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电子土拨鼠 | 国产大飞机的梦想和现实

2014/04/29
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2013年10月,中国商用飞机公司透露我国国产大飞机可能要在2020年后才能服役,给予对手波音与空中客车时间先行升级单通道飞机的机会。于此同时,中国商飞生产的主要与空中客车A320和波音737型飞机竞争的C919型单通道飞机原定于2014年试飞,但也被推迟到2015年。飞机交付期更是推迟至2017或2018年。由此,国人对国产客机的梦想再次被“断片”,外界对国产大飞机的研制进展也是质疑不断。

本期栏目,让我们一起来了解一下国内外大飞机的历史、现状以及研制背后的喜怒哀乐。

什么是大飞机?

大飞机,是指起飞总重超过100吨的运输类飞机,包括军用大型运输机和民用大型运输机,也包括一次航程达到3000公里的军用或乘坐达到100座以上的民用客机。从地域上讲,我国把150座以上的客机称为大客机,而国际航运体系习惯上把300座位以上的客机称作“大型客机”,这主要由各国的航空工业技术水平决定的。

 

研制大型飞机是党中央、国务院在新世纪之初作出的一个重大战略决策,也是建设创新型国家的一个标志性工程。大型飞机工程已被列入国家中长期科学和技术发展规划纲要和“十一五”规划纲要。大型飞机设计与制造、载人航天和探月工程等16项重大专项已陆续启动。

 

世界著名大飞机:A380和它“最安全”的背后风险

对于法国空中客车公司的A380和美国波音公司的737、747、777等飞机,各地人民已经非常熟悉。

 

 

空中客车A380(Airbus A380)是法国空中客车公司研发的双层四发动机巨型客机。它是全球载客量最高的客机,当采用最高密度座位安排时,可承载853名乘客。在三级舱配置下可承载525名乘客。该型号的原型机于2004年中首次亮相。首架A380客机于2005年4月27日试飞成功。

 

A380曾被誉为世界上最安全的客机之一,但是开航至今却发生过多起事故,反射出了大飞机存在的很多隐忧:

 

  • 湍流问题

A380机身庞大,易产生湍流问题,国际民航组织(ICAO)发现,A380客机引起的气流较波音747客机大,由多个民航组织成立的工作小组建议,A380客机起飞后,中、小型航机要隔3分钟后才能使用跑道,重型航机亦要等候2分钟。

 

  • 机翼破裂

可载客达555人的A380客机,机翼曾经在法国图卢兹进行静力测试时,发现机翼尖往上弯曲到7.4米时,即在可承受最大载重量1.45倍时出现 破裂,位置是在机翼的两个发动机之间。据了解,由于国际规例要求机翼必须能承受最大载重量的1.5倍,所以这次的测试结果反映出A380客机机翼在遇上乱 流或进行紧急降落时,可承受的最大重力未能达到标准,离要求还差3.3%。

 

  • 致命失压

2014年1月7日,新加坡航空公司A380飞机失压迫降,导致氧气面罩被放下,494名乘客受到严重的生命威胁,成为迄今最严重的飞机失压事故。此外,从2012年7月到2014年的今年,A380失压事件频频发生,至少涉及了法航、中国南航以及马航等四架飞机。波音777、A320等飞机也发生过失压事故。

 

 

运-10:曾经的辉煌

在世界大飞机的榜单上,中国在1980年曾研制出的“运10”飞机位列其中。

 

 

运-10(Y-10)是由上海飞机制造厂研制的四发动机喷气式运输机,是中国首次自行研制、自行制造的大型喷气式客机,使中国飞机设计首次从10吨级向百吨级冲刺。运-10采用涡扇-8/JT3D发动机,是一架四发涡扇中型飞机。中国当时综合苏联、英国和美国等国家方案之长,形成自己的总体方案,使“运10”成为中国第一架按英美适航条例设计的国产飞机。

 

运-10的设计很大程度上参考了美国波音公司的波音707,因与波音707外观极为相似,曾经有误传说运-10的机体设计是由波音707的逆向测绘仿制而来,但据后来报道,运10飞机的研制者和波音公司都否定了这一说法。运-10基本设计在当时与波音相差仅仅几年的水平,那时波音和运十飞机也只是在试飞测试阶段,距离投入实际使用仍然有段距离。运-10选定美国的FAR-25作为的设计标准,在运-10的设计过程中,还全面考察、学习和分析了参考机(波音707)的设计经验;对于国内尚未成熟的成品和设备,包括动力装置,一律装用国外产品。

 

目前为止,运-10共制成了两架。可惜的是,运-10由于各种原因最终没有投产。

运-10的历史节点

  • 1970年8月,中国决心一扫“没有翅膀的鹰”的外媒评论,正式下达代号为“708”的工程,——制造自己的大型喷气客机运-10。
  • 1972年,运-10通过飞机总体设计方案审查。
  • 1975年,完成全部设计图纸。
  • 1976年,第一架运-10用于静力试验。第二架使用的JT3D发动机(涡扇-8研制不顺利)及部分飞行电子设备来自中国民航机队中波音707的备件。
  • 1980年,运-10首次试飞成功,在国内外引起强烈反响。
  • 1982年,运-10研制基本停顿。
  • 1986年,财政部否决3000万元人民币研制费用预算,运-10飞机研制计划彻底终止。

从1970年8月下达研制任务到1985年2月停飞,运-10的研制前后历时14年,国家总投资5.38亿元。虽然由于经费原因,研制工作难以进行。但是运-10在技术上实现了10项重要突破:

 

1.国内首次采用FAR-25为设计标准,突破了过去一直沿用苏联规范的局面。

2.国内首次采用“尖峰”型高亚音速翼型。

3.国内首次全面采用“破损安全”、“安全寿命”概念设计和分析飞机结构。

4.国内首次采用全翼展整体油箱(最大载油量达51吨),首次研制出大容量气密客舱(最大容积达318立方米)

5.国内首次成功地采用机翼下吊挂4台发动机的总体气动布局。

6.国内首次采用由调整片带动操纵面的气动助力操纵形式,省去液压助力装置。

7.国内首次进行规模较大的全机各系统地面模拟试验。

8.全机选用新材料76项,占18%,选用新标准164项,占17%;选用新成品305项,占70%。这些新材料、新标准和新成品为民机的发展打下了基础。

9.国内首次全面地用电子计算机进行型号设计,编写了计算程序138项。

10.国内首次按FAR-25要求组织了大型客机的研制试飞(共飞行130架次,170小时)。

 

数据显示,运-10的阻力发散马赫数为0.85,优于波音707的0.84。它的最大巡航速度为974公里/小时,也高于伊尔-62和波音707。同时,运-10在国内航线使用时有较好的机场适应性,可以使用的国内机场有35个,而波音707和三叉戟客机仅为10个。另外,运-10的单发升限可达9500米,很适合飞往被称为“空中禁区”、“死亡航线”的西藏地区。

 

 

国产大飞机C919和它的“心脏病”

2008年5月,国产大型客机的脚步终于来临了。随着中国商用飞机有限责任公司(中国商飞公司)的挂牌,中国大飞机项目正式上马。2009年3月,全国政协委员、中国商飞公司副总经理、中国大型客机总设计师吴光辉透露,大型客机研制工作已全面展开,首型国产大飞机将命名为“C919”。

 

 

如果各项工作进展顺利,预计到2020年前,中国自己研制的大型飞机将飞上蓝天,实现中国人民的又一强国之梦。

 

其中,C是China的首字母,也是中国商用飞机有限责任公司英文缩写COMAC的首字母。第一个“9”的寓意是天长地久,“19”代表的是中国首型大型客机最大载客量为190座。另外,“C919”之后未来的型号也可能命名为“C929”,其中“29”代表这一机型的最大载客量为290座.

 

国产大涵道比涡扇金属发动机1:1模型

一架大飞机的启航,综合来讲需要突破10项关键技术,包括飞机总体设计、气动特性预测方法、噪声预测和减噪措施、载荷确定技术、高效结构和强度设计技术、长寿命高可靠性结构设计技术、防雷设计和抗高强度辐射设计、多轮起落架设计技术、先进复合材料结构设计技术以及适航审定的特殊要求的鉴定技术。

在这么多的技术难关中,飞机发动机、机载设备、材料等关键核心技术,是目前我国发展大飞机项目的最大技术障碍。

重中之重,就是飞机的“心脏”——发动机。机载设备则是“飞机”的大脑,而材料尤其是复合材料,也是飞机研制的重点。曾经担任国产 ARJ21支线飞机副总设计师的周济生指出,以前国际上的大型客机采用的材料都是以先进铝合金为主,但到波音787时,复合材料的使用出现了质的飞跃,不仅数量激增,而且开始用于飞机的主要受力件,现在波音787的复合材料用量已占到结构重量的50%。而我国目前仅掌握金属飞机的研制能力,复合材料只能少量地用在飞机辅件上,在主结构上的应用还需要进一步预研。

之前有评论说,中国既设计了核导弹,又将航天员送上了太空,但仍有一项重要技术没有掌握。尽管进行了几十年的研发工作,中国迄今仍然未能建造出一台可靠的、高性能的飞机发动机。可见要制造一台飞机发动机实在是难度高。

用于航空发动机配套的高可靠性、高精密度的顶级轴承已成为中国在航空发动机研发中难以翻越的“珠穆朗玛峰”。

以航空发动机主轴承为例,主轴承是航空发动机的关键部件之一。在高速、高温、受力复杂的条件下运转,主轴承质量和性能直接影响到发动机性能、寿命和可靠性。航空发动机的关键的指标之一就是高可靠性。要想保证可靠性,前提之一就是要保证发动机内的轴承具备长寿命——主轴承的寿命,军机航空发动机要求在 3000小时以上,民机航空发动机要求更高,要达到数万小时。而航空发动机中轴承工作环境完全可以用“炼狱”来形容,它们不仅要以每分钟上万转的速度长时间高速运转,还要承受着各种形式的应力挤压、摩擦与超高温。另外,对于一般的结构部件来说,即便出现轻度裂纹也可以保证安全使用——这在专业上称为损伤容限,而航空发动机主轴承这样关键传动部件不存在损伤容限一说,其在使用过程中绝不允许出现裂纹等形式的损伤。而中国目前航空发动机的主轴承寿命有限,轴承已成为木桶原理中的 “短板”。

目前,我国正在全力研发航空发动机所需的关键部件之一的轴承,这是一条没有其他选择的道路。民机所用航空发动机虽可以从西方引进,但西方不会把 航空发动机中配置的高端轴承单卖给中国,以防止中国正在研制的航空发动机装上引进轴承而成为其竞争对手,至于军用航空发动机,西方连整机都对中国禁运,更不可能把其中配置的高端轴承单卖给中国。

 

大飞机倒计时

2013年12月,国产大型客机C919“铁鸟”试验台正式投用,标志着C919大型客机系统验证工作启动,C919大型客机项目进入研制“深水区”。

2014年2月11日,中国商用飞机有限责任公司在新加坡航展上说,C919大型客机目前已完成数字样机设计,机体结构已投产试制,相关机载系统试验已经开始,预计这一机型的第一架试飞飞机今年将进入总装阶段,系统综合试验和适航验证等工作也将同期展开。并计划在2015年实现首飞。

2014年04月14日,罗克韦尔柯林斯和中国电子科技集团公司的下属企业——中电科航空电子有限公司宣布,其合资企业中电科柯林斯航空电子有限公司正式成立,其业务是为C919和未来其他的中国飞机项目开发通信与导航解决方案。

2014年4月15日,C919大型客机翼身组合体静强度研究水平着陆100%限制载荷试验在中航工业强度所阎良新区顺利完成。与此同时,4月15日,联合技术航空系统与中航机电系统有限公司在西安市高新技术产业开发区宣布其合资公司厂房正式启用,标志着中国商飞C919客机开发并制造电源系统正式启动。

2014年4月23日,C919航电系统中的关键一环——显控系统将在今年年底完成验证件测试。同时,C919机体结构生产数据已全部完成发放。

2014年2014年4月25日,中国商飞国际合作与供应链管理部部长陶志辉宣布,计划明年10月份进行C919大型客机的首飞,2017年年底获得中国民航的适航证。

让我们共同期待倒计时针指向零点的那一刻!

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