从C919和波音787看大飞机国内外研究现状

　　从C919和波音787看大飞机国内外研究现状

　　一、背景知识

　　1.1大飞机的基本概念

　　大飞机，是指最大起飞重量超过100吨的运输机，也包括150座以上的干线客机。它是民航使用最广泛的主力机型。由于各国航空工业发展水平不均，“大飞机”也只是相对的概念。一般来讲，在中国150座以上的客机被称作“大型客机”，100座以下的叫做“支线飞机”；而国际航运体系习惯上把300个座位以上的客机称作“大型客机”。

　　1.2中国研制大飞机的必要性

　　中国研制大飞机七项重要意义:

　　首先，大飞机机项目是一个国家工业、科技水平和综合实力的集中体现，对增强中国的综合国力、科技实力和国际竞争力，使中国早日实现现代化具有极为重要的意义。

　　其次，航空工业产业链长、辐射面宽、连带效应强，在国民经济发展和科学技术进步中发挥着重要作用。大型客机是现代制造业的一颗明珠，是现代高新科技的高度集成。

　　第三，发展大型客机，能够带动新材料、现代制造、先进动力、电子信息、自动控制、计算机等领域关键技术的群体突破;能够拉动众多高技术产业发展;还将带动流体力学、固体力学等诸多基础学科的重大进展，将会全面地、大幅度地提高中国科学技术水平。大型飞机属于典型的复杂产品系统，知识含量高，技术领域广，涉及数学、空气动力学、材料学、人机工程学、自动控制学、流体力学等上百种学科和七千多种技术大型飞机是以先进技术为基础，其研制和生产的过程实际上是不断吸收现代科技最新成果的过程。通过不断引入现代科技创新成果，不仅使产业本身保持较高的生产率和增长率，在市场竞争中占据优势地位，而且直接推动了其他产业部门的创新和新兴产业的发展，对于整个产业发展具有很强的带动性和渗透性。国家通过对大飞机产业提供财政政策支持，有助于放大产业的关联效应，进一步发挥其在经济发展和产业升级中的牵引作用。

　　第四，发展大型客机，将更好地满足我国经济发展和人民出行需要，也必将成为一个潜力无限的新的经济增长点。中国要长期保持高速发展，必须创造新的经济增长点，包括大飞机工程在内的战略工程项目的实施，可以成为我国新的经济增长点。在航空领域的高投入肯定会带来巨大的经济效益。有人计算过，一般的汽车工业投入产出比是1比2.3，而大飞机制造业的投入产出比，将达到1比10以上。然而，我国目前使用的大飞机主要是由美国波音公司和欧洲空客公司制造的。巨大的国内“猎场”。如果我国大飞机工程能够成功，就可以在巨大的国际国内航空器市场中争得一席之地，从而对国民经济的持续发展作出重要贡献。

　　第五，研制具有市场竞争力的大型客机，不仅可以为航空工业的发展提供突破口和新的增长点，还有利于提高中国航空工业的制造能力和管理水平，最终形成强大的航空工业。

　　第六，大飞机的研制还与我国的国防现代化息息相关。研制大飞机，可以带动大型预警机，大型运输机，大型轰炸机的研制，乃至未来中国国产航母的下水。而这些，不单单对于现在棘手的西沙南沙，台湾和周边防卫问题有着极为现实的积极作用;更在于为我国今后国防现代化的建设，增强我国军事威慑力为和平崛起提供一个更为强大的保障奠定了基础。

　　第七，中国拥有13亿人口，改革开放以来综合国力和国际地位日益提高，应该拥有自己的大飞机，这样才与我国社会主义大国的地位相称。随着我国经济的发展、交通网络的日渐完善,以及人民生活水的迅速提高,航空在公共交通中占据的比重越来越大。我国已经有了世界一流的航空公司和机场,但是在大型飞机制造上,还缺少一个“拳头项目”。从目前来看,发展大飞机项目,推进航空工业完全自主化,是非常必要的。内地的航空产业正处于高速的发展态势之中,在未来的数年内,由于交通、物流等方面的快速发展,内地航空产业对干线客机产生极大的需求。目前,世界上的干线客机市场被波音和空中客车两家所把持,而我国只有支线飞机的生产,在干线飞机制造上还是空白。如果我国能够发展起来自己的大飞机项目,就能突破这一瓶颈。

　　二、国内外研究现状

　　2.1国外研究现状（以波音787为例）

　　波音787是一款航空史上首架超远程中型客机，是美国著名飞机制造商波音公司于2009年12月15日推出的全新型号。它变体机型中典型的三层座位设计能容纳242至335名乘客。

　　波音787的最大特点是大量采用先进复合材料建造飞机骨架、超低燃料消耗、较低的污染排放、高效益及舒适的客舱环境。主要要竞争对手为空客A350及A330neo。首架波音787于2011年9月26日交付全日空航空公司使用。

　　设计特点

　　动力系统

　　通用电气与罗尔斯·罗伊斯公司联合为787提供了新一代发动机技术。波音的专有技术与计算机流体力学（CFD）优化了发动机与787机身的整合，将干扰阻力降至最小，让这些技术进步的效益达到最优化。787新型发动机建立在成功的通用电气GE90与罗尔斯·罗伊斯遄达（Trent）发动机产品家族的基础上。这两款发动机都将取得在“开箱”投入使用时进行双发延程飞行(ETOPS）认证。机翼后掠角（25%弦长） 30度。计算机根据飞行时所处的高度和速度，以及载荷情况，操纵飞机后缘襟翼来获得最佳翼型。这种自动变弯度翼型可提高飞机气动效率、减小阻力、还可以缓解机翼所承受载荷而减小机翼结构重量，翼尖加装翼梢小翼。升阻比比A300高40%。机身和尾翼采用了大量铝锂合金和复合材料，铝锂合金用于机身结构、桁条等部件。尾翼、各操纵面、整流蒙皮、客舱地板均由复合材料制造。主起落架为四轮小车式，前起落架为双轮式。动力装置所选用的发动机GEnX,采用了先进技术，压缩比更高，加大了进气道和进气量，提高了发动机推力，降低了燃油消耗。全部符合ETOPS180分钟标准。

　　材料特点

　　波音公司在波音787上使用了“音速巡航者”所提出的技术以及机体设计，并决定在7E7的主体结构（包括机翼和机身）上大量采用先进的复合材料。波音787拥有多项技术创新，其中最引人注目的是波音787机体结构的一半左右都用更轻、更坚固的复合材料代替铝合金，是第一款以复合材料为主体材料的民用喷气式客机。一方面是因为金属能够隐藏损伤问题，这种损伤很难发现，直到碎裂时才会被发现，而合成材料就不存在这种问题；另一方面，用复合材料制造的机身比较轻，还能够埋入光纤管来监控飞机的状况，对于后期的维护成本跟安全上都能达到最新的飞机需求，这使得波音787更节省燃油，而且也可以节省在维护方面的花费。这种合成材料类似于一级方程式赛车中所使用的碳纤维合成材料。

　　1985年，空中客车公司率先将这种复合材料用于飞机制造，制造A310客机的尾翼，随后空中客车公司还将这种合成材料用于制造A350客机的机翼。波音787将这种技术全面运用到787飞机上，机身、机翼等主要的部件，都采用这一新技术，重量比例将超过50%，此前这个比例只有20%。复合材料也大量应用在发动机的叶片、发动机罩等部份。波音787也因这种新技术的广泛应用而被称作“梦想”飞机（使用物料（按重量）：61%复合物料（碳纤维），20%铝，11%钛，8%钢）。生产线只要3天（以生产线达至全力全速而言计算）便可完成一架787的装配，而737则需要11天。

　　机身特点

　　波音787机身截面形状采用双圆弧形，并采用平滑机翼、流线机头与鲨鱼鳍形翼端与尾翼的设计，顶部空间也进行了优化设计，可为乘客提供更宽敞的空间。波音787的机翼设计延续波音737NG（Next Generation）/777的超临界机翼设计。超临界翼的好处在于在高次音速时可增加5%气动力效率，可以减少燃料的消耗并增加飞机的性能，如飞行距离等。787还装备了垂直阵风抑制系统 ，能感知湍流并指挥机翼操纵面应对湍流，从而大幅提高飞行的平稳性。

　　2.2 国内研究现状（以C919为例）

　　C919大型客机，全称COMAC C919，是中国首款按照最新国际适航标准，具有自主知识产权的干线民用飞机，于2008年开始研制。C是China的首字母，也是中国商飞英文缩写COMAC的首字母，第一个“9”的寓意是天长地久，“19”代表的是中国首型中型客机最大载客量为190座。C919大型客机是我国按照国际民航规章自行研制、具有自主知识产权的大型喷气式民用飞机，座级158-168座，航程4075-5555公里，于2017年5月5日成功首飞，截至2018年2月26日累计获28家客户815架订单。

　　设计技术

　　1. 采用先进气动布局和新一代超临界机翼等先进气动力设计技术，达到比现役同类飞机更好的巡航气动效率，并与十年后市场中的竞争机具有相当的巡航气动效率；

　　2. 采用先进的发动机以降低油耗、噪声和排放；

　　3. 采用先进的结构设计技术和较大比例的先进金属材料和复合材料，减轻飞机的结构重量；

　　4. 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；

　　5. 采用先进的综合航电技术，减轻飞行员负担、提高导航性能、改善人机界面；

　　6. 采用先进客舱综合设计技术，提高客舱舒适性；

　　7. 采用先进的维修理论、技术和方法，降低维修成本。

　　设计特点

　　C919客机属中短途商用机，实际总长38米，翼展35.8米，高度12米，其基本型布局为168座。标准航程为4075公里，最大航程为5555公里，经济寿命达9万飞行小时。

　　在使用材料上，C919将采用大量的先进复合材料、先进的铝锂合金等，其中复合材料使用量将达到20%，再通过飞机内部结构的细节设计，把飞机重量往下压缩，另外，C919将会使用占全机结构重量20-30%的国产铝合金、钛合金及钢等材料，充分体现了C919大型客机带动国内基础工业的能力与未来趋势。同时，由于大量采用复合材料，较国外同类型飞机80分贝的机舱噪音，C919机舱内噪音可望降到60分贝以下。

　　在减排方面，C919将是一款绿色排放、适应环保要求的先进飞机，通过环保的设计理念，有望将飞机碳排放量较同类飞机降低50%。

　　舒适性是C919机舱设计的首要目标。机舱座位布局将采用单通道，两边各三座，其中中间的座位空间将加宽，有效地缓解以往坐中间座位乘客的拥挤感。据官方资料表示，C919采用先进的环控、照明设计，提供给旅客更大观察窗，更好的客舱空间，提供给旅客更好的舒适性；同时降低剖面周长0.326%，降低剖面面积0.711%，机身结构重量降低26.7kg。

　　C919采用四面式风挡。该项技术是国际上先进的工艺技术，干线客机中只有最新的波音787采用，它的风挡面积大，视野开阔，由于开口相对少，简化了机身加工工业，减少了飞机头部气动阻力。但是工艺难度相对较大，机头需要重新吹风，优化风挡位置和安装角，同时也有风挡玻璃面积相对较大，制造工艺复杂，成本较高。同时该设计对机头受力和风挡间承力支柱强度提出了更高要求，属于国际上比较先进的设计。

　　C919采用了5000PSI（磅/平方英寸）压力的液压系统，与一般民用飞机采用3000 PSI（磅/平方英寸）压力的液压系统相比，前者可提供更大的动力。压力的增加意味着可使用较小的管道和液压部件传输动力，减轻了重量。

　　C919机翼有36米长，除了装有起落架之外，还能储存燃油，加起来共能容纳186386升燃油。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。919采用电-液动作系统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。

　　2.3国内外主要差距

　　1、美国NASA下设的9个研发中心和实验室，在空气动力、材料学、航空电子和发动机技术等方面有着深厚的技术储备底蕴;波音707所采用的各种材料、设备、技术，都是业已成熟、且有多种选项备份的，且其发达的制造业水平和特种材料加工能力，保证了大飞机造得出、跟得上。与之相比，中国航空的技术储备薄弱，研制运-10时，全机14个大系统，435项成品、附件，竟有305项需要从头研制，最终直接拆借了58件国外现成设备(包括波音707的备用发动机)才飞上天。

　　2、飞机的“心脏”发动机，更是中国航空的痼疾：1972年正式引进的英国“斯贝”发动机，直到近几年才形成批量生产能力，且质量竟不如英方拆下来翻修过的旧机，而大飞机所必须的大涵道比、大推力涡扇发动机，中国至今还是空白。

　　三、未来发展趋势

　　众所周知，大飞机的研制要涉及气动、材料、制造、飞控等诸多产研学科。如从气动和飞控设计来讲，就需要大量的风洞数据支持。不过得益于冷战时期的国防建设需要，中国在风洞这一块长期以来都是不弱的。弱项主要在于材料和工业制造水平的低下。从工业制造的角度来说，现代大型客机中有大量的铝、钛合金部件需要以超大型模锻液压机进行锻压，所以大压机的数量和工况指标，也是一国重工业、尤其是航空制造业水平的标志性门槛。

　　参考文献

　　[1] 黄文宣.中国大飞机之我见.北京.2016.

　　[2] 百度百科.

　　[3] 通用航空战略价值介绍.精品学习网.

　　[4] Norris, Guy; Wagner, Mark (2009). Boeing 787 Dreamliner. Minneapolis: Zenith Press. ISBN 978-0-7603-2815-6.

　　[5] 波音787.波音官网.

　　[6] C919大事记.中国商飞官网.