国产大型客机C919将首飞:突破技术封锁真正属于中国

新来自中国商飞公司的消息称,综合各方面因素,国产大型客机C919将于5月5日在上海浦东国际机场首飞。如天气条件不具备,则顺延。这是中国首次按照国际标准研制、拥有自主知识产权的大型客机,这架被冠之以“全民网红”的飞机今天将吸引全世界的目光,我们来给你详细讲讲它!

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三分钟认识中国大飞机C919

外形:小干线家族中的“大块头”

C919为双发涡扇中型机,毕竟是干线客机,长38.9米,连翼展35.8米,高12米,就算身高1米9的乘客走在机舱里也不会觉得不适,最大起飞重量为72吨,虽然没有波音777那么大,但已经是小干线家族中比较大的机型了,最大可容纳190人之多。

C919机身线条流畅,值得一提的是,飞机的机体从设计、计算、试验、制造全是中国自己做的,强有力地回应了对飞机制造自主性的诸多质疑。

飞机采用了新一代超临界机翼,自主发展“一分钟”快速成型的方法提高了机翼曲面的质量,改善跨音速范围内的可控性,减少飞行阻力从而节省了很多燃料。

为了全面认证C919的气动设计,满足对CFD技术的不同精度和效率的要求,不同构型、雷诺数的全、半膜的风洞测试不断开展,包括测力、测压、动力影响,增升装置设计方案选型、验证、确认等一系列超过15000的风洞“吹风”试验,从而拥有了比现役同类飞机更好的巡航气动效率。

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再看看它的造型,就是霸气,像是戴着一副俊酷的墨镜。相比需要6块挡风玻璃的传统飞机,C919只有4块,机头更具流线型,使得飞行员视野更开阔,减少阻力。

但是这种挡风玻璃工艺更复杂,制造难度也大。这也使得C919独特到只看脸就可以辨认出来。

由于飞机重量比较重,其发动机甚至比现役的波音737的都要大,所以C919采用了第三代铝锂合金材料,锂元素的加入使其比同等机型轻了5%-10%。飞机上使用的复合材料主要是碳纤维增强树脂基复合材料,具有高耐腐蚀、质量轻等特点,但价格大约是常规铝合金材料的几十倍,所以在机体结构用量只占到了12%。

发动机:技术创新 运营成本降低

航空发动机作为“航空之花”,可以说是航空技术和工业积累的完整体验。C919的发动机为LEAP-X1C发动机。

LEAP-X1C型发动机是由国际公司美国通用电气与法国SNECMA各以50%资金比例合资建立的大型客机发动机生产商CFM国际公司研制的大型喷气客机发动机。它采用了18片赛峰公司研制的碳纤维复合材料风扇叶片以及美国通用电气公司研制的陶瓷基复合材料涡轮部件。

它采用了许多行业内领先的创新性技术,包括超高压比核心机、采用三维编织树脂模传递成型技术制造的复合材料风扇叶片、复合材料风扇机匣、第三代三维气动设计压气机和涡轮叶片设计技术、第二代双环预混旋流器(TAPS II)燃烧室技术、可变面积外涵喷管和先进材料等。发动机和短舱将作为一体化推进系统来设计,拥有先进的进气道、声学处理和电动反推力装置,可以充分发挥其气动性能、重量和声学优势。

这款先进的新型涡扇发动机较CFM之前生产的波音737的发动机有了许多先进性提升。LEAP-X1C发动机燃油消耗可减少16%,二氧化碳排放量可减少16%,氮氧化物排放量可减少至不足60%,且更为安静。

相比于其他发动机,LEAP-X运营成本可以比其他发动机降低15%,这是一项巨大的优势,这也是最终选定LEAP-X系列发动机作为动力装置的最重要原因。

航空发动机(图片来源于网络)

为啥发动机不是国产的?

有人会问,C919的发动机为啥不用国产的呢?航空发动机的研制都有哪些难题呢?

中国的现代化工业起步比国外晚,技术也比较落后,这让中国的航空发动机水平和中国航空整体水平相比比较低,这个短板影响了整个航空工业的实力。

而我国在大飞机的发动机上落后很久,上世纪轰动一时的运10所用发动机就是波音707所用JT3D-7发动机。

当时虽然已经开始着手研制我国自己的发动机,但是因为种种原因运10下马,科研资料全部销毁,致使我国发动机事业停滞不前。

难点1:四高

简单而言,喷气式飞机发动机就像是一个两端都开口的圆筒,从前端吸入的空气经过压气机、燃烧室等一系列的内部结构,而后变为高温、高速的燃气从后端喷射出去,就产生了向前的反推力。

所以,飞机发动机的特点是“高温、高压、高转速、高负荷”。

这四高,简直是个大难题。一般喷气发动机内部某些部位的温度在1600 左右,而发动机风扇后的压气机进口空气和出口空气的压强都要比大气压强要高得多。

与发动机相比,大飞机用的大涵道与发动机和战斗机的小涵道又有不同,所谓涵道比就是发动机外涵道与内涵道之比,抛开种种晦涩的技术细节不谈,普通人能够直观明白的是:

大涵道比发动机比小涵道比发动机的油耗小、推进效率好、经济性能高,不过制造要求也更高,稳定性更强,比如前者的风扇叶片起码有一米多,而后者则只需0.3—0.4米左右。

拿一款非常高端的发动机来说,罗尔斯·罗伊斯公司为A380生产的发动机内部的最高温度达到了太阳表面的一半,发动机内部的压力达到了50个大气压,涡轮叶片叶尖的运动速度达到2000公里/小时,而它的叶片有3米多长。这四高两低简直是制造民用大飞机发动机的紧箍咒。

难点2:经济性与舒适度

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除了四高难题以外,民用客机的发动机还必须考虑经济性能和舒适度,也就是说,油耗要低,噪音也要低。而这些林林总总的问题也正导致了我国飞机发动机发展缓慢。

难点3:发动机的材料和工艺

此外,材料和工艺难题也是不能忽略的,要保持燃油火焰在以每秒100多米高速流动的高压气流中稳定燃烧,这与在狂风中保证手中火炬不灭一样困难;同时要保护燃烧室火焰筒壁不被高温燃气烧蚀,不仅需要耐高温材料和耐热涂层,还要通过燃烧室结构设计,采取冷却手段,降低燃烧室筒壁温度。

目前国外发达国家的发动机主轴承的寿命都在1万小时以上,而我国的基本在900小时以内,差距还很大。而现代高性能航空发动机都采取一些高强度、耐高温材料,包括钛、镍、铝、复合材料以及镍基和钴基超耐热合金。有分析认为,中国现在超耐热合金还不能完全自给,据估计中国每年超耐热合金的生产量约为10000吨,而需求量则为20000吨。更有专家指出,制造发动机风扇的复合材料目前国内做不出来。

机上电子设备

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C919采用了双侧杆正杆飞行控制系统,其特色在于采用两种不同构型的4个独立主飞行控制系统。其中包括两个常规液压动作系统和两个电-液动作系统。C919采用电-液动作系统,这使其在动力资源上具备更大的灵活性,增加了冗余性,提高了安全性能。针对先进的气动布局、结构材料和机载系统,研制人员共规划了102项关键技术攻关,包括飞机发动机一体化设计、电传飞控系统控制律设计、主动控制技术等。

与此同时,C919在机内采用先进的电传操纵和主动控制技术,提高飞机综合性能,改善人为因素和舒适性;另外,先进的综合航电技术减轻了飞行员负担,提高导航性能,改善人机界面。

但必须承认的是,C919上也有很多设备是现在甚至是较长时间内,国内都无法提供具备竞争力产品的类型。一个典型例子就是机载液压系统。飞机上的各个气动舵面偏转、舱门和起落架的收放等等,无不依赖于液压系统的驱动——这个以极小的体积和重量,就能传递极大的功率的神奇设备。

C919首飞意味着什么?

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航空制造业差不多代表了一个国家制造业的顶尖水平,我国在上世纪放弃了运-10计划导致国内航空制造业十年的断档和大量的人才流失,此次首飞标志着我国的大飞机制造业重新崛起。

有人说,我们只是造一个壳子把所有的东西塞进去。但这正是我们所取得最大进步所在,航空制造业与其他制造业的有一个不同之处就在于集成的难度。

飞机特别是商用的大飞机,讲究耐用率与经济性,这就带来了对气动布局的近乎苛刻的要求,既要有可靠的结构强度同时又要做到尽可能轻便,而一个气动布局所涉及到超算模型与风洞模拟,又不是一般小国家可以做到的体系化建设。

可以说造出一个壳子是一个系统的工程,考验的是一个国家的完整工业体系与庞大的工程师队伍。

在全球化的时代里,一味讲究国产率实际上并没有太多的价值,737和A380上面也有不少零件来自于中国制造商。

C919使用了美法合资CFM公司的LEAP-1C的发动机,其实波音与空客的飞机也用了这个发动机,C-919用了它可以消耗比同级别飞机少15%的燃油,降低10%的座公里直接使用成本,还可以减少50%的碳排放量,别人的好东西可以拿来用为什么不用呢?

当然这也不意味着我们可以不必发展发动机,C919的航电、飞控、空气管理系统供货商均为欧美公司,这些关键技术上面我们尚还没有能力做出和西方欧美公司一个水准的产品。

但是只要我们可以利用他们的技术造出我们的飞机,并且可以投入运营并盈利,自然会有国内的厂家来研发我们自己的航电、飞控系统,如果一蹴而就全部国产,可能带来的结果是C919项目的失败,这会导致国民对整个国产飞机产业链失去信心,国产飞机失去市场,行业逐渐崩溃,想要再一次打开市场,困难可想而知。

C919以高达百分之五十的国产率下架,打破了欧美在大型客机领域的垄断地位,是超出预期的成功。作为一款商业用途的飞机,大量使用国际一流的发动机与航电、飞控技术以增强稳定性,并以此加大通过美欧主导的适航认证的概率,更为之后的国产化积累了经验。

出品:科普中国

制作:南京航空航天大学大学生

科学与技术协会 戚耀文

监制:中国科学院计算机网络信息中心

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