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【转载】精妙就在细节之中   

2017-08-19 09:44:09|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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本文转载自晨枫《精妙就在细节之中》
才不多久,C919已经从人们的视界中淡出了。但C919的精妙并没有淡出。C919成功地进行了第一次试飞,很快会有第二次、第三次,然后就是投入航班运营。C919飞机副总设计师傅国华透露,C919进入航线运营可能还需要3-5年时间。启动用户东航表示,将首先用在北京-上海航线。


精妙就在细节之中 - 晨枫 - 晨枫小苑
 C919首飞

C919的成功首飞无疑代表了中国航空的巨大成就,也提醒人们还任重道远。首飞到航班运营一般需要2年,波音737MAX只用了1年,空客A320NEO是1.5年。波音737MAX和A320NEO都是现有机型的深度升级,试飞和认证需要的时间较短是自然的。大得多的波音787用了2年,“问题女王”A380也是2年。庞巴迪尔CS100用了3年,这是全新设计,首飞后还遇到很多问题,包括普拉特?惠特尼PW1500G齿轮驱动涡扇的顽固问题。C919需要3-5年,这是很保守的估计,也凸显了中国对大飞的基本想法:不急于求成,要做就要做到最好。

这不是说要是做不到漫无边际的最好,就永远拖下去。对“最好”有一个清楚的定义,对达到这个“最好”有明确的路线图和万一达不到目的的备选方案,凡事不从最理想情况出发,而是留有余地,这是认真、严谨的工程素质。

C919从一开始就体现了这样的工程素质。C919在2008年立项,按照原计划,应该2014年首飞,2016年投入航班运营。这是比较雄心勃勃但并不离谱的进度。实际首飞拖了两年,首飞到预计投入航班运营的时间将拖1-3年。不为什么,没有准备好,就不勉强。除了已经首飞的101号机,C919还将有5架飞机参加试飞,数量之多,试飞量之大,这也是罕见的,反映了商飞稳扎稳打、首战必胜的理念。

C919没有赶在哪个黄道吉日首飞,不搞献礼、争光,该干嘛还干嘛,没有准备好就继续认认真真准备,准备好了就干。中国过去有赶节点、争献礼的习惯,那是因为好消息不够多,黄道吉日弄点好消息,大家喜庆喜庆。现在不需要了。特大桥打破世界纪录,高铁线开通运营,液化气船建成交付,都只是一条新闻而已,关注度还不及武林擂台或者丹麦生蚝。到了C929首飞的时候,可能关注度还不及C919,这不奇怪,也不见得就是坏事。

C919是中国设计、中国制造的大飞机。没错,世界上比C919更大的飞机多的是,连当年运-10的起飞重量都超过C919。但C919依然是大飞机,不是小飞机。C919是中国设计、中国制造的,这与C919采用了引进的发动机、航电、起落架、辅助动力等关键系统不冲突,中国不仅要造一架能飞起来的客机,还要造一架能与行业翘楚波音737、空客A320竞争的好飞机,因此要“天下英才、尽为我用”,这一点错也没有。中国在努力研发国产的发动机、航电、起落架、辅助动力等关键系统,可能需要一点时日才能赶上世界先进水平,那就从气动设计、机体制造做起。庞巴迪尔和巴西飞机也和中国商飞一样,发动机、航电、起落架、辅助动力等也是来自美国和欧洲,一样不妨碍他们打出加拿大和巴西的飞机品牌。说远点,大名鼎鼎的“女王用车”路虎揽胜从来就没有自己的发动机。早年一直用别克V8发动机,进入21世纪后,品牌被宝马购入,但依然独立运作,从发动机到车用电子系统统统来自宝马7系,现在和捷豹XJ系列共用发动机和很多车用电子,但这一点不妨碍路虎的名车地位。

把商飞贬低为只会敲打一个“飞机壳子”,这是对飞机设计、制造的无知。坊间有说法,只要动力足够,板砖都能飞起来。这话当作说笑可以,当真了不光侮辱别人的智商,也侮辱自己的智商了。

客机设计首先从定位开始。C919与波音737、A320看起来高度相似,实际上精妙就在细微中。客机要达到安全性、经济性、舒适性。一般工程原则是80:20,也就是说,20%的努力经常足以获得80%的收益,要“榨”出其余20%的收益,则要付出另外80%的努力。在高度成熟、竞争激烈的客机市场,成功与否常常在于最后的1%。因此,C919要能成功地与波音737、A320竞争,就不能满足于“先解决有无的问题”,只有一上跑道,就直接进入奥运决赛。

C919的可靠性最终要靠适航证来证明。中国民航是中国的适航证发证机关。ARJ21首飞成功后,用了前所未有的6年才获得中国民航适航证,就是为了确保万无一失,以最高标准确认安全性。ARJ21获得适航证两年后,才进入航班运营,从首飞到航班运营用了前所未有的8年,充分体现了商飞的慎重。ARJ21在投入航班运营之后,保持低调,老老实实地飞航班,用实绩打出安全性、可靠性、出动性的牌子。说到底,对于中国,造大飞机是新鲜事物,用科学方法验证大飞机的适航性也是新鲜事物,两者都需要在实践中完善起来。ARJ21先走一步对C919的重要性是怎么说也不为过的。

C919在舒适性方面很下工夫。C919与主要竞争目标波音737、A320一样,每排座位都是3+3布置。座位和过道宽度对舒适性的意义不言而喻。波音737的机体宽度为3.76米,机舱宽度为3.52米,座位宽度为17英寸,过道宽度为20英寸。空客A320的机体宽度为3.96米,机舱宽度为3.7米,座位宽度增加到18英寸,但过道宽度降低到19英寸。C919的机体宽度为3.96米,机舱宽度3.7米,但座位宽度为18+18.5+18英寸,而过道依然为20英寸。换句话说,C919的机体和机舱宽度与A320相同,但座位与过道比A320还要宽。这是怎么回事呢?


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 C919机舱

奥妙在C919的截面形状。A320的截面更接近圆形,弧形舱壁在座位肩部以上高度开始明显向内倾斜,使得座位难以利用靠近舱壁的最后宽度。C919的机体高度为4.166米,A320为4.14米,这多出来的26毫米使得C919的截面的上半(尤其是两肩)更加饱满,座位肩部上下的舱壁更加接近垂直,争取出额外的5厘米,这也是C919机舱比A320宽5厘米说法的出处。这不仅增加了重量和阻力,也增加了设计和制造上的难度。纯圆截面在受力设计和制造上最容易,但C919这样舍近求远显著增加了舒适性。中间座位宽度比波音737增加1.5英寸,舒适感相差好多。奔驰S级轿车和C级轿车的后排三人座宽度也就相差4英寸,分摊到三个座位,每座还不到1.5英寸。

C919机体的下半截面与A320相似,可以容纳LD3航空集装箱,增加盈利途径。波音737的货舱不管是哪一代都不能容纳LD3,只能运散货,运旅客行李问题不大,还要做兼职货运就难了。这是波音737受时代的拖累,当年在设计中沿用波音707机舱截面的时候,还没有航空集装箱呢。

C919还加强了隔音,设计要求达到60分贝以下的机内噪音,比常规的80分贝明显降低。也就是说,从身边大巴的噪声水平降低到大声对话的噪声水平,这是很大的进步。机舱换气也增加20%,加强空气流通,提高舒适感。

但C919的最终成功还是要靠经济性,说白了,就是要省油。这首先要靠发动机。C919在项目启动时,普拉特-惠特尼提议PW1000G,通用电气提议LEAP。

PW1000G是齿轮驱动的涡扇,便于采用大直径、低转速风扇,双转子达到三转子的效果,节油和降噪效果非常显著。有人在发动机地面运转时站在发动机侧前十几米内测试,依然可以在手机里对话,当然要提高一点嗓门,但双方还是听得见。但PW1000G的技术复杂,饱受成长中的阵痛之苦,后来的研发和投产中出现一系列头痛,庞巴迪尔CS系列、空客A320NEO、巴西飞机E2系列都不同程度受到影响,都在找普拉特-惠特尼要求就推迟交货提供补偿。

通用电气与法国赛峰(原SNECMA)合作研制的LEAP是成功的CFM56的深度发展,采用三维编织碳纤维风扇叶片,不仅重量更轻、强度更高,更加复杂的形状还可以在同样尺寸下达到更高的推进效率;先进燃烧室的燃烧效率更高,改善油耗,降低排污;陶瓷基复材涡轮和三维流动设计进一步提高热效率。最后商飞选择了LEAP,并且在协议中规定LEAP为C919的唯一发动机。更具体地说,是LEAP-1C,推力为124.5-133.4千牛级。

PW1000G和LEAP的对比一言难尽,PW1000G更大的直径(A320NEO上的PW1100G的直径达到81英寸)、更低的风扇转速在理论上更加省油,但LEAP的先进风扇、燃烧室和涡轮补上了差距,较小的风扇直径还减小了迎风阻力。波音737MAX和A320NEO都可由用户任选PW1000G或者LEAP,这提供更大的选择余地,提高竞争力。但中国是新来者,C919在很长一段时间里的竞争态势还是弱势,这样的灵活性还是不必要的奢侈。


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 C919采用通用电气LEAP-1C涡扇发动机


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 其特点之一是采用后退折流环形格栅式反推力装置,可以从着陆滑跑中打开的缝隙看到,更加适合高原到低海拔的各种条件使用

另外,为了高原要求,C919的发动机需要增加推力。商飞也要求采用更坚固、更可靠、反推力力量更大、作用更加平顺但也重量和复杂性更高的后退折流环形格栅式反推力装置,这可以从C919着陆滑跑时发动机短舱罩后退形成的一道环形“裂缝”看到。这也与中国的高原要求有关,为了适应从空气稀薄的高原机场到低海拔沿海机场的各种条件,C919需要更强大而且调节能力更强的反推力装置。放远了看,C919要在机场条件相对简陋的第三世界机场使用,额外的推力和反推力也是有用的。通用电气以独家供应为条件,单独为C919研制LEAP-1C,也不算霸王条款。要求普拉特-惠特尼将PW1000G也达到商飞的要求当然是做得到的,但谁都不是慈善家,为特殊要求单独研发的成本最后还是羊毛出在羊身上。在商飞起步阶段,同时整合两种新型发动机的技术风险太大,缩小涉及面是明智的做法。

LEAP家族有A320NEO使用的LEAP-1A,波音737MAX使用的LEAP-1B,和C919使用的LEAP-1C。波音737MAX受到翼下离地高度的限制,只能使用69英寸的风扇直径,推力也相应降低,为100-120千牛级。A320NEO的LEAP-1A的风扇直径与LEAP-1C相同,都是78英寸,推力为109-156千牛级,但LEAP-1A使用简单、轻巧、紧凑但动作粗猛的蚌壳式反推力装置,可靠性也有所损失。这可以从A320NEO发动机短舱尾伸出的上下“舌头”看到,反推力挡板从这里收放。LEAP-1A的推力范围比LEAP-1C更大,这是因为A320NEO实际上是一个完整的家族,从140座的A319NEO、165座的A320NEO到206座的A321NEO,推力要求范围较大是自然的。C919现在只有基本型和增程型,以后有缩短型和加长型(包括加长的增程型)时,有了LEAP-1A的现成经验,LEAP-1C增减推力不难做到。

C919的机翼离地高度没有波音737那样的限制,未来有更大直径的LEAP发动机可用的时候,便于改装。C919也像A320一样,起飞后,起落架可收入机腹舱内,减小阻力。波音737由于历史拖累,哪一代都只能把起落架收入暴露于空气流中的机腹凹坑内,阻力较大,但重量较轻。

C919还采用了曲面风挡,使得机头完整、平顺、流线,降低阻力,也更加美观。最早的C919模型还是传统的“海豚鼻子”机头,这是在研发中途改的。另一个与早期模型不同的是翼梢小翼,早期模型上是简单的外倾平直的常规小翼,最后定型时改为大弯度、小上反小翼,但与波音787的折刀形或A350的镰刀形小翼还是不同,没有明显增加的后掠和弯钩,也与A320NEO的简单圆滑过渡的常规小翼不同,既避免了专利冲突,也达到了比常规小翼更好的效果。

机翼靠下表面与上表面的压力差产生升力,这个压力差在翼尖也形成绕翼尖的横向涡卷,前飞的飞机在翼尖拉出涡流,形成阻力。常规小翼用竖起来的翼面阻断涡卷,但小翼本身也形成涡卷。另外,小翼的重量和向内的压力使得小翼翼根的应力较大,翼尖结果必须相应加强,带来相应的增重。常规小翼的减阻和增重是一对矛盾,设计不当的话,甚至可能得不偿失,变成装饰性的摆设。新型大弯度、小上反、大后掠的小翼有一定的阻断涡卷的作用,但更重要的是通过逐渐收尖的翼尖,逐步消除上下翼面的压力差,阻止涡卷产生。增大翼尖后掠则进一步强化效果。当然,没有压力差了,也就没有升力了,不产生升力的翼尖结构最终是死重,所以压力差也不能全部消除了,残余的一点就靠小幅度的上反来阻断残余涡卷了,这是一个优化问题。弯曲翼尖在概念上谈不上多少复杂,但在设计上需要大量计算和优化,这就是中国方兴未艾的超级计算机大显身手的地方了。顺便说一句,战斗机蚌式进气口也是复杂三维流动的计算流体力学问题,也是得益于超级计算机。

在更高层面,C919的主要尺度与波音737MAX或者A320NEO相仿,但标准型起飞重量只有72.5吨,航程只有4075公里。增程型的起飞重量增加到77.3吨,航程增加到5555公里。相比之下,波音737MAX 8和A320NEO的航程达到6500公里。这不是技术落后的表现,反而是商飞按照市场特点所作的细化、优化的结果。

飞机载油量越大,航程越大,空重也越大。如果设计航程大大超过典型航线的要求,即使不满油起飞,多余的空重也导致不必要的油耗。美国波士顿到洛杉矶的飞行距离约4200公里,西雅图到檀香山则达到4300公里,芝加哥到安克雷奇也达到4550公里,6500公里的航程可以轻松拿下。6500公里的航程在理论上还足够纽约到法兰克福(6220公里)的航线,实际使用会留有余量,多伦多到曼彻斯特(5500公里)还是不成问题的。

但对中国来说,哈尔滨到广州才2800公里,上海到乌鲁木齐还不到3300公里,C919标准型的4075公里航程就很合适。需要更长航程的话,C919增程型可达5555公里,足够北京到新加坡(4400多公里)、广州到马尔代夫(4900公里)了,即使留有余量,也依然有很实用的范围,比如上海到新加坡(3800公里)、乌鲁木齐到莫斯科(3750公里)。

高度针对性的航程定位特别适合中国市场,当然,在外销市场上就要看情况了。加尔各答到迪拜(约3400公里)、新加坡到悉尼(3900公里)、首尔到香港(3850公里)还是适合的,内罗毕到约翰内斯堡(3000公里)或者开罗到孟买(4350公里)也没问题,还是有不小的市场的。

C919的竞争力来自从基本设计开始的可靠性、舒适性和经济性。回到商飞只是“攒机商”和C919只是“飞机壳子”的问题,这些责难不是针对商飞的,而是针对中国航空工业的。中国正在航空发动机、航空电子、航空特设等方面投入巨大的努力,已经取得阶段性的发展,假以时日,没有理由研发不出高水平的产品。科技不是巫术,只要有足够的才华和勤奋,投入足够的时间和资源,重复前人已经走过的路是做得到的。C919或者其他商飞飞机的目标造出最好的飞机,那分系统也要是最好的。在现在,这些引进的分系统是最好的,当然要用;未来有国产分系统达到甚至超过引进分系统了,那就是用的时候了;但如果国产分系统足够好而引进分系统性价比更高,不排除回到引进分系统。国产化是过程,不是目标,打造最可靠、最舒适、最经济的大飞机才是目标。

C919无疑是先进的,影响是巨大的,但对其先进性和影响要有清醒的认识,不实事求是的赞美是捧杀。比如说,坊间多有把C919与波音737NG和A320CEO相比较的,这种比较意义不大。波音737NG和A320CEO的生产已近尾声,C919投入航班运营的时候,主流销售产品应该已经转为波音737MAX和A320NEO,这才是有意义的比较对象。C919面对波音737MAX和A320NEO依然有竞争力,但大家用相似的发动机,C919要靠更加人性化的机舱设计和由设计定位决定的本质经济性这样的硬功夫来竞争。

坊间还对C919与LEAP甚至波音737MAX、A320NEO的关系多有谬传。CFM56是现代民航发动机史上神一样的存在,但通用电气与赛峰也明白坐吃山空的道理,早早决定用新技术深度升级。LEAP和C919都在2008年正式立项,但两者是互相独立的,没有C919,LEAP也是要启动的。波音737MAX和A320NEO也是一样,这两个高度成功又激烈竞争的系列也到了升级换代的时候了,有没有C919都要进行的。

在技术上,C919结构的铝锂合金用量达到8.8%,复材用量达到12%。但波音787的复材用量达到50%,A350的复材用量更是达到52%,铝锂合金也达到20%,连庞巴迪尔CS系列都是46%复材、24%铝锂合金。C919的曲面风挡已经为波音787、CS系列、A350等飞机采用,大弯度小翼更是率先在波音787和A350上采用。中间座位加宽也不是全新理念,CS系列就是这样的。波音787还已经采用电致变色机舱玻璃,这不是没有意义的噱头。在越洋航线上(尤其是由东向西),飞机在“追着”太阳飞,所以机外始终是白天。为了帮助旅客倒时差,在某一段时间里会要求所有人落下机窗盖板,使得机舱内像夜间一样黑暗,帮助旅客入眠。但难免有人睡不着,或者要看窗外景致,擅自拉开盖板,强烈的阳光影响很多人的休息。另外,飞行安全条例规定,在着陆前必须打开所有机窗盖板,依然会有人不听指令。电致变色可以统一控制,根据需要强制“拉黑”或者“拉白”。C919还是传统的盖板,好在C919主打中短程航线,这个问题不大。另外,波音787的机舱压力是按1800米空中设定的。尽管C919的2400米设定是主流,1800米设定毕竟更加舒适。

这不是说C919的成就不大。C919迈出了了不起的一大步,这是运-10想迈而没有迈出的一步,这是ARJ21迈出了但是不够大的一步,这是寄托着中国人厚望的一步,也是提醒世界“中国来了”的一步。中国人不满足于纸上谈兵,不满足于照猫画虎,从深谋远虑的顶层设计开始,在老老实实的抠细节中充实,这才有C919的一飞冲天。这是辛苦的,枯燥的,但也是最扎实的成功之路。
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