大肚能容

TopGun · 发表于 2013-2-1 08:57:43

本帖最后由 TopGun 于 2013-1-31 20:05 编辑

运输机的货舱大，其任务灵活性就高。运输机经常要运些稀奇古怪的东西，其中有些尺寸会很大。如果运输机的货舱小了就装不下，从而无法运输。下面的两张照片可以看出货舱大的好处。

第一张是一辆高大的工程机械正在开进C-17的货舱：

第二张是一架CH-47直升机的机身正在进入C-17的货舱：

但是增大货舱也意味着飞机外廓尺寸加大，从而增加飞行阻力、增加飞机结构重量。

有没有一个巧妙的办法，仅仅付出较小的阻力和重量代价，便可以适当地增大货舱呢？

有。一个办法就是在翼身结合处的整流罩上做文章。将一部分仅仅是整流而并无货物承载用途的整流罩，经过整形、扩展、改变结构，使其变为货舱的一部分，从而达到加大货舱的目的。

一、翼身结合处的整流

当机翼的中央翼基本外置地安装在机身上时，必须使用大尺寸的整流罩以降低阻力。下图中伊尔-76隆起的背部就是这个整流罩：

这个整流罩不但在中央翼前方可以有很大尺寸，就如上面图中的伊尔-76；在中央翼的后面也可以很大。下图是欧洲的A400M运输机：

图中机身背部红色的结构是已经部分安装的整流罩。可以看出，A400M这个整流罩的后半部也很大。
这种整流罩尺寸大并有一定的重量，却不参与装载货物或人员。这对于绞尽脑汁扩大货舱空间的运输机而言，多少有些可惜。

二、中间道路：C-5和An-124的双腔机身结构

所谓中间道路，是指在给机翼和机身结合处整流的同时扩大载荷空间，但并不直接扩大主要载荷空间，而是开辟次要载荷空间。下面，我用C-5作为例子来解释。

C-5外号“银河”，是美国在上个世纪六十年代开发的战略运输机。C-5的最大载荷超过100吨。在C-5面前，美国在上世纪八十年代开发的C-17就像个侏儒。下图中，大个头的就是C-5，小个头的是C-17：

C-5使用了一种双腔机身结构。这个双腔机身结构在气动外形上，可以看作是将机翼与机身结合处的整流罩拉长、整形，形成上层机身。在这个上层机身中，C-5布置了驾驶舱、成员休息舱、甚至还有客舱。

而在结构上，C-5这个上层机身与下层机身构成一个硕大的、完整的双腔结构。这又与整流罩不同。
先说气动。这个双腔机身在气动上的好处是机翼与机身的结合非常顺畅，仅仅需要很小的传统整流罩。下图是飞行中的C-5，请注意其非常小的传统意义上的整流罩：

再说结构。这个双腔机身在结构上的好处是提高了整个机身的结构效率。这种高结构效率主要是通过三方面实现的。第一个方面是有效地扩大了承力结构的结构高度；第二个方面是获得了额外的结构支撑；第三个方面是大幅地减少了仅仅是整流作用的传统整流罩从而节省了重量。下图是C-5的剖视图：

所谓有效地扩大了承力结构的结构高度，是指上腔与下腔成为一个整体，共同承载下腔货舱中沉重的载荷。这比没有上腔而单纯依靠下腔承担巨大载荷，在结构上有利得多。

所谓额外的结构支撑，是指上、下腔之间的隔板给了机身以额外的支撑。这使得机身不必付出过大重量代价来加强结构以获得足够的刚度和强度。

所谓减少了仅仅为了整流而存在的传统整流罩的重量，是指双腔机身的上腔部分已经兼任了传统整流罩的大部分作用。这种兼任比传统的专职整流罩，在飞机结构效率上是个提高。

双腔结构对于运输作业的最直接好处是C-5可以有机首和机尾两个巨大的货船门。因为C-5的驾驶舱可以安置在上层机身，导致机首可以方便地开启。下图是C-5的机首、机尾货舱门全打开的样子：

下图是C-5位于上腔机身中的驾驶舱，图中的机首货舱门处于打开状态：

除了驾驶舱，C-5上腔机身中还有供成员睡觉的成员休息舱和运输人员的客舱。下图是C-5上层客舱，单通道每边有三纵座位。类似窄机身客机，但没有舷窗：

与上腔客舱的狭小局促不同，下腔货舱宽阔、高大：

苏俄的An-124也是与C-5一样的双腔机身结构。下图是机首和机尾的货舱门都打开时An-124的下腔货舱：

从下图可见，An-124与C-5一样，在翼身结合处也仅仅需要非常小的传统整流罩：

下图是An-124的侧视图，可以看到机翼是横穿机身上腔：

三、另一种中间道路：大型客机的双腔机身结构

大型客机也是双腔机身。但是大型客机与运输机相反，是中央翼横穿下腔机身，而上腔机身是主要的运载空间——客舱。大型客机机身的上、下腔靠客舱地板分隔。

下图是波音787的结构示意图：

图中右上角是飞机的横截面结构示意图。图中上腔机身是双通道九纵列座位的客舱，下腔机身是运输行李等货物的货舱。机身的左右示意性地画出了机翼的翼根部分，在机身下部还示意性地画出了起落架的整流罩。

这种双腔结构在原理上与前面说到的运输机双腔结构一样。但是这种双腔结构在设计上的难度远远小于运输机。

一是因为客机不需要在机首和机尾做出巨大的结构开口安装货舱门；

二是因为客机主起落架与机翼的连接非常直接，对传递巨大的着陆冲击载荷非常有利。相比之下，运输机的起落架冲击载荷必须通过机身结构传递到机翼，对机身是又一个负担。另外，客机的着陆非常缓和，与运输机在野战机场的粗猛着陆不可同日而语。

客机的双腔结构对其结构载荷分布是如此之关键，以至于基于客机改造而成的军用飞机，也都尽量秉承其固有的双腔结构。比如在客机基础上开发的空中加油机，基本都是上腔机身运货运人、下腔机身加装额外的油箱执行空中加油任务。如果下腔机身空间不够，才在上腔机身另外加装额外的油箱。下图是在波音767基础上开发的KC-767空中加油机，其下腔机身有额外油箱，而上腔机身是货舱和客舱：

四、更进一步——将双腔机身简化成单腔机身

对于运输机而言，双腔结构虽然在不付出过大重量和阻力代价的前提下，开辟了次要载荷空间，却毕竟没有直接扩大主要载荷空间。如果能将双腔结构的隔板去掉，变成单腔结构，就可以直接扩大主要载荷空间了。

可是去掉隔板意味着结构的受力情况恶化，必须付出额外重量代价加强结构。当结构设计水平和钛合金、复合材料之类先进材料的加工水平达到一定程度时，这种额外的重量代价也可以减小，甚至变得可以接受。

C-17就是这样。下图是C-17货舱内部的照片：

图中，中央翼从机身内部，在货舱顶棚一穿而过。而整个飞机并没有类似C-5那样的双腔结构，中央翼后面是高高的货舱顶棚。
C-17中央翼后面的高高度货舱长度其实很大，下图是C-17货舱尺寸示意图：

图中可见，C-17货舱中，有将近一半的长度是中央翼后面的高高度货舱。而中央翼部分及其前面的货舱高度虽然稍低于后部，其实际高度也已经很高。

这种后面很高、前面稍低的货舱，也非常适应在野战机场非常简陋条件下的装货、卸货。因为货物在经过后舱门登记跳板上坡进入货舱时，因货物头部上翘而需要高一些的货舱高度。而当货物进入货舱放平后，其高度要求相应降低，正好可以推进到货舱前面高度稍低的地方。

下图是一辆18轮大卡车正在进入C-17货舱：

这个卡车的车厢方方正正，在通过跳板上坡进入货舱时，车厢后端会达到一个比其在水平状态更高的高度。这就是为什么货舱后部稍微高一些，对装卸货物更有利。

下图是这个大卡车基本进入货舱时的照片：

C-17这种摒弃了隔板的中央翼内置结构，既不同于C-5和An-124，也和客机的双腔机身结构非常不同。这种结构虽然扩大了货舱容积，但设计难度很大，对结构材料的要求也很高。事实上，即使是欧洲最新设计的A400M运输机，也没有用这种结构，而是使用了传统的中央翼基本外置结构。下图是欧洲的A400M：

本文小结：

1、C-5和An-124这种载货超过100吨的巨型运输机，使用了双腔机身结构来开辟额外的、次要的运输空间，并为使用机首货舱门提供条件；

2、大型客机也普遍使用双腔机身结构来提高结构效率并减小机翼机身结合处的整流要求；

3、C-17使用了中央翼内置于单腔机身结构的设计来扩展货舱容积。虽然这种方式因对设计和材料的要求高而在目前很少被采用，但因为有扩大货舱的好处而应该被重视。

猫元帅 · 发表于 2013-2-1 09:21:46

但是从文章来看得不出是“设计水平和材料水平的差距”这个结论啊。

njyd · 发表于 2013-2-1 23:12:11

本帖最后由 njyd 于 2013-2-1 23:13 编辑

这还是飞机大小的问题。
C5这样的，机舱侧面看去就是个凹字形，如果小飞机也用这样的构造，很多大件就放不进去了。同时因为小，装大件只能装一件，这种构形两头凸出的部分就没用。
如果运20选择了C5这样的横截面，机翼还是会往上面放以扩大能装载大件的范围。
当然我们是纸上谈机。

xlan1976 · 发表于 2013-2-11 18:24:23

又见TOPGUN兄好文

老兄一席话真是解了我十多年的疑惑啊

737也是这样的双腔结构，我刚毕业进入飞机维修这个行业时，讲737机型的老师就提过这个。不过那个老师就是一棒槌

他居然说这个结构就是半硬壳机身的由来

靠，要是真按他说的，我在北航学4年算是白混了

不过话说回来，当时对这个结构也有些疑惑，因为以前没接触过，今日总算是解惑了，多谢老兄好文啊

这么久才看到这篇文章，恨晚啊，以后老兄再发文@一下我吧，免得错过

TopGun · 发表于 2013-2-11 23:29:31

本帖最后由 TopGun 于 2013-2-11 10:30 编辑

xlan1976 发表于 2013-2-11 05:24
! h$ F# [' b2 x: E又见TOPGUN兄好文( }# N8 k4 s/ W. C* G" \' x2 b( k
老兄一席话真是解了我十多年的疑惑啊 ...

感谢老兄夸奖。

以后我如果还写航空方面的文章，会@老兄以切磋。不过我还从来没@过，所以准备先到萨苏的独角兽文章中试试能不能给独角兽@一把。

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