分享:

俄罗斯大型运输机发展分析

2020-06-09 17:02:00 中国航空报 姜廷昀

 

中国航空报讯:3月26日,俄茹科夫斯基中央空气流体动力学研究院(TsAGI)称,被称为“大象”(Слон,发音相当于英语Slon)的重型运输机金属模型已在TsAGI的T-106风洞完成第一阶段空气动力学试验,验证了该模型在马赫数0.2~0.85的空气动力学特征,包括俯仰角和马赫数的关系,以及尾翼、发动机短舱、起落架整流罩等对空气阻力的影响,同时还研究了模型在不同高度和方向的稳定性,测试了机翼的承载性和不同飞行构型等。试验结果符合最初的计算结果。该阶段试验主要目标是研究巡航速度下模型的空气动力学特征,用来优化气动外形。下一阶段试验将在T-102风洞中进行,研究在低马赫数下的空气动力学特征,包括侧向稳定性和转向舵效率等。

TsAGI“大象”项目基本情况

按照《俄罗斯国家航空工业2013~2025年发展规划纲要》的第7条“航空科学和技术”的规划,将提供经费支持开展实验性的飞机空气动力布局、设计、制造等研究。工业和贸易部设立“运输机技术2021”研究,支持开展了“开发用于下一代运输机的概念和布局解决方案”研究项目。2016年8月31日,TsAGI签订研究合同,正式开展研究工作。

2017年7月,在莫斯科国际航空航天展期间,TsAGI正式公布了未来重型运输机概念设想图,并将其称之为“大象”。研究目标是替代安-124重型运输机。初步设想的设计指标是民用型最大载重150吨,航程7000千米;军用型最大载重量180吨,航程4900千米;巡航速度850千米/时,同时考虑民用和军事需求。

2018年12月底,TsAGI的院长在接受俄新社的采访中表示:按照和工业和贸易部签订的研究合同,“大象”项目工作仍在继续,并为未来真正飞机研制提供技术储备。

2019年1月25日,TsAGI官网介绍了“大象”近期开展的工作,TsAGI的专家为飞机设计了一种新的空气动力学模型,用于风洞试验研究。与大多数整体成型的气动模型不同,新模型只有机身是一体的,机翼等部件都安装在机身上可拆卸,简化了模型的制造,同时可对部件进行调整,可以获得不同构型的气动外形的各种参数。2019年11月公布金属模型照片,2020年3月完成两阶段风洞试验的第一阶段试验。

“大象”重型运输机设计思路

2018年4月25日,在莫斯科航空学院的网络学术杂志《Trudy MAI》的第99期上,TsAGI的研究人员发表了一篇名为《新一代重型运输飞机的概念设计》的文章。这篇文章介绍了TsAGI开展“大象”飞机设计的思路,明确飞机基本设计前提,选定气动布局和参数,给出了两种结构布局,并进行了性能计算和分析。

1. 研制新飞机是必要的

1451007917325

安-124

TsAGI的文章指出,像安-124这种带有货桥和大开口舱门的重型运输机,对于空运大型货物和设备无论对军用还是民用都是不可缺少,在叙利亚冲突和民航大型特种运输中都证明了这一点。

安-124不可逆的老化退役,将使俄罗斯丧失大型空运能力,最根本的问题在于发动机,乌克兰的D-18T发动机在上世纪90年代中期实际上已经停产,没有可更换的发动机,也缺乏用于维修和升级的部件。

试图恢复重启安-124生产一直没有成功。2016年4月,针对恢复安-124生产线的倡议,拥有原安-124生产线的航星-SP工厂表示没有计划也无意恢复安-124生产线。安-124应用70年代的技术,包括气动、结构、材料等技术已经落后,燃油消耗也大,因此恢复生产安-124是不合时宜的。但是,市场仍然需要能够空运更大尺寸的货物的运输机,因此全新研制一架新飞机是非常必要的。这将是一型经过改进的全新版本的安-124,应用最先进的气动布局,通过优化设计,采用新材料和航电、飞控系统,提高飞机性能。

2. 发展民用版降低军用运输机的单机成本

单独为满足俄罗斯空军需求,研制和小规模生产重型运输机是非常昂贵的。通过投入民用航空公司运营,增加订单数量,可以降低生产成本。目前市场上的民用货机多为由客机进行改型,例如图-204S、空客A330-200F、波音B777F和B747-8F,或者由退役客机进行改装,如空客A320、波音737等。只有少数航空公司运营着拥有货桥和大开口舱门的运输机,最著名的是伏尔加-第聂伯公司,该公司经营有伊尔-76TD-90VD和安-124-100。这些飞机最初是为了满足军事需要而设计的,因此,这些飞机装载常规集装箱的利用效率不及其它货运飞机。像安-124货舱装满集装箱时,就达不到最大商载。但是安-124能够运输各种各样的大件货物,包括质量约为100吨的单件货物,这是与其它货运飞机相比的主要竞争优势。因此,研制新的重型运输机应当既能替代俄军的安-124,也应满足民航货运公司需求,空运的经济性应媲美其他货运飞机。

3. 重型运输机的设计目标

综合上述分析,TsAGI设计的新一代重型运输机目标是能够运载各种货物,包括重型和超大型货物,同时具备安-124-100和其他货机(波音777F、747-8F和空客A330-200F等)使用特点。为满足上述要求,设定了初步设计指标:

飞机可运载150吨载荷,航程达到7000千米,最大载重达到180吨;

巡航速度850~870千米/时(马赫数0.8~0.82),飞行高度9000~12000米;

起飞距离2500~3000米;

能够运载所有安-124可运载的特大型货物和重量可达150吨的单件货物;

前后均有大开口货舱门和货桥;

货舱可改装为双层,高度可调节,可方便装载各种集装箱和货盘,或者同时装载设备和人员,充分利用货舱空间。

机舱内配有可装卸集装箱和货盘的机械设备;

内置可拆式电动吊车,每台最大起重能力30吨;

装载时间(一般货物满载):1~2小时;

150吨单件货物装载时间为4~6小时;

使用现代航空电子设备和飞控系统。

 

4. 选择常规飞机气动布局设计

新一代重型运输机“大象”的总体布局参考了安-124-100、安-225和波音747-8F的特点,TsAGI应用自身开发的工程计算方法,进行反复迭代计算来优化飞机布局参数。同时假设PD-35发动机的燃油效率和目前民用发动机相当。根据飞机/道面等级系统(ACN/PCN),按照满足A级和B级道基强度起降要求进行了分析评估。

TsAGI最终选择了常规气动布局设计,同时对一些非传统布局进行计算分析,解释了没有选用的原因。一是“翼身融合布局”(BWB)运输机的升阻比虽然接近24,但机身结构能否承受内部增压存在疑问,同时,缺少尾翼和平尾不利于俯仰力矩控制,非对称机身的制造也是难点;二是“混合翼身布局”(HWB)虽然降低了飞控难度,但是增压对非对称机身强度的要求和机身的制造仍存在问题;三是“复合机翼布局”飞机在500吨同等起飞重量下,可以获得较小的翼展,但是只能在低空和马赫数0.4情况下才能获得高效率,如果对飞机气动布局进行优化,使其能在10000米左右高空,马赫数达到0.8,最终的机身将会面临和HWB类似的缺陷。四是双机身布局运输机具有一定潜力,可以减少机身尺寸,可以在机身之间的机翼下运载各种特大型货物,双机身的问题是起降距离远,机场移动困难,需要平衡双机身的载重,侧风也对起降安全影响大。五是双机翼布局飞机,可以减少翼展宽度,缺点包括动态稳定性差,额外机翼加固会增加阻力,生产成本高等。因此,TsAGI认为,传统布局飞机经过大量应用证明了其合理性和实用性,通过优化设计,可以得到安全可靠的飞机方案。

经迭代优化之后的“大象”设计方案:升阻比可达到18.5~19,配备先进的发动机,可以获得较大的航程和较高的燃油效率。“大象”常规气动布局方案,但是展弦比≥10(安-124为8.6),根梢比≈4,采用超临界机翼,翼吊4台大推力发动机(PD-35),采用可拆卸双层货舱,应用先进的金属材料和复合材料以及其他先进技术等。

按照不同任务需求,TsAGI分别设计了两种不同宽度的机身方案。窄体方案机身货舱的尺寸为5.3米×5.2米(宽×高),双层货舱适合空运普通货物,例如集装箱和标准货盘等,针对航空货运公司的使用需求进行了优化。宽体方案机身货舱的尺寸为6.4米×5.2米(宽×高),能够空运装甲车辆,例如卡车、装甲运兵车等。这个机身宽度和安-124一样。两个方案的吊车均能将货物提升到4.01米高度。

从表1中对比可看出,窄体方案中段横截面积最小,阻力降低了,宽体方案优势是可以装载大型车辆,可以并排装载2辆车宽大于2.5米的牵引车或装甲车等。

index (15)

5.“大象”飞机详细参数的计算分析

根据选定的机身参数以及对商业载荷、航程、巡航速度和起降条件的特定要求,对“大象”飞机参数进行了进一步的计算研究。经过优化计算,得出较详细的“大象”飞机设计方案:

飞机总体布局为常规布局,后掠上单翼,翼吊4台发动机,后掠尾翼位于机身尾部。

机翼有整体油箱,机翼展弦比为10.34,机翼呈梯形,根梢比为4,1/4弦线处后掠角为27.5°,机翼相对厚度为14%-12%-10%,翼型根据巡航速度进行了优化(马赫数为0.8~0.82),配备有可折叠翼梢小翼,减少翼展宽度。

有机头和机尾两个大开口货舱门,有货桥,可在一定角度锁定,机头舱门是机鼻向上抬起,机尾舱门为三开门;机身内有两个增压区:上层驾驶舱、休息室和客舱最大压差为0.55×105Pa,下层货舱为0.25×105Pa。

前起落架为2对4个机轮,主起落架为14对28个机轮,起落架可下蹲控制货舱地板和地面的高度以及倾斜角。

4台PD-35型涡轮风扇发动机,单台最大推力为32~35吨。

TsAGI的文章也给出了两种方案飞机重量参数的权重对比,如表3。

index (16)

“大象”的两个方案中,都可以增加可拆卸的第2层货舱地板,根据运输任务的不同,调整装载空间。同时,满足空运超大件货物需求,这种能力是其他货运飞机所不具备的。

“大象”最大起飞重量490~500吨,最大载重180吨,需要跑道长度3000米,对比安-124-100最大起飞重量392~402吨,最大载重120~150吨,则需要跑道长度3000米,747-8F最大起飞重量447.6吨,最大载重132.6吨,则需要跑道3100米。在载重航程方面,“大象”也具有一定优势。

1567746152607

波音747-8F

“大象”分别按照起飞跑道是2500米和3000米进行计算,2500米时需要限制最大起飞重量,在相同载重范围内,“大象”比安-124-100和安-124-100-150的航程多4000~5000千米,与波音747-8F相当,空客A380-800F(仅是方案)比“大象”具有一定优势。“大象”具有较高最大载重,仅次于安-225,载重航程能力同时具有优势,货舱尺寸也具有较大优势,货舱高度超过安-225。“大象”的综合运载能力优势明显。

 

以上是文章基本观点和结论,TsAGI以此研究结果将作为研究取代安-124重型运输机的基础,后续将进一步开展空气动力学、强度和飞行动力学研究。

index (17)

对“大象”项目的评价

文章发表后不久,2018年6月,包括俄罗斯军事航空运输机部队司令、上议院国防安全委员会主席以及联合飞机公司(UAC)副总裁等军方、政府和企业官员都对外表示要重启安-124生产。对此安东诺夫的反应是安-124知识产权属于安东诺夫,俄罗斯无权单独重启生产,同时,安东诺夫拥有安-124飞机的设计、性能、寿命和适航性等关键数据和信息,包括维持结构完整性所需的测试数据等,俄罗斯缺少这些也就没有能力重启生产。

在2018年6月重启安-124生产的报道中声称:“重启的安-124将进行大幅升级,包括新的航空电子、起落架和发动机等,将是架全新的飞机,会被赋予新的代号”。从目前掌握的报道信息分析,所谓“重启安-124生产”极可能就是“大象”。为获得完全的飞机设计参数和数据,因此有必要开展空气动力学、强度和飞行动力学研究,排除安东诺夫的限制。同时,为投入民航运营,取得各国的适航认证,也有必要规避与安东诺夫关于飞机知识产权争端,因此最后必须是全新生产的俄罗斯飞机。同时,尽可能借鉴安-124方案、技术以及生产经验,可以大幅缩短研制周期。

作为着眼于新一代重型运输机方案探索,具有预先研究性质的试验项目,“大象”方案则略显创新不足。TsAGI文章前面讨论的选择常规布局的理由,是因为新概念布局运输机方案存在各种缺陷,因此,从“稳妥”角度仍选择常规布局方案,反映出“大象”具有很强的型号背景,如此选择是合理的,较少创新可以降低未来工程化应用的不确定性。

TsAGI文章中主要对比了民用货机,没有与另一款重要的重型军用运输机C-5进行比较分析。从载重航程和货舱尺寸指标看,安-124比C-5具有优势,“大象”方案则肯定超过C-5。但C-5翼展更小,主起落架24个轮胎呈分散并列布局,对起降跑道要求更低,可以在较简单的机场起降,对各种军事空运极为有利。

“大象”方案起落架布局继承安-124起落架布局,实际上和安-225一样,主起落架轮胎有28个,但仍为串列布局。这种布局对跑道强度有较高的要求,限制了能够起降机场的数量,这对民航货运来说是不利的因素,对于军事空运也会受限很多,“大象”没有对此进行改进设计比较遗憾。

“大象”与伊尔-106的关系

俄罗斯从2013年开始提出未来运输机系统(PAK TA)项目,计划在此项目框架下研制载重50吨、80吨和120吨的系列军用运输机,以替换各型老旧运输机。2015年,伊留申总经理对外称将在PAK TA项目框架下研制载重80吨以上军用运输机,并将其命名为“埃尔马克”(Ermak),2016年总经理正式宣布命名为伊尔-106,载重可能在80~120吨之间,并计划2027年投入服役。

媒体将上述计划称之为“重启伊尔-106项目”,伊尔-106是1987年伊留申击败安东诺夫和图波列夫设计局赢得的军用运输机研制项目,用以取代伊尔-76和安-22军用运输机,由于苏联解体导致项目终止。

2018年12月,伊留申首席设计师接受采访,称:“新的伊尔-106将是原伊尔-106的深度升级版,将充分吸收原伊尔-106的研究成果,除了采用全新航电设备,发动机将配备还未完成研制的NK-93涵道桨扇发动机,最大推力为24~26吨,正常情况最大载重80吨,紧急情况下超载可达到110~120吨。”首席设计师还表示:“新伊尔-106货舱尺寸和安-124一样(也许在原伊尔-106基础上进行了改进),将是替代安-124的合理选择,货舱可以满足俄军所有军事空运需求,根据俄罗斯国防部的要求,这架飞机将在2025年至2026年间完成设计被制造出来。”2019年5月,伊留申在公司年度报告中说:“新伊尔-106研发工作已完成计划中‘预合同’研制阶段,已经签署了第三至第五阶段研发工作的国家合同。”2019年9月,伊留申希望在2020年获得批准开展制造原型机,计划在2027年开始批产交付。

TsAGI的职责是开展概念研究、探索技术方案,到具体型号研制仍要交给飞机制造公司完成,因此“大象”方案出来之后,有媒体报道其就是新伊尔-106项目,伊留申将以“大象”为基础,制造新伊尔-106的原型机。

原伊尔-106的研制是对标美国C-17A,是一款战略战术运输机。同时,安-124在1987年刚开始批生产,因此1987年立项研制的原伊尔-106并不是为了取代安-124。加上同20世纪在80年代中期开始研制的安-70战术运输机,苏联是希望形成能够取代原安-12、伊尔-76、安-22的空运装备体系,形成安-70中型战术级、伊尔-106大型战略战术级和安-124重型战略级三级空运装备体系。

时过境迁,新伊尔-106以原伊尔-106为基础,从公布的性能指标看,空运能力可以一定弥补安-124退役所产生的运力空缺,但仍不足以完全取代安-124,且从性能指标上看,“大象”比新伊尔-106要大的多,发动机方案也不一样,“大象”还在进行方案验证,新伊尔-106正在争取进入工程研制。因此可判断“大象”并不是为新伊尔-106做技术验证,“大象”和新伊尔-106应该没有直接关系。

两型飞机各有优缺点:“大象”要更大,空运能力更强,但机场适应能力弱,单机和运营成本都会较高,大批量装备成本高周期长,投入民航货运能降低一定成本。新伊尔-106更小一些,空运能力基本够用,对标C-17A应具备较好的战术空运能力,能够适应简易跑道等,单机和运营成本相比较低。发展哪个,主要看俄罗斯在有限资源下,更愿意支持哪型机发展。

 

总结启示

1.俄罗斯对重型运输机有很强的军用和民用需求

俄陆军新一代坦克装甲车辆陆续投入服役,但空天军现役运输机已不能满足空运这些新装备的要求。现役的伊尔-76货舱宽度有限,现役T-90主战坦克都要拆除侧裙板才能装运,新一代主战坦克T-14“阿玛塔”坦克更宽更重,伊尔-76已无法运载。伊尔-76原可以运载3辆BMP-3步兵战车,但新一代BMP-4至少增重5吨,意味着同样数量步兵战车,伊尔-76需要出动更多架次才能完成。安-22已严重老化,安-124仅有10架左右在使用(大部分封存提供备件),俄乌冲突使该机难以升级延寿,特别是发动机。安-124在俄罗斯介入叙利亚冲突中更是凸显自己的战略价值,直接空运了大量装备和补给,包括直升机、S-400防空导弹系统等,使俄军能够在远离国土的地方维持强大的作战能力。因此,俄军在2020~2030年间需要新的机型来填补安-124和安-22退役后的重型运载能力空白。

俄伏尔加-第聂伯等航空货运公司凭借安-124宽大的货舱和大开口舱门,在世界超重/超大航空货运市场上处于垄断地位,赚取了丰厚的利润。有数据显示,同样装备这类运输机的乌克兰安东诺夫航空公司(装备6架安-124-100和1架安-225),每年可创造1亿至1.5亿美元的利润,使安东诺夫设计局能够存活下去,而安东诺夫航空公司在在世界超重/超大航空货运市场上仅占35%的份额,其余大部分均由伏尔加-第聂伯占据。但是安-124机队机龄普遍近30年,维护成本持续增加,寻找替代机型成为当务之急,如果没有后继机型,俄航空货运公司将失去丰厚的收益。俄航空货运公司多次对安-124后继机提出需求,希望政府尽快启动下一代重型运输机研制,以维持其超重/超大航空货运市场的垄断地位。

2.运输机体系化发展的经验值得借鉴

俄罗斯在目前经济困难情况下,仍分阶段启动老旧机型的替换工作,维持较完整的运输机体系:小/轻型运输机伊尔-112V正在抓紧研制,用于取代载重10吨以下级的安-26;在和印度合作“多用途重型运输机”(MTA)项目终止后,俄罗斯决定独立研发载重20吨级的伊尔-276中型运输机,用于取代安-12;新改进的载重50吨级伊尔-76MD-90A正在批生产;如果载重80吨级的伊尔-106能实现型号发展的话,可用来替换安-22;“大象”则可以替代安-124覆盖120吨级以上的载重能力。可能过程会很漫长,但是形成较完整的空运能力体系是大国的重要标志,是军事力量的重要延伸,俄罗斯正在实实在在地开展具体工作。

3. 发动机是关键

无论是“大象”还是新伊尔-106都要依靠大推力发动机的研制成功,安-124延寿升级困难重要原因在于D-18T发动机停产。俄罗斯还未研制过这种等级的大推力发动机,特别是能够满足适航要求的大推力发动机,技术不确定较高。例如,C-5M升级换装的是成熟民用发动机,伊尔-76MD-90A升级换装的是在伊尔-96客机使用的发动机的改型,性能都较升级前有大幅提高,C-17A直接使用的是民用发动机改型。相反,为军用运输机配套全新研制的发动机风险较大,例如安-70就因为配套D-27桨扇发动机缺陷导致项目启动近30年仍未完成,A400M研制进度大幅拖后很大程度是因为配套的新研TP400-D6发动机问题不断。因此,俄罗斯发展重型运输机,必须首先解决发动机问题。

责任编辑:实习生 马丽