“環球霸王”磨礪記（1）

22年意味著什么？一代人的時間？這對于一架軍用飛機又意味著什么？讓人難以想像的是，盡管已經服役了近22個年頭，可相對其同類，今天的C-17“環球霸王”Ⅲ仍然是一個完美的技術典范，一座難以超越的里程碑，一如其綽號那樣霸氣十足，絲毫未見“老態”。C-17剛一出現就憑借先進性能創造了許多世界航空記錄，她曾在1993—1994年在貨運類別中22次創造了爬高和速度記錄。2001年年底，C-17在美國愛德華茲空軍基地創造了13項航空新記錄（有待美國國家航空協會鑒定確認）。最近創造的記錄是：裝載1000～40000千克有效載荷達到最大高度；無有效載荷達到最大高度；裝載最大有效載荷飛到2000米；無有效載荷、穩定持久平飛達到最大高度。這樣一份“成績單”的“含金量”是可想而知的。以至于2014年珠海航展上，當嶄新的783號運-20原型機與那架風塵樸樸的C-17并肩而列時，人們的興趣情不自禁地聚焦在前者與后者的性能差距上；津津樂道于在前者身上能看到多少后者的影子……作為一個“后來者”，783號機的尷尬可想而知。

于是乎，一個問題就產生了——作為人類航空史上當之無愧的技術杰作（之一），C-17這個“環球霸王”究竟是怎樣煉成的？

從AMST說起

正如羅馬不是一天建成的，“環球霸王”Ⅲ的故事很有些綿長，要從冷戰中期的先進中型短距起落運輸機（Advanced Medium STOL Transport）計劃說起。作為“靈活反應”戰略的一部分，1962年，時任美國國防部長的麥克納馬拉做出了一項重大決策，開創了空中機動時代。他成立了一個由陸、空軍聯合編成的打擊司令部，將陸軍中機動能力最強的部隊（2個空降師）與戰術空軍司令部和軍事空運司令部合為一體。事實上，當冷戰以某種程度意外爆發時，戰術空運力量相當于北約軍隊的直接力量倍增器。這其中的原因在于，出于政治考慮，在北約的常規防御計劃中，將置不利的地理條件于不顧，而把東西德邊界作為主要防線，但這種戰略必然使得在西德的北約部隊無法打一場常規的持久戰。于是，能不能頂住紅色鐵流的最初沖擊，開戰之初的關鍵便在于戰區范圍內力量投送能力的強弱。在這個方針的指導下，1963年舉行的北約年度軍事演習中，特意包含了從美國調動預備役部隊，從英國和西班牙向德國前線增援現役部隊的大量科目。

然而，演習中駐歐空軍戰術空運力量不足的問題被大量暴露出來，技術裝備在性能上的短板更成為廣受指責的對像。當時，美國戰術空運力量的中堅是C-130“大力神”運輸機。這是一型極為成功的戰術運輸機，受德國突擊運輸機思想影響，其起降能力十分強悍，在設計時便考慮到了能夠在野戰土質跑道上起落，必要時甚至可在前線直接強行機降。但由于螺旋槳發動機推進效率不如渦扇噴氣發動機，C-130仍被認為難以滿足現在的軍事需求。美國空軍意識到 C-130 在速度、航程和載重上的局限，希望用噴氣式中型戰術運輸機取代，這便是先進中型短距起落運輸機（Advanced Medium STOL Transport）計劃的由來，其目標是研制C-130的換代型號。

經過幾年的醞釀， AMST計劃于1968年年初被美國空軍（USAF）正式提出。但隨著1969年1月20日，美國新當選總統理查德·尼克松在天氣陰沉、寒風襲人的氣氛下進入白宮，美國軍工系統的冬天來到了。新任總統上臺伊始，面臨著許多難題。但是，最使他感到棘手的問題是面對蘇聯爭霸世界的挑戰，如何從侵越戰爭的泥淖中拔出腿來。尼克松認為美國再也不能像過去那樣，充當反對共產主義的國際憲兵，而必須采取戰略收縮政策。尼克松責令國防部長萊爾德整頓國防采購系統。于是，包括AMST在內的一大批軍工項目被要求重新評估其必要性，有一些項目干脆便被砍掉了。雖然AMST幸運地逃脫了慘遭裁撤的命運，但受此拖延直到1972年，有關AMST的招標書（也稱提案企劃書/意見請求書/建議書邀請函，Request for Proposal，既RFP ）才在千呼萬喚中款款而出。

在關于AMST的這份RFP中，對新型戰術運輸機的具體要求是：在作戰半徑達400海里、攜帶27000磅（12000千克）有效載荷的狀況下，該機應能從長度約2000英尺（610米）的半永備野戰跑道起飛（作為對比，在同等載荷條件下，C-130的起降距離約4000英尺，相當于AMST的一倍，USAF的苛刻可見一般）。盡管從RFP的內容來看，AMST決不是個好接的活計，然而自信有這個金剛鉆的人卻大有人在——包括波音、貝爾、洛克希德、麥克唐納·道格拉斯以及通用的康維爾航空系統分公司5家公司提交了初步方案。經過一番篩選，只有波音與麥道的方案脫穎而出，獲準進入競爭的第二階段……不過話題說到這里，很多人可能已經感到一頭霧水了。正如運-20與運-9在角色、定位乃至體型上的差異，AMST的產物充其量只是新一代的“大力神”，這與后來的“環球霸王”Ⅲ又有什么關系？跑題了么？當然沒有！正是在新一代“大力神”的軀殼中，孕育出了后來的“環球霸王”！

C-17的直系鼻祖

20世紀60年代，時任美國國防部長羅伯特·麥克納馬拉（Robert MacNamara）奉行“一攬子采購”（Total Procurement Package）指導思想，即一種飛機甚至在首架原型機試飛之前，就已經被批準投產，更不用進行設計方案的競爭性試飛。這導致了洛克希德 C-5A“銀河”和通用動力 F-111 等頗具爭議的飛機的產生——這兩種飛機的研制都遇到了耗資巨大、曠日持久等問題，而且一再地要求追加經費。而此時的國防部副部長戴維·A·帕卡德（David A. Packard）堅決主張恢復原型機競爭的做法，認為這是遏止新型武器系統費用持續上漲的出路所在。而根據新的原型機競爭的指導思想，空軍部長羅伯特·C·西曼斯（Robert C. Seamans）制定了一系列基本原則，以限制對每個新型武器項目的初始投入，并將初始性能指標和軍用設計說明書都保持在較低的水平。于是，在1972年11月10日開始的第二階段競爭中，波音與麥道分別獲得了500萬美元研究經費，用于各自制造兩架原型機，以供軍方進行評估。波音原型機獲得了YC-14的試驗型號，麥道原型機則為YC-15 ，而后者正是C-17的直系祖先。

AMST計劃的關鍵在于，如何在提升航程和運力的同時，獲得更好的野戰起降性能。如果說，前者能夠通過發動機技術的進步輕松實現，那么后者考驗的則是設計的功底，對新技術的領悟和掌握，而這正是YC-14與YC-15比拼的焦點所在。眾所周知，前沿野戰機場一般都很簡陋，跑道長度既短且窄，道面平整度不好，有時甚至直接在“相對較為平坦”的草地、凍土地或沙石地面上稍加平整作為跑道，道面上遍布砂石等雜物是很常見的事。大型運輸機的起飛和著陸重量大，所以滑跑距離往往都比較長。若想要在這樣條件惡劣的前沿野戰機場起降，首先要解決的就是大幅度提升飛機的升道力系數，再加上諸如反推力裝置等技術措施來達到縮短起降距離的目的。但是，傳統的前緣襟翼、開縫式襟翼等氣動力增升技術提升飛機升力系數能力有限，根本不可能滿足以AMST如此之大的起飛/著陸重量為前提條件的短距起降要求。除非另辟蹊徑，在增升效果更顯著的動力增升技術上下功夫，才有可能使得魚與熊掌二者兼得（動力增升技術是指讓發動機噴流或螺旋槳后的滑流流過機翼，利用偏轉后緣襟翼的方法使高速氣流向下偏折，從而增大機翼升力。這種增升方法雖然是通過機翼實現的，但實質上是發動機的推力轉向，從而得到附加升力）。在這方面，波音和麥道各顯其能。不過，相比于技術上過份花哨的波音方案，麥道AMST方案的設計理念更偏向于保守而務實——這一點在YC-15所采用的動力增升技術上體現得尤為明顯。

YC-15的動力增升手段同屬外吹襟翼增升范疇，與YC-14最大的差異在于，不像后者那樣用渦扇發動機拼命地“往機翼上表面吹”，而是“往機翼的下表面吹”。其基本原理是發動機噴流沿著機翼前緣下表面吹向雙縫襟翼，再由雙縫襟翼的引流作用將噴流引向一個較大的下偏角度，從而達到提高升力系數來縮短起降距離的效果。也有人將YC-15采用的這種外吹襟翼增升技術相應地稱為“下表面吹氣增升技術”（說白了，其實就是拿發動機噴管直接對著特大號襟翼猛吹一通）。按照設計要求，在應用了“下表面吹氣增升技術”后，YC-15應當在裝載50名士兵或 15噸貨物的情況下，仍然能夠輕松地在572米長的跑道上從容起降。當然客觀地講，盡管同樣是對邊界層吸附效應的應用（邊界層吸附效應是指如果流動平順的流體經過具有一定彎度的凸表面的時候，有向凸表面吸附的趨向），由于效率高低的關系，YC-14的“上表面吹氣增升技術”與YC-15的“下表面吹氣增升技術”在STOL性能上還是有分別的。

如果單從風洞測試數據來看，前者的STOL性能要優于后者約15%左右。然而紙面數據并不能說明問題的全部。無論是“上表面吹氣增升技術”還是“下表面吹氣增升技術”，由于翼面和襟翼要承受高溫、高壓發動機噴流沖刷，所以對機翼結構材料耐高溫沖蝕的要求十分苛刻。對此，受時代技術條件限制，唯一的解決辦法只能是用鈦合金材料制造機翼的耐沖蝕部位，但付出的代價則是大大增加生產成本并使制造工藝復雜化。相對而言，YC-15的“下表面吹氣增升技術”只是在襟翼放下時才會受到發動機噴流的沖刷，而YC-14所采用的“上表面吹氣技術”，不論是在起降階段還是在平飛階段，發動機的噴流始終都從機翼的上面表吹過，所以發動機噴流沖蝕的問題更嚴重。從這一點來看，YC-15的機翼受發動機高溫噴流的沖蝕情況要好于YC-14。但既便如此，當時麥道公司為了控制成本，曾經企圖使用鋁合金制造YC-15的襟翼，然而卻始終無法規避高溫尾氣沖刷下襟翼結構強度及壽命等的一系列問題，最后不得不仍舊改為鈦合金來制造才滿足了要求（僅此一項，就使麥道付出了很大的代價才得以解決，YC-14的情況也就可想而知了）。我們從所應用的“下表面吹氣增升技術”可以看出，YC-15所走的技術路線是較為保守的——為了有效控制成本和技術風險，寧可在部分性能上作出一定的妥協，以圖獲得最佳的性價比優勢。

另一方面，雖然AMST的目標是C-130級別的戰術運輸機，但相對于安-24之類的戰術運輸機，AMST顯然在起飛重量上都要高出一個級別，屬于大型飛機范疇，選擇大推力發動機當屬必然。因為動力增升技術其實就是讓發動機的噴流（螺旋槳發動機則是滑流）流過機翼，利用后緣襟翼的引流偏轉使高速氣流向下偏折，從而增大升力。這種增升方法實質上是發動機的推力轉向，增升能力雖然遠高于氣動力增升方式，但因此也會損失一定的推力。所以，采用這種技術的運輸機推重比要遠遠高于普通運輸機才行，對發動機提出了更高的要求。YC-14和YC-15的推重比就達到0.4～0.6，比當時普通的軍用運輸機高出0.5～1倍。然而，由于發動機推力是與噴流對機翼及襟翼的沖刷、燒蝕程度呈正比的。所以，在對待這個問題上，麥道表現出了與波音完全不同的行事風格。

對于這個問題，從某種意義上來講，波音工程師的思維多少有些直線性——既然強調STOL，那便采用在性能上效果最佳的USB技術；既然需要高推重比，那就直接裝2臺技術最先進、推力最大的CFD6-50D渦扇引擎；既然發動機噴流沖蝕問題嚴重，那就多用鈦合金。這樣設計出的YC-14固然在先進性與性能上令人側目，然而造價與技術風險方面卻成了一塊短板。相比之下，對于取舍之道，麥道工程師們則要精明得多。從一開始，他們便沒有將目光盯在CFD6-50D這樣的大推王身上，而是非常務實的選擇了4具單臺推力只及CFD6-50D 1/3的普惠JT8D-17渦輪風扇發動機（CFD6-50D推力226千牛，JT8D-17推力71千牛）。如此選擇的用意其實非常明顯：一方面，JT8D-17在技術上較CFD6-50D更為成熟，而且同級別推力的類似型號選擇較多，具備一定的可替代性，整個項目不至因引擎問題而被拖后腿；另一方面，裝有4臺JT8D-17的YC-15在安全性上無論如何也要好于只裝有2臺CFD6-50D的YC-14，這一點對一架軍用運輸機而言可謂甚為重要（從YC-14兩個發動機短艙間的間距來看，雙發的YC-14對發動機可靠性問題并非完全沒有考慮）。更何況，從設計角度來看，由于單臺推力較小，JT8D-17的噴流溫度與CFD6-50D差距較大，再加上由于采用的是“下表面吹氣增升技術”，整個只有襟翼會受到高溫氣流最嚴重的沖蝕，所以YC-15機翼結構壽命要大大優于競爭對手YC-14，相應的可出勤率也必然更加出色。綜上幾點，我們可以看出，YC-15這種看似保守的設計風格，實則掩蓋著一種令人值得深深品味的睿智，后來C-17的成功便根植于此。

值得一提的是，由于設計理念的差異，單就增升技術手段而言，麥道的YC-15與波音的YC-14可謂各有千秋。不過在某些方面，雙方的觀點還是有趨于一致的地方，YC-15的超臨界機翼（supercritical airfoil）便是如此。同“下表面吹氣增升”技術一樣，超臨界機翼技術在當時屬于不折不扣的前沿技術，都是伴隨著噴氣動力大轉型而來的時代產物。自從人類一腳踏入噴氣時代以來，飛行速度的紀錄被不斷改寫，到了70年代，3馬赫乃至更高的馬赫數對人類而言已經不是夢想而是唾手可得的現實。不過，對于軍用運輸機而言，雖然飛行速度的提高同樣是令人期盼的，但受時代技術條件限制，人類還沒有能力研制出在油耗水平上與螺旋槳動力相持平的渦噴/渦扇動力，所以大型運輸機的速度也并非是越快越好——在確保經濟性（續航能力）的前提下，飛行馬赫數不宜超過臨界馬赫數（一般來講，當飛行速度足夠高時（約相當于馬赫數0.85～0.9），翼型上表面的局部流速可達到音速，這時的飛行馬赫數稱為臨界馬赫數）。因此，衡量一架亞音速軍用運輸機的常規飛行性能，很重要的一條指標就是其臨界馬赫數。而要推遲臨界馬赫數（也就是提高臨界馬赫數），辦法無非就是減小機翼厚度或采用大角度后掠翼。可惜的是，這兩個辦法都會增加結構重量，而且低速氣動性能不佳，所以對大型運輸機而言并不可取。

為了解決這個矛盾，NASA蘭利研究中心的R·T·惠特科姆于 1967年提出了一種被稱為“超臨界機翼”的翼型構想，以提高機翼的臨界馬赫數，使機翼在高亞音速時阻力急劇增大的現象推遲發生。其特點是前緣較普通翼型鈍圓，上表面平坦，下表面接近后緣處有反凹，后緣薄，而且向下彎曲。由于超臨界翼型的前緣鈍圓，氣流繞流時速度增加較少，平坦的上表面又使局部流速變化不大，因此只有在飛行馬赫數較高時，上表面局部氣流才達到音速，從而達到提高臨界馬赫數的目的。此外，采用超臨界機翼不但可以推遲臨界馬赫數，而且還不必付出增加機翼重量的代價。如果帶后掠翼的高亞音速飛機改用超臨界機翼，在保持飛行速度不變的情況下，可以在機翼厚度不變時改用平直機翼，這樣就可減輕機翼重量，同時改善機翼的低速氣動特性。如維持后掠角不變而采用厚機翼，同樣可降低機翼重量，還可增加機翼內的容積，用以放置燃油或其他設備。R·T·惠特科姆的“超臨界機翼”的翼型構想一經推出，馬上在航空界引起了巨大反響，后來廣泛地應用到具體型號中，如A320、A330/340，B767等。NASA甚至專門將1架F-8A改為了TF-8A超臨界機翼技術驗證機。

1970年1月， NASA在為1架狀態良好的量產型F-8A“十字軍戰士”換裝了超臨界機翼后，以TF-8A SCW超臨界機翼先進技術試驗機的名義投入了試飛，改裝耗資約180萬美元（1969年幣值）。機翼由羅克韋爾國際公司北美航空系統分部制造，1969年交付NASA，1970年1月開始整機組裝。作為該項目的兩個關鍵人物，NASA首席工程師約翰·麥克蒂格（John McTigue）與試飛員湯姆·摩瑞（Tom Murtry）付出了大量心血。從1970年3月9日首飛到1973年5月23日完成最后一次飛行測試，TF-8A項目共持續了3年，獲得了大量的一手珍貴數據，為超臨界機翼技術的實用化奠定了堅實的基礎。在拿到TF-8A的試飛數據后，麥道很快便決定要做“第一個敢吃螃蟹者”，將TF-8A的試驗成果應用到在自己的AMST方案中。風洞測試表明，相對于普通翼型，YC-15超臨界機翼的耐波阻性能提高了30%。至此，麥道確定了“下表面吹氣增升襟翼”+4發翼下吊艙式渦扇引擎+超臨界機翼的YC-15設計方案中，我們其實已經能夠從中清晰看到日后“環球霸王”Ⅲ的影子了。

YC-15技術特點概覽

與YC-14相比，YC-15的整體布局似乎較為“平庸”，但“平庸”有時也意味著經典。就整體而言， YC-15采用上單翼、高平尾、機腹多輪起落架和翼下四發布局。上單翼有利于保證翼下發動機的離地凈空，避免在粗糙跑道上起飛、降落時地面揚起的砂石損壞發動機；多輪起落架是降低對野戰機場跑道壓力所必需的，也有利于降低機艙地板高度和尾門-裝卸跳板的角度，便利快速裝卸和車輛駛入駛出；高平尾降低平尾下洗氣流對機尾空投的影響；四發則保證強勁動力，有利于縮短起飛距離，或者在敵人火力下空投完成后迅速加速爬升離開，并增加抗戰損能力。

另外，美國空軍啟動AMST項目來代替C-130的初衷，除了強烈期盼更加出色的野戰起降性能外，對后者所采用的螺旋槳動力推進效率不滿也是一個很重要的因素。因此，從一開始麥道便確定自己的AMST方案要采用噴氣動力實際上具有雙重考慮：一方面，螺旋槳動力的推力矢量比較“散”，利用附面層吸附效應的上表面吹氣增升技術很難在螺旋槳飛機上實現（除非要利用異常巨大的襟翼以及翼尖包圍的垂板來加以實現），必須要采用噴氣動力才能發揮出“下表面吹氣增升”技術的最大效率。這也是為什么，利用附面層吸附效應進行增升這個非常具有吸引力的設想，遲遲在人類進入噴氣時代后，最終才在兩個AMST方案上得以真正實用化的原因。另一方面，噴氣動力也能夠實現比螺旋槳動力更高的推進效率。盡管，C-130各型裝備的T56系列渦輪螺槳發動機單臺功率高達4050～4900軸馬力（約3017～3487千瓦），然而當速度達到800千米/時后，由于螺旋槳始終在高速旋轉，槳尖部分實際上已接近了音速，這種跨音速流場的直接后果就是螺旋槳的效率急劇下降，推力大幅下滑，飛行速度已經達到了極限。而且這種極限與發動機功率強大與否無關，只與螺旋槳動力本身的原理限制有關，要進一步提高飛行性能，唯一的出路只能是噴氣動力。

讓我們再看YC-15的技術細節。YC-15機體結構69.3%是鋁合金，12.3%為合金鋼，10.3%是欽合金，其余的8.1%則是復合材料。操縱面、起落架護板、整流片和整流罩等均采用先進的復合材料制造。懸臂式上單翼后掠角25°，采用超臨界翼型，由破損安全盒形結構由多梁和機加擠壓蒙皮壁板組成。而且特別值得一提的是，機翼蒙皮采用長度為21.33米長壁板制成，這是70年代美國所能生產的最大鋁合金飛機部件。20%翼展處翼型為NACA0021（修形），48.2%和65%處則為NACA0052（修形）。1/4弦線后掠角25°，下反角5°30′，翼根安裝角3°30′。靜平衡鋁合金副翼。襟翼前面有簡單鉸接的鈦合金擾流片，無配平調整片，副翼和后緣襟翼由液壓伺服作動器驅動。4臺普惠JTSD-17渦輪風扇發動機短艙以懸吊式掛架掛于機翼的前下方，每具掛架由數件鑄鋁螺樁結構與機翼相搭接，使外掛載和機翼間有連續的負載路徑，其短艙幾乎完全伸出在機翼的前面，這使尾噴口能夠緊靠機翼前緣的下側。由于掛架和發動機很靠近，在基于嚴酷的強度及溫度條件考慮下，掛架主要由鈦合金材料制造。

YC-15的發動機短艙由鋁合金、鈦合金、碳環氧樹脂和碳聚酰亞等復合材料構件構成。采用破損安全技術的發動機安裝掛架有一個可互換的工藝接頭，它位于機翼前緣前方，其作用就是當拆卸發動機掛架時不會影響掛架與機翼的連接。掛架包皮由耐熱的鈦合金材料制成，掛架下梁及其兩側壁板構成第一塊防火壁。發動機短艙掛架與機翼通過鍛造鋁合金構件相連，這個連接件與掛架結合的部位是第二塊防火壁。通過精巧設計，YC-15的發動機擁有很強的抗戰損能力。而且為了保證飛行安全，麥道公司特別對發動機進行了多次抗鳥撞試驗。YC-15的機翼增升裝置包括全翼展的前緣縫翼和占翼展2/3的雙縫吹氣襟翼，襟翼可以放置在任一中間位置以便優化飛行狀態。當然，由于該雙縫襟翼偏轉后距地面較近，無論飛機在機場或砂石路面起降，都會將雨水或地面積水等卷到襟翼上，對結構產生嚴重的化學腐蝕。再加上由于要求能在未鋪設的野戰機場起降，襟翼結構還必須承受起降時氣流卷起的砂石撞擊。另外，動力增升技術在襟翼和機翼結構上處理不當，還會產生比較嚴重的顫振，對結構強度的要求很高。所以，對于YC-15的襟翼無論是結構還是材料以及加工工藝等方面，都有比較高的要求。

（未完待續）

（編輯/一翔）