ARJ21支线,为大飞机发展探路
2006年,国务院发布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020年)》,将大型飞机重大专项确定为16个重大科技专项之一。一年后,中央正式做出了自主研制大型飞机,发展有竞争力民用航空产业的战略性决策。这是我国在国家层面做出的第四次发展大型民机决策,终于促成了C919的面世。
在C919之前,另一个角色不可忽视,那就是我国具有自主知识产权的新型涡扇支线飞机——ARJ21。
“从运-10到现在,我们干了一辈子,退休十来年后终于有一架取得适航证、具有市场竞争能力、可以自主经营的飞机交付客户。”刘乾酉感叹说。除了产品本身,他认为,ARJ21项目更大意义是为中国民机发展闯出了一条路,为后续的大飞机项目奠定了基础。
2000年2月15日,朱镕基召集会议听取民用飞机发展思路汇报。他指出,此前最大的教训就是“用计划经济的一套、用搞军机的一套办法搞民机”。此次会议明确了我国民机要按照市场机制发展。
在体制上,我国航空工业实现了改革创新。随着2008年中国商飞成立,中国航空工业完成了整合重组、军民分线,形成了民机产业的核心能力,拥有了参与世界民机市场竞争的主体以及民机产业化的责任主体。
通过ARJ21项目,我国民机发展还探索出“坚持以我为主、自主创新,在拥有自主知识产权的前提下,积极开展多种形式的国际合作”的发展途径;形成了“主制造商—供应商”模式。
刘乾酉表示,我国已基本建成以中国商飞为核心、联合中航工业、辐射全国面向全球的民机产业体系。
经过数年艰苦攻关,首架ARJ21-700飞机于2007年12月21日在上海总装下线,将近一年后完成首飞。但这并不意味着适航审定的完成。接下来的6年,它开始了艰辛的“路考”。
“ARJ21的适航审定是依据我国现有的行业法规——《中国民用航空规章》第25部《运输类飞机适航标准》(CCAR-25)。”郭博智介绍,该标准完全参照“FAA-25”标准,与国际标准接轨。认证过程中,FAA也一直参与,审查我国民航局是否具备适航审查能力。
“ARJ21共通过了528个试飞科目,398个适航条款。”郭博智说,每一个条款,用什么方法证明自己符合;每一个科目怎么飞,需要哪些数据,数据怎么分析,此前在我国全是空白。从某种意义上说,这并不是一款飞机的试飞,而是一个国家的试飞。
首次参试的ARJ21受到的审查极为严格。刘乾酉介绍,按照国际惯例,局方试飞科目的数量通常为申请人试飞项目数量的30%,而对ARJ21,该比例达到了80%。又如失速试飞项目,“空客A380只飞了256次,而我们飞了8220次。”他说。
为了与国际标准接轨,源自FAA的“考题”给试飞团队带来了重重困难。刘乾酉举例说,高寒试飞项目要求飞行环境低于零下40摄氏度,为满足要求,只能在最冷的时候前往海拉尔试飞。头一次试验不成功,只好返回修改,第二年再去。高温高湿试飞也是如此。“这两个项目试了十几次,花了几年时间。”他说,而美国却有可以进行零下50摄氏度至零上70摄氏度环境模拟的实验室,把飞机拉进去就能通过模拟完成试验项目。
对于适航审定项目中的2.5g全机稳定俯仰100%极限载荷静力试验,ARJ21-700飞机副总设计师朱广荣有着刻骨铭心的记忆。“2009年12月1日,我们所有强度专业的人都会记得。”他说。那天,在中国民航局局方代表、FAA适航代表、中国商飞领导及众多媒体的注视下,试验失败了。
飞机在遭遇紊流、阵风,或者飞行员在紧急情况下进行大幅度机动时,会导致机翼承受的载荷超出飞机的重量。按照标准,飞机极限载荷的设计值为飞机重量的2.5倍。极限载荷试验就是对试验样机机翼模拟加载2.5倍载荷,并持续3秒,以检验飞机的结构。“实际飞行中,永远不可能碰到极限载荷,但飞机的结构设计必须达到这样的强度。”朱广荣说。
然而试验刚加载到87%,机身断裂了。“原因很快查明,是个低级计算失误。”朱广荣说,但经历了如此事故,民航局方、美方审查代表对强度团队的信任跌至谷底。沉重的压力、难言的委屈,朱广荣和同事们默默承受着。除了已经查明的错误,他们举一反三,将所有环节全面铺开,对每个细节反复核查。7个月后,第二次极限载荷试验取得成功。
“首次试验的失败无疑是件坏事,将整个型号的研制进度推迟了7个月。”朱广荣说,但这段经历,也为我国民机发展积累了经验。他表示,这是中国民航首次在重要试验中出现重大故障,此前我国并没有这方面处理经验。通过这一事例,科研团队与民航局方共同建立了从故障原因排查、修复,再到验证的一整套民机研制处理试验故障的程序。不仅得到民航局的高度认可,也重获FAA的信任。此后FAA对所有专业进行审查打分时,结构强度专业获得了全部绿灯。
2014年12月30日,ARJ21终于获得中国民航局颁发的型号合格证,同时也宣告中国具备该类飞机的适航审定能力。“该型号对我国民机技术、产业乃至整个民用航空工业贡献巨大。”郭博智表示。
今年11月2日,中国航空人研制了整整七载春秋的C919首架机总装下线,计划于明年首飞。它也将踏上适航审定的征程,但对这条路,我们不再是一无所知。从运-10到ARJ21再到C919,我国民用飞机及其产业发展产生了巨大变化,但一代代航空人矢志不渝的梦想和追求始终没有改变。
从“翅膀”到“内脏”的强劲,C919就是这么傲娇
C919是进军国际大飞机市场的先锋,为了打败竞争对手,它的设计性能超过了大部分同类机型。
首先,C919使用了LEAP-1C发动机,它是CFM56发动机的改进版,后者是世界上最为成熟,卖得最多的发动机。而LEAP-1C的燃油消耗比它的前辈减少16%。大客机是吃油老虎,省16%的燃油是显著优势。
为了减少空气阻力,C919的外形在成熟的客机模型上做了许多改进,机头、机身、翼稍、吊挂等,每个环节都有微小进步。加在一起,C919相对空客、波音的竞争机型,可以减阻5%。
“我们对供应商的选择一定通过全球竞争,看谁的质量最好,价格最便宜。”郭博智说,“通过竞争,我们就能给飞机选择最合适的系统,保证飞机经济、安全和环保。”
C919使用的最高端的铝锂合金和复合材料,占结构重量的五分之一还多,这使得飞机更轻;机翼和机体上的20多个钛合金部件,还使用了中国自研的激光粉末冶金技术(3D打印的一种)。
机舱内噪音,C919能降到60分贝以下,而同类机型则为80分贝。
C919的新型空气分配系统,让空气更新鲜、均匀。出风口设计在机舱顶部和行李架侧面,加快了空气流动,乘客更少会感到“冷热不均”。体感温度目标则根据中国人群实验数据而来。
着眼于国内市场,C919还针对高原、高湿等环境下飞行的问题做了改进。
另外,C919团队研发了全球水平最高的一体式吊挂。发动机的油、电、控制信号,都要经过“吊挂”这个部件。C919的发动机控制部件和附属设备,都放进了吊挂。
“吊挂越小,发动机效率越高。”C919机体结构总装现场工程团队项目经理丛昊说:“C919的吊挂体积缩小了,结构整合得极其紧凑。以往的反推都是挂在发动机上,现在则是挂在吊挂上。”
丛昊介绍说,预冷器是用发动机热量给客舱提供暖风的。C919使用的预冷器是市面上最大一类,占用空间大,还包含很多孔洞,影响到吊挂的结构。中国团队解决了这个问题。还有C919上的8个断离销(安全销),它们是吊挂一部分,在飞机撞击时会断开,让发动机脱离机身,不至于撕开翅膀上的油箱引起大火。但它们平时绝不能松动。断与不断,只有1.5%的区间。这个小部件挑战了设计、工艺、材料性能、热处理技术等。为此安排了1000多次实验。
C919具有高度模块化和综合化的航电系统、带包线保护功能的全数字电传飞控系统,这些软硬件结合的创新技术研发,都是中国人主导和负责的,跟同类飞机比都是佼佼者。
另外,由于中国人工成本相对较低,C919比波音和空客同等机型便宜。C919可能卖到5000万美元一架,而波音737和空客320则在6000万美元左右。
比起运-10,C919“成熟稳健”了许多,前者是每年只能飞几十个小时,每次降落后都要修修补补的试验机;后者立志成为带着近200人上天,安全飞上几万个小时,十几年不出故障的商业飞机。