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因研制难度大，全球现役的超大型运输机只有美国的C-5“银河”和俄罗斯的安-124。 俄罗斯亚声速PAK TA方案。 C-5是美国洛克希德-马丁（洛马）公司生产的超大型军用战略运输机，也是美国空军现役最大的战略运输机，和C-17共同构成美国空中战略运输体系。该机最大起飞重量379t，最大燃油重量150t，其中C-5M最大载重量达到129t。 C-5服役后，先后参与了越南战争、阿以战争、海湾战争、科索沃战争、伊拉克战争、阿富汗战争等，成为美军实现“全球达到”战略的关键装备。 由于C-5研制于20世纪60年代，机体寿命快要到期，加上常与其搭配使用的C-17战略运输机的使用寿命也将要到期，因此美国正在积极规划发展新一代的战略运输机，以更新其全球战略运输能力。 安-124是由苏联安东诺夫设计局于20世纪80年代研制的四发远程战略运输机，是目前世界上第二大的运输机，仅次于安-225。截至1995年，安-124共生产了56架，目前在俄罗斯、乌克兰等国服役。在2015年11月，俄罗斯用安-124-100运输机在1天内将1套S-400防空导弹系统快速运输至叙利亚，并立即完成部署，进入战备状态，使得俄罗斯在与土耳其的冲突中掌握了绝对的主动权。此外，德国、英国以及我国都多次从俄罗斯租用安-124运输车辆、直升机、维和装备和物资等。 虽然自苏联解体后经济发展不顺，但俄罗斯在提高全球战略运输能力方面从来没有放弃过努力。近年来，俄罗斯一方面重启了安-124的生产线，另一方面提出了“运输航空兵未来航空系统”（PAK TA）研究计划，为研发下一代超大型战略运输机做准备。 美国的下一代超大型运输机 为了满足美国空军面向未来的需求，洛马公司提出了混合翼身布局（HWB）运输机概念，并在美国空军研究实验室（AFRL）所资助的“低油耗高效新型布局”（RCEE）项目中，进一步研究和细化了这一概念，使其在保留低油耗高效率特点的同时，在设计和制造方面满足经济性，且能够承担美国空军当前所有的运输任务。 最终确定的技术需求包括：HWB运输机在标准海平面条件起飞滑跑距离要小于2000m；在携带100t货物时航程为6000km；特大尺寸货物运输能力不低于C-5；具备运输设备、集装箱和伞兵的能力；可以快速装卸货物。另外，HWB飞机在设计时要考虑短距起降性能，但不做专门要求。
自20世纪60年代以来，航空技术取得了非凡的进步，因此HWB飞机的设计采用了很多新技术，气动效率和燃油效率获得革命性的提升，同时在货物装载能力和短距起降性能方面也获得改进。 效率第一 HBW飞机采用混合翼身融合体布局，机身前体和机翼完全融合。融合的前体可以提供约25%的内侧升力，改善了展向升力分布。同时，外侧机翼展向位置更靠外，从而在不增加重量的情况下增大了翼展和展弦比（达到12）。由于HWB布局在展向载荷分布上的优势，其重量仅与展弦比为9的机翼相当。另外，HWB飞机还设计有翼梢小翼，可以减小翼尖涡强度，减小全机阻力。基于这些特点，并结合跨声速外形优化技术， HWB布局比C-17运输机的气动效率要高65%，燃油消耗将节省45%。 在方案设计中，洛马公司选取了3种备选的发动机，包括GE公司已研制成功的GEnx以及正在研制的开式转子发动机，还有到2030年投入服役的罗罗“超风扇”（UltraFan）发动机。针对这3型发动机，洛马公司开展了发动机与机体的一体化设计研究工作，并评估了采用每种发动机的综合性能收益。通过研究发现，与当前战略运输机的发动机相比，GEnx、超扇和开式转子发动机的单位耗油率分别可降低25%、30%和35%。考虑到发动机尺寸巨大，特别是GE公司的开式转子发动机，其转子直径达到6.4m，因翼下高度不够而无法采用翼下吊装，因此HWB飞机采用发动机翼上后缘布置的形式。与常规的翼下吊装相比，这种形式能将气动效率提高5%，在抵抗外物损伤（FOD）、噪声、发动机维护等方面获得益处。俄罗斯中央空气和流体动力学研究院也在研究这种发动机布置方案，而日本的本田公务机已经应用了这种方案。 有容乃大 HWB飞机采用了常规的环状机身截面，机身中央设计为增压内部舱室，两边翼身融合处则设计为无增压外部舱室，有效地利用了机内空间。由于后机身采用常规设计，因此与常规布局运输机一样具有快速装卸货物的能力。车辆设备等可以直接开进货舱，货盘和集装箱等大件货物可以通过改进型SS-463L集装箱货物操纵系统运上飞机，采用滚棒和滚珠地板操纵系统可以将货盘运入或运出非增压外侧舱室。 根据分析，其增压舱能够装载C-5所能携带的所有设备，并且集装箱货物仍可以配装在外部非增压舱内，这种设计可以有效地减轻机身结构重量。在采用相同设计指标和相同复材结构技术的条件下，HWB布局比同等条件下的常规布局重量轻18%，比翼身融合（BWB）布局轻9%。 HWB飞机采用高效起落架装置，提高了飞机的漂浮性和在不同道面的使用效率，可满足其在前线跑道上的使用要求。此外，气动设计充分考虑了短距起降的要求。计算分析表明，HWB布局的融合体在低速时可以产生较大升力，翼上短舱也可以在低速时带来明显的升力益处。为了使该布局在大迎角时翼面保持附着流，在外翼前缘布置了常规的缝翼。未来，洛马还将进一步研究向襟翼吹气以及发动机矢量推力等方式来增加起飞升力，从而进一步提高短距起降性能。 风险可控 飞翼布局在飞行控制方面存在很大挑战。不过，HWB飞机采用了常规的后机身和尾翼，这种设计能够保持纯飞翼布局95%的性能收益，而只需要承担10%的相关技术风险，避免了纯飞翼布局在飞行控制等方面的研制困难。同时使货舱尺寸能够尽可能大，确保能够携带所有规定的特大尺寸货物，并提高了执行空中投放任务的适应性。与BWB布局相比，HWB布局增加了传统的T形尾翼。通过计算，巡航时虽然增加了5%的阻力，但具有极好的纵向稳定性，能够在空投重物时保持飞机稳定，这种能力与与当前具备空投能力的C-5A、C-141B和C-130相当。 俄罗斯推出研究计划 进入21世纪以来, 俄罗斯推出了多项新装备研制计划，其中PAK FA第五代战斗机项目正在试飞T-50原型机，PAK DA下一代轰炸机项目研制工作已经展开。另外，为研制下一代超大型战略运输机做准备，提出了“运输航空兵未来航空系统”（PAK TA）研究计划。 根据最初披露的信息，PAK TA将以2000km/h速度进行超声速飞行，有效载荷高达200t，主要任务是运送阿玛塔坦克、火炮、导弹系统等重型军事武器，增强俄罗斯的战略运输能力。该机可同时装载8辆阿玛塔重型坦克和足够的弹药，飞行距离超过7000km。由于PAK TA速度快，航程大，这意味着可以在7h内，把装甲部队部署到世界上的任何地方。俄罗斯计划到2024年制造出80架这种飞机。 之后，PAK TA项目又有了多款设计方案。2015年4月公布的一种亚声速方案的巡航速度为900km/h，有效载荷为90t，其货舱宽度为7m，高度为4m，航程为4500km。与最初的指标相比，这个方案更为实际。 总体设计 这款亚声速概念中，机体外形结合了飞翼布局与常规布局，翼身融合程度非常高，拥有大展弦比超临界机翼，使其巡航速度可达到900km/h，同时气动效率非常高，升阻比很大，加上设计有翼梢小翼，使得整个气动设计方案的飞行经济性较好。 机身采用宽体设计，以便尽可能地加宽和加高货舱尺寸。该机上翘的后机身底部有一个大型货舱门，由向外侧打开的两扇蚌壳式舱门和一个向下打开的舱门组成，向下开启的舱门可以兼做货桥使用。货舱横截面形状为四角修圆的近似方形，这样的设计可获得最大的货舱空间利用率，以及保证装载大型装备的能力。采用这种截面形状的另一好处是机身离地高度得以降低，从而使货舱地板离地高度可以大幅减小。 布置在机身扁平尾部上方的V形尾翼倾斜角度较大，此类设计在大型运输机上较为少见。这主要是考虑到发动机安装在飞机尾部，无法采用传统的尾翼形式。尾翼尺寸和倾斜角度较大主要是为了满足空投空降的要求。空投任务时，飞机重心位置会发生不小的变化，需要尾翼提供配平力来保持飞机的飞行稳定性。 这种设计还有利于隐身。该机具有一定的隐身性能，置于机体上方的背负式进气道，可防止地面雷达探测到发动机叶片；两肋的风扇也是内置布局，可有效减小飞机的雷达反射面；此外，V形尾翼也比传统的T形尾翼隐身效果更好。 为了适应条件复杂的野战机场或临时机场，PAK TA采用了承载能力较好的多轮前三点式起落架，提高了对机场跑道的适应性。 创新的动力装置 这款PAK TA概念采用了1台大涵道比涡扇发动机，布置在机身背部靠近V形尾翼的地方，这种布局形式在传统的大型运输机上比较少见。此外，该发动机兼具发电功能，所产生的电力储存在储能系统中，这个系统位于进气道前方的机身背部空间内，用于驱动2台电力风扇和为机载设备提供电力。 驾驶舱设计采用了大量成熟技术和人性化设计理念，正面和侧面巨大的风挡使飞行员拥有开阔的视野。飞行员在座位上就能看到翼尖，增强了飞机在地面滑行过程中的操作效率和安全性。 机头雷达罩内的雷达具备多种作战模式，其中地形规避模式可以为飞机在低海拔飞行时提供辅助导航。在条带模式和聚束模式时，雷达具备地面移动目标指示能力，并可生成高分辨率的数字图像。 在航电系统方面，PAK TA采用先进的数字化综合航电系统，将各系统的传感器数据和控制信息集中显示在多块多功能彩色液晶显示屏上，方便飞行员查看，可以综合显示飞行姿态、飞行参数、发动机参数和导航参数等。 PAK TA还采用了先进载荷管理系统，可以精确测量出装卸载荷时引起的重心变化，并在地面装卸阶段就自动计算出最佳装载位置。另外，其采用的快速装卸系统则可以不需要机场的装卸保障设备完成全部作业，实现自装卸能力。 发展前景 美国对超大型战略运输机需求明确，主要是为了替代其日益老旧的C-5和C-17，同时提高其未来战略运输机队的燃油效率，降低燃油成本。对此美国进行了详细而充分的论证工作，包括前期对波音BWB-100+等多种新机型方案的论证等。因此其需求明确、具体，提出的设计指标具有很强的指导性。 反观俄罗斯，其目标也是为了提高战略空运能力,但是考虑到需求紧迫性不是很强以及国内经济形势不乐观，俄罗斯军方现在可能无心也无力考虑新型战略运输机的研制工作。俄罗斯全球战略运输的需求不强，加上近年来又重启了安-124的生产线，其近期的作战使用需求基本能够满足，所以不太可能投入真金白银开展研制工作。 目前，俄方公布的情况也佐证了这一推论。俄罗斯伊留申航空综合体总经理维克多·利万诺夫透露，PAK TA虽然体积庞大，但有相当的可塑性，具体性能指标需要与潜在客户沟通后才可以确定下来。因此，目前还处在前期论证阶段，设计指标尚未确定，目前主要开展的是一系列概念设计和摸底工作。考虑到研制周期，俄政府计划到2024年制造80架这种飞机的说法是完全不切实际的。 从布局方案来说，美俄双方的方案有一些共同之处。如强调气动效率，采用新型的混合翼身融合体布局，以及快速装卸能力、短矩起降能力、机场适应性等。但是，美俄方案也存在明显的差异。首先，尽管都采用混合翼身融合布局，但在融合程度上，俄方更为彻底。另外，二者最显著的区别在于动力装置的配置。美国的方案采用2台先进大涵道比发动机，布置在机翼后缘，而俄罗斯的方案采用1台先进发动机，布置在机身后部，同时在机身两侧各布置一台电动风扇，其电力来源于机身背部空间内的储能系统。这种电力风扇的设计充分利用了翼身融合部分的空间，相比美国在同样位置设计的无增压外侧舱室，更具创新性。考虑到发动机位置的影响，俄罗斯的概念方案采用了V形尾翼设计，与美国的T型尾翼设计也明显不同。此外，俄罗斯的方案采用了储能系统，便于飞机进行能量管理，而目前美国的系统方案还不明确。 从目前公布的信息来看，美国的方案更加务实、具体，在设计中综合考虑了效率、经济可承受性和兼容性等要求。为了提高效率，重点在气动设计、发动机单位耗油率（SFC）和轻质结构设计等方面进行了细致的研究与评估。而在经济性方面，通过飞机的设计、制造和维修成本来评估经济可承受性，并且考虑了各项技术的技术成熟度对飞机成本、研制周期和技术风险的影响，以及成本、研制周期和技术风险等。在提高兼容性方面，重点考虑了空中投放、短距起降和快速装/载货物等方面的性能要求。 相比之下，俄方目前公布的概念方案理念先进，但是从短期来看技术风险大，难以实现。其中比较大的风险来源于新颖的动力装置，设计采用1台发动机作为整个飞机的动力源和电力源，对发动机的要求太高，且在安装尺寸要求、发动机更新换代、使用维护等方面都不如美国的方案务实。综合各方面的情况来看，俄罗斯的超大型战略运输机尚处在概念阶段，以牵引未来技术发展为主，短期内不会进入研制阶段。 截止到2016年3月，洛马公司超大型战略运输机的各项研究工作一直在稳步推进，已经完成了1∶25缩比模型的高速半模和低速全模风洞试验，为高速巡航气动特性、低速稳定性和操纵性研究提供了基础数据，同时其验证了计算流体力学（CFD）工具对非常规布局性能预测的精准度。按照计划，后期将进行小尺寸缩比验证机的飞行验证和大尺寸有人驾驶飞行验证工作。 （王国陈、刘绍辉、侯粉，中航工业一飞院） |
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