“环球霸王”磨砺记（1）

22年意味着什么？一代人的时间？这对于一架军用飞机又意味着什么？让人难以想像的是，尽管已经服役了近22个年头，可相对其同类，今天的C-17“环球霸王”Ⅲ仍然是一个完美的技术典范，一座难以超越的里程碑，一如其绰号那样霸气十足，丝毫未见“老态”。C-17刚一出现就凭借先进性能创造了许多世界航空记录，她曾在1993—1994年在货运类别中22次创造了爬高和速度记录。2001年年底，C-17在美国爱德华兹空军基地创造了13项航空新记录（有待美国国家航空协会鉴定确认）。最近创造的记录是：装载1000～40000千克有效载荷达到最大高度；无有效载荷达到最大高度；装载最大有效载荷飞到2000米；无有效载荷、稳定持久平飞达到最大高度。这样一份“成绩单”的“含金量”是可想而知的。以至于2014年珠海航展上，当崭新的783号运-20原型机与那架风尘朴朴的C-17并肩而列时，人们的兴趣情不自禁地聚焦在前者与后者的性能差距上；津津乐道于在前者身上能看到多少后者的影子……作为一个“后来者”，783号机的尴尬可想而知。

于是乎，一个问题就产生了——作为人类航空史上当之无愧的技术杰作（之一），C-17这个“环球霸王”究竟是怎样炼成的？

从AMST说起

正如罗马不是一天建成的，“环球霸王”Ⅲ的故事很有些绵长，要从冷战中期的先进中型短距起落运输机（Advanced Medium STOL Transport）计划说起。作为“灵活反应”战略的一部分，1962年，时任美国国防部长的麦克纳马拉做出了一项重大决策，开创了空中机动时代。他成立了一个由陆、空军联合编成的打击司令部，将陆军中机动能力最强的部队（2个空降师）与战术空军司令部和军事空运司令部合为一体。事实上，当冷战以某种程度意外爆发时，战术空运力量相当于北约军队的直接力量倍增器。这其中的原因在于，出于政治考虑，在北约的常规防御计划中，将置不利的地理条件于不顾，而把东西德边界作为主要防线，但这种战略必然使得在西德的北约部队无法打一场常规的持久战。于是，能不能顶住红色铁流的最初冲击，开战之初的关键便在于战区范围内力量投送能力的强弱。在这个方针的指导下，1963年举行的北约年度军事演习中，特意包含了从美国调动预备役部队，从英国和西班牙向德国前线增援现役部队的大量科目。

然而，演习中驻欧空军战术空运力量不足的问题被大量暴露出来，技术装备在性能上的短板更成为广受指责的对像。当时，美国战术空运力量的中坚是C-130“大力神”运输机。这是一型极为成功的战术运输机，受德国突击运输机思想影响，其起降能力十分强悍，在设计时便考虑到了能够在野战土质跑道上起落，必要时甚至可在前线直接强行机降。但由于螺旋桨发动机推进效率不如涡扇喷气发动机，C-130仍被认为难以满足现在的军事需求。美国空军意识到 C-130 在速度、航程和载重上的局限，希望用喷气式中型战术运输机取代，这便是先进中型短距起落运输机（Advanced Medium STOL Transport）计划的由来，其目标是研制C-130的换代型号。

经过几年的酝酿， AMST计划于1968年年初被美国空军（USAF）正式提出。但随着1969年1月20日，美国新当选总统理查德·尼克松在天气阴沉、寒风袭人的气氛下进入白宫，美国军工系统的冬天来到了。新任总统上台伊始，面临着许多难题。但是，最使他感到棘手的问题是面对苏联争霸世界的挑战，如何从侵越战争的泥淖中拔出腿来。尼克松认为美国再也不能像过去那样，充当反对共产主义的国际宪兵，而必须采取战略收缩政策。尼克松责令国防部长莱尔德整顿国防采购系统。于是，包括AMST在内的一大批军工项目被要求重新评估其必要性，有一些项目干脆便被砍掉了。虽然AMST幸运地逃脱了惨遭裁撤的命运，但受此拖延直到1972年，有关AMST的招标书（也称提案企划书/意见请求书/建议书邀请函，Request for Proposal，既RFP ）才在千呼万唤中款款而出。

在关于AMST的这份RFP中，对新型战术运输机的具体要求是：在作战半径达400海里、携带27000磅（12000千克）有效载荷的状况下，该机应能从长度约2000英尺（610米）的半永备野战跑道起飞（作为对比，在同等载荷条件下，C-130的起降距离约4000英尺，相当于AMST的一倍，USAF的苛刻可见一般）。尽管从RFP的内容来看，AMST决不是个好接的活计，然而自信有这个金刚钻的人却大有人在——包括波音、贝尔、洛克希德、麦克唐纳·道格拉斯以及通用的康维尔航空系统分公司5家公司提交了初步方案。经过一番筛选，只有波音与麦道的方案脱颖而出，获准进入竞争的第二阶段……不过话题说到这里，很多人可能已经感到一头雾水了。正如运-20与运-9在角色、定位乃至体型上的差异，AMST的产物充其量只是新一代的“大力神”，这与后来的“环球霸王”Ⅲ又有什么关系？跑题了么？当然没有！正是在新一代“大力神”的躯壳中，孕育出了后来的“环球霸王”！

C-17的直系鼻祖

20世纪60年代，时任美国国防部长罗伯特·麦克纳马拉（Robert MacNamara）奉行“一揽子采购”（Total Procurement Package）指导思想，即一种飞机甚至在首架原型机试飞之前，就已经被批准投产，更不用进行设计方案的竞争性试飞。这导致了洛克希德 C-5A“银河”和通用动力 F-111 等颇具争议的飞机的产生——这两种飞机的研制都遇到了耗资巨大、旷日持久等问题，而且一再地要求追加经费。而此时的国防部副部长戴维·A·帕卡德（David A. Packard）坚决主张恢复原型机竞争的做法，认为这是遏止新型武器系统费用持续上涨的出路所在。而根据新的原型机竞争的指导思想，空军部长罗伯特·C·西曼斯（Robert C. Seamans）制定了一系列基本原则，以限制对每个新型武器项目的初始投入，并将初始性能指标和军用设计说明书都保持在较低的水平。于是，在1972年11月10日开始的第二阶段竞争中，波音与麦道分别获得了500万美元研究经费，用于各自制造两架原型机，以供军方进行评估。波音原型机获得了YC-14的试验型号，麦道原型机则为YC-15 ，而后者正是C-17的直系祖先。

AMST计划的关键在于，如何在提升航程和运力的同时，获得更好的野战起降性能。如果说，前者能够通过发动机技术的进步轻松实现，那么后者考验的则是设计的功底，对新技术的领悟和掌握，而这正是YC-14与YC-15比拼的焦点所在。众所周知，前沿野战机场一般都很简陋，跑道长度既短且窄，道面平整度不好，有时甚至直接在“相对较为平坦”的草地、冻土地或沙石地面上稍加平整作为跑道，道面上遍布砂石等杂物是很常见的事。大型运输机的起飞和着陆重量大，所以滑跑距离往往都比较长。若想要在这样条件恶劣的前沿野战机场起降，首先要解决的就是大幅度提升飞机的升道力系数，再加上诸如反推力装置等技术措施来达到缩短起降距离的目的。但是，传统的前缘襟翼、开缝式襟翼等气动力增升技术提升飞机升力系数能力有限，根本不可能满足以AMST如此之大的起飞/着陆重量为前提条件的短距起降要求。除非另辟蹊径，在增升效果更显著的动力增升技术上下功夫，才有可能使得鱼与熊掌二者兼得（动力增升技术是指让发动机喷流或螺旋桨后的滑流流过机翼，利用偏转后缘襟翼的方法使高速气流向下偏折，从而增大机翼升力。这种增升方法虽然是通过机翼实现的，但实质上是发动机的推力转向，从而得到附加升力）。在这方面，波音和麦道各显其能。不过，相比于技术上过份花哨的波音方案，麦道AMST方案的设计理念更偏向于保守而务实——这一点在YC-15所采用的动力增升技术上体现得尤为明显。

YC-15的动力增升手段同属外吹襟翼增升范畴，与YC-14最大的差异在于，不像后者那样用涡扇发动机拼命地“往机翼上表面吹”，而是“往机翼的下表面吹”。其基本原理是发动机喷流沿着机翼前缘下表面吹向双缝襟翼，再由双缝襟翼的引流作用将喷流引向一个较大的下偏角度，从而达到提高升力系数来缩短起降距离的效果。也有人将YC-15采用的这种外吹襟翼增升技术相应地称为“下表面吹气增升技术”（说白了，其实就是拿发动机喷管直接对着特大号襟翼猛吹一通）。按照设计要求，在应用了“下表面吹气增升技术”后，YC-15应当在装载50名士兵或 15吨货物的情况下，仍然能够轻松地在572米长的跑道上从容起降。当然客观地讲，尽管同样是对边界层吸附效应的应用（边界层吸附效应是指如果流动平顺的流体经过具有一定弯度的凸表面的时候，有向凸表面吸附的趋向），由于效率高低的关系，YC-14的“上表面吹气增升技术”与YC-15的“下表面吹气增升技术”在STOL性能上还是有分别的。

如果单从风洞测试数据来看，前者的STOL性能要优于后者约15%左右。然而纸面数据并不能说明问题的全部。无论是“上表面吹气增升技术”还是“下表面吹气增升技术”，由于翼面和襟翼要承受高温、高压发动机喷流冲刷，所以对机翼结构材料耐高温冲蚀的要求十分苛刻。对此，受时代技术条件限制，唯一的解决办法只能是用钛合金材料制造机翼的耐冲蚀部位，但付出的代价则是大大增加生产成本并使制造工艺复杂化。相对而言，YC-15的“下表面吹气增升技术”只是在襟翼放下时才会受到发动机喷流的冲刷，而YC-14所采用的“上表面吹气技术”，不论是在起降阶段还是在平飞阶段，发动机的喷流始终都从机翼的上面表吹过，所以发动机喷流冲蚀的问题更严重。从这一点来看，YC-15的机翼受发动机高温喷流的冲蚀情况要好于YC-14。但既便如此，当时麦道公司为了控制成本，曾经企图使用铝合金制造YC-15的襟翼，然而却始终无法规避高温尾气冲刷下襟翼结构强度及寿命等的一系列问题，最后不得不仍旧改为钛合金来制造才满足了要求（仅此一项，就使麦道付出了很大的代价才得以解决，YC-14的情况也就可想而知了）。我们从所应用的“下表面吹气增升技术”可以看出，YC-15所走的技术路线是较为保守的——为了有效控制成本和技术风险，宁可在部分性能上作出一定的妥协，以图获得最佳的性价比优势。

另一方面，虽然AMST的目标是C-130级别的战术运输机，但相对于安-24之类的战术运输机，AMST显然在起飞重量上都要高出一个级别，属于大型飞机范畴，选择大推力发动机当属必然。因为动力增升技术其实就是让发动机的喷流（螺旋桨发动机则是滑流）流过机翼，利用后缘襟翼的引流偏转使高速气流向下偏折，从而增大升力。这种增升方法实质上是发动机的推力转向，增升能力虽然远高于气动力增升方式，但因此也会损失一定的推力。所以，采用这种技术的运输机推重比要远远高于普通运输机才行，对发动机提出了更高的要求。YC-14和YC-15的推重比就达到0.4～0.6，比当时普通的军用运输机高出0.5～1倍。然而，由于发动机推力是与喷流对机翼及襟翼的冲刷、烧蚀程度呈正比的。所以，在对待这个问题上，麦道表现出了与波音完全不同的行事风格。

对于这个问题，从某种意义上来讲，波音工程师的思维多少有些直线性——既然强调STOL，那便采用在性能上效果最佳的USB技术；既然需要高推重比，那就直接装2台技术最先进、推力最大的CFD6-50D涡扇引擎；既然发动机喷流冲蚀问题严重，那就多用钛合金。这样设计出的YC-14固然在先进性与性能上令人侧目，然而造价与技术风险方面却成了一块短板。相比之下，对于取舍之道，麦道工程师们则要精明得多。从一开始，他们便没有将目光盯在CFD6-50D这样的大推王身上，而是非常务实的选择了4具单台推力只及CFD6-50D 1/3的普惠JT8D-17涡轮风扇发动机（CFD6-50D推力226千牛，JT8D-17推力71千牛）。如此选择的用意其实非常明显：一方面，JT8D-17在技术上较CFD6-50D更为成熟，而且同级别推力的类似型号选择较多，具备一定的可替代性，整个项目不至因引擎问题而被拖后腿；另一方面，装有4台JT8D-17的YC-15在安全性上无论如何也要好于只装有2台CFD6-50D的YC-14，这一点对一架军用运输机而言可谓甚为重要（从YC-14两个发动机短舱间的间距来看，双发的YC-14对发动机可靠性问题并非完全没有考虑）。更何况，从设计角度来看，由于单台推力较小，JT8D-17的喷流温度与CFD6-50D差距较大，再加上由于采用的是“下表面吹气增升技术”，整个只有襟翼会受到高温气流最严重的冲蚀，所以YC-15机翼结构寿命要大大优于竞争对手YC-14，相应的可出勤率也必然更加出色。综上几点，我们可以看出，YC-15这种看似保守的设计风格，实则掩盖着一种令人值得深深品味的睿智，后来C-17的成功便根植于此。

值得一提的是，由于设计理念的差异，单就增升技术手段而言，麦道的YC-15与波音的YC-14可谓各有千秋。不过在某些方面，双方的观点还是有趋于一致的地方，YC-15的超临界机翼（supercritical airfoil）便是如此。同“下表面吹气增升”技术一样，超临界机翼技术在当时属于不折不扣的前沿技术，都是伴随着喷气动力大转型而来的时代产物。自从人类一脚踏入喷气时代以来，飞行速度的纪录被不断改写，到了70年代，3马赫乃至更高的马赫数对人类而言已经不是梦想而是唾手可得的现实。不过，对于军用运输机而言，虽然飞行速度的提高同样是令人期盼的，但受时代技术条件限制，人类还没有能力研制出在油耗水平上与螺旋桨动力相持平的涡喷/涡扇动力，所以大型运输机的速度也并非是越快越好——在确保经济性（续航能力）的前提下，飞行马赫数不宜超过临界马赫数（一般来讲，当飞行速度足够高时（约相当于马赫数0.85～0.9），翼型上表面的局部流速可达到音速，这时的飞行马赫数称为临界马赫数）。因此，衡量一架亚音速军用运输机的常规飞行性能，很重要的一条指标就是其临界马赫数。而要推迟临界马赫数（也就是提高临界马赫数），办法无非就是减小机翼厚度或采用大角度后掠翼。可惜的是，这两个办法都会增加结构重量，而且低速气动性能不佳，所以对大型运输机而言并不可取。

为了解决这个矛盾，NASA兰利研究中心的R·T·惠特科姆于 1967年提出了一种被称为“超临界机翼”的翼型构想，以提高机翼的临界马赫数，使机翼在高亚音速时阻力急剧增大的现象推迟发生。其特点是前缘较普通翼型钝圆，上表面平坦，下表面接近后缘处有反凹，后缘薄，而且向下弯曲。由于超临界翼型的前缘钝圆，气流绕流时速度增加较少，平坦的上表面又使局部流速变化不大，因此只有在飞行马赫数较高时，上表面局部气流才达到音速，从而达到提高临界马赫数的目的。此外，采用超临界机翼不但可以推迟临界马赫数，而且还不必付出增加机翼重量的代价。如果带后掠翼的高亚音速飞机改用超临界机翼，在保持飞行速度不变的情况下，可以在机翼厚度不变时改用平直机翼，这样就可减轻机翼重量，同时改善机翼的低速气动特性。如维持后掠角不变而采用厚机翼，同样可降低机翼重量，还可增加机翼内的容积，用以放置燃油或其他设备。R·T·惠特科姆的“超临界机翼”的翼型构想一经推出，马上在航空界引起了巨大反响，后来广泛地应用到具体型号中，如A320、A330/340，B767等。NASA甚至专门将1架F-8A改为了TF-8A超临界机翼技术验证机。

1970年1月， NASA在为1架状态良好的量产型F-8A“十字军战士”换装了超临界机翼后，以TF-8A SCW超临界机翼先进技术试验机的名义投入了试飞，改装耗资约180万美元（1969年币值）。机翼由罗克韦尔国际公司北美航空系统分部制造，1969年交付NASA，1970年1月开始整机组装。作为该项目的两个关键人物，NASA首席工程师约翰·麦克蒂格（John McTigue）与试飞员汤姆·摩瑞（Tom Murtry）付出了大量心血。从1970年3月9日首飞到1973年5月23日完成最后一次飞行测试，TF-8A项目共持续了3年，获得了大量的一手珍贵数据，为超临界机翼技术的实用化奠定了坚实的基础。在拿到TF-8A的试飞数据后，麦道很快便决定要做“第一个敢吃螃蟹者”，将TF-8A的试验成果应用到在自己的AMST方案中。风洞测试表明，相对于普通翼型，YC-15超临界机翼的耐波阻性能提高了30%。至此，麦道确定了“下表面吹气增升襟翼”+4发翼下吊舱式涡扇引擎+超临界机翼的YC-15设计方案中，我们其实已经能够从中清晰看到日后“环球霸王”Ⅲ的影子了。

YC-15技术特点概览

与YC-14相比，YC-15的整体布局似乎较为“平庸”，但“平庸”有时也意味着经典。就整体而言， YC-15采用上单翼、高平尾、机腹多轮起落架和翼下四发布局。上单翼有利于保证翼下发动机的离地净空，避免在粗糙跑道上起飞、降落时地面扬起的砂石损坏发动机；多轮起落架是降低对野战机场跑道压力所必需的，也有利于降低机舱地板高度和尾门-装卸跳板的角度，便利快速装卸和车辆驶入驶出；高平尾降低平尾下洗气流对机尾空投的影响；四发则保证强劲动力，有利于缩短起飞距离，或者在敌人火力下空投完成后迅速加速爬升离开，并增加抗战损能力。

另外，美国空军启动AMST项目来代替C-130的初衷，除了强烈期盼更加出色的野战起降性能外，对后者所采用的螺旋桨动力推进效率不满也是一个很重要的因素。因此，从一开始麦道便确定自己的AMST方案要采用喷气动力实际上具有双重考虑：一方面，螺旋桨动力的推力矢量比较“散”，利用附面层吸附效应的上表面吹气增升技术很难在螺旋桨飞机上实现（除非要利用异常巨大的襟翼以及翼尖包围的垂板来加以实现），必须要采用喷气动力才能发挥出“下表面吹气增升”技术的最大效率。这也是为什么，利用附面层吸附效应进行增升这个非常具有吸引力的设想，迟迟在人类进入喷气时代后，最终才在两个AMST方案上得以真正实用化的原因。另一方面，喷气动力也能够实现比螺旋桨动力更高的推进效率。尽管，C-130各型装备的T56系列涡轮螺桨发动机单台功率高达4050～4900轴马力（约3017～3487千瓦），然而当速度达到800千米/时后，由于螺旋桨始终在高速旋转，桨尖部分实际上已接近了音速，这种跨音速流场的直接后果就是螺旋桨的效率急剧下降，推力大幅下滑，飞行速度已经达到了极限。而且这种极限与发动机功率强大与否无关，只与螺旋桨动力本身的原理限制有关，要进一步提高飞行性能，唯一的出路只能是喷气动力。

让我们再看YC-15的技术细节。YC-15机体结构69.3%是铝合金，12.3%为合金钢，10.3%是钦合金，其余的8.1%则是复合材料。操纵面、起落架护板、整流片和整流罩等均采用先进的复合材料制造。悬臂式上单翼后掠角25°，采用超临界翼型，由破损安全盒形结构由多梁和机加挤压蒙皮壁板组成。而且特别值得一提的是，机翼蒙皮采用长度为21.33米长壁板制成，这是70年代美国所能生产的最大铝合金飞机部件。20%翼展处翼型为NACA0021（修形），48.2%和65%处则为NACA0052（修形）。1/4弦线后掠角25°，下反角5°30′，翼根安装角3°30′。静平衡铝合金副翼。襟翼前面有简单铰接的钛合金扰流片，无配平调整片，副翼和后缘襟翼由液压伺服作动器驱动。4台普惠JTSD-17涡轮风扇发动机短舱以悬吊式挂架挂于机翼的前下方，每具挂架由数件铸铝螺桩结构与机翼相搭接，使外挂载和机翼间有连续的负载路径，其短舱几乎完全伸出在机翼的前面，这使尾喷口能够紧靠机翼前缘的下侧。由于挂架和发动机很靠近，在基于严酷的强度及温度条件考虑下，挂架主要由钛合金材料制造。

YC-15的发动机短舱由铝合金、钛合金、碳环氧树脂和碳聚酰亚等复合材料构件构成。采用破损安全技术的发动机安装挂架有一个可互换的工艺接头，它位于机翼前缘前方，其作用就是当拆卸发动机挂架时不会影响挂架与机翼的连接。挂架包皮由耐热的钛合金材料制成，挂架下梁及其两侧壁板构成第一块防火壁。发动机短舱挂架与机翼通过锻造铝合金构件相连，这个连接件与挂架结合的部位是第二块防火壁。通过精巧设计，YC-15的发动机拥有很强的抗战损能力。而且为了保证飞行安全，麦道公司特别对发动机进行了多次抗鸟撞试验。YC-15的机翼增升装置包括全翼展的前缘缝翼和占翼展2/3的双缝吹气襟翼，襟翼可以放置在任一中间位置以便优化飞行状态。当然，由于该双缝襟翼偏转后距地面较近，无论飞机在机场或砂石路面起降，都会将雨水或地面积水等卷到襟翼上，对结构产生严重的化学腐蚀。再加上由于要求能在未铺设的野战机场起降，襟翼结构还必须承受起降时气流卷起的砂石撞击。另外，动力增升技术在襟翼和机翼结构上处理不当，还会产生比较严重的颤振，对结构强度的要求很高。所以，对于YC-15的襟翼无论是结构还是材料以及加工工艺等方面，都有比较高的要求。

（未完待续）

（编辑/一翔）