中国军工可借鉴美军未来军用大飞机设计思想

来源:百度文库 编辑:超级军网 时间:2024/04/30 08:44:23
中国军工可借鉴美军未来军用大飞机设计思想

http://www.chinareviewnews.com   2008-07-20


中国空军未来超大型运输机方案。作者:xman123zibo
  随着威胁水平的提高和服役年限的增加,美军的许多作战和支援飞机都面临更新换代。F-22A“猛禽”和F-35“闪电”满足了美国空军对战术战机的需求,然而当这些新型战术飞机开始下线时,大型支援平台项目乃至需求至今仍不够明确。尽管美国空军的战斗机总能成为公众关注的明星,但真正能够让美国三军部队全球部署,幷适应多种任务的还是各种大型支援飞机,它们才是真正的战略进攻型力量。其中的一些任务包括攻击(炮艇式),轰炸、运输、空中加油和其它特种任务。研制幷部署这些新型的大飞机平台造价十分昂贵,如果根据每一种任务要求,就设计幷生产一种大飞机,军方将无法负担。

  所以,大型支援飞机平台的项目不能仅仅针对一种任务进行设计,而需要具备足够的任务弹性以适应各种不同的任务。就像C-130和C-135平台在几十年的服役生涯中被改进成AC-130“空中炮艇”和RC-135“铆钉接头”,以及其它多种任务改型。

  当然,下一代的大型支援飞机的要求要苛刻得多。正因如此,幷不要求这种飞机必须在任何时候(或者经过几个小时的简单改装)可以执行其它任务,因为其结果不是无法实现就是造价高昂。基本概念是:设计一种可以实现的基本平台,它的载重、航程、内部空间和其它品质上都恰到好处。在使用和生产过程中,只需要经过一定的改进改型就可以满足各种任务需要,而不用再设计全新的机身平台。在当前阶段,根据不同的任务需求确定出合适的品质就显得十分重要。

  根据美国空军航空系统中心最新的研究成果,本文将展示一些可能的方案。幷讨论它们是如何适应不同任务的。其中的一些新思路和独特的理念或许值得我们借鉴.但幷不是说美国的这些方案就是最佳解决途径,笔者认为真正有价值的在于其背后蕴藏的研究方法和思维方式。在研制我们自己的军用大飞机时,充分研究作战需要和研制能力之间的相互关系、大胆地提方案而审慎地筛选,只有更加理性地对项目进行定位,才能少走一些弯路。

  历史背景

  使用某种大飞机平台来适应多种任务幷不是一个新点子。在美国空军中,有很大一部分飞机都是由两种飞机演变而成:C-130和C-135。

  C-130“大力神”运输机的概念起源于柏林空运,要求能运载13608千克货物,或者90名全副武装士兵或72名伞兵,飞行3218千米。货舱高度要能容纳美军卡车,具备快速滚装的斜坡式机舱大门,幷能够在未经铺设的碎石或者沙土跑道上起降,另外,即便单发停车也要能维持飞行。 C-130采用4台涡轮螺旋桨发动机,上单翼布局,最初的量产型号为C-130A,于1956年服役,最新的型号为C-130J。除了运输任务以外,C-130还被改装为AC-130“炮艇”、用于特种部队渗透和撤离的特种飞机MC一130“魔爪”I/II电子战型号EC-130,空中加油型号HC-130,有的型号甚至还在越南扔过滚地炸弹。

  C一135是从波音707客机改进而来,这种由4台喷气发动机推动的后掠下单翼飞机虽然没有C-130出众的战术运输特性,但具备更远的航程和更快的巡航速度。C—135的主要衍生型号为Kc一135空中加油机、E-3空中预警机和Rc一135电子侦察机。

  C-130和C-135尽管拥有传奇的服役史,但在现代作战条件下已显得日益落后。仅仅就运输任务而言,现代地面部队要求更强的快速反应能力,为了达到这个目的,运输机需要把部队投送到离目标区尽可能近的区域,但两种飞机在现代防空系统的面前都显得太脆弱。C-130还有航速太慢的缺陷。因此,新的大型支援飞机必须在生存能力、反应能力方面有所创新。任务的类型及特点 这两种大型支援平台具有广泛的任务适应性,但是其他的一些以多用途为目的而设计的平台却不那么成功了。这是因为在实际使用过程中,任务的转换及未曾始料的需求都可能超出平台的能力。由此可见,在设计之初就应当仔细研究每种可能的任务究竟需要怎样的能力.这样才能制定出切实合理而的设计目标。
中国军工可借鉴美军未来军用大飞机设计思想
http://www.chinareviewnews.com   2008-07-20

中国空军未来超大型运输机方案。作者:xman123zibo   随着威胁水平的提高和服役年限的增加,美军的许多作战和支援飞机都面临更新换代。F-22A“猛禽”和F-35“闪电”满足了美国空军对战术战机的需求,然而当这些新型战术飞机开始下线时,大型支援平台项目乃至需求至今仍不够明确。尽管美国空军的战斗机总能成为公众关注的明星,但真正能够让美国三军部队全球部署,幷适应多种任务的还是各种大型支援飞机,它们才是真正的战略进攻型力量。其中的一些任务包括攻击(炮艇式),轰炸、运输、空中加油和其它特种任务。研制幷部署这些新型的大飞机平台造价十分昂贵,如果根据每一种任务要求,就设计幷生产一种大飞机,军方将无法负担。

  所以,大型支援飞机平台的项目不能仅仅针对一种任务进行设计,而需要具备足够的任务弹性以适应各种不同的任务。就像C-130和C-135平台在几十年的服役生涯中被改进成AC-130“空中炮艇”和RC-135“铆钉接头”,以及其它多种任务改型。

  当然,下一代的大型支援飞机的要求要苛刻得多。正因如此,幷不要求这种飞机必须在任何时候(或者经过几个小时的简单改装)可以执行其它任务,因为其结果不是无法实现就是造价高昂。基本概念是:设计一种可以实现的基本平台,它的载重、航程、内部空间和其它品质上都恰到好处。在使用和生产过程中,只需要经过一定的改进改型就可以满足各种任务需要,而不用再设计全新的机身平台。在当前阶段,根据不同的任务需求确定出合适的品质就显得十分重要。

  根据美国空军航空系统中心最新的研究成果,本文将展示一些可能的方案。幷讨论它们是如何适应不同任务的。其中的一些新思路和独特的理念或许值得我们借鉴.但幷不是说美国的这些方案就是最佳解决途径,笔者认为真正有价值的在于其背后蕴藏的研究方法和思维方式。在研制我们自己的军用大飞机时,充分研究作战需要和研制能力之间的相互关系、大胆地提方案而审慎地筛选,只有更加理性地对项目进行定位,才能少走一些弯路。

  历史背景

  使用某种大飞机平台来适应多种任务幷不是一个新点子。在美国空军中,有很大一部分飞机都是由两种飞机演变而成:C-130和C-135。

  C-130“大力神”运输机的概念起源于柏林空运,要求能运载13608千克货物,或者90名全副武装士兵或72名伞兵,飞行3218千米。货舱高度要能容纳美军卡车,具备快速滚装的斜坡式机舱大门,幷能够在未经铺设的碎石或者沙土跑道上起降,另外,即便单发停车也要能维持飞行。 C-130采用4台涡轮螺旋桨发动机,上单翼布局,最初的量产型号为C-130A,于1956年服役,最新的型号为C-130J。除了运输任务以外,C-130还被改装为AC-130“炮艇”、用于特种部队渗透和撤离的特种飞机MC一130“魔爪”I/II电子战型号EC-130,空中加油型号HC-130,有的型号甚至还在越南扔过滚地炸弹。

  C一135是从波音707客机改进而来,这种由4台喷气发动机推动的后掠下单翼飞机虽然没有C-130出众的战术运输特性,但具备更远的航程和更快的巡航速度。C—135的主要衍生型号为Kc一135空中加油机、E-3空中预警机和Rc一135电子侦察机。

  C-130和C-135尽管拥有传奇的服役史,但在现代作战条件下已显得日益落后。仅仅就运输任务而言,现代地面部队要求更强的快速反应能力,为了达到这个目的,运输机需要把部队投送到离目标区尽可能近的区域,但两种飞机在现代防空系统的面前都显得太脆弱。C-130还有航速太慢的缺陷。因此,新的大型支援飞机必须在生存能力、反应能力方面有所创新。任务的类型及特点 这两种大型支援平台具有广泛的任务适应性,但是其他的一些以多用途为目的而设计的平台却不那么成功了。这是因为在实际使用过程中,任务的转换及未曾始料的需求都可能超出平台的能力。由此可见,在设计之初就应当仔细研究每种可能的任务究竟需要怎样的能力.这样才能制定出切实合理而的设计目标。
攻击:此项任务目前由AC-130“炮艇”部队承担。AC-130基于C-130的平台,在机身侧面安装了多种12径的侧射火炮武器,包括加特林速射炮、40毫米加农炮甚至包括105毫米的榴弹炮,这些武器都是由机载乘员使用侧视传感器阵列进行瞄准控制。飞机绕目标盘旋,而火炮则都朝内侧的目标点开火,具备持续而精准的火力打击能力。但是,AC-130的作战使用至少还受两个条件限制:一是天气,在夜间和能见度不良的条件下,作战效能会大打折扣;二是飞行高度,尽管离目标飞得低一些、近一些有助于提高精度、减小天气影响,但是为了避免便携式地空导弹,小口径防空炮火等其它小型武器的威胁,AC-130必须在安全高度上飞行。换句话说,对防空武器的敏感性降低了它的作战效能。

  新一代的“炮艇”武器平台应该具有与现代空中炮艇相同的续航能力,但生存能力必须要更好。新平台的巡航速度也应当比AC-130快。在以不能用其航线)。此外,新平台可根据需要攻击任意一侧的目标,相应的传感器也高度集成。

  轰炸:此项任务目前由B-52,B-1和B-2重型轰炸机部队以及F-15E、F-117攻击机部队承担。虽然B-2和F-117的效能出众,但高昂的价格也极大地限制了机队的数量。而B-52、B-1、F-15E则由于信号特征显着造成突防能力相对低下,很难进入严密防范的目标区。美国空军的武器库中需要一种航程远.突防能力强、能够投放大型武器的作战机型。这种需求由来己久,但却难度很高。新机型未必要成为所谓的“B-3”,但要综台B-2和B一52的特点,同时要填补战术战斗轰炸机和高端战略轰炸机之间的巨大空缺。 运输:当前,战术运输的任务主要依赖C一130完成。战略空运则由C-5和C-17承担。陆军未来战斗系统FCS的内涵包括未经铺设短跑道的部署能力。尽管当前的C一130具备良好的起降能力,但却无法容纳FCS战车。

  另外,C-130的巡航速度低、生存能力不佳.也限制了它的多用途性能。新一代平台应当同时具备大货舱容积和短距起降性能,以满足陆军战略战术机动的需求。从这个角度看来.新机型或许和c一17有些重叠。但事实上,c一17在战术运输和战场生存能力方面的不足之处需要得到弥补,总体而言,C-17太大太高端,而且仍未脱离传统大型运输机的桎梏。

  空中加油:Kc-135和Kc-10是为固定翼飞机加油的主力机型;KC-1 30则主要为旋翼机加油。时间和技术的发展同样让这些曾经可靠的机型开始落伍。新空中加油机应当具备一定的隐身性能(事实上,由于没有飞机能做到绝对不被发现,所以对“隐身”更准确的说法是低可探测性,但为了易懂,下文通称“隐身”),这样,它就可以在离目标区更近的区域为隐身飞机加油而不被发现。

  特种任务:这有可能是要求最苛刻的任务类型;替代MC-130“战斗魔爪”的机型必须能够在不被探测到的情况下深入敌后。着陆在未经铺设,没有辅助的短跑道上,投放幷回收特种部队及其车辆,然后起飞幷悄悄地撤出敌空域。而且高空和低空突防都必须考虑到。

  合幷需求

  以上的有些任务具有某些共性,因而可以归纳为某种通用系统。目前。HC-130可以同时执行运输和空中加油任务;著名的空中加油机KC-135和KC-10也具有一定的货运空间。这两种任务都需要长航程和大载重(载重可以是货物或额外的燃油),不过,运输任务在短距起降、跑道适应力和机身空间方面的要求要甚于加油任务。

  空中炮艇攻击任务和轰炸任务在某种程度上都需要高水平的生存能力和强大的武器载荷运载能力。在轰炸任务中。载荷可以认为是数量较少的重型弹药,而在炮艇任务中,则是数量庞大的各种炮弹。在炮艇任务中,任务剖面更看重盘旋,而不是像轰炸机那样的突防。

  另外,炮艇对机载火控系统的要求更高。尽管如此,这两种任务的特性可能会有所变化。在中亚地区近期的战争中.重型轰炸机更多地执行近距空中支援任务,这增加了二者的相似之处。

  特种任务要求和运输任务在一些方面有相通之处:短距起降,机场适应性、以及快速的货物/车辆装卸能力。不过,前者在战场生存能力方面要求更苛刻。此外。如果特种任务飞机要求垂直起降的话。就很难与其他任务机型整合为一种设计。
在研究过程中,除了对任务进行分类。对大小的分类也经过了研究。大小分为三级:

  战斗/轰炸尺寸(起飞重量45吨),适合轰炸/炮艇任务,尤其是无人方案。此外还适合作为前沿投放的小型运输机。作为特种用途飞机也非常台适,在这一重量级别,甚至可以考虑用升力风扇实现垂直起降。但这一重量级别可能不适台空中加油和运输的机型。

  中型运输机尺寸(起飞重量68~159吨):当前,执行各种任务的机型都位于这一范畴:C-130、C-135、B-2都属于这一区域。未来适应多种任务的支援机型平台很可能也在这一范畴。

  大型运输机尺寸(起飞重量大于181吨);这一适合运输和空中加油机的区域可能也适台轰炸型号,甚至可以发展出一种武库机。由于在面对严密防御空域时,武库机突防风险太高,不得不采用防区外发射的远程空地武器,它可能更适用于低威胁的地区,就像B-2在伊拉克和阿富汗战场上执行近距空中支援任务。

  几种解决办法

  1.单一方案

  最终,需要由一种机型来执行上述的五种任务。为了达到这个目的,最佳的选择方案是一种中型运输机尺寸的飞机,幷需要具备低可探测性,短距起降性和巨大的货舱容积。其中,首要照顾的是运输任务,因为运输机型的产量可能是最多的,而且这可以使得其他任务也较容易得到满足。只需要减小运输机的载荷,就可以增加航程或留空时间。

  这种飞机的航程必须满足不经过空中加油的部署需求。在确定了载重量和航程后,就可以得到飞机大致的起飞重量范围。通过对起飞重量和滑跑距离的关系综合分析,确定半载时。跑道长度在610米左右,(这对于运输机而言是一个惊人的数据)。而生存能力主要依靠低RCS的隐身一气动一体化设计和机载电子战设备保证。

  在设计特点上。该方案采用上单翼布局,四台中等涵道比的涡扇发动机内埋在翼根内。机尾舱门类似C一141运输机,具有较低的气动阻力。根据设想,各个任务型号的机身都很相似,因而可以在基本型机身上做出不可恢复的改动,以满足特定任务需要。

  通用性虽然降低了费用,但也有明显的性能代价。对于有些任务而言至关紧要的一些性能和部件,对于另外一些任务而言可能就成了累赘。  

  由于基本型是运输机,它所具备的短距起降性能对于“炮艇”攻击机而言就显得多余。比如在机翼面积和发动机推力方面,“炮艇”攻击机都不需要那么大。而“炮艇”攻击机、轰炸机和特种任务飞机在低可探测性外形,中等涵道比半埋式发动机方面付出的重量和结构代价对于运输机和空中加油机而言,也显得有些得不偿失了。

  运输机的货舱地板需要设置货物通道,但这却妨碍了轰炸型和攻击型从底部投放武器,因为货物通道的结构占用了布置武器舱的空间。解决的办法是从飞机机身后部的货舱门向后投放武器。其实这也是有先例的。早期的A-5“民兵团员”舰载超声速核攻击机和C-130“雏菊剪”丛林轰炸机都是把武器向后抛投。对于未来的轰炸型飞机而言,武器甚至可以放置在装有减速伞的货盘框架内,在地面能够很方便地进行滚装,在空中像空投货物那样从后舱滑出来。
 2.双机型方案

  不难发现,单机型方案存在巨大的挑战性,所以发展两种不同的改型方案或许是一种明智之举。具备隐身特征的方案可以用作轰炸和攻击机型;能够短距起降但非隐身的方案用作运输机和空中加油机。而特种任务飞机需要考虑究竟如何在隐身和短距起降之间做出取舍,或者另辟蹊径。

  当设计要求为运载27吨载荷飞行4800千米航程时,隐身的机型将比非隐身的机型重,空重增加约12.5%,起飞重量增加约16.5%。如果增加航程或者载荷要求,空重和起飞重量的增加幅度会更加显着。

  一个有趣的现象是,起飞重量的增幅比空重的大,主要是因为隐身机型无法采用大涵道比的发动机。牺牲了一定的巡航效率,要达到同等航程必须携带更多的燃料。但如果有办法把高涵道比的发动机隐蔽地埋到机舱或机翼内,起飞重量的增幅将会得到控制。

  3.模块化方案

  模块化方案的基本思想是让大尺度部件基本保持一致,维持通用性,但具体布局和结构有所不同,以适应不同的任务类型。基于这样的思想,飞机都采用相同的机翼,V形尾翼布局都布置于尾撑来端,而发动机、机身则各不相同。这就使得飞机可以最大程度地适应所执行的任务类型,而不必同时装着为其它任务而准备的设备和结构,减轻了不必要的重量。

  对于运输机,加油机和特种飞机而言,都采用大涵道比的涡扇发动机,虽然牺牲了隐身性,怛获得了最紧迫的大航程/续航时间。其中,运输机和特种飞机都采用4台发动机上置布局,这可以充分地利用康达效应,改善飞机的短距起降性能,同时还可及减小跑道异物损伤发动机的危

  险。而对于不要求短距起降的空中加油机,则采用两台下吊发动机舱设计,能够保持良好的巡航效率。攻击型和轰炸型都采用中等涵道比的涡扇发动机。埋在翼根内。以减小雷达信号特征,提高突防能力。

  运输机的机身最为肥大,有足够的空间来装载所要求的重型装备。同时,机头有降低雷达信号特征的棱条处理。特种任务型和空中加油型的机机身稍小,因为这样就已经能够满足机舱空间的要求了,较细长的机身有助于减小巡航阻力。所不同的是。后者由于对隐身的要求最低,所阻机头仍采用传统的椭圆截面设计。炮艇攻击机和轰炸机的机身最为细小,外形完全按照折射雷达波的隐身外形标准设计,其中,轰炸机的机头最为细长,因为它对巡航速度的要求更甚于攻击机,细长的机头有助于提高阻力发散马赫数。

  4.大小方案 把飞机按大小区分开也可以有效地提高飞机的作战性能。但无疑需要研制两种完全不同的飞机以满足需要,成本方面的代价会比较小型方案空重29211千克,起飞重量47288千克;长17米、翼展33.83米,具备良好的隐身性能,尤其适合作为轰炸型和攻击型,但载重量仅和“飞豹”差不多,略显小,但航程可达5130千米以上。特种任务型具备良好的渗透能力,装备升力风扇或升力发动机甚至可以垂直起降。

  超大型方案空重150~162吨,起飞重量386~476吨:翼展75.3米。这种飞机可以作为c一5的替代型和C-17的补充型服役;空中加油型号能够同时为两架战斗机提供硬管式加油(现有的加油机只能同时为一架飞机进行硬管式加油);它还可以被改装成庞大的武库机,携带数量巨大的防区外发射武器,快速而持续地进行远程打击。在研制时,超大型方案可以作为民航客机投产,以减小政府支出。

  评价与思考

  这些方案中有的看起来略显夸张,但只有充分展开想象.搜罗出所有可能的方案,才可能有充足的选择余地,找出相对较好的。即便如此,上述这些方案也未必是最优的。比如在处理续航力和隐身性的矛盾方面。美国人不得已而把机型一分为二。其实,采用复合材料的先进桨扇发动机,有望获得良好的隐身性能。与此同时,巡航效率能获得大幅度的提升,当然,代价可能是巡航马赫数稍低、气动噪音稍太,具体的方案需要根据任务分析和工业技术能力来做出判断。

  对于我国而言,军用大飞机的缺乏严重制约了地面部队的快速反应能力和航空兵的作战灵活性。在当前开展大飞机项目时。应考虑到军用大型支援飞机的需要,至少是技术储备。美军方案的隐身性、短距起降要求和模块化设计思想都是很值得借鉴的。

  事实上,这种设计要求很具有挑战性:多任务假设.需要对付各种敌方威胁、能够适应低烈度冲突和高烈度局部战争,长航程、低可探测性,其中任何一项指标换作其他航空大国都是很棘手的,而美国人却试图把所有的特征综台到一个项目中去。这不仅显示了美国强大的航空工业基础,更有意思之处在于,面对要求极端苛刻的复杂项目,美国人是如何一步步地分解问题,挖掘出主要矛盾,找到突破口。

  长期以来,我们密切地跟踪国际先进水平,但往往是技术水平,对技术背后原创力的思索较少。这就造成了这样一种状况:我们一直在跟踪,一直难以超越,搞一种新型号,先要看看国外有没有做过类似的东西。如果有,则信心百倍地上马,如果没有。则反对声四起。比如反坦克导弹,20千克的在国内就叫“重弹“了,如果有人提出3米长、80千克的方案,肯定会被认为是天方夜谭。然而美国人确实搞出来了那么大的高速动能弹。 再先进的技术都会过时,再强大的装备都会退役。只有透过现象,看到技术背后的思维方式和创造精神,才能理解技术的根源,掌握技术的原创力。(作者:霹雳、南成根——空军驻吉林地区军事代表室 来源:《航空世界》杂志)