俄罗斯最后一架安-22坠毁,全球最大涡桨运输机黯然“退场”
根据路透社报道,12月9日,俄罗斯最后一架现役安-22运输机在进行修复后的试飞时,发生了空中解体事故。飞机坠毁,机组人员全部遇难。


事故发生后,在海外社交媒体平台上出现的安-22空中解体视频截图(下)与AI修复图片(上图,存在细节失真问题)。
安-22的最大起飞重量超过250吨,是目前全球最大的涡桨运输机。不过一直以来,该机的经济性和安全性表现并不好,仅在1966至1976年生产了68架,随后停产。对作为当时苏联主力运输机的安-22来说,这种情况有其特殊性。
安-22固有的性能缺陷
安-22承袭了安-12的两个特点,或者说缺点:易失速,及抗冰除冰能力差。
1976年,一架标号为09318号的安-22飞机在试飞中发生坠毁事故,调查结果表明,该机操作裕度小,当时陷入了无法改出的失控状态;1994年,09331号机又发生了坠毁事故,直接原因是机翼结冰。
小机翼面积和高翼载荷是安-12和安-22的重要特点。一个考量是用户和设计方过度重视航程和速度等性能,为此不惜大幅度压缩机翼和尾翼的面积,以减少结构重量和飞行阻力。
这使得安-22的机翼所能提供的升力冗余,以及尾翼能提供的控制力冗余都非常有限。翼型设计对空中结冰形成的升力损失也尤其敏感。因此安-12和安-22不仅存在低速飞行能力差、最低失速速度高的问题,而且,一旦出现空中结冰,这两型飞机就容易出现机翼失速或者俯仰/航向失去控制能力的情况,进而陷入无法改出的状态。

安-10

安-12
这种设计特点或者说缺陷,最早来自安-10客机。该机尤其注重中高空巡航飞行能力和速度,不需具备短距起降能力和较强的低速飞行能力。为了尽快推进军用运输机的研发,同时受制于时代认知的局限性,苏联仅以安-10的设计为基础,研发了安-12及其衍生型号。
安-10在1957年开始试飞;首架安-12则在1956年便已制造完成。对比安-10,安-12仅重新设计了后机身,拆掉了内部座椅,改装了货运地板并加装尾部舱门。因此,安-12不够优秀的起降和低速飞行能力与安-10的表现如出一辙。

C-130和安-12两型中等运输机的投影对比。C-130机翼和尾翼比例明显更大。安-12翼载荷比C-130要高1/3以上。

C-130可以在低速状态下给吊挂重装备的直升机进行空中加油。
这与同级别的C-130形成了鲜明的对比。C-130的设计取向与安-10和安-22截然相反。这可能与战术运输机的使用经验积累有关——苏联直到安-12研发时,很少有在近邻交火一线区域大量使用战术运输机强行起降的战例。
安-22研发于1962年,与安-12相近。从外形上看,安-22类似将安-12方案放大,直接从60吨级最大起飞重量,跨越性地提升到250吨级。在保留安-12总体设计思路的基础上,安-22为了控制结构重量,将尾翼改成了H型双垂尾设计,以减小单个尾翼所承受的扭矩。

安-22
相较于安-12,苏联对安-22提出了短距起降的要求。但安-22设计团队并没有选择增大机翼面积、增加前缘增升装置等思路,而选择了靠NK-12MA发动机来“硬拉”。
也就是说,相比安-12,安-22的设计制造工作,是在制造材料和工艺、结构设计、气动设计、飞行控制设计等工业基础能力均没有大幅度提升的背景下开展的,必然会带来更多问题。
动力系统存在多重隐患,不止舒适性差
安-22使用的NK-12MA对转涡桨发动机是NK-12家族中螺旋桨尺寸最大的型号,功率可能也是最大的。
NK-12MA的螺旋桨直径为6.2米,超过图-95战略轰炸机螺旋桨的5.6米;功率达到11186kW,比图-95早期和中后期动力分别高出1886kW和153kW。这也意味着,NK-12家族的固有缺陷——前排桨叶形成的涡流与后排桨叶迎面对撞,产生剧烈噪声和振动的问题,在NK-12MA上是最严重的。

安-22,注意对转螺旋桨和尺寸大小。
对NK-12家族的最新型号MPM,俄罗斯并没有公布详细的功率数据,从各方透露的相关信息来看,其基本数据应该与NK-12MA相当或者略高一些。从媒体报道来看,MPM其主要的改进在于更换新的配套螺旋桨和优化原有结构设计,据称能将振动降低到原有程度的一半,并且将寿命延长到原有水平的4倍。但该发动机2018年才交付测试,目前其产能有限,将优先用于改装图-95。因此,此次坠毁事故中的安-22采用新型发动机的可能性很小。从海外社交媒体上的照片和视频资料来看,事故飞机的螺旋桨也更接近老款。
对于发动机的噪声和振动,人们通常主要关注其引起的人员舒适性差和易疲劳等问题。需要注意的是,发动机的强烈振动对于发动机本身、飞机结构、液气管道(特别是连接处和泵阀)、电气接头、电子设备内部接线和元器件引脚等部分都会引发疲劳性破坏。这是安-22一直以来故障率高、难以维护的重要原因之一。

图-95机身截面积更窄,框架密集,并且能在多处采用封闭式隔框。

图-95弹舱的挂架和前后壁板,在纵向和横向上起到了强有力的结构支撑作用。
值得注意的是,相较于图-95,安-22发动机所能引发的问题要更加严重,因为二者的机体结构也有所不同。从战斗机为代表的小型高机动飞机,再到轰炸机,最后到大型运输机,三类飞机的内部空间“空心化”要求越来越高,对应的就是飞机结构的总体强化程度是越来越低的,尤其是刚度(不易变形)特性的差距最大。
相较于大量高密度承力框架组装起来的战斗机,大型运输机的结构更类似带有少量强化支撑结构的“大型易拉罐”,轰炸机则通常介于两者之间。
刚度和强度的不足使安-22在长期的强烈振动中更易于出现更大幅度、反复交变的结构变形和位移,并萌生裂纹。尤其危险的是,绝大多数情况下,裂纹、应力和腐蚀是相促相生的耦合性关系。

典型的大型运输机结构承力布局。缺乏支撑的跨度区域越大,结构刚度和强度特性也越差,这是大型运输类飞机在设计和制造时绕不开的挑战。

安-22内部货舱空间
在安-22设计的时代,全球各国的航空工业普遍没有引入结构完整性的概念,航空科学未建立损伤容限特性等概念,这使得它的裂纹发展既难以被发现,进展又快,而且极易形成贯穿性、断裂性的结构失效。特别是对于封存多年但疏于维护保养、实际腐蚀进展已经难以完全查清的高龄安-22飞机而言,其结构可靠性是无法得到保障的。
在安-22多次重大故障和事故记录里,与振动直接、间接相关的事故相当多。根据专业媒体分析,在安-22既往的9次全损记录中,有这么几起事故与长期振动破坏关联概率最大:1970年09303号机坠毁在大西洋未找全残骸,调查结果倾向于螺旋桨叶片断裂击穿机身。同年,09305号机坠毁在东巴基斯坦(后独立为孟加拉国),事故调查表明该机发生了螺旋桨脱落。1980年09311号机,机舱内电气火灾导致坠毁。2010年09343号机在大修后不久坠毁,调查结论指向飞控系统故障或者发动机故障。
综合来说,安-22在设计和制造上有其固有问题,与更新的飞机相比,安-22更没有独特的性能优势。因此,此次事故大概率意味着安-22彻底退出了历史舞台,其半个世纪的飞行生涯就此划下句号。(候知健)
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