超越"大力神"：空客A400M运输机（二）

技术解析

为了满足欧洲各国对A400M军用运输机提出的一系列要求，设计人员不仅对总体布局、货舱结构和装卸系统等方面进行了精心设计，前瞻性地采用“宽体化”设计，增加了货舱容积和装载效能，并改善了结构坚固性、任务适应性和短距起落性能，还采用了空客民用客机的电传操纵系统和驾驶舱设计。

总体布局 A400M采用悬臂式上单冀和T形尾翼式的常规气动布局，机冀采用超临界翼型设计，后掠角为18°机翼下装有4台功率达11000轴马力的TP400-D6涡轮螺旋桨发动机，这是西方目前功率最大的涡轮螺旋桨发动机。每侧机翼的两副螺旋桨旋转方向相反，既可以抵消螺旋桨转动产生的扭矩，又改善了螺旋桨滑流对机翼升力分布的影响，增加了机翼升力系数。凭借优秀的气动设计和功率强大的发动机，A400M的巡航速度高达0.68～0.72马赫，与装用涡扇发动机的大型运输机相比也不遑多让。为了适应在野战机场起降，A400M采用承载力强的多轮式前三点起落架。前起落架为并列双轮，主起落架为串列式6轮，左右共12个轮子，宽达6.2米的主轮距和低压轮胎有利于飞机在前沿野战简易跑道上起降和转向。

货舱 军用运输机的最主要用途就是执行空运任务，投送运载各种军事装备和人员。从这个意义上来说，军用运输机就是围绕着货舱来进行设计的。为满足欧洲各国针对可装运大型武器装备这一“重点要求”，A400M的机身／货舱结构设计与C-130、安-12等传统的战术运输机有很大不同。过去受材料和设计制造水平所限，军用运输机的机身／货舱横截面形状一般多以圆形为主，虽然在设计和制造工艺上难度较低，但货舱内空间的利用率不高，特别是在装载大尺寸货物时货舱的两侧浪费空间很多。稍后面世的一些大型运输机为了提高运送兵员的效能，进行机身／货舱结构设计时在圆型机身横截面的基础上作以改良，派生出双泡形。这样就可设计成双层货舱地板，或是可以加装一层地板隔为双层舱。如伊尔-76的货舱尺寸是20米×3.45米×3.4米（长×宽×高），单层货舱时可运载145名全副武装的士兵，或125名伞兵。当加装双层舱板后可运载225名全副武装的士兵，上层乘载80人，下层乘载145人。而以运载大型装备为主要任务目的的C-5A“银河”战略运输机和安-124战略运输机，针对重型装备装载问题在设计上作了进一步“变通”，机身横截面设计成上面窄下面宽、底部扁平的“梨型”，这样可以降低货舱地板高度、增加货舱宽度，以便于大尺寸重型装备的装卸。从最初的圆型到后来的双泡型和梨型，虽然各国的设计师不断进行设计优化，但始终都是基于对圆型机身横截面进行改良，货舱空间利用率不高的问题仍未能得到根本解决。

货舱尺寸按地板宽度要求设计以后，机身截面面积有较大的浪费，在阻力上需要付出可观的代价，重量上多余尺寸部分虽然是死重，但是在当时的条件下比针对应力集中的加强还是相对可以接受。而A400M的货舱横截面形状与以往的各种战术运输机不同，其机身结构经过计算机仿真模拟分析后，设计为顶部圆型，两侧微弧而圆角过渡到平直底边的横截面形状，货舱则为四角修圆的近似方型横截面形状。这样可在最小机身尺寸／结构重量的前提下，尽可能地加宽和加高货舱横截面尺寸，以获得最大的货舱空间利用率和大型装备装载能力。采用较方横截面形状设计的另一大好处，就是因为机身底部扁平，所以货舱地板离地高度可以大幅度降低。在装卸小件散货时，放平尾部大货舱门兼货桥，就正好可以与运送物资的卡车对接，直接利用货桥和货舱地板上的传送带、滚棒和机内吊运装置更快速的完成装卸。而在装卸大型车辆时，因为货舱地板离地高度低，再加上主起落架具有“下蹲”功能，可以进一步降低货舱地板高度，所以货桥放下后的坡度就很小，这对于大件货物的装卸特别有利。

虽然将机身设计成近似于方型横截面形状能在货舱空间利用率上获得最大化的益处，但是其也存在一个严重的问题―机身应力都集中在底部两侧的角上，这在结构强度设计上是个很大的难题。空客设计师们针对这一难题，在机身载荷较大的部位采用高强度钛合金来设计加工零部件，并利用计算机仿真模拟分析，对两个角修圆以减轻应力集中，针对应力传递方向优化设计加强结构。经过优化设计的A400M具有不低于30000小时的服役寿命，在装载37吨货物时过载限制为2.25g，在装载31.5吨货物时过载可达2.5g，并有很高的结构损伤容限。

A400M的货舱长度为23.2米（含货桥），货舱高度为3.85米，货舱地板宽度为4米，货舱容积达356立方米，比C-130J的货舱容积还要高出两倍。A400M的“宽体化”货舱甚至比C-141运输机的货舱宽度和高度还要大得多，并且机翼的中央翼盒避开了货舱，从机身上部穿过，不会占用货舱内部高度。为便于大型装备的装卸和空投，A400M的尾部明显上翘，并采用两扇货舱门，前货舱门放下后作为装卸货桥。货桥长5.4米、宽4米，可在货桥上堆放6吨重的货物，后货舱门向内向上打开。在侧舷突出部的后端装有两个液压操纵的支撑设备，以防止装运重型货物时飞机“后翻”。除机尾的大货舱门外，A400M机身上另有四个门，每侧两个。前机身两个门左边是机组乘员登机门，右边是应急出口，机翼后的两个侧门可用于空降伞兵。在驾驶舱和货舱的顶部还布置了3个应急出口，并可作为通往机翼上翼面的检修通道。

“宽体化”的货舱设计使A400M的装载能力非常出色，根据不同的任务需要，货舱内部只需要一人就能在很短时间内就完成改装，安排最佳的货物装运固定方案。在运载大型装备时，货舱内可以前后串列安放2架“阿帕奇”或1架“超美洲豹”直升机，装运装甲车辆等装备时可以装运1门M109A6自行榴弹炮或装运3辆M113装甲输送车；运送兵员时可乘载120名全副武装的士兵或伞兵，此时座椅为四排纵向排列，靠货舱壁的两排座椅通过绞链安装在舱壁上并且可以折叠收起来，中间的两排座椅可完全拆除；装运集装箱时可运载9个2.235×2.743米的标准集装箱，或以货盘在中间、人员靠舱壁乘坐的布局混合装运9个货盘和57名兵员。在执行战场救护任务时，该机可同时运送66副担架和10名医务人员。此外，机上还留了一块地方作为特殊医务处理用的幕帘区，可作为机上临时手术间。在货舱内，除设有一个固定的洗手池外，还设有两个固定的遮蔽式小便池，可谓是“人性化”方面考虑得非常周到。

在A400M货舱地板上布置有系留环、导轨和滚棒系统等机内自装卸设备，这些设备一直延伸到尾门货桥上，在不需要时可以把滚棒／系留环系统隐藏在货舱地板下，并可选装用于3.175米宽民用标准货盘的滚棒／系留环系统；在货舱的前端，飞机中线地板下的位置配有一台重型绞盘，用于牵引重型物资的装载。特别值得一提的是，在A400M机身后部装有一台最大起吊重量为5吨的起重机，其滑轨一直延伸到尾货舱外机尾处，能够直接从地面或从各种高度的卡车上吊装所有军用货盘和散装货物，货运员利用一个手持式遥控装置即可操纵这台重机。目前，只有A400M才具备这种不依靠外部保障机械设备既可装运货舱外货物的能力。

为了提高装运效能，A400M配备一有“自主式货舱操作系统”。该系统具有很高的自动化程度，可以精确测量出飞机在装卸载荷时所引起的重心变化，在地面装卸阶段就自动计算并在货运员工作站的显示器上标出最佳装载位置。“自主式货舱操作系统”与货舱内装卸系统相结合，在完全无机场保障设备的前提下只由一名货运员就能高效完成所有货物的装卸，而无须地面人员协助。在世界各国所有型号的运输机中，只有A400M和美国C-17才配备有这种高度自动化的货舱载荷管理系统。

机翼／尾翼 在A400M运输机上，复合材料占结构重量的比例达35％～40%,特别是机翼，碳纤维复合材料占机翼结构重量比例高达85%，开创了使用复合材料为主要材料制造大型运输机机翼的先例。采用碳纤维制造的机翼，重量是同等强度铝合金机冀的75％至80%，并且不会产生金属疲劳，先进复合材料的广泛应用对于减轻结构重量相当有利。在A400M的复合材料设计和制造中，广泛采用了计算机辅助设计软件，如土耳其航空航天工业公司就使用美国维斯特吉公司的Fiber SIM软件来进行设计。土耳其航空肮天工业公司作为空客A400M项日的签约合作方，在CATIAV 5CAD模拟环境中利用该软件为A400M运输机设计了副翼及扰流片等气动控制面。

A400M的机翼除前缘、前后缘支承结构及铰链采用铝合金外，其气动舵面、机冀蒙皮、桁条以及中央翼盒与外城盒接头的某些部件也均为复合材料。但为了确保强度安全，A400M机翼与机身的接头采用钛合金制造并用螺栓以双钩环固定，以保证在断裂时有双余度保险。该机冀蒙皮与加强筋组成一体固定在碳纤维复合材料翼梁上，翼肋仍采用铝合金制造。因为其主要受压应力，此时用复合材料与用铝合金并无大的不同。除机翼外，A400M的尾部货舱门、起落架舱门、整流罩以及螺旋桨也采用高强度复合材料来制造。目前，空客公司正在进行一项更为“大胆”的重要计划―研制全碳纤维复合材料机翼，并已制造出6.2米的翼盒验证件。

为了获得0.72马赫高速巡航飞行时的气动性能并兼顾好低速性能和操纵性，A400M的机翼并没有采用以往战术运输机常用的平直机翼，而是设计了为适合高亚音速飞行的超临界翼形后掠机冀，机翼后掠15°，并有4°下反角。在A400M机翼的内部布置有7个油箱，总共可容纳640000升燃油；在每侧机翼上有一块外侧副翼、四块用于滚转操纵和减速的扰流片和两个双缝襟翼，这些气动舵面也均为复合材料制造。在外翼下方设有4个武器挂架，可用于挂装电子对抗吊舱或其他装备。

除大容量的机冀油箱外，A400M也可以通过固定在机头上方的受油管来进行空中加油。根据飞行任务的性质不同，这根受油管可以很方便地拆下或重新安装。值得一提的是，A400M飞行速度从最小的240公里／时到0.72马赫的最大巡航速度，所覆盖的飞行速度范围很大，因此改装为空中加油机后既可以为直升机进行空中加油，又可以为战斗机进行空中加油。目前除该机和安-70外，其他任何一种运输机改装为加油机后都做不到这一点。与C-130、伊尔-76等运输机改装成加油机就必须回厂大改不同，A400M只需要利用简单的外场工具，在两个小时内就可以把两个软管加油吊舱装配到机翼的多功能连接点上，并在货舱内装上一套中轴线货盘固定式软管加油装置。为了加大供油量，还可以在货舱内加装一个容量为13吨的附加油箱。

A400M运输机尾翼为高置丁型尾翼布局。由于A400M的发动机采用翼下吊挂安装，后机身的气流受到螺旋桨或其他结构的干扰，如果尾翼采用常规布局则无法满足对平尾结构气动效率的要求。而采用T型尾翼，水平尾翼处于机翼气流波动范围之外，高平尾在飞行状态时受机翼下洗流的影响最小，动压损失也最小，垂尾展弦比和根梢比也比较小，大大改善了水平尾翼的气动效率。另外，因为水平尾翼高置于垂直尾翼梢部，既可起到垂直尾翼端板的作用，减少垂直尾翼面积，又因为垂直尾翼的后掠可使水平尾翼获得较长的力臂，降低平尾面积。这样既降低了阻力，又减轻了结构重量，还能减少在地面装卸大型货物和装甲车辆时平尾被碰伤，或螺旋桨刮起的地面异物对水平尾翼造成损坏的可能性。

与常规布局相比，高置丁型尾翼结构设计有其明显优势，但是其力臂较长，所以要求垂尾结构具有较大的扭转刚度。为了保证足够的结构刚度，A400M的T型尾翼设计为加强结构，并大量采用复合材料，碳纤维复合材料占结构重量比例高达97％～98％。垂尾主要由一个三粱主盒段、一个可拆卸的前缘、后缘隔板和一块方向舵组成，垂直尾翼的根部与后机身上一个机械加工的平直翼面连接。除了垂尾前缘和铰链，所有这些结构部件主要由复合材料制造。垂尾前缘是金属／复合材料的复合型部件，可改善抗冲击和防腐蚀性能，在垂尾翼尖装有预警保障措施短舱。方向舵是带铝合金铰链连接肋的碳纤维加强型结构，由两台液压伺服作动筒和一台电动马达驱动。A400M的垂尾面积较大，有着非常不错的航向稳定性。水平尾翼为铝合金中央结构翼盒和两个复合材料的外侧盒段结构，中央盒段为水平尾翼与垂直安定面的连接提供安装固定结构。水平尾翼两侧各有一块升降舵，其主结构也采用了碳纤维复合材料。

发动机 在A400M发动机选型的最初阶段，有多家发动机厂商向空客军用飞机公司送交标书，其中有斯奈克玛、MTU和菲亚特联合研制的以M88-2发动机为基础发展而来的M138涡轮螺旋桨发动机；BMW和罗尔斯·罗伊斯以BR-715为基础发展而来的涡桨发动机；加拿大普拉特·惠特尼公司以PW800涡扇发动机为基础发展而来的PW180涡轮螺旋桨发动机。

从发动机需要的数量来看，仅由发起国订购的180架A400M就需要750多台发动机，按空客公司的市场分析，其销售量远不止于此，实际上发动机的总需求量要大得多，这个大订单谁看着都眼馋。面对来自全球最著名的发动机厂商之——普拉特·惠特尼的竞争压力，2000年9月，斯奈克玛、罗尔斯·罗伊斯、MTU和菲亚特四家公司签署了合作协议，充分利用各自参加竞争的发动机方案和现有技术，共同出资组建欧洲国际涡轮螺桨发动机股份有限公司（EPI），推出为A400M运输机新设计的TP400-D6涡轮螺旋桨发动机方案。斯奈克玛公司总裁兼总席执行官琼-保罗·贝查特公开发表声明，说这将是欧洲的发动机用于欧洲自己的飞机，他们很难相信和接受A400M会装用非欧洲的发动机。普拉特，惠特尼也不甘示弱地表示，如果空客选用PW180的话，该发动机将以高度欧洲化的方式进行研制、生产和实施后勤保障，以示拿下这块“大蛋糕”的决心。2003年5月，空客军用飞机公司最终选择下TP400-D6作为A400M的发动机，罗尔斯·罗伊斯公司负责最后的总装。

TP400-D6为三轴设计，其输出功率高达11000轴马力，是迄今为止西方国家制造的功率最大涡桨发动机。它以法国“阵风”战斗机的M88-2发动机核心机为基础，采用BR700-TP方案的进气口、三级低压涡轮和减速齿轮箱，瑞达700涡扇发动机缩小比例的五级低压压气机、中压涡轮等单元组合而成，并增加了一个中压压气机。总体来看，凭借斯奈克玛、罗尔斯·罗伊斯、MTU和菲亚特这四家公司在航空涡轮发动机领域雄厚的实力，TP400-D6采用现有发动机各单元体来进行优化组合的设计是一种可行性很高的方案，而且比最初供候选的M138发动机方案有更大的功率提升潜力、更高的燃油效率和更好的可靠性。