大型軍用運輸機的設計要求

王皞天 2024年03月14日 07:00:00
A400M運輸機。(攝影師IG帳號dc_ah)

A400M運輸機。(攝影師IG帳號dc_ah)

大型軍用運輸機主要從事人員、傘兵、大型軍事裝備或後勤物資的快速長距離運輸,是一個國家中遠程、快速反應軍事力量投送的基礎。因此,大型軍用運輸機(包含近程的戰術運輸機與遠程的戰略運輸機)的設計要求,主要就是載運盡可能多的人員和貨物,飛盡可能遠的距離,並且要在跑道情況較差的前線機場起降。

 

就氣動外型而言,大型軍用運輸機和同為運輸類飛機的民航機,都有高展弦比機翼、後掠翼的設計,其外型比較大的差異,除了較大的機身以容納尺寸較大的軍用裝備外,就在其高單翼、下反角和T型尾翼的設計。

 

高單翼的設計,是為了讓吊掛於其下的發動機與地面有較高的距離,以避免在惡劣跑道起降時吸入異物。而飛機的機翼在產生升力的過程中,會將原本水平向後方流動的氣流向下偏折,為了避免水平尾翼剛好在機翼的尾流區,導致其所「看」到的氣流是被機翼向下偏折之後的下洗氣流,進而影響控制效果,採取高單翼設計的飛機(如軍用運輸機)通常會將水平尾翼裝至垂直尾翼上方,如此一來,水平尾翼和主翼就不會在同一平面上,而形成所謂的「T型尾翼」設計(同樣地,民航機的主翼和水平尾翼也不是在同一平面上的,採取低單翼設計的民航機,其水平尾翼通常安裝高度較高)。

 

至於下反角的設計,則是用於增加飛機在側向上(也就是滾轉的方向)的靈活性。大型軍用運輸機為了提高機翼的臨界馬赫數,讓其得以用更高的速度巡航(如C-17可以0.875馬赫巡航,IL-76的巡航速度也在0.8馬赫以上),都會採取後掠翼的設計;然而,後掠翼有增強飛機側向穩定性的效果,為了避免飛機的側向穩定性過度增強,導致飛機在機動時,需要更大的控制力矩,或者飛機姿態調整的速度過慢,大型軍用運輸機通常會採取下反角的設計,來降低飛機的側向穩定性、加強靈活性。

 

上反角和後掠翼的設計,能加強飛機在側向上的穩定性 。(圖片來源:作者繪製)

 

要了解為何下反角的設計能讓飛機的側向穩定性下降、靈活性上升,就必須先了解「上反角」和「後掠翼」是如何加強飛機側向穩定性的。

 

當飛機受到氣流擾動,或者舵面給予一滾轉力矩當作輸入訊號時,飛機會建立起一滾轉角。由於升力的作用方向是垂直於機翼的,所以在滾轉的那一刻,若不考慮襟翼的使用或推力的上升來增加總升力,此時升力的鉛錘分量會小於重力,而且還多出了一個側向的水平分量,導致飛機向斜下方側滑(如左上圖,淺藍色箭頭為側滑的速度向量V)。

 

當飛機側滑時,機翼與靜止的空氣,就會產生一股「側滑相對風」,對機翼來說,這股相對風的方向為「由外側吹向內側」(如右上圖上部最下方淺藍色箭頭)。又,這股側滑相對風,可以參照機翼的上反角,分成「垂直於機翼的氣流分量(右上圖較短的橘色箭頭Vsin(gamma))」和「平行於機翼的氣流分量(右上圖較長的紅色箭頭Vcos(gamma))」,前者和飛機向前飛行的相對風疊加(右上圖中部橘色區),以及後者和飛機向前飛行的相對風疊加(右上圖下部紅色區),都可以讓被下壓的那一側機翼產生更大的升力、被上抬的那一側機翼產生更小的升力(此圖未畫出,但道理相同),使得飛機產生一回復力矩,自動將姿態調整回來(下圖)。

 

具有後掠角、下反角、上單翼和T型尾翼設計的C-17 。(攝影師IG帳號dc_ah

 

大型軍用運輸機已有後掠角的設計,而後掠角已經會增加飛機的側向穩定性(利用圖中紅色箭頭的氣流速度向量),此時,就必須用和上反角「相反」的「下反角」設計,來降低穩定性、增加靈活性,「微調」飛機側向的系統動態特徵。

 

除了氣動外型之外,大型軍用運輸機還會採用渦輪螺旋槳發動機或高旁通比渦扇發動機(端看巡航速度的需求),來減少油耗、加強航程與續航力。其他設計還有較為低矮的的起落架,方便人員和貨物直接進出機艙,與為了增加戰場生存性(例如在起降階段或低空飛行時會受到肩射式防空飛彈的威脅)而加裝的紅外線警告器、紫外線警告器、熱焰彈、干擾絲,甚至各種干擾系統等。

 

※作者畢業於成功大學航空太空工程學系,著有《戰鬥機設計與運作原理》

 

 




 

 

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