自从2014年珠海航展上以模型形式昙花一现,新中运就淡出江湖,直到11年后才惊鸿一现。好饭不怕晚,新中运来得正是时候。
有说法新中运的型号名称为运-30,也有说法是运-15。叫什么不重要,重要的是,这是中国空军期盼已久的新型中型运输机。在运-20已经大量装备的现在,补上中运短板比任何时候都重要。
运输机是空运和空降的关键装备。新中国从一开始就组建了空降兵,但长期有“兵”而无“空降”。在装备上,缺乏必要的运输机,这是什么飞机都缺的年代,运输机只能往后排队;在战术上,缺乏空降作战的位置,这是机械化都没有解决的年代,空降作战只能是特种需要。
中国很早就引进了安-12,在此基础上仿制生产运-8。安-12是50-60年代苏联中运主力。由于时代局限,安-12在苏联没有得到太大的重视,其作用很快被更大、更快的伊尔-76全面替代了。
除了吉普一级的轻型车辆和散装物资,安-12的设计以徒步步兵的运输和空降为主。速度和航程够用,但低空低速性能一般,高空高速则没有要求。因此,机舱无增压,机翼易结冰。
安-12的载重为20吨,最大起飞重量61吨;C-130H的载重为19吨,最大起飞重量70.3吨。两者数据相近。C-130与安-12是同级的,但低空低速性能更好,因此前线机场运作和空投空降性能更好。这是与机翼和动力设计相关的。
安-12的机翼平面形状为前缘带有一点浅后掠,后缘平直;C-130则为前缘平直,后缘带一点浅前掠。平面形状的差异不是最重要的,关键差异在于:安-12的翼展38米,翼面积121.1平方米,而C-130H的翼展40.4米,翼面积达到162.1平方米。略大的翼展和大得多的翼面积是C-130更加优异的简易跑道和低空低速性能的关键。
代价则是重量和阻力,安-12的空重只有28吨,C-130H则达34吨。安-12的伊夫琴科AI-20涡桨为4000轴马力,C-130H的艾利逊T56涡轴则为4590轴马力。更加强劲的动力补偿了阻力和重量的代价,使得C-130在70年后以C-130J的形式继续生产,在可预见的将来看不到停产日期。而安-12在1973年就停产了。
安-12的设计还是有好处的。巡航速度570公里/小时,最大速度660公里/小时,满载航程3600公里,满油航程5700公里。相比之下,C-130H巡航速度只有541公里/小时,最大速度590公里/小时,重载航程3800公里,航渡航程则高达7400公里,增加的最大起飞重量还是有用的。
苏联是很大的地方,安-12的速度和航程优点对苏联空军很有用,低空低速和简易跑道能力不是太大的损失。苏军对空投空降的要求不高,空降兵更多是作为精锐轻装力量配合陆军的机械化大军使用,早早装备的空降装甲车辆也只是可空降而已。苏军对犄角旮旯的远征作战要求不高,安-12不要求敌前的突击降落(assault landing),只要能在接近前线的简易跑道降落就行,跑道长度和铺装标准可以适当放宽。
美军需要全球作战,敌前空投空降和起飞着陆要求比苏军高得多,在C-130刚出世不就得越南战场就得到广泛考验。C-130也因为特别皮实、易用而受到各国空军的喜爱。
C-130可以在航母甲板上靠自己的动力轻载起飞,那是只有300多米的滑跑长度。这是极限测试情况。在实用中,C-130可以在1000米长、18米宽的土跑道上正常载重起飞、着陆。在跑道平整度方面,只要越野卡车能以同样速度跑的路面,C-130就能起飞降落。
野战机场只有简易的急造跑道,道基标准不可能太高。刚平整好的时候还很平整,但使用几次就不可避免地因为道基坚固程度不一而开始局部沉降,造成不平,雨水和着陆冲击大大加剧不平整问题。
C-130成为西方的标准甚至唯一中运,欧洲中运从C-160到A400M都不能与C-130直接竞争。
但C-130的基本设计也成了天花板,较窄的机舱使得大量现代装备无法整装整运,局促的载重量成为很多“可空运”装备的设计限制,最终成为性能天花板。几上几下的新轻坦就饱受重量限制的折磨,没法在火力、机动、防护之间既达到起码的平衡又达到最低的单项要求,现在索性“生而复死”了。
欧洲在设计新中运的时候,有意钻C-130J和C-17之间的空子。A400M载重量37吨,空重78.6吨,最大起飞重量141吨,比C-130J大很多,但又比C-17(载重77.5吨,空重128.1吨,最大起飞重量265.4吨)小很多。
问题是,A400解决了C-130运力有时候受局限的问题,但在更多时候又运力过剩。作为中小国家的单一运输机或许可以忍受这样的折衷,但对大国就两头不靠了。
中国正是这样的大国。不管是空运、空降作战,还是救灾、人道救援,运-20都成为当仁不让的重型远程端主力,但只有新中运才能解决现代后勤需要灵活、快捷、直接、在前线环境运作的问题。
在现代战场上,内线重兵把守已成过去,外线精兵布控才是未来。火力和信息填补了远程布点之间的间隙,松散布点但互相支援的精兵极大提高战场控制效率,快捷、可靠的后勤支援是其中的关键,只有新中运才能在这样的前线环境下保持可靠有效。
中国空降兵也在大发展中。空降兵作为重兵集团在大平原上突击作战不再是主流,但在海岛、高原等偏远、孤立战场上有独特作用。这些地方也需要具有更好土跑道短距起落能力的新中运。这样的能力对于灾后救援也有巨大作用,原有机场设施很可能在自然灾害中受到损坏,不便需要高质量跑道才能运作的大型飞机使用。
中国在运-8基础上加长机体、机舱增压、改用新型涡桨、电传飞控、机翼电热除冰等技术,推出运-9。但运-8的基本气动设计和载重、机舱限制绕不过去,需要全新设计的新中运。
中国对新中运的要求大大高于安-12,需要达到甚至超过C-130的低空低速和简易跑道能力,以满足空投空降和前线空运的要求。
与运-8/运-9相比,最大的改动有三点:
1、机体加宽
2、低平尾改高平尾
3、机翼面积加大
机体加宽是刚需。运-8的原型安-12设计的时候,对中运的车辆和装备运载能力没有太多、太明确的要求,主要还是运载空降步兵,最多运一点吉普一级的轻型车辆,货物也以托盘上的散装货物为主。机舱狭窄一点无碍,便于制造,重量和阻力也小。
但时代不同了,现在的军队里,不算驾驶员的话,车辆可能比人还多,而且车辆越来越大、越来越重。新中运要能运载装甲车辆和战术导弹系统是刚需。空降兵也机动作战了。伞战之外,还有大山猫。新中运不仅要能装运,还需要一点数量。
坦克就免了,轻坦有可能,大八轮必须。直升机拆掉旋翼和尾桨尾撑后,也需要能装进去。这决定了新中运的机舱直径必须比运-8大很多,看起来粗短就不奇怪了。
新中运的载重量需要等官宣,坊传30吨,很有可能。这介于运-8的20吨和运-20的66吨之间,也在C-130的19吨和A400M的37吨之间。这是很合适的吨位。再大的话,轻载出动会浪费;再小的话,很多装备运不了。
运-8和C-130都是低平尾。这在结构上简单皮实,重量和阻力都较小,但对机尾空降作业的气流影响很大。安-12和C-130都有尾门,但这主要是在停机坪上装卸货物和车辆用的,伞兵空降还是以两侧舱门跃出为主,机尾尾流不是多大的问题。随着尾门空投越来越主流化,低平尾改为高平尾很有必要。
高平尾还有尾翼翼面的气动环境干净、控制作用有力的好处,这对低空低速的空投空降作业特别重要。美国空军在越南战争时代试验了超低空超低速的托盘伞降系统(LAPES)。这是在几米的极低空以勉强超过失速的速度在空投场通过中,用阻力伞拉出托盘上的货物或者车辆,直接落地。除了阻力伞外,没有通常的降落伞。
在理想情况下,阻力伞抵消大部分前进速度,托盘相当于从几米高的高度直接落地。只要设计得当,托盘上的货物或者车辆可以保证完好无损,解开固定索带就可卸货或者直接开走。但这样的极限飞行状态对飞控的要求极高,高平尾格外有效的气动控制很受欢迎。对于山区、海岛、复杂气象的简易跑道运作,这样格外有效的气动控制同样受欢迎。
缺点是需要格外粗壮的垂尾结构,带来额外的重量和阻力。另一个问题是大迎角时容易发生深度失速。高平尾不易受到机体和机翼上仰时带来的气流遮挡,但进入大迎角飞行时,还是会发生遮挡,平尾出现突然而且深度的失速,而这是最不能出现平尾控制作用降低的时候。低平尾最终也有失速问题,但相对来说,失速出现更加渐进。因此高平尾需要采用比低平尾更加高大的垂尾,推迟平尾失速的产生,加大重量和阻力挑战。
新中运的机翼面积明显加大,平面形状与C-130相似。现在还没有确切数据,但目测下来,比C-130还大。但新中运的机翼不是照抄C-130,还不只是因为增加了翼梢小翼。
在相同翼展、翼面积时,前缘平直的机翼产生升力的效率最高,这是因为流经机翼的气流都“乖乖”地从前向后流动,不管用伯努利理论、下洗气流理论还是环流理论解释升力产生机制,这样简单、平顺的流动都是最优的。
前缘后掠的机翼将从前向后的流动分解为沿着前缘后掠方向的斜向流动和垂直于前缘的法向流动,只有法向的流动是产生升力的,这也是后掠翼为什么能推迟超音速飞行时激波阻力产生的道理。即使飞行速度超过音速,在后掠翼前缘的法向上,超音速气流的法向分量速度还是低于音速,避免了激波阻力的产生。
问题是,从前到后的气流流动是因为动力在推动飞机前进,后掠翼这么一分解,激波阻力的问题解决了,但沿着后掠角的斜向流动对产生升力无用,还在翼尖形成额外的涡流,造成推进能量的无用功。说额外,是因为升力意味着机翼下表面压力高于上表面,在翼尖之外不再有机翼的物理阻隔,下表面高压就“水往低处流”,横着向上流动,本来就会形成翼尖涡流。这部分流动不产生升力,不进则退所以可以等效为阻力。后掠翼还火上添油,增加了翼尖涡流阻力。
在每一点滴升力都要争抢的超低空超低速环境下,肯定是平直翼更好。顺便说一句,C-130的肯定是平直翼,但安-12也是平直翼,那一点点前缘后掠还构不成后掠翼,只是没有C-130那么平直而已。要波音707那样前后缘都后掠的才算正经的后掠翼。
最平直的平直翼当算塞斯纳172那样的,前后缘都是平直的。翼面积越大,升力越大。C-130那样后缘带前掠,是为了在不增加翼展的情况下,增加翼面积和改善翼根受力。但后缘前掠过度容易导致气流分离,那又弄巧成拙了。
C-130的机翼平面形状对低空低速有利,但对高速和航程不利。新中运还是需要一点速度和航程的,所以不能简单照抄C-130的肥厚机翼,而是采用了超临界翼。
机翼的形状有两个要素,一是平面形状,平直翼、后掠翼说的就是这个;另一个是剖面形状,一般是某种下半扁平的钝头半水滴形。在亚音速下,头较钝和上表面饱满有利于气流吸附,也就是说,顺着翼型流动。气流一旦脱离,升力机制就失效了。但气流在上表面加速中,速度超过音速的话,会形成激波阻力。尽管飞行速度还不到音速,但翼型对气流的加速还是可以使得气流达到局部超音速的。这是肥厚机翼到高亚音速后就阻力迅速增加的原因。
超临界翼换一个思路。上下翼面在前半段都相对平缓,所以气流加速不显著,不至于过早产生激波阻力。但在后半段,下表面向上挖空,上表面向下急速弯曲,好像在机翼后缘形成向下的钩子一样。这样,下表面气流在动压下被迫向下拐弯,上表面气流在保持吸附中加速,也向下拐弯,最终形成强大的下洗气流,产生升力。超临界翼可以在较高速度和较小后掠下依然推迟激波阻力的产生。
这样,新中运既保留了C-130机翼的低空低速优势,又保持了安-12机翼的高速低阻优势。
这也是新中运必须有翼梢小翼而且只有后半截的原因:下表面气流加速和高压的产生主要在后半段,翼梢小翼尤其需要在后半段挡住侧卷过来的涡流,前半段倒是用处不大。
当然,翼梢小翼可以等效为翼展的增加,大翼展机翼有利于提高升阻比,这些都是老生常谈了。新中运的航程可能比C-130或者安-12都要大。
超临界翼是新时代的主流,中国在ARJ-21、C-919、运-20的设计中才掌握相关技术。一旦中国掌握,接下来就是白菜化,就是青出于蓝而胜于蓝,这是颠簸不破的真理。这不,新中运来了。
这也意味着新中运的超临界翼不是首创。C-17、运-20都是超临界翼,但那是不同级别的更大飞机。A400M、安-70都是超临界翼。C-130J倒不是,还在用传统机翼,所以速度还是那样,提不高。
在发动机方面,新中运用的发动机型号不明,有可能是AEP400。涡桨6C毕竟是伊夫琴科AI-20的基本设计,再用新技术更新也跳不出老格局。新中运还是传统涡桨,不是更先进的桨扇。桨扇的速度更快,但桨叶技术复杂,还有难以解决的噪声问题。噪声不光恼人,还对结构带来疲劳问题。新中运只需要安-12的速度,不需要运-20的速度,用桨扇没有多少额外的优越性。
同样,由于低空低速优先,用两台大涡扇替代四台大涡桨并非良策。推力的产生说到底是动量平衡,用高速小流量的气流和低速大流量的气流产生同样的推力,但后者的推进效率更高。简单粗暴地说,就是因为前者的高速是用高温换来的,而温度本身并不直接产生推力,这部分能量“浪费”了。推进气流的速度与飞行速度差别越小,温度越低,“浪费”越小。涡扇用风扇额外拉动推进气流,所以比涡喷更省油;涡桨好比涵道比无穷大的涡扇,比涡扇更省油。
在推力特性方面,涡扇和涡桨也好比汽油发动机和柴油发动机一样。跑车用汽油发动机,高空高速优先的飞机用涡扇;卡车用柴油发动机,低空低速优先的飞机用涡桨。
巴西C-390用双发涡扇,是因为有双发支线客机的基本技术可以借鉴;日本C-2用双发涡扇,也因为有完全不同的使用要求,还是安全的后方机场之间的远程空运为主。新中运的低空低速和前线运作要求至少和C-130一样高,而C-130的低空低速和前线运作是在越南战场上考验过的。都号称能越野,汉兰达和陆地巡洋舰能一样吗?
新中运还有成本适中、运作经济的好处,有望出口到友好国家。相比之下运-20对很多国家还是太奢侈了。
新中运未必会很快替换运-9作为特种飞机的平台。运-9的加压机舱和电除冰装置容许飞到较高的高度,有利于预警机和其他特种飞机“站得高看得远”,但只要机舱空间够用,换用新中运并无多少优点。
在过去一年多里,中国首飞了两种六代有人战斗机,展示(很可能已经首飞)了两种六代无人战斗机,有至少三种无尾飞翼无人机达到不同程度的实用状态,还有“九天”无人母机、不知名的双垂尾教练机、空警3000、至少两种倾转旋翼直升机、共轴反转刚性双旋翼直升机和传说中的重武直,中国军迷已经幸福麻了。幸福还在接踵而来。