走近C919：國產(chǎn)大型客機解密

王思磊

2015年11月2日，國產(chǎn)C919大型客機首架機正式總裝下線。這不僅標志著C919首架機的機體大部段對接和機載系統(tǒng)安裝工作正式完成，已經(jīng)達到可進行地面試驗的狀態(tài)，為下一步首飛奠定堅實的基礎(chǔ)，更標志著中國成為世界上少數(shù)幾個有能力研制大型客機的國家。

C919的驚艷亮相，使中國人的“大飛機夢”漸行漸近，而在這時，人們不禁會問，國產(chǎn)大型客機C919到底有哪些高科技含量？

布局民航客機市場“圓夢藍天”

C919大型客機是我國擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的中短程商用干線飛機，從載客量和航程等數(shù)據(jù)來分析，它與波音B737和空中客車A320處在同一量級。

?C919飛機效果圖

相比于已經(jīng)在天空中翱翔數(shù)十年的A320和B737，中國的C919是這個領(lǐng)域的新來者。C919的命名頗具深意，“C”是中國商飛英文縮寫“COMAC”的第一個字母，也代表“China”，也恰好與“空中客車（Airbus）”和“波音（Boeing）”的字頭構(gòu)成順序排列。第一個“9”代表“長久”，后面的“19”則代表最大載客可達190座。C919承載著中國人的“大飛機”夢想，以及布局民航客機市場，實現(xiàn)研制成功、市場成功和商業(yè)成功的戰(zhàn)略重任，將在首飛和通過適航測試之后，進入航線運營，填補航線上沒有中國干線噴氣客機的空白。

C919大型客機項目以中國商用飛機有限責任公司（中國商飛）為載體，采用國際民機行業(yè)通行的“主制造商-供應(yīng)商”模式開展研制。在《國家中長期科學和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》當中，C919被確定為16個重大科技專項之一。這是因為，研發(fā)大型民航客機，不僅是提高國家自主創(chuàng)新能力、增強核心競爭力的重大戰(zhàn)略舉措，也是國家工業(yè)、科技水平和綜合實力的集中體現(xiàn)。

需求管理體系為大飛機作保

?C919飛機的前機身部段下線，其機身蒙皮和長桁使用的是鋁鋰合金材料

在研制之初，C919就將競爭國際市場作為目標，為國產(chǎn)大型客機“飛出國門”鋪路。因此，它是中國首款按照最新國際標準研制的干線民用飛機。目前，國際上重要的標準之一，便是ARP 4754A《民用飛機與系統(tǒng)研制指南》?？梢哉f，從頂層設(shè)計開始就嚴格按照ARP 4754A規(guī)定的方法和流程研制民航客機，是獲得美國與歐洲適航許可的重要基礎(chǔ)，也是飛機走向市場的重要保證。

飛機研制的核心工作是自上而下需求分解分配和自下而上集成驗證的結(jié)合。因此，對這兩者的管理，便是ARP 4754A的核心，業(yè)界稱之為“雙V”管理流程。這第一個“V”，是指飛機需求從上而下分解和確認的流程（Validation）;第二個“V”，是指產(chǎn)品自下而上的集成驗證流程（Verification）。對于民航客機來說，“需求”從上而下被劃分為市場需求、飛機級需求、系統(tǒng)級需求、分系統(tǒng)級需求、設(shè)備級需求等需求。

舉例而言，飛機在空中或地面均具備減速功能，滿足空中和地面減速的“飛機級需求”。而飛機減速相關(guān)的飛機級需求又被分解、分配到起落架系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)等多個相關(guān)系統(tǒng)，這些“系統(tǒng)”又將各自的“系統(tǒng)級需求”分解到機輪、剎車片、阻力板等具體的設(shè)備。當飛機在地面上需要減速剎車的時候，每個設(shè)備通過完成自己的“分系統(tǒng)需求”，達到系統(tǒng)的“系統(tǒng)級需求”，進而實現(xiàn)飛機的“飛機級需求”。這個“從上而下分解、從下而上反饋”的V字形流程，保證了“需求”的不遺漏、不冗余、正確性和完整性。

C919的研發(fā)工作，便是遵循ARP 4754A的要求展開，依據(jù)市場需求、飛機設(shè)計等頂層需求出發(fā)，捕獲、分析并定義了飛機級需求，包含一般需求、結(jié)構(gòu)需求、可靠性/維修性需求、安全性需求、功能性需求及附加適航審定需求等;分解分配到系統(tǒng)級、設(shè)備級并形成相應(yīng)具體的需求文件，由此構(gòu)建完整的全機需求管理體系。這個過程，確保了C919飛機研制先進性和科學性的需求予以落實、實現(xiàn)。

《民用飛機與系統(tǒng)研制指南》

這一文件由美國自動工程協(xié)會（SAE）根據(jù)美國聯(lián)邦航空局（FAA）的要求于2010年編寫發(fā)布，用以證明高度綜合與復雜航電系統(tǒng)對適航規(guī)章的符合性，是關(guān)于飛機系統(tǒng)研制的頂層規(guī)范。

“超臨界機翼”

大大提高氣動效率

由于民用飛機更強調(diào)經(jīng)濟性和安全性，科研人員除了考慮大飛機的先進性和科學性，也在努力提升飛機的經(jīng)濟性能。飛機的耗油量與飛機的升阻比（升力和阻力的比值）有直接的關(guān)系，升阻比越高，飛機的氣動效率越高，耗油量就越少。而飛機的升力主要來源于機翼，全機70%左右的阻力也來源于機翼。因此，為了保證飛機的座級，避免“油老虎”的出現(xiàn)，在飛機機翼上動腦筋，便成了提高飛機氣動效率的關(guān)鍵。

噴氣式民航客機通常以略低于音速的高亞音速飛行。當飛行速度接近音速時，機翼上表面某些區(qū)域的氣流速度可能已經(jīng)達到音速，令飛行阻力急劇增加。這一時刻飛機飛行速度與音速的比值，被稱為飛機的“臨界馬赫數(shù)”。第一、第二代噴氣式客機采用的多是傳統(tǒng)的古典翼型，古典翼型適合于低速及亞音速飛行，在這種速度范圍內(nèi)，它們具有較高的氣動效率。但是，隨著飛行速度的進一步提高，古典翼型的設(shè)計已不可能適應(yīng)高速巡航飛行的要求，因此，只能尋求一種既能適應(yīng)高速巡航飛行，又能保持較高氣動效率的翼型，這就是超臨界翼型。

C919的機翼設(shè)計就是運用了這一超臨界翼型。相對于古典翼型，超臨界翼型可使巡航氣動效率提高20%以上，巡航速度提高100多千米/小時;如果用同一厚度的標準來設(shè)計古典翼型和超臨界翼型，超臨界翼型的整體阻力比古典翼型要小8%左右，因而，超臨界翼型具有較大的機翼相對厚度，而這可以減輕飛機的結(jié)構(gòu)重量，增大結(jié)構(gòu)空間及燃油容積。

局部融合設(shè)計

讓飛機更經(jīng)濟、更安全

在C919飛機的設(shè)計上，超臨界機翼與發(fā)動機、機身和吊掛之間還采用了性能更為優(yōu)化的局部融合設(shè)計，這些設(shè)計進一步提高了C919飛機的經(jīng)濟性和安全性。

通常飛機發(fā)動機的安裝位置與機翼較近，兩者之間難免產(chǎn)生阻力干擾。設(shè)計人員經(jīng)過反復論證研究，采取了局部融合設(shè)計，使發(fā)動機與機翼之間達到了有利干擾，也就是“1+1<2”的設(shè)計效果，讓兩者一起的阻力小于兩者的阻力之和。對于機翼和機身之間過渡區(qū)的局部設(shè)計，不僅沒有帶來機翼的升力損失，還提高了一部分機翼升力系數(shù)，也讓兩臺全新的LEAP-1C高函道比發(fā)動機能發(fā)揮出更佳的性能。

吊掛是發(fā)動機和機翼之間的一個狹窄通道，C919飛機采用的是IPS吊掛。在吊掛設(shè)計的過程中，既不能讓它破壞機翼下表面的壓力分布，又不能破壞發(fā)動機短艙上的壓力分布。設(shè)計人員利用IPS吊掛寬度較大的特點，在機翼前緣進行了融合設(shè)計，在不破壞壓力分布的情況下，能讓機翼晚些到達失速安全邊界，提高了飛機的安全性。

國內(nèi)首次應(yīng)用

第三代鋁鋰合金材料

在中國武術(shù)界，有著“內(nèi)練一身氣，外練筋骨皮”的說法。C919大型客機的研發(fā)，也詮釋了這一思想。它的結(jié)構(gòu)設(shè)計完全由中國商飛自主完成，并實現(xiàn)生產(chǎn)制造全國產(chǎn)化。在機體主結(jié)構(gòu)上，設(shè)計人員大量使用了世界先進的第三代鋁鋰合金材料，這在國內(nèi)尚屬首次，大大帶動了國內(nèi)航空材料和制造的發(fā)展。

鋁鋰合金材料被認為是目前航空航天業(yè)首選的理想輕質(zhì)高耐損傷金屬材料。相比于普通鋁合金，鋁鋰合金在同等重量下強度更大，在同等強度下重量更輕，這一性能對飛機而言非常重要。同時，鋁鋰合金的損傷容限性能和抗腐蝕性能也更強，使用鋁鋰合金可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重并大大提高飛機壽命。

由于第三代鋁鋰合金此前沒有在國內(nèi)民用飛機上使用過，因此拉伸性能、疲勞性能和斷裂性能等關(guān)系到飛機設(shè)計的重要參數(shù)，在國內(nèi)基本沒有，需要進行大量試驗，方能獲得其各項性能指標。為此，攻關(guān)團隊先后進行了三大塊試驗，獲得了大量設(shè)計用有效數(shù)據(jù)，建立了第三代鋁鋰合金的材料規(guī)范體系、設(shè)計許用值體系和制造工藝規(guī)范體系，為將來鋁鋰合金在國內(nèi)民機產(chǎn)業(yè)的廣泛使用奠定了堅實的基礎(chǔ)。

不僅在材料設(shè)計參數(shù)驗證方面，在材料生產(chǎn)加工過程中，攻關(guān)團隊又先后攻克了多項關(guān)鍵技術(shù)難題，在生產(chǎn)工藝上取得了重大突破，解決了第三代鋁鋰合金的生產(chǎn)制造問題。

苦練內(nèi)功，航電核心處理系統(tǒng)

達到國際先進水平

如武學人才內(nèi)外兼修一樣，C919也在“內(nèi)功”上狠下功夫。在民用飛機產(chǎn)業(yè)有個形象的說法：航電系統(tǒng)是“大腦”，飛控系統(tǒng)是“四肢”，EWIS系統(tǒng)是“經(jīng)絡(luò)”。就像人一樣，一架先進的飛機應(yīng)該擁有聰敏的大腦、靈活的四肢、通暢的經(jīng)絡(luò)。

C919航電系統(tǒng)的核心——IMA，使用的是目前最先進的高度集成數(shù)據(jù)處理和網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)。飛機搭載的IMA，由兩臺核心處理計算機柜負責處理全機各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，承擔全機信息交換中心的職能。遍布全機的16個遠程數(shù)據(jù)接口裝置（RDIU）和4臺遠程交換機，為全機各系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸、交換提供了通路，形成了強大的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。

這種網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)處理方式，相較之前一對一的數(shù)據(jù)傳輸處理方式，是巨大的變革，因為它不僅提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶幚硇?，也大大減少了全機電纜的長度，從而實現(xiàn)了有效的減重。比如說，飛行速度、高度這些數(shù)據(jù)，以前要由大氣數(shù)據(jù)計算機分別建立通路，傳輸給顯示系統(tǒng)、發(fā)動機、環(huán)境控制等系統(tǒng);現(xiàn)在，只需“把工作都交給網(wǎng)絡(luò)”。

這些優(yōu)點，要歸功于C919使用的目前最先進的ARINC664網(wǎng)絡(luò)集成技術(shù)。系統(tǒng)更先進了，帶來的技術(shù)難點也不少。以ARINC664總線為數(shù)據(jù)主干道的航電核心處理系統(tǒng)，是應(yīng)用在飛機航電系統(tǒng)中的先進信息處理系統(tǒng)。目前，國際上只有B787、A380等較新機型采用這種技術(shù)。由于ARINC664網(wǎng)絡(luò)的高度共享性和邏輯復雜性，提高了設(shè)計難度，也給中國商飛提出了很高的設(shè)計集成能力要求。

如今，大型客機對數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨螅约拔磥碓诳蜋C上搭載娛樂系統(tǒng)等商業(yè)化的需求正不斷增多，而C919直接攻關(guān)新版本航空數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)的策略，已經(jīng)讓它在數(shù)字化和擴展?jié)摿Ψ矫妫_到了目前民航國際先進機型的水平。

如何理解ARINC664網(wǎng)絡(luò)？

簡單來說，ARINC664網(wǎng)絡(luò)是一種航空總線通信協(xié)議。相比于之前被廣泛應(yīng)用但帶寬有限的老版本網(wǎng)絡(luò)，ARINC664最大的好處就是帶寬高且資源共享，這意味著，原來需要通過若干根線纜傳輸?shù)男盘?，現(xiàn)在可以由一根線纜傳輸。這就好比我們從A地到B地，需要開行10列火車，但并不需要修筑10條鐵軌，只需要一組雙軌鐵路，再配上可靠的信號系統(tǒng)便可完成，而且這樣做，顯然比修10條鐵軌更節(jié)約資源。