爱吱声

标题: 想象运30 [打印本页]

作者: 晨枫    时间: 2024-7-3 08:21
标题: 想象运30
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。' v% _& b: [+ Y' g1 p9 V/ E( j
2 A/ p) z: D* @6 _9 K; k7 a
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。) |  b# y0 ?7 ]$ y4 \! M

# ~1 M* q( k% A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。
+ K! C7 J' l9 Z7 V' I1 T4 e4 j, r- @3 ]( k$ v% A0 _
A400M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。# g6 L/ X( Y+ I( {5 U

: P1 ?+ H, B$ E. N9 l3 M- ?8 D- F/ n. r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。2 B6 ]6 C7 V# y' |( n  y2 r4 T

0 P9 J+ `  U" S) g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。
0 N7 }9 m7 k, @, V+ ]3 m3 f% {$ g, m1 g
BWB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。
. V' c4 X! q" s8 W  D
; b) J. K9 C, E6 ^+ i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。+ B* x& a8 _4 c. @
) w) H: Y1 e+ u2 A
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。
# P8 f# d; H% P" ~) f+ d2 d# ]6 A( {% ^% U+ h( e+ `7 b6 n! t
B-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。
+ }% {3 }/ {% X
* j! Y6 h9 e' l/ ^/ qBWB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。
. T* K! r% \: {6 a
" g: t# N% u& ^# R6 L" }+ |
( T8 f% P! _( @/ }: g6 q/ v3 ?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。
1 y  u9 Z) D( D/ ^' s5 R0 n6 `. x7 w! b, A
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。# V& M) U2 I* p0 |3 Q- w
% }( U; K/ h5 ]. T# T5 h
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。
# D: R  }3 R( K3 r' D& N: X
: ?0 r4 i7 J9 X  O5 c* v隐身对运输机很重要,但对加油机更重要。2 x) D% W" a0 B0 }& x
; ^" N* X" r+ x2 p: y" W& 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。/ `; v: s; W6 K4 [

( g. l  e; D$ l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。
  W( T4 `! S& R# T6 {* h2 m$ u/ B, p3 F! J, ?  h
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。
2 j" c1 G- j$ X0 {" S
/ |8 H. t/ ^: ]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。
! V* F& ^! p2 l( J. s% X/ ^5 s* [* H9 {' b7 G+ d/ a
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。
! I( Z7 E0 F3 T* p0 t2 e: Y/ R7 @' u1 U4 u% W7 j+ A+ ~
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。" A9 t3 _+ e1 |9 A9 K% ~% g
8 D/ E; b, O' A' A. w- [) V
JetZero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。
/ m: l, y# n0 ^/ M2 q% c1 c1 f% w
) D4 @# g" G- K; z7 V0 Q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。5 c% j$ s/ d! }

) z' m8 K; p+ b( ^8 O3 G! Z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。5 F" \5 K3 k+ M  d2 s- C
$ O1 `2 g- L$ T! F0 v* g$ p
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。
0 m" k/ m5 ^  s4 j; ~, Y: R4 d  q) s/ O  m7 g6 W
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。
/ S8 I* ~) ~. [; E, O0 |4 [! v9 p& v0 P) z) D$ `1 a- J
BWB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。
7 p* D- n$ h) [& W6 {% N
% ^6 S' J3 A* Z! J5 R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。4 c9 p. n3 }, w! d

1 o% z) J' |3 Y' K' r" q, w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。
: L9 C* @% T+ w+ A' _  ?2 B8 A: d. N6 ~# h4 E
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。
# ^+ T7 t8 B$ Z) s
+ u! U$ W/ x; V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。
. N! q& H7 R6 Q5 ^* M6 Y! v7 F- G/ e, P7 R2 S2 i+ e. A
BLI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。' T* M1 k+ N, @2 m. q3 y

2 d# T+ e) C) Y5 x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。
! x9 y, ?( W$ ^  `' r$ [& K9 \! O" [: @' E( B9 m! n! J7 F* i, R
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。
4 }/ t# ]+ J  H7 _: M
; a6 |8 ^/ C5 a( l+ w: N  G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。% ^: C- x5 o& w  [4 L$ M$ Q
" r' h6 ?, y' d& x' H
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。
$ @: ]9 x6 Y0 ~6 c
  K4 S! L1 T( l) }* R, c1 lBWB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。0 U9 v$ Q" V. L: c6 {: s" I
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。
: H/ v# G0 L- u
  }6 |- @2 U! |6 Z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。% n9 b. p9 Q2 ?
* y6 S7 y+ F* K2 ]2 Z
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。' z$ s6 C6 N! z0 O. X( h1 e
! L+ F3 B# ?# [* i. g) [, w; ^
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。! d$ \2 R* `: L: `/ }; v$ ~
! |9 M9 B: x: C) X- N! \+ m
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。
- R/ b8 x3 c6 e/ Q
$ p) V/ Z/ U% G" S5 g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。
3 O6 e% ?' t, ~
  c/ v* s  a  o/ Y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。
- ^: C$ {2 f4 t* `" E
9 C8 U* W( k$ I7 v1 yBWB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。3 w* s; M+ {4 m) y; Z9 Q& Z* M) i
- _3 _1 J: M) z  i) w* k& d
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。
% J' X& A5 E( {0 {* O6 L- A6 A& }
. o/ U- i7 m) z( e' g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。
1 i4 S; V3 K0 g2 |5 v( b8 C$ x/ W$ X- d* U1 g# R9 P
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。0 z5 O' u- u2 g* r* s! n% T
; v" J2 p$ v" K' ~$ V5 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。/ q  W5 t* E; c4 \
( G  v6 e9 j- K
运30,值得期待。- f# s, c; Z6 o

作者: 鳕鱼邪恶    时间: 2024-7-3 09:20
呼唤教主~
作者: 沉宝    时间: 2024-7-3 11:40
本帖最后由 沉宝 于 2024-7-3 11:42 编辑 " V, Q8 \+ |& `+ W
; r+ ^" r- W! H( @1 o
给晨大配图  _- k. \+ [! s2 `: D

( a% p3 {/ t+ H. e: b) y1 C8 \$ v0 ~0 f: z
5 x' {! F% s! d: a" |

) T; K- q0 E/ T/ J+ A" z' m* U
作者: 晨枫    时间: 2024-7-3 12:07
沉宝 发表于 2024-7-2 21:402 k: m2 ^' D9 O2 j5 S6 a
给晨大配图

- `* s& G- a' Q. q% f: O) d( B图看不到
作者: 沉宝    时间: 2024-7-3 13:58
晨枫 发表于 2024-7-3 12:07
8 a) U  w: o# {图看不到
  f# p  `/ e  o4 y: E4 r) O# ]
你描述的鸭尾体两侧再增加浅V形尾翼的设计其实更像这一架
作者: 晨枫    时间: 2024-7-3 14:35
沉宝 发表于 2024-7-2 23:585 q+ Y3 v0 E. n& u
你描述的鸭尾体两侧再增加浅V形尾翼的设计其实更像这一架

* \) \! G0 Z" ~  _9 U2 x确实挺像




欢迎光临 爱吱声 (http://129.226.69.186/bbs/) Powered by Discuz! X3.2