋势,可能放宽到 60 吨比较合适。机舱尺寸应该能够容纳 96、99 和计划中的新主战坦克,以及红-9 甚至东风-15 这样需要战略机动的武器系统。这样,理想大运就然而出了:
运-8“高新”系列电子战机,绘图:刘明
上单翼,高平尾,大尾门,四发,载重量约 60 吨,最大起飞重量约 200 吨,航程约 4,000 公里
如果大运的要求相对清晰的话,大客的要求就远没有那么清晰了。大客的概念首先就十分模糊,到底多大才算大客?在运-10 的年代,载客 120 人就算大客了,现在 120 人的载客量只有支线客机的水平,而载客 200 人以上的波音 787 反而算中型客机了。当然,中国的标准可能和空客、波音不一样,不是一定要 A380、波音 747 才算大型客机的。
如果不抠字眼的话,中国最需要的是两的级别的大客,一是波音 737/A320 级别的窄体客机,载客 150 左右;二是 A330/波音 777-200 级别的宽体客机,载客 250-300 人左右。
运-8 家族图谱,绘图:刘明