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                    《科學畫報》

                    開博時間:2016-07-01 14:43:00

                    由中國科學社于1933年8月創刊,距今已有80年的歷史?!犊茖W畫報》在80年的辦刊歷程中,形成了通俗生動、圖文并茂地介紹最新科技知識,形式多樣地普及科學技術的特點,對提高廣大群眾的科學水平,啟發青年愛好科學、投身科學事業起了很大的作用,當今的不少著名學者、教授、科學家,青少年時代都曾受到它的熏陶和啟發。

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                    “內外兼修”的國產ARJ21飛機

                    2020-10-29 12:39:00

                      2020年1月10日,ARJ21飛機項目榮獲國家科學技術進步獎一等獎。人們不禁要問,這款國產商用飛機究竟有何魅力?

                      ARJ21飛機不僅有著俊美緊湊的外形,還具備優良先進的性能,可謂內外兼修。從立項到研發,再到取證運營,ARJ21飛機創造了中國商用飛機史上的多個第一,它的成功被形容為“一個國家的起飛”。

                    飛機

                      高顏值的秘方

                      現代飛機名目眾多,但是隨著技術成熟度的提高和設計理念的趨同,一架架飛機長得越來越像,“臉盲”的朋友很難區分它們。相對來說,ARJ21飛機的主要布局特點為發動機尾吊、高平尾和下單翼。

                      所謂發動機尾吊,顧名思義,就是把發動機布置在飛機尾部。與之相對的是發動機翼吊,也就是把發動機布置在機翼下部,中國商飛研發的大型客機C919正是采用了翼吊布局。

                      在尾吊布局中,機翼是“干凈”的,因此發動機對機翼氣動的干擾較小,設計師可以放心地根據空氣動力學原理對機翼開展設計。但同時,尾吊布局也存在全機配平(類似杠桿平衡)困難等問題。

                      那么,飛機究竟要采用尾吊還是翼吊?其實這要根據飛機總體指標和設計理念來確定。通常來說,中小型客機上一般采用尾吊布局,以提高發動機離地距離,保證發動機的安裝空間。

                      高平尾又叫T形尾翼,就是把平尾布置在垂尾頂部,從正前方觀察,平尾和垂尾組成一個“T”形。高平尾布局的優勢在于,加大了平尾與飛機重心的距離,根據杠桿原理,這種設置增加了平尾的配平能力。由于ARJ21飛機的發動機為尾吊,常規平尾正好處于發動機尾噴區,因此,加高平尾的位置也是必須的選擇。

                      由于這種尾翼設置會增加垂尾的質量,改變垂尾的氣彈特性,因此需要盡量減小尾翼質量,以滿足氣動彈性設計要求和強度指標,當然也就增加了尾翼的設計難度。

                      中國商飛上海飛機設計研究院有一個名為“夢想之翼”的雕塑,巧妙地將ARJ21飛機的復合材料尾翼試驗件(真實的)和云彩(設計的)融為一體,在展現飛機設計之美的同時,也記錄了尾翼研發的艱難歷程。

                      所謂下單翼,就是把機翼設置在機身底部,這種布局可以提高飛機的靈活性,同時還可以將機翼作為緊急出口,這是現代商用飛機的常用布局。電影《薩利機長》中,飛機水上迫降后,乘客就是被疏散到機翼上等待救援的。

                      與下單翼對應的還有上單翼和中單翼。上單翼可以提高發動機離地高度,防止異物被吸入發動機,可以在復雜地形上起降,同時增加了機艙容量,因此在軍用運輸機上應用廣泛。我國的運-20飛機就采用了這種布局。中單翼是將機翼布置在機身中間,這是戰斗機的常用布局,我國的殲-5戰斗機就采用了中單翼布局。

                      早期的飛機由于氣動設計水平和發動機技術的限制,常采用雙翼布局,更多的機翼意味著更高的升力和穩定性。

                      翱翔之翼

                      飛機翱翔藍天離不開它的核心部件——機翼。如同鳥兒的翅膀,機翼為飛行提供了所需的升力。乍一看,不同機型的“翅膀”都大同小異,實際上這里面有著很大的學問。

                      機翼設計的先進性是衡量飛機先進性的重要標準之一。ARJ21飛機是國內率先采用超臨界翼型的機型。超臨界翼型是為提高臨界馬赫數而采取的特殊翼型。簡單理解,就是這種翼型可以擁有比常規翼型更高的巡航速度、更小的阻力和更輕的重量,大大提高了飛機的經濟性。

                      在各式各樣的翼型中,如何快速區分超臨界機翼和傳統機翼呢?方法其實很簡單:看顏值!

                      傳統翼型的上下表面形狀是不對稱的:上表面彎曲,下表面較平。與其不同,超臨界機翼則采用了特殊翼型剖面:前緣鈍圓,上表面平坦,下表面接近后緣處有反凹,后緣較薄且向下彎曲。

                      ARJ21飛機機翼的末端,有一個近似垂直于機翼的小機翼——翼梢小翼。翼梢小翼雖小,對提高飛機的經濟性卻有著“四兩撥千斤”的作用。??达w行表演的朋友會看到,飛機飛行時,翼尖會產生渦流。飛機飛得越快,所產生的渦流就越強,這樣會增加飛行時的阻力和燃料的消耗。

                      而翼梢小翼可以顯著削弱渦流,換言之,翼梢小翼增加了機翼劃開空氣的能力,進而降低飛機燃油消耗。

                       飛機

                      歷經千錘百煉

                      作為商用飛機,安全永遠是第一位的。那么民航客機的安全性靠什么來保證呢?答案就是適航標準。嚴格的適航標準對飛機各項性能和指標提出了具體的要求,從而保證飛行安全。

                      ARJ21飛機是國內首款嚴格按照國際適航標準設計的飛機,采用新標準所帶來的挑戰也是前所未有的。如何達到標準要求,就需要航空專家打通設計思路、測試方法和結果評估等各個關卡。

                      比如,關于飛機防冰的要求,適航條款上就簡簡單單十余行字,然而ARJ21飛機歷時4年、輾轉萬里才完成防冰條款對應的自然結冰試驗驗證。其中很大一個阻礙在于:國內難以找到符合條款規定的氣象空域,最后只得到條款判據的誕生地(北美洲五大湖區)開展試飛。

                      類似的考驗還有很多。ARJ21飛機在完成了300項地面試驗科目、528個驗證試飛科目,累計試飛2 942架次、5 258飛行小時,398條適航條款關閉、3 418份符合性報告得到審批后取得了中國民用航空局頒發的型號合格證,可謂經歷了千錘百煉。

                      ARJ21飛機雖然取得了適航證,但是作為商用飛機,其最終成功與否還要由市場檢驗。2015年11月29日,首架ARJ21飛機飛抵成都,交付成都航空有限公司,正式進入市場運營。此后,ARJ21飛機又陸續交付多家航空公司,先后開通了50條航線(包括哈爾濱到海參崴的國際航線),連通了50個城市,運輸旅客超82萬人次。

                      隨著運營時間和航線的增加,ARJ21飛機會根據市場實踐反饋,不斷進行優化改進?!靶坳P漫道真如鐵,而今邁步從頭越”,ARJ21飛機未來的路還很長,中國大飛機的路也剛剛起步。

                      文/張美紅 劉暢

                    本文來自《科學畫報》

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