KM重型地效飞行器主要技术特征
从绘图板上看,这是一架机长100m、起飞重量约490吨的庞然大物(也是人类有史以来最大最重的动力飞行器),其布局之怪异,堪称令人过目难忘。就第一印象而言,KM似乎是一架拥有巨型机体的小展弦比短翼怪物,机体与机翼之间的比例相差悬殊到为之捏着一把汗,令人非常怀疑该机是否拥有足够的升空能力。同时,这架怪异的巨型航空器不仅过低的展弦比令人诧异,其布局也是反传统的——除了短小的机翼与高大的T型尾外,位于机首驾驶舱两侧的短翼使KM形成了非常别致的三翼面布局。更不寻常的是,在这对短翼上密密麻麻地排列了6个涡轮喷气发动机短舱。事实上,如此布局的用意大有讲究。在重达400多吨的地效怪物能够升到地效区高度,被厚厚的一层空气气垫托起稳稳当当进行巡航飞行之前,无论是起飞还是在地效过渡区高度,由于翼展有限产生的压差升力不足,单靠发动机推力很难让如此沉重的机体离开水面或者是进一步爬升,要解决这一问题,就需要在增升方面多做文章。
从技术角度来讲,飞行器的增升技术分为非动力式机械增升与动力增升两大类型。其中,由于非动力式机械增升装置的工作原理实际上就是利用机械装置使机翼前、后缘部分分别伸展并向下偏转,前、后缘襟翼的伸长增大了机翼面积,并增加了机翼剖面弯度,因此可增大机翼的升力,这便使其在理论上受限于3.5~4.0的极限最大升力系数,很难再有提高。相比之下,动力增升技术的升力效能则几乎是“无穷没有上限”的。所谓动力增升,是指利用动力装置的能量和推力矢量来大幅度增加飞机升力的各种技术手段,其构型选择与应用主要取决于飞机任务使命,特别是短距起降能力和小速度使用要求。考虑到KM的吨位级别及其作为大型地效平台的实际用途,阿列克谢耶夫决定在KM上采用相对简单的外吹式增升装置构型设计——也就是直接利用发动机排气,喷向偏转的襟翼,实现动力增升(由于外吹式襟翼直接利用发动机排气,无需从发动机压气机引气,也无需相应的管道布置,较之于内吹式襟翼和其他动力增升技术简单实用)。不过,根据发动机位置,喷口在机翼上表面或是在下表面,外吹式增升装置构型设计又可分为上吹式和下吹式两种(也就是上表面吹气襟翼技术与下表面吹气襟翼技术)。其中,下吹式构型与正常式布局相比,除发动机位置更靠近机翼外,没有明显差别,对高速巡航构型影响不大。因此,下吹式动力增升技术自然成为大型军用运输机增升装置的最佳选择。
利用现代计算机技术绘制的下表面吹气襟翼技术温度分布模型。
然而,KM是一架具有水上起降能力的地效飞行器,海水对发动机的冲刷及腐蚀是必须要考虑的问题,这个大前提决定了需要将发动机短舱置于翼下的下吹式襟翼增升方案无法应用于其上,发动机位置远离海面的上表面吹气襟翼增升方案似乎是KM的唯一选择。上表面吹气襟翼增升方案实际上是康达效应(即附面层吸附效应)的一种工程实现,一般来说,也就是将发动机置于机翼前缘上方,高动量的发动机喷流直接吹在因襟翼放下而弯曲度大增的机翼上表面,以加速上翼面的气流流速,这样当机翼后缘襟偏转时,附面层吸附效应不但使气流发生偏转,而且还会诱导周围的气流,从而产生增升效果。从理论上讲,这种动力增升技术不但具有纯机械式襟翼装置不可比拟的增升效能,而且在增升效率上也要高于下吹式襟翼增升。但遗憾的是,世界上其实并不存在“完美”的事情。要将上表面吹气襟翼技术应用于KM,一个头疼的工程技术瓶颈令人无法回避——如果按照将发动机短舱置于机翼前缘上方的常规设计,在起飞着陆状态中,不但襟翼始终处于高温、高能排气流的环境中工作,而且机翼的全部上表面蒙皮也要时刻处于喷气发动机高温喷流的冲刷下,热蚀情况十分严重。KM原型机计划采用的VD-7涡轮喷气发动机主喷流温度高达600℃,外涵排气温度也有上百度,主喷流高温虽经与外涵排气以及环境大气的混合,使发动机喷口下游的速度和温度快速下降,但襟翼区与机翼上表面仍将经受200~300℃的高温。再考虑到KM重达400多吨的起飞重量至少要以6台以上的VD-7涡轮喷气发动机才能托离水面(VD-7涡喷发动机也被用于米亚-4/M-50重型轰炸机),这使KM的整个机翼乃至相当一部分机体的基本结构材料不能用铝合金,而必须用能耐高温的钛合金,同时襟翼的操纵机构也不能直接处于发动机排气流中,原因同样是由于这些机构不可能经受超过100℃的温度。可想而知,即便是不考虑工程实现问题,光是钛合金机体的造价就会令人望而却步,从而使这种巨型近地飞行器失去了最吸引人的一个闪光点。
有人说“压力是产生创造力的必然环境”,此语不谬,阿列克谢耶夫在这方面显示出了惊人的创造性天赋。事实上,虽然发动机短舱位置和喷流方位是动力增升构型设计中最关键的参数,但从上表面吹气襟翼技术的具体工程实现角度考虑,将发动机短舱置于机翼前缘上方的教科书式的方法当然不是KM项目的最好选择。理论上,发动机短舱对高速巡航性能和增升都有明显影响,短舱上下位置在避免巡航状态喷流直接冲刷襟翼的前提下应尽量靠近机翼,为了实现在很小的襟翼偏角时发动机喷流都可以穿过襟翼,其吊挂位置不但要靠近机翼,而且要稍稍向机翼前缘伸出(发动机出口向前移,有利于减小巡航时短舱干扰阻力,同时减少短距起降时短舱的干扰影响。短舱展向位置对动力升力影响不大,发动机后移则对升力增大不利。利用偏转喷管改变喷流方位能够达到很好的效果)。不过,这并不等于说就一定要将发动机短舱置于机翼前缘——阿列克谢耶夫对此领悟得非常透彻。于是我们看到了KM怪异的三翼面布局——位于机首驾驶舱两侧的独立发动机短翼,不但其位置要高于后面的升力机翼,使6台VD-7涡轮喷气发动机的喷流能够有效吹拂在机翼上表面蒙皮(发动机尾喷口被向下偏转),同时前后翼之间也拉开了足够的距离,从而又巧妙地减轻了发动机高温喷流对机翼结构的烧蚀问题。
如果从俯拍的角度观察KM原型机,我们会发现美国人为该机起的绰号“里海怪物”的确恰到好处。该机修长的船型机体底部按两舱破损不沉设计,共10个水密舱。
“堆满”发动机短舱的前翼是人们对KM的第一直观印象。为了托起550吨的最大起飞重量,并让这个庞然大物在水面上飞奔,阿列克谢耶夫在KM的动力增升方面付出了大量心血。
同时我们也应该看到,航空器设计是牵一发而动全身的工程,对增升方案构型这样的考虑,也就可以解释KM大身小翼的布局设计为何看起来如此“怪异”。首先,动力增升机翼的几何参数选择和气动力设计应与发动机布置很好地匹配,以兼顾起飞和高速巡航,因此,KM采用了小展弦比平直翼以减轻结构重量,简化结构,增加内部燃油储备能力,并减少随燃油消耗而引起的重心移动量。其次,为降低巡航阻力,KM后机身外形也采用了尽量减小上翘角的纺锤型设计,同时这种设计也能提供长的尾力臂,有利于飞机配平和操纵。其高置的T型水平尾翼(有15°上反角)设计不但可减少机翼高升力时强下洗气流的不利影响,而且还可利用大弦长、双铰链方向舵来平衡小速压的情况下发生故障时产生的推力偏航力矩。
KM原型机后机身。
KM原型机发动机喷口部分特写。
由于是人类航空史上首次设计建造的巨型地效飞行器,因此有关KM的一切几乎都是在摸索中进行。其中,专门的地效过渡区操纵、控制装置是其他类型飞行器所没有的,阿列克谢耶夫为此付出了大量心血。
首先,对KM这种巨型地效飞行平台而言,对高度控制方面的要求较之普通固定翼飞机更为严格一些——这种飞行器只能在地效区范围内的低空飞行,飞高了会脱离地效区导致失速坠落,但飞得过低又会使飞行器在地效过渡区苦苦挣扎乃至触海,为此,阿列克谢耶夫专门设计了一种自动高度控制装置,包括在航行中始终与水面接触的传感器,它将水面和机身之间的距离数据传至运载工具的操纵系统,机械地连接传感器和运载工具以及连接装置,通过操纵系统控制的升降舵按照传感器发出的距离数据工作,使运载工具在保持水面、机身之间距离恒定的条件下飞行。传感器可设在水面上的漂浮体内,而机械连接装置可以是伸缩臂或可反卷金属线。
从机尾角度俯拍的KM前机身全景——主翼结构与“堆满”发动机短舱的前翼清晰可见。KM的升力襟翼用两套四联杆机构操纵,开始放下襟翼并逐步偏转。两段襟翼分开后几乎是等弦长。同时在襟翼前部的扰流板随襟翼的运动而向下偏转,使前段襟翼与扰流板后缘之间形成有效缝道,便于发动机喷流流到襟翼上表面。
另一方面,风洞实验得出数据,显示高压气垫虽然存在,但是其对地面/水面的主要作用为扰乱翼尖涡流。如果没有翼尖涡流,机翼的攻角能变得更为接近理论水平,从而使地效飞行器更有效率。因此,作为巨型动力增升型地效飞行器,KM的地效过渡区操纵装置主要包括可对襟翼和导流片同时驱动的液压系统和可操纵、监控和协调液压系统工作的控制电路构成,也就是液压源、协调控制装置和执行机构:液压源——用于向执行机构提供压力油,包括油箱、电动液压泵和稳压、安全装置,所述稳压、安全装置主要有蓄压器、充气阀、缓冲阀和安全阀;协调控制装置——可协调控制襟翼与导流片的同时驱动,包括襟翼与导流片之间的协调装置、襟翼协调装置和导流片协调装置,襟翼协调装置和导流片协调装置分别设有可调节同步驱左、右襟翼和左、右导流片的限流阀,在上述襟翼、导流片协调装置与襟翼协调装置和导流片协调装置之间分别设有液压油锁;执行机构——可实现襟翼和导流片偏转动作的执行,包括襟翼作动机构、导流片作动机构,所述襟翼和导流片作动机构分别设有左、右襟翼收放作动筒和左、右导流片收放作动筒,在作动筒内设有可分别与左、右襟翼和左、右导流片相驱接的活塞杆。
常言道:“细节决定成败。”正是从这些技术细节上,使我们不难对KM得出一个直观的整体印象——这是一架苏联造船技术与航空技术结合而成的杰出成就,也是人类有史以来最伟大的工业成就之一。