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空军专家傅前哨权威解读运20

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问:很多网友指出,运-20的气动外形和机翼与伊尔-76很像,能否分析一下两者机翼的设计特点,以及它们之间有什么区别?

答(傅前哨):通过照片观察,运-20与伊尔-76的外观差异还是比较大的。第一,伊尔-76采用多乘员驾驶体制,在机头处布置有领航舱,其前方和下部分别安装了气象雷达、地形测绘雷达等设备,外形显得不够光顺。运-20安装有先进的航电系统和导航定位系统,机组人员相对较少,且不设领航舱,其机头干净、简洁,阻力也较小。第二,运-20选择的T形尾翼的构形不同于伊尔-76,比伊尔-76的垂直尾翼要细高一些,看上去更接近美国C-17、西欧A400M运输机。第三,运-20的方向舵分为上下两段,左右升降舵分为内外两段,而伊尔-76的方向舵和升降舵都是整体的一块。第四,伊尔-76的垂尾装有顶锥,平尾安定面和升降舵均位于垂尾安定面的上方,而运-20的垂直尾翼上没有顶锥,其水平尾翼安定面和升降舵的位置较为靠后。第五,运-20的机身比伊尔-76要粗,可载运更宽、更高的货物。第六,运-20的主起落架以及起落架舱的设计与伊尔-76完全不同。

当然,运-20与伊尔-76之间也有相似之处。从平面形状看,运-20的机翼与伊尔-76就比较像(与C-17不一样)。比如说,它们都选择了位于机身之上的大展弦比、中等后掠角主翼,机翼的前缘后掠角恒定(1/4弦线后掠角大约在24-26度左右),机翼后缘采用两种后掠方式——中外翼段的后缘后掠角要大一些,而内翼段的后掠角明显减小。这样设计的好处是,既能保证机翼根部有较宽的弦长和面积,以改善其承力状况,提高内翼段和中央翼的结构强度,又能保证机翼有较大的展弦比,以改善全机的升阻特性,提高巡航飞行时的经济性。另外,运-20与伊尔-76的主翼前缘均设有全展向的多段前缘缝翼,并在内翼段和中翼段的后缘安装了两套后退式三开缝襟翼,机翼外侧的后缘则布置副翼。它们的襟翼系统增升效果良好,有助于缩短起降滑跑距离。

不过,尽管二者的模样很像,但若仔细分析一下,便不难发现,它们在细节上仍存在许多不同的地方。运-20内翼段的后缘后掠角比伊尔-76略大一些,中外翼段的后掠角又稍小一点。如果它们的翼展长度相当的话,那么,运-20的机翼面积和飞行中的总升力就会大一些,这对提高运输机的承载能力、改善起降性能都是有好处的。

再有,伊尔-76在左右机翼的上表面各设有8块用于增阻和控制姿态的扰流板(总共16片),C-17在每侧机翼上分别安装了4段面积较大的扰流片(总共8块)。而从运-20着陆过程的录像看,该机每副机翼似乎只配备了2个大型的扰流板(接地前和滑跑时相继打开)。

运20与新型的伊尔-76MD-90A(伊尔-476)在机翼上的另一个差别是襟翼作动筒的数量不同。伊尔-76MD-90A每侧机翼的襟翼作动筒和整流罩为7套(内襟翼4个、外襟翼3个)。而运20单侧的襟翼作动机构只有6套(每副襟翼各3个)。少一套作动机构和整流装置,有助于简化飞机的液压/电气系统、减轻内部结构重量、减小机翼的外形阻力。

问:有媒体报道说,运-20采用了先进的“超临界翼型”,能简单解释一下这种机翼的特点吗?

答:翼型,也称翼剖面,对飞机的升阻特性影响很大。目前飞机上常用的机翼翼型主要有凹凸、平凸、双凸、对称等基本形状,超临界翼型属于双凸翼型中的一种。

飞机是靠气流流经机翼,在其上下表面间形成速度差(从而导致压力差)来产生升力的。当飞机处于中小迎角状态时,在相同的时间里气流绕过机翼上表面所走的路程比流经下翼面的距离长,由此造成机翼上表面的气流速度比下翼面的快。而流速与静压是成反比的,流速高,压力小;流速低,压力大。于是,便在上下翼面之间产生了压力差。

在飞机的运动速度和迎角相同的情况下,翼型越厚,上表面凸起越多,上下翼面间的压差就越大,升力也就越高。向前飞行时,相对于来流速度,翼面上的局部流速明显加快。当飞机的速度进入M数0.85~0.9的高亚音速区域,翼面流场的速度将率先达到音速(M数1)。  此时的飞行M数被称为“临界马赫数”。若飞机继续增速,机翼表面便会出现局部激波,从而引发激波阻力,导致全机阻力系数陡升。为了保证良好的经济性,一般的客机、运输机的飞行速度不宜超过临界M数(临界马赫数)。

如果想在维持较高升阻比的前提下,进一步向上扩展有利飞行速度区间,就必须设法提高机翼的临界M数。减小翼型厚度、增大机翼前缘后掠角等,均是有效的措施。但无论是薄翼型还是后掠翼都存在着升力系数低、结构强度差等问题。

超临界翼型的设想是NASA(美国国家航空航天局)的著名科学家理查德·惠特科姆博士于1967年提出的。这种翼型厚度较大,前缘圆滑,上翼面中部相对平坦,气流的加速过程趋缓,从而可推迟局部激波产生的时机(将临界M数提升至0.95左右),即使产生了激波,其强度也比较弱。这种特殊的厚翼型不但能提高飞机的最大经济速度,还具有机翼内部容积大、结构重量轻等优点。

不过,翼型上表面平坦,气流增速较慢,也有不利之处,上下翼面间的速度差和压力差比较小(意味着升力偏低)。要想改善它的气动特性,必须想办法降低翼型下表面的相对流速。为此,研究人员对其进行了局部修形,让下翼面在接近后缘处的地方向内凹入,使后缘变薄,且向下弯曲(形状有点像蝌蚪)。这样调整之后,可明显减小下表面的气流速度,从而增大翼型后端区域的上下压差(称为后部加载)。如此一来,超临界翼型的升阻特性就比较理想了。

一般而言,超临界翼型的临界M数比较高,采用此类翼型的机翼便可以将后掠角设计得小一点。在翼展相同的情况下,这有助于进一步减轻机翼的结构重量,提高其巡航升阻比,改善亚音速和高亚音速飞行时的经济效益。

超临界翼型不是一种,而是一族,以适应不同飞机的使用要求。各航空大国都对这种特殊的翼剖面进行过系统研究,且设计细节和获得的翼型参数是相互保密的。我国经过多年的探索,在超临界翼型的研究方面已取得了一大批成果,已有多款国产飞机选择了此类翼型。我国20世纪70年代初研制运-10客机时,就成功地运用了超临界翼型技术,从而使运-10的许多飞行性能胜过了波音707。由此类推,如果运-20也采用新开发的超临界翼型,那么在气动性能上,该机应明显超越伊尔-76,与同样选择超临界翼型的C-17基本相当。

问:为什么C-17的机翼作动筒较少,机翼也更简洁?

答:运-20机翼下表面的襟翼作动机构及其整流罩虽比伊尔-76MD-90A少一套,但比C-17多两个。这是三者间的差异之一。其二,运-20所配备的滑退式三开缝襟翼的复杂程度显然要高于C-17采用的吹气式襟翼。第三,运-20的襟翼偏转角度也明显大干C-17。

三开缝襟翼是一种气动效率非常高的增升装置。它由多块附着在机翼后缘的可动翼片组成,平时收拢在机翼后缘处与机翼合为一体,只有在飞机处于起飞、着陆阶段或某些需要低速飞行的情况下,它们才转为滑退、偏转状态。使用时,三开缝襟翼沿下翼面安装的滑轨后退,同时下偏。这种襟翼放下、伸展后,不但可以改变机翼的剖面形状,加大翼型弯度,提高上下翼面间的速度差和压力差,还能利用依次滑退的活动翼片扩展机翼的面积,增升效果非常显著。

如果三开缝襟翼完全推展开来,便会在其翼面上形成三条横向的缝隙,通过这些缝隙把一部分压力较高的气流从机翼/襟翼的下表面引导至襟翼的上表面,将可大大增加上表面的流速,并利用气流的附壁效应(科安达效应),改善襟翼背风区的流场,使紊乱的分离流重新变为附体流(紧贴在翼面上)。从吹风试验和试飞的结果看,这种先进襟翼系统的总体增升效果要比普通的简单式襟翼、开裂式襟翼、单开缝襟翼更好,可使全机的升力系数提高1.5倍左右(未扣除配平损失)。许多现代化的民航客机都采用了类似的襟翼增升装置。

当然,由于三开缝襟翼有多个相互独立的活动翼面,滑退、偏转机构较为复杂,展开后的襟翼面积和下弯角度很大,用于增升时它们所负担的举力和力矩自然也就比较高,因此需要一套复杂的由控制系统、作动装置、承力结构、导向滑轨、传感器等组成的机构来运转。翼型很薄的轻小型飞机难以应用这项技术,只有机翼相对较厚的大中型飞机才适合安装三开缝襟翼。

C-17的钛合金外吹式襟翼也颇有特色。起飞和着陆时,利用发动机的喷流外吹在双开缝襟翼上,可产生较强的动力增升效果,从而大大降低飞机的起降速度,缩短滑跑距离(当然,运-20的襟翼也会受到发动机喷流的影响)。与滑退式的三开缝襟翼相比,这种固定式的双开缝襟翼绕轴放下时的偏转量较小,行程和力臂较短,受力情况较好,因此可适当地减少动作筒的数量,每块襟翼使用两套作动装置就够了。

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