A400M,一只“灰熊”的故事

几十年来,欧洲各国的工业界相互间一直在寻求合作,因为由多国联合制造的产品比由单独国家制造的更具竞争力,在航空航天领域尤其如此。如今,空中客车集团已经能够与美国航空航天业巨擘波音公司相抗衡了。

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C-160“协同”运输机

六十多年前,法国和德国聚在一起组建了一家名为运输机联盟的公司(Transport Allianz),开始研制一种全新的欧洲通用运输飞机,于是C-160“协同”就诞生了。在“协同”原型机首飞50年后,两国又决定为该机研制一种后继机,导致了空客军机公司A400M“灰熊”战略运输机的问世。与“协同”可怜的出口成绩相比(土耳其和南非分别购买了20架和9架),A400M的销售前景似乎更光明,当时预计项目规模可达400架,并且未来还将销售出更多数量。

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A400M“灰熊”

起源

A400M的历史可以追溯到1982年,当时几家欧洲航空航天公司和美国洛克希德·马丁公司联合组建了未来国际军用运输机(FIMA)集团,合作研制C-160“协同”和C-130“大力神”的后继机。两年后洛克希德退出了项目,独自研制C-130J。而更多欧洲国家陆续参与进来,到2003年,比利时、法国、德国、意大利、卢森堡、西班牙、土耳其和英国已同意共采购212架飞机。这些国家集体要求联合军备合作组织(OCCAR)来管理项目。

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A400M的早期涡扇方案,就像是一架是缩小的C-17

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A400M的早期涡桨方案

OCCAR是法国、德国、意大利和英国的国防部长在1996年11月12日成立的一个合作组织,负责实施并监督欧盟成员国合作研发的军事项目。对于A400M项目来说,这就意味着由OCCAR从空客军机公司购买174架A400M然后再交付给客户。

长期以来,A400M在机身、发动机和其他系统的研发上遭遇严重的成本超支和延误问题,一度要彻底压垮项目。空中客车公司在项目早期同意以固定价格出售飞机,但这一战略后来被空客CEO托马斯·恩德斯承认是完全错误的。他在2010年1月接受BBC采访时说:“我们在六到七年前签订合同时犯了一个大错误,我们无法完成这种不盈利的飞机。”他威胁说如果欧洲各国政府再不注资,他就考虑结束这个项目。

财务问题最终得到解决,2010年11月,各合作国家同意向空客提供额外的15亿欧元资金,并承诺订购170架飞机。马来西亚在此后又订购了4架A400M,使订单总量确保为174架。目前的订单是德国53架、法国50架、西班牙27架、英国22架、土耳其10架、比利时7架、卢森堡1架、马来西亚4架。

西班牙已宣布将出售自己订单中的13架飞机,预计法国和德国预计也将减少采购数量,虽然不会对OCCAR与空客军机间签订的合同产生重大影响,但可能会导致一个意想不到的后果:在未来几年的市场中可能会出现价格大幅跳水的全新A400M!

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A400M最终设计的概念图

创新技术

作为一个合作项目,每个利益相关方都需要在制造飞机的工作份额中获得投资回报。A400M的制造沿用了经过考验的空客客机分工模式,合作国家的企业各自负责制造特定组件,然后运到西班牙塞维利亚-圣巴勃罗机场的总装线进行装配。

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西班牙塞维利亚的总装线

但塞维利亚总装线的工作份额只占总量的5%。该机的最大组件——机身是在德国不来梅生产的,并由空客A300-600ST“白鲸”超级运输机运输到西班牙进行总装。

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德国制造的机身由A300-600ST“白鲸”超级运输机运输到西班牙

各方工作份额如下:前机身(包括驾驶舱)、中央翼盒和“民用”系统在法国制造,机身中段和垂尾在德国制造,机翼在英国制造,机翼子组件在比利时制造,配线和一些其他组件在土耳其制造,西班牙除总装外还负责制造平尾、“军用”系统和起落架。

乍一看,A400M就是一架很普通的运输机,具有传统的上单翼、T形尾翼和尾部装货坡道布局,但该机在设计的方方面面都应用了创新设计。

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A400M生产中各国的工作份额

复合材料

A400M的机身大部分采用铝合金制造,少量是钛合金,整机材料构成中复合材料占了约30%。A400M是第一种采用复合材料主翼梁的飞机,机翼的大部分结构都采用复材制造,机翼蒙皮是航空史上最大面积的复材制品。其他大型复合材料组件还包括几乎全部的尾翼(平尾垂尾以及控制面)、后货舱门和起落架鼓包整流罩。

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A400M的机翼蒙皮是航空史上最大面积的复材制品

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A400M的复合材料尾舱门

通过广泛采用复合材料(占比高于A380),A400M减重成绩斐然,这有降低耗油率。

A400M的起落架由梅西埃-道蒂公司设计,主起落架能降低高度以方便地面装货。主起落架可以对称“下跪”,也可以不对称“下跪”对不平地面做出补偿。运输机在战区停留的时间越短越好,这种起落架设计有利于加快装卸货。

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梅西埃-道蒂公司设计的A400M主起落架

该机的常规双轮前起落架向前收入机头下方,两个六轮主起落架收入机身侧面的起落架鼓包,不占用货舱空间。同样,后掠15度、42.40米翼展的超临界机翼也以这样的方式安装在机身上方,主翼梁不会侵占货舱。

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两个六轮主起落架收入机身侧面的起落架鼓包,不占用货舱空间

革命性的发动机

A400M与其他大型运输飞机间最明显的区别就是发动机,A400M具有4副由涡桨发动机驱动的8叶后掠螺旋桨,而不是这种吨位运输机上常见的涡扇发动机。

A400M安装四台欧洲涡桨国际公司(EPI,由ITP集团、MTU航空发动机公司、罗尔斯-罗伊斯公司、斯奈克玛公司组成的合资公司)制造的TP400-D6涡轮螺旋桨发动机。这种三转子涡桨发动机单台海平面最大功率约为11000轴马力,是前苏联之外研制的功率最大的涡桨发动机。与涡扇相比,该机的涡桨发动机具有很低的红外特征,缩短了被红外传感器发现的距离。

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TP400-D6涡轮螺旋桨发动机

TP400-D6涡桨发动机的核心机来自法国斯奈克玛公司的M88涡扇发动机,后者就是“阵风”战斗机的动力装置。TP400-D6有一个九级压缩机和一个五级涡轮,驱动一副拉铁尔-菲雅克公司制造的直径5.33米的八叶FH386复合材料螺旋桨,桨叶表面包覆一层凯夫拉以增加防弹能力。TP400-D6发动机非常紧凑,长3.50米,干重1900千克。

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FH386复合材料螺旋桨

2009年,英国对TP400进行了一系列研发测试,剑桥机场的马歇尔航宇公司给自己的一架C-130K装上了一台TP400,他们在试飞中发现TP400的慢车功率就超过了C-130安装的艾里逊T56涡桨发动机的起飞功率!TP400在测试中共运行了超过110小时,其中54小时是飞行测试。TP400/FH386组合产生了惊人的性能,A400M既可以在11300米的高空在0.68和0.72马赫之间高速巡航,又可以包线的另一端,例如空投或为直升机进行空中加油机时以110节(200公里/小时)的低速进行低空飞行。

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C-130K TP400测试机

4副螺旋桨的旋转方向两两相反(1号和3号发动机的螺旋桨顺时针旋转,2号和4号逆时针旋转),这种布置被称为“发动机之间向下”(DBE),不仅能显著降低飞机的重量,还具有其他意想不到的优点。在西方传统的4发螺旋桨飞机上,从机翼后方看时,螺旋桨都以顺时针方向旋转,这会产生一定的螺旋桨扭矩效应,需要加大尾翼纠正。而在A400M上,当四台发动机都正常工作时,DBE设计抵消了螺旋桨的扭矩效应,保持了飞机的对称性。当一台机翼外侧的发动机发生故障时,DBE也能改善飞机在不对称状态下的操纵性。结果就是,A400M的垂尾面积比传统的4发螺旋桨飞机小了17%,平尾面积也小了8%。而且由于发动机功率大,八叶螺旋桨产生的滑流能使机翼产生更大升力,所以A400M只需使用简单的前缘缝翼。所有这一切不仅降低了飞机的重量和耗油率,还降低了操作成本。此外,DBE设计还降低了振动,使A400M机身内的环境噪声只比客机高一点。

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当四台发动机都正常工作时,DBE设计抵消了螺旋桨的扭矩效应,保持了飞机的对称性

线传飞控

目前大多数客机都采用了线传飞控系统,A400M也不例外,该机同时通过了军用和民用飞机的认证。A400M的线传系统具有四个完全独立的通道,传递着飞控计算机向致动器发送的操纵指令。线传系统的重量比传统钢索和滑轮系统轻许多,而且也使飞行更加安全。A400M的飞控计算机具有一个被称为“飞行包线保护”的功能,不允许飞机失速或者飞出包线外,无论飞行员如何猛力拉杆,飞机始终拒绝做出超出设计参数的机动。换句话说,A400M可以在不失速的情况下飞出最大机动性,飞行员在这种“无忧虑操纵”环境下也能放心大胆地驾驶。

座舱设计

空客公司在客机设计上已经积累了丰富经验,所以A400M继承了很多空客客机的特征。例如,该机的驾驶舱与A380客机的非常相似,具有以相同方式布置的8个大型多功能显示器(MFD),其中正副飞行员每人三个,用于显示主要飞行数据、导航信息、飞行管理界面或视频,另外两个显示器用于监测飞机的系统。机组通过一个字母数字键盘输入数据。

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A400M的驾驶舱与A380客机的非常相似,具有以相同方式布置的8个大型多功能显示器(MFD)

A400M使用与空客大型客机相同的侧置操纵杆,该机也是第一种把平视显示器(HUD)作为主要飞行显示器的军用运输机,为每位飞行员提供了一个可折叠平显。机组在执行战术降落或低空飞行这类复杂而危险任务时(特别是夜间)能把视线保持在窗外。此外,A400M还可选装前视红外(FLIR)传感器,在低能见度条件下把红外图像叠加在平显上。

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A400M是第一种把平视显示器(HUD)作为主要飞行显示器的军用运输机

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A400M平显叠加红外图像的效果

为了提高机组的生存能力,A400M的座舱安装了装甲和防弹挡风玻璃。

突出的性能

今天,军用运输机执行的很大一部分任务是非军事性,尤以救灾任务为重。A400M项目从一开始就考虑到这一点,该机被设计成能装载大量有效载荷,在没有辅助设备的支援下降落在偏远地区。空客军机公司表示满载的A400M可以降落在一个加州承载比(CBR,一个计算任何给定表面承载能力的一个数学公式)为4的场地上,也就是说可以降落在粗糙的无铺装平整场地上。

A400M的最大有效载荷为37吨,货舱容积340立方米,货舱截面4米×4米,可容纳下一架NH90或一架CH-47“支奴干”直升机,或两辆17吨重的“斯崔克”轮式装甲车。执行救灾任务时,该机可以装载一辆拖着6米长集装箱的25吨重半挂卡车,或大型起重设备及挖掘机。

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执行救灾任务时,该机可以装载一辆拖着6米长集装箱的25吨重半挂卡车

传统军用运输机的载重量是根据载油量而定的,目的地离基地越远,飞机装的燃油就越多,载重量就越少。A400M的空中加油能力则改变了这一情况,飞行距离由机组的持续工作时间决定而不是载油量。当然在没有空中加油时,A400M也能装20吨货物飞6400公里,最后降落在一条长1公里的无铺装跑道上。20吨货物可以是防雷车等重型车辆,也可以是20名士兵和两个标准军用货盘。

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A400M货舱模型进行的重型军用车辆装载测试

为了能够在没有地面辅助设备的偏远地区操作,A400M的货舱内有一台32吨牵引能力的绞车,此外在货舱后方的天花板上还安装了一台5吨起重机,可从地面吊起货物装入货舱。装卸长的计算机化工作站位于驾驶舱下方,在此对装卸货进行管理。装卸长可以从数据库中调出预先上传的装卸计划,也可以在飞行中对其进行修改。A400M还有一套“计算空投点”(CARP)系统,能控制货舱内的设备进行自动空投,机组可通过平显监视空投顺序。A400M在4.5米低空一次通过可投下19吨混合货物。

在空投伞兵时,A400M一次可投下116名伞兵及其装备。伞兵们坐在货舱中的两两面对的4排座椅上,面前的空间足够堆放个人装具,帆布座椅的舒适性也令人惊讶。A400M的货舱是如此安静,伞兵们相互间可以正常交谈。

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伞兵们坐在货舱中的两两面对的4排座椅上,面前的空间足够堆放个人装具,帆布座椅的舒适性也令人惊讶

伞兵们两两一组从后坡道或者两个侧门跳出飞机,此时飞机的速度会降到110节。伞兵从侧门跳出时可踩在起落架鼓包滑下,侧门前方会展开一个扰流板保护伞兵免受气流冲击。A400M的起落架鼓包经过了精心的气动修形,使两列伞兵在跳出后不会因飞机滑流的影响而空中相撞。A400M可以使用后坡道和侧门混合投放货物和伞兵。

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伞兵从侧门跳出时可踩在起落架鼓包滑下,侧门前方会展开一个扰流板保护伞兵免受气流冲击

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A400M的起落架鼓包经过了精心的气动修形,使两列伞兵在跳出后不会因飞机滑流的影响而空中相撞

A400M的另一个重要任务是后送伤员,机舱内总是会存放8副担架,在必要时货舱可容纳66副标准北约担架和25名医务人员,宽敞的货舱为医疗团队提供了充足的空间。该机还可以被改装成专用医疗机,在货舱快速安装上一个重症监护病房模块。

与空客客机一样,A400M极为强调维护的简单性和经济性。空客军机公司预计在超过12年的操作期间,A400M因强制性重型维护而停飞的时间只有84天,也就是每年一个星期。该机的在其他维护上能做到视情维护,这点与A320相同。

每架飞机都是加油机

到目前为止,所有174架A400M都是所谓的“加油/受油”双配置,意味着该机不仅能作为空中加油机使用,还能在飞行中从其他加油机获得燃油。其中存在两个原因,第一是“加油/受油”双配置能够提高A400M与盟国空军的协作能力,第二则是按通用标准制造的飞机更便宜。

A400M的机身上有三台摄像机用于监视加油作业,两侧翼下可以挂载两个科巴姆908E加油吊舱,安装吊舱只需约两小时,这样A400M就摇身变成了一架两点式加油机。

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A400M的两侧翼下可以挂载两个科巴姆908E加油吊舱

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A400M的货舱门上还可安装一套机身中线加油单元(FRU)对大型受油机进行空中加油

A400M的货舱门上还可安装一套机身中线加油单元(FRU)对大型受油机进行空中加油,其软管和锥套单元每分钟可输出2250升的燃油,高于翼下吊舱的1500升/分的流量。

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完全加油机构型的A400M

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两架A400M进行伙伴加油

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A400M对两架F-18战斗机进行空中加油

A400M的燃油系统设计独特,该机最多可在机翼和中央翼盒的油箱中装50.5吨燃油,可供自身使用,也可以提供给加油机,当然此时货舱仍有余力装货或载人。该机的油箱都配备了惰性气体系统,对油箱进行填充以避免起火。该机还可以在货舱中安装两个载油5.7吨的额外油箱,把最大载油量增加到14000升。两个油箱可装与主油箱类型不同的燃油,以满足不同受油机的需要。

A400M被作为加油机使用时,可以距离基地930公里远的空域盘旋逗留2小时,并空中加油中最多释放34吨燃油。

A400M在空中加油作业中既可在150米的低空减速至105-115节(194-213公里/小时)为直升机加油,又可在7600米中等高度以350-420节(648-778公里/小时)的速度为战斗机加油。该机还可以作为移动加油站在地面为其他飞机加油。

A400M的驾驶舱上方左侧安装了可拆卸的空中加油探管,就位于飞行员头部上方。

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可拆卸空中加油探管就位于飞行员头部上方

“灰熊”的由来

为了便于识别,A400M的试飞工程师给五架A400M试飞机起了“灰熊”的昵称,从“灰熊”01一直排到“灰熊”05。结果这个昵称受到了公司高层的欢迎,在2010年范保罗航展的一个仪式上,法国特技飞行冠军凯瑟琳·莫努里女士正式把A400M命名为“灰熊”。

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“灰熊”01至“灰熊”05

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在2010年范保罗航展的一个仪式上,法国特技飞行冠军凯瑟琳·莫努里女士正式把A400M命名为“灰熊”

但英国皇家空军拒绝接受“灰熊”这个绰号,英国空军上将斯蒂芬·道尔顿爵士直言不讳地说:“这绝对是可怕的,这个名字没有出处,无法接受,想要皇家空军采用除非踏过我的尸体!”

空客军机公司服了软,弱弱地表示“灰熊”只是测试机的绰号。2012年7月6日,在英国格洛斯特郡费尔福德举行的皇家国际航空纹身展上,斯蒂芬爵士正式宣布A400M的官方名称是“阿特拉斯”(希腊神话里的擎天神),该绰号获得了其他欧洲客户国家的一致同意。

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斯蒂芬爵士

前景

目前波音的C-17“环球霸王III”战略运输机已经停产,使A400M成为西方唯一一种在产的战略运输机。至于俄罗斯的伊尔-476、乌克兰的安-70,中国的运-20等新型运输机,则被认证壁垒排除在西方市场之外。这使得空客军机公司认为A400M至少有10年的市场独占时期,如果真是这样,那么这种欧洲联合研制的大型运输机会有一个光明的未来。

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A400M与C-130J和C-17A的合影

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