图为我国研制的国产长江-1000A大涵道比涡扇航空发动机,主要用于装备C-919客机

2012年,珠海航展展出的我国大涵道比涡扇发动机。据悉,该发动机具有四大特点:高效率,低燃油消耗;高 可靠性,长使用寿命;低排放,低噪音;低维护成本,维修性佳,将用于国产大飞机

运-20换装国产发动机对比想象图

  运-20具有巨大的三缝襟翼,用于在起飞、降落时增升。有意思的是,运-20的襟翼设计和伊尔-76很相像,但不同于C-17。伊尔-76使用后退式三缝襟翼,其中第一道襟翼和第二道襟翼之间有明显空隙。这是供翼下高压气流穿过去,对翼上气流产生拉动作用,增加升力。这是一个比较传统的设计,简单、有效。当然,简单是原理上简单,设计和制造上并不简单,至少比非后退式的简单襟翼复杂多了。但C-17采用双缝的喷气襟翼,不仅有同样的缝隙,供下翼面高压气流产生引射增升,还直接处于发动机喷流之中,极大地增强了增升作用,缩短起飞、降落距离。原理类似的吹气襟翼在F-4“鬼怪”式战斗机上早就有应用,但那是从发动机压气机引出气流产生增升,C-17直接用发动机喷气产生增升,增升效果强烈得多。

运-20机翼上复杂的前后缘增升装置以及扰流板

  运-20没有采用喷气襟翼可能有几方面原因。除了喷气襟翼本身的技术难度外,发动机推力不足可能是最大的障碍。喷气襟翼放下后,接受发动机喷流的吹拂,将喷流部分向下偏转,并通过缝隙引射增升,增升效果明显。同时,喷气襟翼要求发动机的推力轴线紧贴下翼面,这样才能是襟翼处在喷流之中。但发动机喷流紧贴下翼面可能影响喷流的发育。但另一方面,向下偏转的推力轴线降低了实际向前的推力,在发动机推力不足的情况下,这是很要命的。喷流在喷出喷口之后,并不是像铅笔一样的直筒子,而是像喇叭口一样散开,然后再形成捅形。这是因为高压喷流在离开喷口之后,喷流中心的压力使得喷流向压力较低的环境空气膨胀出去,好像吹肥皂泡一样。喷流的发育受到机翼下表面的阻碍的话,不光烘烤翼面结构,还会造成推力损失。考虑到要用推力不足的D30先飞起来,运-20不能负担这样的推力损失。

  另外,结构上的要求可能也是一大障碍。喷气襟翼要求发动机喷口的轴线紧贴下翼面,这样发动机吊舱必须向前、向上,基本平伸,吊架成为直直前伸的悬臂,基本平伸的发动机吊架还有迎风阻力较小的好处,但沉重的重量对机翼形成很大的扭转力矩,极大地提高了机翼刚度的要求,对吊架的刚性要求也较高。另外,喷气襟翼本身也需要极大地加强,否则被强力的喷流吹散了架就不妙了。发动机喷流紧贴机翼下表面也提高了结构耐高温的要求。所以和喷气襟翼相适应的发动机的位置很讲究,太高了要影响喷流发育,太低了要错过襟翼的位置,极大地加宽襟翼的宽度可以补偿较低的发动机位置,但襟翼的重量大大增加。考虑到种种复杂性和实际效益,运-20没有采用喷气襟翼是谨慎的。

吹气襟翼对材料的要求很高,图为C-17在野外机场降落并打开反推

  但运-20也没有一味降低技术风险而放弃技术创新,运-20采用了超临界翼。常规翼型大体上像为横剖一半的水滴,前半部比较肥厚,后半部比较瘦削,后缘则是尖利的。气流沿上表面加速,在接近音速时,尽管飞行速度尚未达到音速,但上表面局部速度已经达到甚至超过音速,形成强大的激波阻力。超临界翼是NASA气动奇才理查德惠特康姆发明的,他还发明了导致超音速飞机蜂腰的面积律和眼下实行的翼尖小翼,对现代航空科技的影响无人可比。推迟激波产生的通常做法是采用很薄的翼型,并采用较大的后掠角,这不仅不利于低速飞行,也要为恢复结构刚性付出重量上的代价。超临界翼一反常规机翼,上表面较为平坦,以减少气流加速,推迟和弱化激波的产生。这使得超临界翼可以相对较厚,或者降低后掠角。较厚的机翼受力较好,结构重量较轻;较低的后掠角也降低机翼对翼根的扭矩,降低结构重量。超临界翼的下表面前半段相对饱满,后半段向上“挖掉”一块,和上表面延伸过来的后缘下垂相对应,形成“钩子”一样的后缘。下表面压力较高,气流贴附着挖出来的凹面流动,然后沿“钩子”一样的后缘向下流动,产生额外升力,补偿上表面的升力损失。超临界翼的前缘也比较钝,迎面过来的气流贴附较好,配合较低的后掠角,在低速时增加升力。超临界翼已经成为现代客机和运输机的典型翼型,不过从外观上不容易看出端倪来。C-17也采用超临界翼。

超临界翼的特点

  比较有意思的是运-20的翼展。相比于C-17的51.75米的翼展和伊尔-76的50.5米的翼展,运-20的翼展只有45米,只比起飞总重少1/3的空客A-400M的42.4米或者安-70的44.06米略大。这说明运-20的超临界翼达到了很高的设计水平。运-20机翼另一个饱受疑问的地方是没有C-17或者现代民航客机上常见的翼尖小翼。翼尖小翼的作用是降低翼尖绕流,间接降低阻力。由于机翼下表面压力高于上表面,翼尖附近的气流不仅从前向后流动产生升力,还绕过翼尖形成“短路”的侧向流动。这不仅导致翼尖升力损失,还产生强烈的翼尖涡流。涡流的能量最终来自发动机的推力,但这部分消耗的能量对于升力和速度毫无用处,所以形成阻力。翼尖小翼降低了翼尖绕流,具有显著的增升减阻作用,相当于延长翼展。但翼尖小翼除了本身的重量和阻力外,还要求机翼结构额外加强,导致额外的重量。所以翼尖小翼在设计中要在得失之间仔细权衡,不是包赚不赔的买卖。如果发动机推力足够,可以用额外的推力补偿翼尖小翼的增重,而在翼展大体不变的情况下获得有效的增升,以增加飞机的起飞总重。但对于现阶段的运-20来说,更大推力的发动机一时还没有就绪,现有机翼设计已经保证了足够的升力和起飞总重,就不必急于加装翼尖小翼。等到更大推力的新型发动机就绪的时候,具备了增加起飞总重的条件,那时再加装不迟。事实上,C-17的翼尖小翼也是“后加”的。按照原设计,C-17的最优翼展应该为53.4米,但美国空军规定了野战机场的占地要求,在90米x120米的停机坪上要能够停放3架C-17,所以翼展只有缩短到50.3米,加装翼尖小翼以补偿翼展损失。算入略微外倾的小翼后,翼展增加到51.75米。运-20可以反过来,在增重条件成熟的时候,加装翼尖小翼,实现更大的等效翼展、更大的起飞重量和载重量。