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            斯大型運輸機發展分析

3月26日,俄茹科夫斯基中央空氣流體動力學研究院(TsAGI)稱,被稱為“大象”(,發音相當于英語Slon)的重型運輸機金屬模型已在TsAGI的T-106風洞完成第一階段空氣動力學試驗,驗證了該模型在馬赫數0.20.85的空氣動力學特征,包括俯仰角和馬赫數的關系,以及尾翼、發動機短艙、起落架整流罩等對空氣阻力的影響,同時還研究了模型在不同高度和方向的穩定性,測試了機翼的承載性和不同飛行構型等。試驗結果符合最初的計算結果。該階段試驗主要目標是研究巡航速度下模型的空氣動力學特征,用來優化氣動外形。下一階段試驗將在T-102風洞中進行,研究在低馬赫數下的空氣動力學特征,包括側向穩定性和轉向舵效率等。

TsAGI“大象”項目基本情況

按照《俄羅斯國家航空工業2013~2025年發展規劃綱要》的第7條“航空科學和技術”的規劃,將提供經費支持開展實驗性的飛機空氣動力布局、設計、制造等研究。工業和貿易部設立“運輸機技術2021”研究,支持開展了“開發用于下一代運輸機的概念和布局解決方案”研究項目。2016年8月31日,TsAGI簽訂研究合同,正式開展研究工作。

2017年7月,在莫斯科國際航空航天展期間,TsAGI正式公布了未來重型運輸機概念設想圖,並將其稱之為“大象”。研究目標是替代安-124重型運輸機。初步設想的設計指標是民用型最大載重150噸,航程7000千米;軍用型最大載重量180噸,航程4900千米;巡航速度850千米╱時,同時考慮民用和軍事需求。

2018年12月底,TsAGI的院長在接受俄新社的采訪中表示︰按照和工業和貿易部簽訂的研究合同,“大象”項目工作仍在繼續,並為未來真正飛機研制提供技術儲備。

2019年1月25日,TsAGI官網介紹了“大象”近期開展的工作,TsAGI的專家為飛機設計了一種新的空氣動力學模型,用于風洞試驗研究。與大多數整體成型的氣動模型不同,新模型只有機身是一體的,機翼等部件都安裝在機身上可拆卸,簡化了模型的制造,同時可對部件進行調整,可以獲得不同構型的氣動外形的各種參數。2019年11月公布金屬模型照片,2020年3月完成兩階段風洞試驗的第一階段試驗。

“大象”重型運輸機設計思路

2018年4月25日,在莫斯科航空學院的網絡學術雜志《Trudy MAI》的第99期上,TsAGI的研究人員發表了一篇名為《新一代重型運輸飛機的概念設計》的文章。這篇文章介紹了TsAGI開展“大象”飛機設計的思路,明確飛機基本設計前提,選定氣動布局和參數,給出了兩種結構布局,並進行了性能計算和分析。

1. 研制新飛機是必要的

TsAGI的文章指出,像安-124這種帶有貨橋和大開口艙門的重型運輸機,對于空運大型貨物和設備無論對軍用還是民用都是不可缺少,在敘利亞沖突和民航大型特種運輸中都證明了這一點。

安-124不可逆的老化退役,將使俄羅斯喪失大型空運能力,最根本的問題在于發動機,烏克蘭的D-18T發動機在上世紀90年代中期實際上已經停產,沒有可更換的發動機,也缺乏用于維修和升級的部件。

試圖恢復重啟安-124生產一直沒有成功。2016年4月,針對恢復安-124生產線的倡議,擁有原安-124生產線的航星-SP工廠表示沒有計劃也無意恢復安-124生產線。安-124應用70年代的技術,包括氣動、結構、材料等技術已經落後,燃油消耗也大,因此恢復生產安-124是不合時宜的。但是,市場仍然需要能夠空運更大尺寸的貨物的運輸機,因此全新研制一架新飛機是非常必要的。這將是一型經過改進的全新版本的安-124,應用最先進的氣動布局,通過優化設計,采用新材料和航電、飛控系統,提高飛機性能。

2. 發展民用版降低軍用運輸機的單機成本

單獨為滿足俄羅斯空軍需求,研制和小規模生產重型運輸機是非常昂貴的。通過投入民用航空公司運營,增加訂單數量,可以降低生產成本。目前市場上的民用貨機多為由客機進行改型,例如圖-204S、空客A330-200F、波音B777F和B747-8F,或者由退役客機進行改裝,如空客A320、波音737等。只有少數航空公司運營著擁有貨橋和大開口艙門的運輸機,最著名的是伏爾加-第聶伯公司,該公司經營有伊爾-76TD-90VD和安-124-100。這些飛機最初是為了滿足軍事需要而設計的,因此,這些飛機裝載常規集裝箱的利用效率不及其它貨運飛機。像安-124貨艙裝滿集裝箱時,就達不到最大商載。但是安-124能夠運輸各種各樣的大件貨物,包括質量約為100噸的單件貨物,這是與其它貨運飛機相比的主要競爭優勢。因此,研制新的重型運輸機應當既能替代俄軍的安-124,也應滿足民航貨運公司需求,空運的經濟性應媲美其他貨運飛機。

3. 重型運輸機的設計目標

綜合上述分析,TsAGI設計的新一代重型運輸機目標是能夠運載各種貨物,包括重型和超大型貨物,同時具備安-124-100和其他貨機(波音777F、747-8F和空客A330-200F等)使用特點。為滿足上述要求,設定了初步設計指標︰

——飛機可運載150噸載荷,航程達到7000千米,最大載重達到180噸;

——巡航速度850870千米╱時(馬赫數0.80.82),飛行高度900012000米;

——起飛距離25003000米;

——能夠運載所有安-124可運載的特大型貨物和重量可達150噸的單件貨物;

——前後均有大開口貨艙門和貨橋;

——貨艙可改裝為雙層,高度可調節,可方便裝載各種集裝箱和貨盤,或者同時裝載設備和人員,充分利用貨艙空間。

——機艙內配有可裝卸集裝箱和貨盤的機械設備;

——內置可拆式電動吊車,每台最大起重能力30噸;

——裝載時間(一般貨物滿載)︰12小時;

——150噸單件貨物裝載時間為46小時;

——使用現代航空電子設備和飛控系統。

4. 選擇常規飛機氣動布局設計

新一代重型運輸機“大象”的總體布局參考了安-124-100、安-225和波音747-8F的特點,TsAGI應用自身開發的工程計算方法,進行反復迭代計算來優化飛機布局參數。同時假設PD-35發動機的燃油效率和目前民用發動機相當。根據飛機╱道面等級系統(ACN/PCN),按照滿足A級和B級道基強度起降要求進行了分析評估。

TsAGI最終選擇了常規氣動布局設計,同時對一些非傳統布局進行計算分析,解釋了沒有選用的原因。一是“翼身融合布局”(BWB)運輸機的升阻比雖然接近24,但機身結構能否承受內部增壓存在疑問,同時,缺少尾翼和平尾不利于俯仰力矩控制,非對稱機身的制造也是難點;二是“混合翼身布局”(HWB)雖然降低了飛控難度,但是增壓對非對稱機身強度的要求和機身的制造仍存在問題;三是“復合機翼布局”飛機在500噸同等起飛重量下,可以獲得較小的翼展,但是只能在低空和馬赫數0.4情況下才能獲得高效率,如果對飛機氣動布局進行優化,使其能在10000米左右高空,馬赫數達到0.8,最終的機身將會面臨和HWB類似的缺陷。四是雙機身布局運輸機具有一定潛力,可以減少機身尺寸,可以在機身之間的機翼下運載各種特大型貨物,雙機身的問題是起降距離遠,機場移動困難,需要平衡雙機身的載重,側風也對起降安全影響大。五是雙機翼布局飛機,可以減少翼展寬度,缺點包括動態穩定性差,額外機翼加固會增加阻力,生產成本高等。因此,TsAGI認為,傳統布局飛機經過大量應用證明了其合理性和實用性,通過優化設計,可以得到安全可靠的飛機方案。

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