作者：刘敏
2020年11月21日传来的最新消息，当天运-20搭载四台最新的“涡扇-20”大涵道比发动机进行了成功首飞。自2013年1月26日首飞以来，运-20终于在第八个年头迎来了它的最终形态。若是从2006年2月26日国务院批准研发大型飞机算起，更是已经渡过了十四个春秋。据称搭载涡扇-20的运-20有可能被命名为“运-20B”，这将是中国第一架由内而外连发动机都是全国产的大型飞机，在中国航空史上注定将留下浓墨重彩的一笔。为此，我们有必要全面回顾一下运-20这款激荡人心的中国战略运输机。
图1：2013年1月26日首飞当天的运-20，第一次将中国带入了国产大型运输机时代
一、研制背景
中国人谈到的“大飞机”，一般是指起飞重量超过100吨的运输类飞机，或是载客超过100人的民航客机。中国自主研制的第一款大飞机还要追述到上个世纪70年代研制的“运-10”，但因为经费、技术、市场等原因，运-10最终胎死腹中。然后中国航空业在大型飞机领域便是长达30年的沉寂。在这段时间里，中国空军的运输机队就只有运-8和少量伊尔-76挑大梁，在民用航空领域更是几乎全盘进口。
时间直到了2006年，此时的中国改革开放已近30年，经济上取得了巨大的成就，技术积累也有了相当基础，军民两用的航空市场也蓬勃发展。于是在此年2月26日，时任中国国务院总理温家宝，在主持召开的国务院常务会议上，原则批准大型飞机研制重大科技专项正式立项，将“发展大飞机”作为国家决策写进《国家中长期科技发展规划纲要》和《十一五规划发展纲要》。国家将在整个大飞机项目上投资500-600亿元人民币，要在军用大型运输机、民用大型客机、航空发动机三个领域实现技术突破，并将伴随相关的产业整合。
在民用大型客机领域，在2008年5月11日，在上海将原中航商用飞机有限公司、上海飞机设计研究所、上海飞机制造有限公司（原运-10生产商）、上海飞机客户服务有限公司、上海航空工业有限公司整合，成立了“中国商用飞机有限责任公司”。现主要产品为ARJ-21支线客机，并正在研制C-919、C-929等大型干线客机。
在发动机领域，在2012年4月15日，在北京将原中国航空研究所（606所）、中国航空动力机械研究所（608所）、中国燃气涡轮研究院（624所）、贵州航空发动机研究所（649所）等研制单位整合，成立了“中航空天发动机研究院有限公司”，然后又和沈阳黎明航空发动机有限责任公司、贵州黎阳航空发动机公司、成都发动机有限公司、西安航空发动机有限公司等单位再次重组为“中航发动机有限责任公司”，该公司现今是中国唯一的航空发动机生产商，其产品几乎涵盖了中国所有正在生产或研制中的航空发动机。
在军用大型运输机领域，在2013年1月6日，在西安将原西安飞机公司旗下的西安飞机国际航空制造股份有限公司（简称西飞国际，新舟系列客机生产商）、陕西飞机工业有限公司（运-8系列运输机生产商）、中航飞机起落架有限责任公司、西安航空制动科技有限公司、西安飞机工业有限责任公司整合，成立了“中航飞机股份有限公司”，现主要产品为轰-6、歼轰-7等军用轰炸机、新舟系列客机、运-7、运-8系列战术运输机和运-20战略运输机。在该公司正式挂牌20天后，在2013年1月26日，下午14时整，一架编号为20001的“运-20”战略运输机在西安阎良试飞基地一飞冲天，这正式标志着中国航空业在大型运输机上的重大突破，这也是中国正式服役的第一款国产大型飞机，该机延续了西飞以神话传说命名战机的传统，被命名为“鲲鹏”。
图2：曾经的天空——运-10
二、气动设计
不同于一些保密级别较高的作战装备，运-20在首飞后不久官方即正式对外公布，并公开了大量的图片并有基本的技术参数。根据官方数据我们得知，运-20全长47米，翼展45米，高15米，最大起飞重量220吨，设计最大载重66吨。气动布局上采用翼下悬挂式4发动机、T型垂尾、悬臂梁式上单翼。机身采用宽体设计，多支柱野战起落架，机组人员由3人组成。从图片和参数中我们不难发现，运-20其实是一架设计“中庸”的运输机。并没有太多让人眼前一亮的设计，当然也没有一味为降低风险而只采用“成熟技术”。首先从机体规模上来说，比美军装备的C-17“全球霸王”几乎小了一圈，但又比俄罗斯伊尔-76“耿直”大了一圈，该机在设计上明显参考了伊尔-76的某些设计，但在机尾等位置又融合了C-17的一些特点。
再来先看机翼，机翼是一架飞机产生升力的主要部件，机翼设计的好坏，直接决定了一架飞机的定位和性能。运-20的机翼设计具有悬臂梁式上单翼、外置中央翼盒、超临界翼型、滑退式三开缝增升襟翼、没有采用翼梢小翼等设计特点。
外置中央翼盒，就是机翼的中央翼盒从货舱顶部而过，置于机体之外，通过整流罩以机体相连，在机背上形成了一个较凸出的鼓包，特征比较明显，伊尔-76正是采用此种设计。与之形成对比的，美国C-17采用的是内置中央翼盒，机翼从机身内部穿过，机体外较平滑。外置中央翼盒的最大好处是机翼不挤占机内货舱的宝贵空间，可保证货舱的最大有效高度。此外整流罩可提供额外的储存空间，一般会用来放置油箱，再来就是可产生一定的升力；但坏处也是显而易见的，首先就是外置中央翼盒和整流罩增加了机体额外的重量、复杂度和不小的飞行阻力，第二就是使机体整体重心上移。
是否采用外置中央翼盒，这主要由运输机的定位决定的。比如C-17，它的货舱采用了极端设计，是该级别运输机中能够设计出来的最大货舱，其货舱尺寸为：20.8m×5.5m×4.5m（长宽高，货舱长度不含货桥），其5.5米的货舱宽度仅仅比C-5“银河”运输机略窄29公分，但4.5米的最大高度却比C-5还要高30公分，甚至比世界上最大的运输机安-225“梦幻”还要高10公分。如此高大的货舱，C-17选择内置中央翼盒当然不在话下，虽然一定程度上会影响货舱的最大高度，但就算在中央翼盒之下，货舱仍有3.96米高。内置中央翼盒，只有大型运输机才能采用这种设计，比如美国的C-5、C-17，俄罗斯的安-22、安-124、安-225，货舱较矮的运输机是无法接受货舱在高度上这么大幅损失的，比如近几年才面试的一些新型战术运输机，如欧洲的A-400，乌克兰的安-70、日本的XC-2等等，他们采用的全都是外置中央翼盒。
图3：美国C-17运输机的剖面图，可以清楚看到中央翼盒从货舱正中间穿过，原本4.5米（14英尺9英寸）高的货舱，在中央翼盒处骤减为3.96米（13英尺），货舱较矮的运输机是无法承受这样的损失的
图4：中央翼盒穿过C-17运输机货舱正中央，该图为阿联酋空军的C-17
在翼型设计上，运-20采用了超临界机翼。超临界机翼中国研究较早，早在三十年前研制运-10时就成功应用了超临界机翼，近年又用K-8教练机改装过新型超临界机翼验证机，之后又在ARJ-21上成功应用，现在用在运-20上，自然是水到渠成的事。超临界机翼最早是由美国NASA兰利研究中心的著名空气动力学家理查德·惠特科姆博士（Richard Whitcomb）在1967年提出的。
飞机的机翼是靠流经机翼上下不同的气流速度产生的压力差来产生升力的。一般的亚音速民航客机或是军用运输机，当飞机速度超过0.8马赫，进入高亚音速区域时。此时机翼表面的气流速度已经超过了音速，如果飞机继续加速，机翼表面就会出现激波，引起气流分离，从而产生激波阻力，使飞机整体阻力大增。超临界机翼就是通过对机翼剖面的特殊设计，让气流在通过机翼时加速性放缓，使飞机在继续加速中，推迟激波产生，或是产生较弱激波。这种设计可以使飞机保持较高经济航速，还具有内部容积大、结构重量轻、翼展较短等优点。
伊尔-76由于设计年代较早，并没有采用超临界机翼，而C-17是采用了的。所以我们就能看到伊尔-76的50.5米翼展竟然比C-17的50.29米翼展还长，就算C-17加上外飘的翼梢小翼也不过才51.74米，但伊尔-76的最大载重却只有C-17的一半；运-20也是类似情况，它翼展45米，跟A-400的42.4米翼展，安-70的44.5米翼展也相差不大，但最大载重却比它们高50%以上，体现出极高的设计水平。
在襟翼增升方面，运-20采用了非常复杂的滑退式三开缝襟翼，这种设计一般见于大型民航客机上，滑退式三开缝襟翼在飞机飞行时和机翼融为一体，以减少阻力。当飞机需要起飞、降落或低速飞行需要增加升力时，襟翼才会滑退伸展开，并向下偏转。当这种襟翼伸展开时会大大增加机翼向下的弯度和机翼面积，并改变机翼剖面形状。其翼面形成的三条横向缝隙，会将机翼下的高压气流引向襟翼上部，大大增加机翼上部的气流流动速度，减小了压力，并延缓上表面气流分离，进而使升力系数提高。根据计算，这种滑退式三开缝襟翼，可以使全机升力系数提高1.5倍左右（未扣除配平损失）。不足之处是这种襟翼十分复杂，有多达十余个活动翼面，滑退、偏转机构较为繁琐，作动机构、滑轨、整流罩等也是数量最多的，这在野战条件或恶劣气候时势必降低可靠性。伊尔-76的襟翼也使用了类似设计。
C-17上使用的则是大名鼎鼎的外吹式襟翼，这种襟翼最早应用在麦道公司的YC-15上，当襟翼放下时，会处于发动机向后的排气区中，经襟翼折转后，发动机燃气会向后斜下排向机体后下部，形成类似推力矢量系统，强大的尾喷口气流还会通过襟翼的双开缝引向襟翼上部，加速翼面上部的气流速度，进而大大增加升力。C-17这种外吹式襟翼增升效果当然无与伦比，与运-20的滑退式三开缝襟翼相比，增升效果还要强大，可控性更高，而且系统要简单的多。但缺点在于这种襟翼处于发动机的高温燃气中，必须使用高温钛合金制造，对材料技术有较高要求，而且由于是全金属襟翼，重量也不轻。
图5：C-17使用的外吹式襟翼原理示意图
图6：C-17正在降落，已经放下外吹式襟翼，并打开发动机反推力装置，机翼上部的4块扰流板也已经升起，注意发动机短舱两侧的涡流发生器
翼梢小翼方面，运-20并没有采用，这倒是让笔者略感失望，但又觉得在情理之中。中国在翼梢小翼上有相对较深厚的技术积累，在上个世纪八十年代初研制“运-7-100”客机时就设计有翼梢小翼，之后在2000年研制“ARJ-21”支线客机和随后设计的“C-919”客机时也有成功应用。
翼梢小翼的好处首先是降低了翼尖涡流和诱导阻力。由于机翼下部的气流压力要远大于机翼上部，在机翼翼尖会出现高压气流从机翼下部往上翻卷的现象，形成翼尖涡流，这会让机翼翼尖升力大减，形成诱导阻力，从而降低了全机的升阻比。翼梢小翼则可以分导气流，将翼下的高压气流导引至机翼外侧并上移至层流之上，进而大大减弱翼尖涡流，降低诱导阻力，这还使机翼上下表面的压力差变得更大，反而提升了机翼升力。阻力降低，升力提高，这直接的好处就是油耗降低、航程增加、巡航速度提高，还增强了飞机的爬升能力；第二个好处则是增加了飞机的抖颤裕度，抖颤裕度的增加可使飞机在更高的高空飞行，这进一步增加了航程；第三个好处则是翼梢小翼使飞机产生的尾流有明显减小，在编队飞行时对后机尾流干扰也变得更小，这还有利于提高飞机起降和巡航性能；第四则是降低了飞机起降过程中的噪音，这一点对民航客机来说至关重要，甚至比降低油耗，增加航程还具吸引力。
但翼梢小翼也并不是完美无缺的，首先翼梢小翼会增加重量，还对翼根产生不小的气动弯矩，这需要加强机翼结构的强度、刚度，等于增加了不小的机翼自重，还会加剧机翼疲劳，造成全机的整体寿命下降，对于军用飞机来说，这一点也许不那么容易接受；第二翼梢小翼虽然面积不大，但却处于机翼的末梢，而机翼的位置正好是全机的重心点上，所以像小风帆一样的翼梢小翼一受到较大的侧风影响，就会像杠杆原理一样，撬动整架飞机都受到巨大影响，而且会让飞机的水平机动能力变得较差，机动性下降，对于军用飞机来说同样很难接受；第三翼梢小翼虽然降低了诱导阻力，却增加了摩擦阻力和干扰阻力，这等于减弱了翼梢小翼在降低诱导阻力方面的好处，还增加了飞机控制的复杂性；第四翼梢小翼的制造成本和后期维护成本也是不可小视的一笔较大费用。
所以在通盘考虑利弊以后，军用运输机很少采用翼梢小翼，包括像欧洲的A-400，乌克兰的安-70、日本的XC-2这些新锐运输机也没有采用。C-17是主流军用运输机中唯一采用翼梢小翼的，C-17最开始其实也没有设计翼梢小翼。后因为美空军要求在92m×122m的停机坪里可以停放3架C-17，于是翼展被迫减少了3米，为了弥补由此造成的升力损失，才加装了翼梢小翼，C-17的翼梢小翼不仅降低了翼展，还可以降低油耗2%左右，减少阻力3%左右。翼梢小翼最早是在道格拉斯公司的DC-10上成功应用的，它的发明者同样是美国NASA的理查德·惠特科姆博士，所以C-17的翼梢小翼，其实是NASA设计的。理查德·惠特科姆博士实在是空气动力学方面的天才，不仅发明了超临界机翼、翼梢小翼，还发现了跨音速面积率，为战后航空业的发展做出了巨大贡献。
在其它方面，C-17在后机身下方设计有小巧的腹鳍，可以改善机尾的紊流，减少机尾阻力，这个腹鳍可以在巡航状态下减少机后阻力约3%，而运-20和伊尔-76都没有这样的设计；C-17在每个发动机短舱两侧还分别安装有小翼，这一对儿小翼其实是涡流发生器，可以产生机翼的前缘涡流，能延缓机翼上气流的分离，提升机翼的升力，可以使最大升力系数提高6%，而阻力不增加，运-20和伊尔-76同样没有这样的设计。总的说起来，在气动设计上，C-17是最精致的，考虑了很多细小的细节，应用了大量的尖端技术，这也正是美国全球最强航空工业实力的真实体现。而俄罗斯的伊尔-76是最粗糙的，而且实在太老了，运-20则还在逐步成熟阶段，像翼梢小翼或是机尾的腹鳍这些如果确实需要，也是可以后期再加装的，只能说不等运-20真正以完全之姿量产那一天，还是无法一窥它的全貌。
图7：运-20机翼上的6块扰流板已经收起，而滑退式三开缝襟翼已经全部收拢
图8：运-20上用的滑退式三开缝襟翼
三、货舱设计
一架运输机，它真正的价值还是要体现在它的运输能力上，而运输机货舱的设计，正是这里面重要的一环。假如货舱不够宽大，将很难装载大尺寸的作战装备，比如主战坦克、导弹发射车、舟桥设备、武装直升机等等，这对于运输机的战场定位也是一个关键性的指标。
美国的C-141就有一个另人失望透顶的货舱，其货舱尺寸为28.44m×3.11m×2.78m（C-141B型），虽然货舱有28.44米长，但是却只有3.11米宽，其宽度甚至还不如C-130，高度更是不足2.8米，基本上不能运载任何机械化装备，甚至因为货舱太小，常常货舱装满货物也达不到最大起飞重量。再加又不具备像C-130一样的野战起降能力，所以第一次海湾战争后就在美军全面退役了；俄罗斯伊尔-76也在货舱宽度上吃尽苦头，它跟C-141一样最开始是为了替代像安-12这样的战术运输机设计的，并没有过多考虑装载重型机械化设备的能力，其货舱尺寸为20.5m×3.45m×3.4m（不含货桥），虽然基本型有40吨的最大载荷，在重量上勉强可带一辆空车的T-72，但T-72有3.52米宽，已经超过了伊尔-76的3.45米的货舱地板宽度，要想上飞机，只有把坦克两侧的裙板拆掉，这时候T-72就只有3.38米宽了。根据印度陆军实际使用经验，这个时候T-72两边的履带距伊尔-76货舱壁勉强只有一只脚的宽度，也就是不到十厘米。
而与之形成对比的是C-17，它有一个令人生畏的货舱，其尺寸为20.8m×5.5m×4.5m（不含货桥），尤其是5.5米的货舱宽度，可以完全并排两辆8×8的重型卡车，几乎能运载美国陆军的所有装备。例如，可以运载一辆标准作战状态的M1A2主战坦克、两辆M2A3步兵战车、同时运载2架AH-64武装直升机和2架OH-58侦察直升机、能够并排18个2.7m×2.2m的货盘（货舱里14个，货桥上4个），甚至能装载一架CH-47支奴干直升机。巨大的货舱和强大的装载弹性是C-17的一个显著特点。
图9：C-141的货舱十分狭小，几乎不能运输任何机械化装备
图10：伊尔-76的货舱也是十分窘迫
图11：印度常用伊尔-76向克什米尔高原运送T-72，两侧的裙板已经被拆掉了
至于运-20，由于货舱尺寸并没有官方发布，我们只能进行一定程度的推理了。首先，对于陆军来说，重量最大的单件核心装备是主战坦克，重装机械化兵团能否实现快速部署，是否能空运主战坦克是一个核心指标，如果不具备空运主坦克的能力，那该机对陆军的意义将至少降低一半。运-20官方公布的最大载重是66吨，显然正是瞄准装载主战坦克这一目标来的。第二，还是要看它的货舱，运-20并没有公布它的货舱尺寸，我们仍然进行推理。首先，运-20使用了俄制D-30KP-2发动机，它的正面进气口直径是1455毫米，然后运-20的翼展是45米，这些尺寸我们是已知的。知道了这些尺寸，我们就不难推出运-20的机体宽度在5.6米至5.7米之间，这个宽度是新一代运输机为了保证起码的货舱宽度而必须要的，比如A-400的机体宽度是5.64米，安-70是5.6米，日本的XC-2是5.66米，而这三款运输机的货舱地板宽度都是4米左右，所以我们就不难得出结论，运-20的货舱地板宽度也是4米左右，由于使用了传统的外置中央翼盒，所以货舱高度也是可以保证的，至少可以在4米以上。运-20全机长47米，跟伊尔-76基本相当，所以它们的货舱长度也应该基本相当。这样我们就得到了运-20大概的货舱尺寸，其尺寸为：20m×4m×4m（不含货桥）。而根据官方公开报道，运-20的货舱容积为320立方米，恰好跟笔者推测的货舱尺寸互相印证。
从运-20的货舱尺寸来看，它并没有追求C-17那样的巨型货舱，这显然是为了控制机体规模和研制风险，当然，没有强劲的发动机也是一个重要原因，但是也没有像伊尔-76一样因为采用窄机体设计而过分的牺牲货舱的装载弹性。4米的货舱宽度应该说是完全够用的，比如“红旗-9”的泰安卡车底盘，最大宽度才2.8米；“03式火箭炮”、“东风-21”、“长剑-10”的万山卡车底盘，最大宽度才3.5米；“99式主战坦克”也才3.6米；“东风-31”的汉阳卡车底盘最大宽度也不过3.8米，运-20装载这些装备是完全没有问题的；而C-17超宽货舱的好处在于运载一般2.4米宽的重型卡车时，可以并排两辆，比如豪士科（oshkosh）公司的M977重型卡车，然后全机可以运载4辆。如果是运-20，则只能一前一后运载两辆。当然这涉及另一个问题，就是全机的最大载重，因为就算货舱放得下，飞机也不一定载得动。运-20由于在最大载重上不如C-17，所以在货舱尺寸上采取保守设计，也是情理之中的。
图12：C-17的巨大货舱，即使并排两辆8×8重型卡车也是绰绰有余。图上左侧是一辆2.2米宽的悍马军车，右侧是一辆2.4米宽的豪士科（oshkosh）公司M977重型卡车
图13：C-17货舱是标准的两车道，而且高度也大，装载能量十分强悍
图14：：并且C-17能执行多样化的运输任务，比如人员运输
图15：运-20的货舱，后一排虽然只站立了七名士兵，但从空间上看，完全可以站下第八名，以一个士兵0.5米的宽度计算，货舱完全达到了4米的宽度
图16：运-20的货舱，可以看到货舱内相当先进，此时为运送伞兵的隔舱双层状态
当然，货舱太宽也不全是好事，以C-17为例，货舱地板宽度达到了5.49米（18英尺），但美国陆军M1主战坦克宽度也不过才3.66米（12英尺），空余出来的空间完全是浪费。C-17在绝大多数的空运任务中，货物最大宽度不超过4米。过宽的货舱不但增加了额外的体积和重量、增加了飞行阻力、增加了油耗、还增加了生产商的成本。于是在2010年范保罗航展上，波音公司推出了改进型C-17FE，把货舱宽度大砍1.52米（5英尺），将货舱地板宽度修改为3.96米（13英尺），以提高航程和市场竞争力。据估算缩减货舱宽度的C-17FE，仍能完成99%的JFTL任务（Joint Future Theater Lift program）和80%的空运任务。
图17：波音推出的缩窄货舱版C-17FE，机身和机翼重新设计，并更换发动机
