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"大运鼻祖"C141:运20借鉴了伊尔76,而伊尔76则因它而生

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文|利刃号

说到大型运输机,如今使用最多的主要有美国的C-17、俄罗斯伊尔-76和我国的运-20三种。这三种运输机能够得到广泛的应用,关键在于它们都是在技术优化的基础上研制而来,因此其技术性能已经达到了相当优秀的水平。而相比之下,开创喷气式运输时代的美国C-141"运输星"型运输机,就没有以上三者这么有名气了。不过很少有人知道,C-17是接替C-141的优化升级版;伊尔-76则是针对C-141研制的运输机型号;而我国的运-20则是综合参考了C-17和伊尔-76之后由我国独立设计制造的大型运输机。今天我们就来好好看看这个"大运鼻祖"C-141大型运输机。

研制起源:冷战的需要

二战结束后,曾经团结对抗法西斯的美苏两国因为意识形态的分歧,很快陷入对立。随着丘吉尔的"铁幕演说"后美苏关系急剧恶化,"冷战"由此拉开序幕。

(尽管"冷战"是在美苏两个超级大国之间打的,但是把美苏拉入冷战的,却是著名搅屎棍——英国,图为丘吉尔在发表他最著名的"铁幕演说")

在冷战时期,欧洲是美苏对峙的最重点地区。美苏都在欧洲集结重兵,但是和苏联相比,美国在地理上处于明显的劣势。苏联本来就是一个地跨欧亚的巨型国家,其人口的四分之三分布在苏联的欧洲板块,而且苏联的工业和经济中心也大多分布在其欧洲版图内。冷战期间,苏军的铁路从坦克工厂直接修到华约各国边境,任何坦克装甲车辆可以直接装上火车迅速调往前线。而且整个苏联集团在地面武器装备方面,对于美国为首的北约不但享有数量优势,而且还享有质量优势。就连北约集团的军事将领们都认为,冷战一旦在欧洲演变为热战,苏联的装甲集团只需要一个星期就可以从德国边境冲到大西洋岸边。

(一望无际的苏联"钢铁洪流"是北约整个冷战中挥之不去的梦魇)

而相对而言,美国虽然拥有比苏联更为强大的工业产能和技术优势,但是美国远在北美大陆,和欧洲战场之间隔着宽阔的大西洋,一旦战争爆发,依靠二战那种用船来运输部队和装备以支援欧洲的模式完全不堪使用。因为苏军装甲集团的推进速度很显然会高于当年纳粹德国,而从美国用船运送装备和部队到欧洲,至少需要半个月时间,等美国的支援抵达欧洲时,大概只能看着欧洲沿岸竖起苏联的红旗了。

所以美国认为,只有开发大型远程运输机,才能确保在战争时将大量的美军和武器装备快速运往欧洲,以支持北约欧洲部队的作战。但是当时美军主力的C-54型运输机是一种螺旋桨活塞发动机运输机,该机最大载荷只有14吨,而且由于该机是美国道格拉斯公司依照当时的客运飞机改装设计而来,为了经济性而采用了下单翼设计,为了适应活塞式飞机长长的螺旋桨,所以C-54加高了飞机的起落架,导致飞机的机身距离地面较高,而且该机的货舱没有装卸尾门和跳板,只能采用侧开式设计,装运散货没有问题,但是无法运送包括轻型坦克、装甲车辆、自行火炮等大型成套武器。

(尽管C-54型运输机是美军赢得"柏林封锁"的头号功臣,但是这种飞机只能散货,难以运输坦克、装甲车等重型装备,且载荷也太小。图为1948年柏林危机时,承担向柏林空运任务的美军C-54型运输机)

而在这种情况下,美军开始寻求全新的运输机设计。最初洛克希德公司的C-130"大力神"运输机成功入选美军的新一代战术运输机之列,C-130运输机尽管也使用的是螺旋桨发动机,但是由于采用了上单翼设计,这样飞机的机身可以贴近地面,而螺旋桨又能够和地面保持距离以便减少被地面异物损坏的可能性。这种开创性设计被后世所有的军用运输机所采用,一直到今天,我国的运-20"鲲鹏"也采用的是上单翼的气动布局。

(洛克希德公司研制的C-130型运输机堪称战术运输机的经典,一直到今天,该机依然在服役,并且被出口到众多国家,几乎成为北约制式运输机)

除了上单翼布局外,C-130运输机还采用了大舱口尾门设计,并且在飞机上附带有装卸货专用跳板,这样陆军的卡车、装甲车、甚至轻型坦克等重型装备就可以很方便的驶入C-130的货舱。再加上C-130的载荷高达20吨,超过C-54运输机25%以上,所以可以直接空运M551"谢里登"轻型坦克、M113装甲车等武器,具备很强的战术适应性。不过C-130飞机的问题在于,该机依然是平直翼+螺旋桨的设计,飞行速度相对较慢,而且由于航程有限,该机无法快速横渡大西洋以支援欧洲战场。不过尽管如此,美军还是看到了希望,因为很快洛克希德公司就推出了能够跨大西洋执行运输任务的新式大型运输机——C-141运输星大型运输。

美国"鲲鹏":C-141大型运输机

C-141是世界上第一款喷气式大型运输机。该机长51.3米,翼展48.7米,最大起飞重量可达155.6吨,装备4台美国普惠公司研制生产的TF-33-P7型非加力涡扇发动机,单台发动机最大推力约为9.54吨。有采用了新式的涡扇发动机,C-141的飞行速度超过了900千米/小时,最大载荷则达到了40吨,远远胜过其前辈的螺旋桨式运输机。而且由于TF-33型涡扇发动机相对省油,所以在其标准载荷31吨的情况下,其航程依然可达6680千米,而在载荷14吨的情况下,其航程更超过1万千米!因此该机一个架次就可以把2辆M551谢里登轻型坦克从美国本土运往英国基地,或者把1辆M551坦克直接从美国本土空运到法国或者德国。

(开启运输机新时代的里程碑,美制C-141大型运输机)

C-141运输机的出现之所以被称为划时代的标志,主要在于两个方面。从战术角度上说,其巨大的载荷和航程,让美军首次具备了从本土直接大规模增援欧洲的能力,这样在战略层面上,北约的地面部队在一定程度上就和华约呈平衡状态。从1965年到1968年,短短3年时间,美国就生产了多达285架C-141型运输机,如果爆发战争,所有这些飞机只需要编队飞行1次,就足以把一个美军装甲师从美国本土运抵欧洲前线。而且由于其飞行速度超过900千米/小时,所以在保持高强度飞行的情况下,一天之内C-141完全可以在欧洲和北美大陆之间飞2个来回。这意味着美军的战略空军部队每24个小时就可以向欧洲投送至少2个整编装甲师。算上北约国家自身的储备,抵抗苏联的钢铁洪流还是有把握的。

(鉴于C-141性能优异,所以美军后续为所有的C-141增加了空中加油系统,也就是头顶上那个小帽子,此举虽然略微增加了飞行阻力,但是却让C-141具备全球投送能力)

从技术角度上说,C-141运输机采用了后掠角24°的后掠机翼,并且继承了C-130的上单翼设计,同时采用了效率更高的T型尾翼。机尾也安装了和C-130类似的大型尾舱门,并附带有登机跳板。这样大型成套的重装备可以通过尾舱门快速上下飞机,大大提升了装卸货的效率,缩短了时间,为瞬息万变的战争提供了最有利的支持。正因为如此,后续的运输机毫无例外的采用了C-141运输机的设计风格,而美国在航空工业方面的领先水平和强大技术实力由此可见一斑。

C-141运输机虽然是为了冷战时期美国支援欧洲盟国所研制,但是在其列装和服役的数十年中,却在亚洲找到了展示性能的舞台。C-141从列装到退役,主要参与的3次大规模战争:越南战争、中东战争和海湾战争,都是在亚洲发生的。其中1965年借口"北部湾事件",美国开始大规模介入越南战争,C-141则担负从美国本土经过夏威夷、关岛等中继基地,向越南和泰国运送后勤物资的重任。因为越战的需要,美军对C-141的订货飙升,在1967年一年时间,洛克希德公司就生产了多达107架C-141型运输机,这一纪录目前依然无人打破。

(1973年第四次中东战争中,向以色列运送补给的美军大型运输机,C-141(近)和C-5A(远),尽管C-141的载荷不及C-5A,但是该机体积更小,适应性更强,后来美军的C-17也可以看作是C-141的完善版)

在1973年的中东战争中,由于阿拉伯国家首次把"石油禁运"作为武器,禁止欧洲国家对以色列提供军事援助。不得以美国只能从本土派遣C-141和C-5A两款运输机横跨大西洋,在亚速尔群岛稍作停留后,经过直布罗陀和地中海,直飞特拉维夫和海法。其中C-141的飞行员们用421个架次总共运送了大约1万吨武器弹药给正在西奈半岛苦战的以色列人。不过同样的运输水平,美军的C-5A巨型运输机仅用145个架次就轻松完成。不过这是后话,毕竟C-141飞机数量多,且载荷航程也不差,其机场适应能力要高于C-5A"银河"巨型运输机。

(机身修长的C-141存在的最大问题就是货舱虽然修长,但是宽度和高度都太小,有不少装备难以承运,而且该机的起落架过小,只能在设施完备的水泥跑道机场起降,适用范围受限)

C-141最后一次参加大规模战略空运行动就是1991年的海湾战争,在海湾战争中C-141总共飞行了约37000架次,主要负责运送弹药、燃料和士兵。在满载状态下,C-141一次可运送多达200名士兵,部队投送能力还是相当的强悍。不仅如此,截止到1986年时,所有的C-141运输机都安装了空中加油系统,这样,即使是最大载荷状态,通过一次空中加油,C-141也可以从美国本土直接飞往中东地区,其战略运输能力得到了极大提升。

苏联版C-141:伊尔-76重型运输机

看到美军列装的C-141运输机性能如此卓越,苏联人当然也坐不住了,很快苏联战略运输航空兵就下达命令,要求当时苏联各设计局研制和C-141相当的大型战略运输机。这一次是著名的伊柳申设计局最终中标,其推出的伊尔-76大型运输机机长46.6米(伊尔-76MF型长53.2米),翼展50米,最大起飞重量因各型号不同而略有差异,不过总体上在200吨左右,最大载荷同样因各型号差异,在48~60吨之间不等。

(俄罗斯战略空运的中坚,全球产量最大的重型运输机,伊尔-76)

可以说伊尔-76运输机就是苏联对标美国的C-141"运输星"而设计的一款大型战略运输机,为此,北约给伊尔-76起了一个非常"耿直"的名字,就叫Candid(耿直)。伊尔-76运输机于1960年代末开始立项研制,原型机1971年首飞,并且参加了次年的巴黎航空展,并由此一鸣惊人。其实在当时,苏联还有一款更大型的战略运输机,著名的乌克兰安东诺夫设计局设计的安-22巨型运输机,在C-5A出现之前,是全球最大型的运输机。该机最大起飞重量高达250吨,有效载荷高达80吨,相当于C-141的两倍。不过该机采用依然是传统涡桨发动机,最大飞行速度只有740千米/小时,明显要比C-141飞得慢。

伊尔-76运输机在问世后不久也正好遇到一次实战检验的机会。1977年埃塞俄比亚和索马里之间因欧加登地区的主权问题爆发边境战争,索马里军队出兵占据了埃塞俄比亚的欧加登地区。当时的埃塞俄比亚门格斯图上校向苏联求援。苏联战略运输航空兵则迅速建立了一条从格鲁吉亚首府第比利斯到伊拉克首都巴格达,再到南也门(1990年灭亡)首都亚丁,再到埃塞俄比亚首都亚的斯亚贝巴的空中航线。在4个月的时间里,苏军的当时最新锐的伊尔-76和最大型的安-22两种运输机以20分钟一架的频率不停向埃塞俄比亚运送武器弹药和军事装备。后来在一架安-22运输机在亚的斯亚贝巴机场因事故损坏后,苏军全面换用了伊尔-76运输机。这些飞机甚至还横越非洲大陆,把正在安哥拉作战的古巴人民军连同其武器装备一同打包运往埃塞俄比亚。埃塞军队得到苏军加强后,仅用一个月左右时间就彻底击溃了入侵的索马里军队,完全光复了所有国土。

(1991年苏联解体时,整个苏军战略运输航空兵装备有456架伊尔-76运输机,如今俄军依然装备超过150架的伊尔-76)

在1981年著名的"西方81"大规模军事演习中,苏军一次性出动95架伊尔-76大型运输机,空投了一个空降师和一个空中突击旅,合计7000多人外加325辆各型战车,其大规模战略空降作战让西方深感震撼。在1991年苏联解体时,全苏军14个空降师全部装备伊尔-76重型运输机,当时苏军伊尔-76运输机总数高达456架,其编制规模甚至超过了美国空军的运输机部队。而且和美国不同的是,苏联在设计伊尔-76之初,就走了军用和民用两条路。因此除了苏军大规模装备伊尔-76以外,该机还有专门的民用版本对外出口。目前除俄罗斯外,还有38个国家装备并使用伊尔-76运输机,而且在今天,编号"伊尔-476"的新版本伊尔-76MF型运输机,依然在量产之中。有人统计伊尔-76各种型号的总产量甚至已经超过1000架,是迄今为止产量最高的喷气式运输机。

站在巨人肩膀上的"胖妞"运-20

我国作为一个幅员辽阔,南北国土长度和东西国土宽度都超过5000千米,而且我国的地势从东到西呈三级阶梯状,海拔高差4000米,而同时又有长江、黄河两条大河把我国的国土分为几段,这种地理上的不便倒使我军任何调动部队的行动,使用空运都是效率最高的方案。不过由于新中国建立后,长期处于美苏双重封锁之中,而且再加上我国本来科技和工业的底子较薄,所以很长一段时间内,我国虽然对于大型飞机有很大的需求,但是技术和工业水平达不到需求,让我们曾经非常无奈。

(中国航空技术和工业最高水平的结晶,国产运-20大型运输机)

虽然新中国在1980年代上马了著名的运-10飞机,但是真正了解技术的朋友都知道,当时的中国完全不具备独立研制和生产大型飞机的能力——例如,运-10直接使用了美国的JT3D-3型喷气式发动机,这种发动机是波音707飞机的原装引擎。一直到今天,以我国的工业技术水平,依然无法独立研制类似发动机,运-20飞机上装备的WS-18型涡扇发动机是通过测绘仿制俄制D-30KP2型发动机而来,由此一条即可得知,在当年我国根本无法为运-10提供安全可靠的动力系统。不仅如此,当时我国还不具备锻造大型飞机横梁、机翼等型材,所以运-10飞机的主翼在飞行5次之后就已经出现明显的裂纹和金属疲劳,所以不得不进行更换。不仅如此,由于没有大型飞机加压机舱加工技术,运-10的飞机机舱使用铝合金一块一块焊接而成,一旦有一条焊缝漏气,就会导致整个飞机在飞行中失去压力,进而出现飞行事故……所以,虽然很多人抱怨当年国家下马运-10是"自毁长城",但是真正精通工业技术的人,对这种看法也不过是付之一笑。

(运-10的下马固然令人惋惜,但是绝不是网间所传的那样,实在是当时的中国有太多解决不了的技术瓶颈,如果强行上马运-10,才是灾难)

时间到了2007年,在运-10之后我国航空工业通过多年为波音、空客等世界大公司加工飞机零部件,已经获得了大量的实际生产和设计经验。特别是全国主要的航空工业企业的设备和技术都得到了巨大的提升,这是我国具备独立开发新式大型运输机的关键。当年美国开发C-5A和C-17两款经典运输机时,就曾经集合了波音、洛克希德以及道格拉斯(现在已经被波音合并)等多家大公司,十余万工程技术人员共同协作,才创造出如此经典的飞机。所以,我国的运-20在研制之中也广泛集合了包括西飞(总体设计、机身设计)、陕飞(机尾设计)、成飞(机头设计)、沈飞(尾翼设计)、哈飞(新材料)和长沙中航集团起落架公司(飞机起落架),并由西飞牵头,组织全国一千多家相关企业共同攻关,用不到7年时间就实现了运-20的成功首飞。

由于此前没有任何可参考的现成实物,国产运-20的设计和研发完全是由我国科研人员独立完成,其中某些细节同时参考了俄制伊尔-76和美制C-17,但是就总体上来说,运-20与这二者都没有太多的相似之初。作为一款全新设计的大型运输机,运-20采用了独特的超临界机翼设计,并且采用了钛合金制作的三段式复合襟翼,在大幅提升飞机升力的同时,又缩小了整个系统的结构重量,从而成为全球最先进的一款机翼构型。这一点和C-17具有很大的相似度,而且运-20的机头和垂尾也和C-17更为相似。

(通过参加今年武汉的抗疫行动,运-20第一次接受了实战任务考验,图为武汉天河机场上列队的运-20机群)

在设计之初,我军就要求运-20能够空运目前陆军90%以上的先进武器装备,为了确保货舱有足够的高度和容积,运-20采用了和伊尔-76类似的外置翼盒的设计,这样飞机主翼的翼盒设计在货舱之外,不穿过机身,从而保障了飞机货舱的高度,增强了飞机货运适应性,便于运送更多大型装备。而且尽管运-20使用的是测绘仿制的D-30KP2型发动机,但是由于飞机本身结构和机翼的优化设计,运-20的最大起飞重量达到了220吨,最大载荷达到了55吨,高于伊尔-76的大多数型号,只有最新版的伊尔-476才能和运-20相提并论。总体上说,运-20已经集成了当前世界大型运输机设计的精华,除了发动机目前依然不给力以外,其他方面已经基本达到了最优配置,可以毫不夸张的说,凭借运-20的技术性能,我国已经跻身世界一流航空强国行列,具备了研制和美俄比肩的大型运输机的技术和工业实力,这对于我国国内的航空工业而言,具有里程碑式的重要意义。

继往开来:未来的大运什么样?

从最初的C-141到如今的运-20,常规气动布局下的大型运输机已经被发挥到了性能的极致,再往下已经没有什么可以突破的方面。那么,未来的大型飞机将会向哪个方向发展呢?其实早在上个世纪90年代,当时的麦道公司就和NASA合作,开发了BWB技术验证机,这种新式的大型飞机采用了飞翼式布局,在机尾装备4台发动机,整个机身看起来就好像是一个放大的B-2隐身轰炸机。

(波音公司和NASA联合研制的BWB技术验证机,已经以X-48的代号,于2009年开始首飞)

在1997年时,NASA就委托美国斯坦福大学制造了编号为BWB-17的缩比例样机,并且已经进行了多次成功试飞。从外形上看,虽然BWB型技术验证机是飞翼布局,但是其机身部分明显要比B-2厚实得多,所以可以看作是翼身融合技术和飞翼技术二者融合的新式飞行器。由于机身部分厚实,所以该机的机身部分同样设计有大型货舱,其载荷能力要优于现在的美国C-17运输机。而同时由于采用了飞翼布局,所以该机的升力大幅提升,航程也随之增加,在使用效能方面将会超过当前使用的任意一款大型运输机。

我国从2007年在立项研制运-20的同时,也开启了对飞翼式大型运输机的技术预研工作,目前就公开的消息来看,我国在空气动力学、飞机材料、飞控系统等方面已经基本和美国平齐,但是在航空发动机等方面依然有较大的差距,所以在未来的岁月里还需要继续奋起直追,力争上游。

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