軍用運輸機(jī)發(fā)展及動力選型

軍用運輸機(jī)的巡航速度一般是陸上最快運輸方式高鐵速度的2～3倍，是海上運輸速度的20倍以上，航程能達(dá)數(shù)千甚至上萬千米，經(jīng)空中加油后還可實施全球到達(dá)?，F(xiàn)代戰(zhàn)爭的快節(jié)奏、遠(yuǎn)距離、大機(jī)動，使得運輸機(jī)的作用更加明顯。軍用運輸機(jī)是一種軍用支援保障類飛機(jī)，主要承擔(dān)實施兵力機(jī)動和后勤支援任務(wù)，可以快速將部隊及其裝備部署轉(zhuǎn)移到目標(biāo)區(qū)域，并為部署在前沿或前線作戰(zhàn)的部隊提供人員、裝備和其他物資。按照任務(wù)性質(zhì)和能力的不同，軍用運輸機(jī)一般分為戰(zhàn)略運輸機(jī)和戰(zhàn)術(shù)運輸機(jī)兩大類。戰(zhàn)略運輸機(jī)主要承擔(dān)遠(yuǎn)距離、大量人員、大中型裝備的運輸任務(wù)，有的還承擔(dān)大規(guī)模空降任務(wù)。戰(zhàn)術(shù)運輸機(jī)多在戰(zhàn)區(qū)附近及戰(zhàn)區(qū)以內(nèi)承擔(dān)近距離運輸任務(wù)，一般為中小型飛機(jī)，短距起降性好，對機(jī)場條件要求低。按最大起飛質(zhì)量和有效載荷，運輸機(jī)又可分為大、中、輕型3個類別。起飛質(zhì)量大于150t，有效載荷大于36t的通常為大型運輸機(jī)，最大起飛質(zhì)量小于40t、有效載荷小于9t的為輕型運輸機(jī)，介于中間的為中型運輸機(jī)。最大起飛質(zhì)量超過350t，載荷超過100t的，為重型運輸機(jī)（具體分類見表1）。表1

軍用運輸機(jī)分類軍用運輸機(jī)及其動力發(fā)展歷程最早的軍用運輸機(jī)是在民用運輸機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。美國自1938年開始將民航客機(jī)DC-3改裝為C-47A軍用運輸機(jī)。當(dāng)時，世界上著名的軍用運輸機(jī)還有德國的容克斯52和蘇聯(lián)的AHT-9等。但這些機(jī)型基本上都是從民用客機(jī)或轟炸機(jī)改裝而來。20世紀(jì)40年代，世界上最早廣泛使用的全金屬結(jié)構(gòu)運輸機(jī)是美國道格拉斯飛行器公司研發(fā)的C-47“空中火車”運輸機(jī)，配裝2臺普惠公司的R-1830-90C活塞式發(fā)動機(jī)，起飛質(zhì)量為11t，為輕型戰(zhàn)術(shù)運輸機(jī)，是第二次世界大戰(zhàn)中的主要軍用運輸機(jī)。20世紀(jì)40—50年代，美軍裝備了起飛質(zhì)量33.5t的C-54“空中霸王”運輸機(jī)，采用的是4臺普惠公司的R-2000-7活塞式發(fā)動機(jī)。隨著發(fā)動機(jī)技術(shù)的變革，洛克希德-馬?。羼R）公司在20世紀(jì)50年代研制了C-130“大力神”中型多用途戰(zhàn)術(shù)運輸機(jī)，運載能力達(dá)到18t，起飛質(zhì)量大約70t，其動力采用了渦槳發(fā)動機(jī)，代替當(dāng)時使用活塞式發(fā)動機(jī)的中程運輸機(jī)，提高了飛機(jī)的載荷、延長了飛機(jī)使用壽命。20世紀(jì)60年代，中小涵道比渦扇發(fā)動機(jī)得到廣泛應(yīng)用。美國空軍根據(jù)作戰(zhàn)需求，提出一種專用的中型戰(zhàn)術(shù)運輸機(jī)C-141“運輸星”，最大起飛質(zhì)量129t，采用4臺TF33-P-7中涵道比渦扇發(fā)動機(jī)，單臺推力93.42kN。1962年，蘇聯(lián)開展了大型戰(zhàn)略運輸機(jī)安-22的研制，是世界上最大的配裝渦槳發(fā)動機(jī)的飛機(jī)，最大起飛質(zhì)量250t，配裝4臺HK-12MA渦槳發(fā)動機(jī)，單臺功率11185kW。圖1

C-130運輸機(jī)及其最新動力AE2100D3發(fā)動機(jī)20世紀(jì)70年代，蘇聯(lián)的伊爾-76大型戰(zhàn)略運輸機(jī)交付使用，作為軍事空運主力機(jī)型，配裝4臺D-30KPⅡ渦扇發(fā)動機(jī)，起飛質(zhì)量為170t，作為軍事空運主力機(jī)型，彌補(bǔ)了蘇聯(lián)軍事空運能力的不足。之后經(jīng)過多年的發(fā)展，形成了伊爾-76T、伊爾-76M、伊爾-76TDT、伊爾-76MDM、伊爾-76MF等衍生型。其中，伊爾76-MF起飛質(zhì)量210t，配裝4臺PS-90AN大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)，總載荷40t時的航程達(dá)到5200km。蘇聯(lián)還相繼研制了安-124和安-225大型戰(zhàn)略運輸機(jī)，分別配裝4臺和6臺D-18T三轉(zhuǎn)子大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)，地面起飛推力為229.77kN，風(fēng)扇直徑2.33m。D-18T發(fā)動機(jī)于1977年基于縮小版的D-36三轉(zhuǎn)子技術(shù)驗證機(jī)開始研制，20世紀(jì)90年代為了延長發(fā)動機(jī)壽命和可靠性，衍生出D-18T-3系列發(fā)動機(jī)，壽命現(xiàn)已提高到50000h。圖2

安-124運輸機(jī)及其動力D-18T-3發(fā)動機(jī)美國同期的典型機(jī)型為C-5大型戰(zhàn)略運輸機(jī)，起飛質(zhì)量380t，配裝4臺TF39-GE-1C大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)，后發(fā)展了衍生型C-5A/B/C。其中，C-5M“超級銀河”是C-5原型的現(xiàn)代化改型（得益于2001年啟動的航電系統(tǒng)現(xiàn)代化和可靠性增強(qiáng)改進(jìn)計劃），配裝4臺F138-GE-100大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)。其中，F(xiàn)138-GE-100是CF6-80C2L1F的軍用型號，是CF6-80C2的衍生型，起飛推力222.4kN，通過可靠性增長計劃，保證C-5飛機(jī)可以使用到2040年。按照起飛質(zhì)量劃分，安-124、安-225和C-5飛機(jī)被稱為大型軍用運輸機(jī)。圖3

C-5運輸機(jī)及其動力F138-GE-100發(fā)動機(jī)20世紀(jì)80年代中期，蘇聯(lián)開始研制安-70飛機(jī)，起飛質(zhì)量145t，配裝4臺D-27槳扇發(fā)動機(jī)。鑒于槳扇發(fā)動機(jī)介于渦槳發(fā)動機(jī)和渦扇發(fā)動機(jī)之間的特點，安-70飛機(jī)以最大巡航速度飛行時，其耗油率比使用傳統(tǒng)渦扇發(fā)動機(jī)的運輸機(jī)要低20%～30%，而最大飛行速度達(dá)到800km/h，高于配裝渦槳發(fā)動機(jī)的運輸機(jī)。美國公司研制的C-17“環(huán)球霸王Ⅲ”是同期產(chǎn)品，最大起飛質(zhì)量265.5t，最大載荷超過70t，空載航程8700km，滿載航程4630km，于1993年開始服役，是C-124“環(huán)球霸王Ⅱ”的升級產(chǎn)品，全面覆蓋C-5的運輸范圍。C-17配裝4臺F117-PW-100大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)，該發(fā)動機(jī)是波音757使用的PW2040發(fā)動機(jī)的軍用型，推力為185.5kN，除了反推力裝置，F(xiàn)117-PW-100與PW2040基本相同。此時，中型戰(zhàn)術(shù)運輸機(jī)和大型戰(zhàn)略運輸機(jī)已形成系列化發(fā)展和裝備成熟的局面。圖4

C-17運輸機(jī)及其動力PW2040發(fā)動機(jī)從20世紀(jì)90年代至今，歐盟于1993年開始啟動研制新一代戰(zhàn)術(shù)運輸機(jī)A400M，飛機(jī)空重55t，起飛質(zhì)量110t以上，最大商載32t，載重航程5037km，巡航速度Ma0.68～0.72,與現(xiàn)有的運輸機(jī)相比，其主要優(yōu)勢在于速度快、能耗低。配裝歐洲螺旋槳公司的4臺TP400渦槳發(fā)動機(jī)（2011年取證），其安裝功率達(dá)到7979kW，是目前在役最大的配裝渦槳發(fā)動機(jī)的運輸機(jī)。表2

典型的運輸機(jī)及發(fā)動機(jī)情況我國在20世紀(jì)50年代發(fā)展了運-5小型運輸機(jī)，其動力活塞5發(fā)動機(jī)仿制蘇聯(lián)AI-62NP型發(fā)動機(jī)。60—70年代，由于對航空軍事運輸?shù)闹匾杂辛烁羁汤斫?，我國先后研制了運-7H和運-8軍用運輸機(jī)，動力裝置分別采用渦槳5和渦槳6發(fā)動機(jī)。其中，運-8運輸機(jī)是20世紀(jì)70年代以蘇聯(lián)安-12運輸機(jī)為基礎(chǔ)研制的中型運輸機(jī)，最多能搭載20t的物資，一次最多能搭載96名全副武裝的士兵，航程超過6000km。運-8在后續(xù)的發(fā)展歷程中，衍生出了遠(yuǎn)距離支援干擾機(jī)、電子偵察機(jī)、反潛巡邏機(jī)、技術(shù)偵察機(jī)等。進(jìn)入21世紀(jì)，國產(chǎn)自主研發(fā)的首款大型運輸機(jī)運20飛機(jī)以及配裝的自行研制的大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)已實現(xiàn)首飛；國內(nèi)首個第三代先進(jìn)渦槳發(fā)動機(jī)正在研制，用于配裝運9飛機(jī)及以其為平臺發(fā)展的升級改進(jìn)型。大型運輸機(jī)及動力發(fā)展最新進(jìn)展隨著發(fā)動機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，運輸機(jī)配裝的動力裝置按照活塞式發(fā)動機(jī)—渦槳發(fā)動機(jī)—中小涵道比渦扇—大涵道比渦扇的歷程發(fā)展，形成了軍用運輸機(jī)動力裝置的譜系?，F(xiàn)階段，美俄在軍用運輸機(jī)方面形成了較為完整的輕型—中型—大型—超大型的運輸機(jī)譜系。在此基礎(chǔ)上，兩國針對現(xiàn)代和未來戰(zhàn)爭對軍用運輸能力的需求，展開了積極探索。進(jìn)入21世紀(jì)，俄羅斯推出了多項新裝備研制計劃，其中包括“運輸航空兵未來航空系統(tǒng)”（PAKTA）研究計劃。根據(jù)2015年披露的信息，PAKTA將以2000km/h速度進(jìn)行超聲速飛行，有效載荷高達(dá)200t，主要任務(wù)是運送阿瑪塔坦克、火炮、導(dǎo)彈系統(tǒng)等重型軍事武器，飛行距離超過7000km，增強(qiáng)俄羅斯的戰(zhàn)略運輸能力。由于PAKTA速度快、航程大，這意味著可以在7h內(nèi)，把裝甲部隊部署到世界上的任何地方。該項目還公布了一款亞聲速設(shè)計方案，其巡航速度為900km/h，有效載荷為90t，航程為4500km。這款PAKTA概念采用了1臺大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)，布置在機(jī)身背部靠近V形尾翼的地方。該發(fā)動機(jī)兼具發(fā)電功能，所產(chǎn)生的電力儲存在儲能系統(tǒng)中，用于驅(qū)動兩臺電力風(fēng)扇和為機(jī)載設(shè)備提供電力，它們運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的高速氣流通過機(jī)翼后緣的鋸齒狀噴管流出，形成推力，機(jī)翼后緣還可以通過偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生矢量推力，從而可以提高短距起降能力。2020年8月，PAKTA計劃公布了進(jìn)展情況，俄羅斯伊留申航空聯(lián)合體股份公司正領(lǐng)銜實施一款全新大型軍用運輸機(jī)的初步設(shè)計工作，計劃在2021年開始下一階段的試驗設(shè)計工作。該型運輸機(jī)將配備4臺渦扇發(fā)動機(jī)，單臺推力為196～245kW，正在研制中的PD-35發(fā)動機(jī)被視為候選發(fā)動機(jī)之一。圖5

PAKTA概念圖為了滿足美國空軍面向未來的需求，美國洛馬公司提出了混合翼身融合體（HWB）運輸機(jī)概念，并在美國空軍研究實驗室（AFRL）所資助的“低油耗高效新型布局”（RCEE）項目中，進(jìn)一步研究和細(xì)化了這一概念，使其在保留低油耗高效率特點的同時，在設(shè)計和制造方面滿足經(jīng)濟(jì)性，且能夠承擔(dān)美國空軍當(dāng)前所有的運輸任務(wù)。最終確定的技術(shù)需求包括：HWB運輸機(jī)在標(biāo)準(zhǔn)海平面條件起飛滑跑距離要小于2000m；在攜帶100t貨物時航程為6000km；特大尺寸貨物運輸能力不低于C-5；具備運輸設(shè)備、集裝箱和傘兵的能力；可以快速裝卸貨物。另外，HWB飛機(jī)在設(shè)計時要考慮短距起降性能，但不做專門要求。圖6

洛馬公司混合翼身布局隱身運輸機(jī)概念圖在方案設(shè)計中，洛馬公司選取了3種備選的發(fā)動機(jī)，包括GE航空集團(tuán)已研制成功的GEnx以及正在研制的開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)，還有到2030年開始服役的羅羅“超扇”（UltraFan）發(fā)動機(jī)。針對這3型發(fā)動機(jī)，洛馬公司開展了發(fā)動機(jī)與機(jī)體的一體化設(shè)計研究工作，并評估了采用每種發(fā)動機(jī)的綜合性能收益。通過研究發(fā)現(xiàn)，與當(dāng)前戰(zhàn)略運輸機(jī)的發(fā)動機(jī)相比，GEnx、超扇和開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)的單位耗油率分別可降低25%、30%和35%?？紤]到發(fā)動機(jī)尺寸巨大，特別是GE航空集團(tuán)的開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)，其轉(zhuǎn)子直徑達(dá)到6.4m，因翼下高度不夠而無法采用翼下吊裝，因此HWB飛機(jī)采用發(fā)動機(jī)翼上后緣布置的形式。與常規(guī)的翼下吊裝相比，這種形式能將氣動效率提高5%，并在抵抗外物損傷（FOD）、噪聲、發(fā)動機(jī)維護(hù)等方面獲得益處。運輸機(jī)動力裝置選型分析輕型戰(zhàn)術(shù)運輸機(jī)動力裝置輕型運輸機(jī)主要在戰(zhàn)區(qū)附近承擔(dān)近距離運輸兵員及物資任務(wù)，可執(zhí)行通信聯(lián)絡(luò)、傘降訓(xùn)練等任務(wù)，要求反應(yīng)速度快、適應(yīng)能力強(qiáng)，具備短距起降能力。針對上述需求，對現(xiàn)有發(fā)動機(jī)進(jìn)行選型分析，可以得到以下結(jié)論：一是活塞式發(fā)動機(jī)是運輸機(jī)最早采用的動力，其結(jié)構(gòu)件簡單，在輸出功率要求不高的情況下具有較高的效率，航程較短，功重比不高，現(xiàn)已逐步退出歷史舞臺；二是渦扇發(fā)動機(jī)體積小，推力大，具有高速、高空性能好的特點，但是耗油率較高，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，設(shè)計難度較大；三是渦槳發(fā)動機(jī)低速效率要高于同等推力級渦扇發(fā)動機(jī)，低空性能好，起飛距離短，受到螺旋槳效率的影響，巡航速度略低。中型戰(zhàn)術(shù)運輸機(jī)動力裝置中型運輸機(jī)主要在戰(zhàn)區(qū)附近承擔(dān)近距離運輸兵員及物資任務(wù)。要求反應(yīng)速度快、機(jī)場適應(yīng)能力強(qiáng)，具備短距起降能力。通過選型分析，可以得到以下結(jié)論。一是渦槳發(fā)動機(jī)通常用于起飛質(zhì)量不超過90t，載重30t以下的中型運輸機(jī)，飛行速度一般為500～600km/h，螺旋槳特性（含滑流增升、反槳、倒車）和機(jī)翼構(gòu)型決定了其良好的地面起飛/著陸性能，可以大幅度縮短起飛/著陸距離，對跑道要求低，戰(zhàn)場環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)。渦槳發(fā)動機(jī)的推進(jìn)效率高于渦噴/渦扇發(fā)動機(jī)，耗油率低，低空、低速性能好。二是中、大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)能滿足飛機(jī)長航時、長距離、大載重的運輸任務(wù)，飛行速度一般為700～900km/h，飛行升限高可達(dá)到11000m以上，高空性能和高速巡航能力優(yōu)于渦槳發(fā)動機(jī)，噪聲較低，飛行穩(wěn)定性較好，風(fēng)扇葉片飛出時，機(jī)匣具有包容性，安全性較高。三是槳扇發(fā)動機(jī)兼顧渦扇發(fā)動機(jī)和渦槳發(fā)動機(jī)的特點，巡航速度和高度比同等功率級的渦槳發(fā)動機(jī)高、耗油率優(yōu)于同等推力級的渦扇發(fā)動機(jī)，由于技術(shù)水平有限，槳扇發(fā)動機(jī)舒適性和安全性較差，目前采用槳扇發(fā)動機(jī)的軍用運輸機(jī)只有安-70飛機(jī)。大型戰(zhàn)略運輸機(jī)動力裝置戰(zhàn)略運輸機(jī)主要承擔(dān)遠(yuǎn)距離、大量兵員和大型武器裝備運輸任務(wù)，要求戰(zhàn)略空運能力、更高的巡航速度，并具備短距起降能力，是現(xiàn)在和未來重點發(fā)展方向。其動力具備大推力、長壽命、高可靠性、高安全性、低油耗、低噪聲、低污染排放等特點。綜上，對現(xiàn)有發(fā)動機(jī)類型進(jìn)行分析，可得到以下結(jié)論。一是大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)具有大推力、長航時、長壽命的特點，隨著技術(shù)進(jìn)步，發(fā)動機(jī)可靠性大幅提升、耗油率逐漸降低，先進(jìn)大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)耗油率能夠達(dá)到0.052kg/（N?h）以下，推力范圍基本覆蓋了107.9～343.2kN，滿足大