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“大飛機”是個使用頻度很高的詞匯，中國的“大飛機”更是被國人關(guān)注、世人矚目。經(jīng)常有人和我探討，究竟什么是大飛機，大飛機為什么這么重要、這么難。這些問題本身就很重要，也很難回答，業(yè)內(nèi)人士看法也并不一致。過去兩年里，我曾以大飛機和C919為題，應(yīng)邀給一些學(xué)校和機構(gòu)做過幾場科普，算是略略有一點學(xué)習(xí)與思考。

 

4月13日，來自烏克蘭的世界最大飛機安-225飛機，抵達中國天津，前來運輸防疫醫(yī)療器械與用品。次日，這架載運700萬個口罩、數(shù)十萬件防護服及護目鏡、呼吸機等物資的飛機，經(jīng)由阿拉木圖，平安降落在租用方波蘭的華沙弗里德里克·肖邦機場。數(shù)天來，圍繞安-225的這次飛行，大飛機的熱議再度升溫。

 

在過去積累的基礎(chǔ)上，通過再學(xué)習(xí)、再思考，以及與友人的討論，我整理出這份萬字長文，試圖回答大飛機的所指、大飛機的發(fā)展、誰是巨無霸、大飛機之難以及大飛機的未來等六個問題。

 

（本文里，對飛機取狹義概念，專指固定翼航空器，不涉及旋翼類航空器和航天器；由于無人機的特殊性，其分類另有界定，也不涉及。）

 

 

（1）“大飛機”的所指

 

“大飛機”雖然被關(guān)注，媒體和各界對這個詞匯的使用也很多，但“大飛機”并無嚴(yán)格定義，也沒有所謂的標(biāo)準(zhǔn)。按其本義，“大飛機”是大型飛機的簡稱，特定情況下又專指一項工程，如中國的大飛機專項。

 

從萊特兄弟發(fā)明飛機以來，經(jīng)歷110余年的發(fā)展，飛機成了對人類社會影響最為深刻，且不可或缺的機械類工業(yè)產(chǎn)品之一。作為一種空中交通工具和現(xiàn)代軍事裝備，其任務(wù)能力與性能越來越強，越來越多樣化。當(dāng)飛機用于軍事用途時，出現(xiàn)了戰(zhàn)斗機、轟炸機、戰(zhàn)斗轟炸機、攻擊機、偵察機、預(yù)警指揮機、空中加油機、電子戰(zhàn)飛機等林林總總的品種，各自所追求的性能有了很大差異。

 

對于絕大部分民用飛機和軍用運輸機來說，其使命是以適當(dāng)成本快捷運送人員與物資，故而也可以合稱為“運輸類飛機”。表征“運輸類飛機”性能的最本質(zhì)指標(biāo)是“載重量”，即飛機升空載運的全部有用載荷；對于民用，又可稱“商業(yè)載荷（商載）”。但是，直接用這兩個概念來表征一架運輸類飛機的能力，有一定的約束和不便，比如攜帶燃油的多少與執(zhí)飛任務(wù)性質(zhì)及其航程相關(guān)，客機里的座椅與服務(wù)設(shè)施難以歸入有效載荷，但卻是必不可少的升空載重物等等。綜合權(quán)衡，以最大起飛重量（MTOW，Maximum take-off weight）作為衡量運輸類飛機性能的主要指標(biāo)更為合理可行；而把以最小的空重，去實現(xiàn)盡可能大的載重量（商載）的方法與實踐，歸入飛機水平評價的范疇。

 

衡量運輸類飛機是否足夠“大”，更為直接的是尺寸維度，常用機身長、翼展和機高這三個數(shù)據(jù)來表征。還有一種方法，是把這三個數(shù)據(jù)連乘，得到一個“能包住飛機的最小長方體”，稱之為“最理想機庫”，用以表示飛機的大小。用幾何尺寸來界定大飛機，雖然直觀，但有時因使命與機型不同，造成相互之間缺乏可比性，也并不能反映本質(zhì)的性能特征。還有人提出用貨艙容積來評判，據(jù)此，最大的飛機是擁有1840立方米的波音747-BCF，即Boeing Converted Freighter，改裝型貨機，也被稱“夢幻運輸機”（見下圖）。而安-225僅為1300立方米。但這種方法，也有很大局限，容積大未必載重能力一定強，而是出于特殊使命要求，如747-BCF就是專為運輸787大部件而改裝的；還有些飛機并無傳統(tǒng)的筒形貨艙，如后面說到的雙體飛機，也就沒有比較的基礎(chǔ)。

 

綜合上面的分析，確定大飛機的依據(jù)應(yīng)以MTOW為主，輔以幾何尺寸。按照這一認知，運輸類飛機的主要發(fā)展路徑是，在滿足適當(dāng)?shù)乃俣纫蟮耐瑫r，實現(xiàn)大型化，持續(xù)提升MTOW。而對于客機，則直接以座位數(shù)（座級）來衡量，這樣更為簡明，能更直觀地反映客機的使命任務(wù)。百年來客機的發(fā)展在很大程度上正是不斷提升座級的大型化進程，前提是確保安全性和經(jīng)濟性，并努力實現(xiàn)舒適與綠色。

 

（2）“大飛機”的發(fā)展

 

早期的飛機，很小，運載能力有限。1914年，飛機被首次用于定期商業(yè)客運，首個民航航班在美國佛羅里達州圣彼得斯堡與坦帕之間開辟，執(zhí)飛機型為賓魯伊斯14型兩座飛機，只能運送一名乘客。1919年德國設(shè)計師、企業(yè)家容克斯研制生產(chǎn)的F-13飛機作為世界首架全金屬民航客機問世，可載2名機組人員和4位乘客。1921年英國維克斯公司的世界第一種專門運送兵員的軍用運輸機服役，可運載12人。用如今的眼光看，這些初始的運輸類飛機都很小。

 

運輸類飛機就是在這樣的起點上，按照軍用、民用兩個大類的需要，軍民互動，客貨并發(fā)，在經(jīng)歷一個世紀(jì)的發(fā)展后，達到了今天高度現(xiàn)代化的程度。在這個進程中，飛機越做越大，也就形成了與時俱進的“大飛機”稱謂。我們按照客機和專門的運輸機分別敘述。

 

先說客機?，F(xiàn)代客機一般分為干線客機和支線客機兩大類。干線客機指客座數(shù)大于100、滿載航程大于3000km、執(zhí)飛國際航線或國內(nèi)大城市之間的干線航路的客機，其中航行于國際航線上的，多為滿載航程大于6000km的中遠程干線飛機。支線飛機是客座數(shù)100以下、航行于中心城市與小城市之間或小城市與小城市之間的支線航路的客機。大型客機當(dāng)然也就與中遠程干線客機、主要是其中的噴氣式干線客機密切關(guān)聯(lián)起來。

 

與戰(zhàn)斗機相似，對噴氣式干線客機的發(fā)展也有“劃代說”，多認為從上世紀(jì)中葉開始，大約每十年一代，已經(jīng)歷六代發(fā)展。第一代為20世紀(jì)50年代，以波音707為代表，采用后掠翼。第二代為20世紀(jì)60年代，以波音727/737和圖-154為代表，采用低涵道比渦扇發(fā)動機。第三代為20世紀(jì)70年代，以空客A300和波音747為代表，采用高涵道比渦扇發(fā)動機和雙通道寬機身。第四代為20世紀(jì)80年代，以波音757/767和空客A310為代表，也包括座級稍小、持續(xù)改進的波音737系列和空客A320等，注重提高燃油效率和巡航氣動效率，減輕結(jié)構(gòu)重量，降低直接使用成本，部分機型開始采用電傳飛控。第五代為20世紀(jì)90年代，以波音777和空客A330/340為代表，進一步提高氣動效率，采用涵道比7~9的渦扇發(fā)動機，大量使用復(fù)合材料，應(yīng)用超臨界機翼，改進駕駛艙布局等。第六代為本世紀(jì)以來，以A380/350和波音B787為代表，A380取代B747成為世界最大的客機，A350和B787則采用寬機身和大量使用復(fù)合材料，可實現(xiàn)點對點遠距飛行。

上述劃代并不嚴(yán)謹(jǐn)，從中能看到民機技術(shù)進步及機型迭代之快，卻并不表明在座級、性能等使用功能方面，兩個十年間的飛機確有“代際”的顯著差異。但就客機大型化而言，大體是循序漸進的，而在這個進程中，空客公司的第一款客機A300B可視為里程碑。該機的問世，標(biāo)志著世界民用客機發(fā)展登上了300座級的臺階。大型客機的所指，也由此被人們認定為300座級。換句話說，干線飛機中的一部分大座級客機，成為大型客機的代名詞。

 

與客機的發(fā)展路徑類似，專門的運輸機沿著由活塞螺旋槳式到渦輪螺旋槳式、再到渦輪風(fēng)扇式的道路，也越來越大。活塞螺旋槳式運輸機的代表機型為德國的Ju-52/3M（最大起飛重量11t/載重3.88t，t為噸，以下同）和美國的C-47（15t/2.27t）。渦輪螺旋槳式運輸機以蘇聯(lián)的安-22（250t/80t）、美國的C130（70t/20t）和歐洲在上世紀(jì)末研發(fā)的A400M（141t/37t）為代表。渦輪風(fēng)扇式運輸機的代表機型為美國的C-5（380t/120t）、俄羅斯的伊爾-76（208t/46t）和烏克蘭的安-124（405t/150t）及安-225。這三類運輸機在技術(shù)上雖是遞進關(guān)系，但各具特點，分享市場，共存與互補。但就滿足速度要求前提下的大型化而言，渦輪風(fēng)扇式是大型運輸機的主流樣式。

 

具有一定特殊要求（主要是適應(yīng)戰(zhàn)場環(huán)境）的軍用運輸機，除按上述路徑發(fā)展外，有時還依戰(zhàn)術(shù)運輸和戰(zhàn)略運輸而分類。在戰(zhàn)區(qū)附近、近距離運送作戰(zhàn)資源、載重20t左右的運輸機，一般被稱為戰(zhàn)術(shù)運輸機，多采用渦輪螺旋槳式。遠距離輸送大批量作戰(zhàn)資源，總重200t級的運輸機被稱為戰(zhàn)略運輸機；也有人把能運送主戰(zhàn)坦克類大型裝備、載重量超過70-80t的運輸機，稱為重型運輸機，應(yīng)視為與戰(zhàn)略運輸機同義。戰(zhàn)略運輸機幾乎都采用渦輪風(fēng)扇式，只有個別型號的渦輪螺旋槳式運輸機，如安-22。

 

綜合考慮軍用和民用，雖然不構(gòu)成定義與標(biāo)準(zhǔn)，但在世界航空界所形成的基本共識是，達到起飛重量200噸級的運輸機和300座級的客機，被視為大型飛機，即大飛機。尤其是在上世紀(jì)六、七十年代，隨著一批大飛機的集群式出現(xiàn)，人們也就有了這樣一個約定俗成的界定。由于轟炸機、加油機、預(yù)警機的平臺特性與運輸類飛機相近，有時也把這幾種飛機中的大型機，如重型或戰(zhàn)略轟炸機，稱為“大型飛機”或“大飛機”，但這是另類，且與運輸機相比，數(shù)量要少很多。

 

（3）誰是巨無霸

 

誰是當(dāng)今世界的最大飛機？形成競爭的飛機只有兩個——安-225和雙體飛機Stratolauch（平流層發(fā)射）。有趣的是，兩種機型，因其用途特殊，各自都只有一架。

 

安-225的MTOW為640t，空重175t，公布的艙內(nèi)載重量250t，但一般認為，應(yīng)有超過300t的載重能力。背載重量200t。擁有超長的續(xù)航能力，在全負載情況下可持續(xù)飛行2500km。它的MTOW與其他頂尖運輸機相比較，1.5倍于波音747-8貨機，2倍于作為安225發(fā)展基礎(chǔ)的安-124運輸機，2.5倍于美國最大軍用運輸機C-5，4倍于我國的運20；與最大客機A380相比，也高出65t。

 

后者又名Roc（大鵬），由微軟和特斯拉聯(lián)合研制，是為了在同溫層空射運載火箭而研發(fā)的，目的是降低從地面發(fā)射時的成本，主要是燃料成本。其空重226t，可搭載275t載荷。使用時，將超過200噸的火箭掛載在兩個機身之間，從地面起飛，把火箭運送到9000米以上高空，實施發(fā)射。2019年4月13日，在美國加利福尼亞州的莫哈韋航空航天港進行了首次飛行。

 

若按MTOW，安-225為640t，Roc為約500t。若按最大尺寸評判，Roc翼展達117米，安-225為88.74米。綜合兩個方面，以最大起飛重量為主，并考慮實用性以及與同類飛機的可比性，世界最大飛機的桂冠應(yīng)屬安-225。

 

安-225研發(fā)于1985年。由安東諾夫航空科技聯(lián)合體設(shè)計研制。牽引該機研發(fā)的唯一動因是當(dāng)時“暴風(fēng)雪號”航天飛機與其他火箭設(shè)備的運輸需求。我曾在莫斯科一家航空研究機構(gòu)見到過退役后的“暴風(fēng)雪號”，那巨大的身姿令人印象深刻；若要整體運輸，非專門的運輸工具不可。于是，在那時的蘇聯(lián)體制下，在當(dāng)時已為世界最大運輸機的安-124的基礎(chǔ)上，更大載重的安-225項目上馬，歷經(jīng)短短四年時間，讓人嘆為觀止的空中巨無霸安-225問世。

 

1988年底，第一架安-225完工出廠與首飛；1989年5月12日完成首次背負“暴風(fēng)雪號”的運輸飛行。后因蘇聯(lián)的政治動蕩和經(jīng)濟惡化，太空探索計劃擱置，安-225項目也下馬，生產(chǎn)中的第二架夭折，故存世的安-225僅一架，但狀態(tài)保持得不錯，一年多前，開始進行重大升級改造，今年年初剛剛完成。

 

（4）我國的“大飛機”

 

我國的“大飛機“為億萬國民熱切關(guān)心，也為世界矚目。它既指技術(shù)意義上的大型飛機，又特指政治語境里的國家重大科技專項。在經(jīng)歷屢戰(zhàn)屢敗、屢敗屢戰(zhàn)的漫長歲月后，獨立自主地發(fā)展我國的大型飛機，終于成為基于高度共識的國家意志。在2006年2月頒布的《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006年~2020年）》中，大型飛機被列入未來15年力爭取得突破的16項重大科技專項。2007年2月26日，時任國務(wù)院總理溫家寶主持召開國務(wù)院常務(wù)會議，聽取大型飛機重大專項領(lǐng)導(dǎo)小組關(guān)于大型飛機方案論證工作匯報，原則批準(zhǔn)大型飛機研制重大科技專項正式立項，同意組建大型客機股份公司，并要求盡快開展相關(guān)工作。

 

從論證開始，直到中央作出決策，一直在使用“大型飛機”概念，即中國的大飛機，特指最大起飛重量超過100t的運輸類飛機。大飛機專項包含大運（Y20）、大客（C919）兩型飛機，由中國航空工業(yè)集團有限公司（AVIC）和2008年新成立的中國商用飛機公司（COMAC）分別負責(zé)研發(fā)與生產(chǎn)。

 

按設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，大運起飛重量200噸級，載重約70噸，可歸入我在上面所講的大型運輸機。C919的載客量190座，相較于先行啟動、已投入商業(yè)運營的90座級渦扇新支線ARJ21客機，稱為相對意義上的“大客”，并同大運合稱為“大飛機”專項，但按其座級劃分，實為中型客機。在C919之后，中俄合作研發(fā)的CR929正在進行中，其基本型290座級，應(yīng)達國際公認的大型客機座級。

 

運-20已在2016年正式服役。按照空軍開放日活動中官方對其性能的披露，最大起飛重量179t、最大載油量77.5t、最大載重55t、最大航程7500km。其最大起飛重量和最大載重稍低于設(shè)計指標(biāo)，是因現(xiàn)使用的俄制D-30KP-2型渦扇發(fā)動機推力和涵道比略小所致。在發(fā)動機換新后，設(shè)計指標(biāo)應(yīng)可實現(xiàn)。行文中，恰聞4月24日，中國空軍派出運-20運載醫(yī)療隊飛赴巴基斯坦，支援他們的抗疫，這是運-20首次飛出國門，標(biāo)志其已具備執(zhí)行跨國任務(wù)的能力，可喜可賀，作為航空人也為之自豪。

 

C919客機在2017年5月5日完成首飛；目前6架試飛機，正在陜西西安閻良機場、山東東營勝利機場和江西南昌瑤湖機場等處，進行密集的適航試飛，預(yù)計2021年取得適航證，開始交付。C919雖是技術(shù)意義上的中型客機，但它足夠偉大。它的獨立研發(fā)昭示著，中國航空工業(yè)終于直面世界民機市場的競爭，其意義堪比當(dāng)年空客第一款機型A300的橫空出世。而且，我認為，C919的設(shè)計具有世界水準(zhǔn)，特別是氣動設(shè)計、動力選型、系統(tǒng)配置和飛控技術(shù)諸方面。這次737Max出現(xiàn)的問題從反面再次印證這一點，國人應(yīng)該對我們的大客抱有足夠的信任與耐心。

 

目前，由于肆虐的新冠肺炎，對全球航空運營和大飛機制造產(chǎn)業(yè)的沖擊嚴(yán)重，預(yù)計今年以至后幾年，大型客機的市場總需求可能銳減，有一份預(yù)測報告估計會減4成。空客的財務(wù)情況不好，波音的災(zāi)難尤為深重，B737Max的問題還未處理，又遇疫情。雖然4月20日開始，在美國大型工業(yè)企業(yè)中，波音率先大面積復(fù)工，但其內(nèi)部管理、市場信心和財務(wù)困難等將嚴(yán)重制約公司業(yè)務(wù)發(fā)展。4月25日，又宣布終止與巴西航空工業(yè)公司的合作，使后者兩年的等待化為泡影，對世界航空格局的影響尚待觀察。而這樣一種亂局，對于幼稚的我國民機制造業(yè)，客觀上的競爭強度有所減弱；我們應(yīng)該保持清醒與定力，穩(wěn)步扎實地做好各項工作，全力爭取C919如期適航取證。

 

我國自主開發(fā)的鯤龍AG600也在研制中。這款世界最大的在研兩棲飛機，主要用于滅火和水上救援，最大起飛重量53t，采用單船身、懸臂上單翼布局，配裝四臺WJ-6發(fā)動機。在2018年10月實現(xiàn)首次水上起降后，正在進行減重等技術(shù)優(yōu)化工作，更根本性的挑戰(zhàn)在于對應(yīng)用場景的適應(yīng)性以及市場運作與商業(yè)成功。媒體有時也把AG600與大運、大客合稱為中國大飛機“三劍客”，但實際上，該型飛機并未列入國家的大飛機專項。

 

（5）大飛機之難

 

飛機從小到大，設(shè)計和制造的難度漸次提升。在經(jīng)濟與商業(yè)因素以外，由于大型飛機的大尺寸、大載重，以及大型客機極高的安全性、經(jīng)濟性要求，帶來在設(shè)計、制造、試驗等幾乎所有技術(shù)方面的獨有難度，其困難程度遠超其他種類的飛機。雖然不止于以下內(nèi)容，但高升力氣動設(shè)計、結(jié)構(gòu)構(gòu)型與減重、大尺寸極端制造、大推力發(fā)動機和高難度試驗試飛這五個方面尤為突出。

 

1）高升力氣動設(shè)計

 

對于所有航空器，通過良好的氣動設(shè)計獲得盡可能高的氣動效率，是永恒的主題。但大飛機的氣動設(shè)計尤其重要，也尤其難。根據(jù)尺寸效應(yīng)，當(dāng)整體尺寸放大2倍時，表面積增大4倍，體積與重量將增加8倍。面積增大所帶來的升力增益，遠不足以支撐重量的增加。尺寸越大，這個問題就越突出。

 

大型飛機成功的首要前提是優(yōu)秀的高升力氣動設(shè)計。多數(shù)采用正常式布局的現(xiàn)役大飛機，采用大展弦比機翼、復(fù)雜高升力裝置、附面層主被動減阻、放寬靜穩(wěn)定性等技術(shù)，千方百計挖潛優(yōu)化，增加升力系數(shù)，提高巡航升阻比。采用超臨界翼型和翼梢小翼，幾乎成了大型客機的標(biāo)配。而更多的新構(gòu)型，如翼身融合（BWB，Blended-wing-body）、桁架支撐翼、連結(jié)翼、飛翼、雙機身、變體等布局，以及層流流動控制等技術(shù)，也需要研究，以增強儲備，適時將成果用于工程研制。

 

2）結(jié)構(gòu)構(gòu)型與減重

 

結(jié)構(gòu)是飛機實現(xiàn)功能的基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)設(shè)計的任務(wù)是確定全機結(jié)構(gòu)總體布局，包括選擇結(jié)構(gòu)分離面，確定主承力結(jié)構(gòu)形式和傳力路線等。大型飛機因其大尺寸結(jié)構(gòu)，帶來動態(tài)大載荷、大形變和強振動，需集成應(yīng)用氣動、強度、力學(xué)、伺服等多領(lǐng)域技術(shù)，采用破損-安全壽命設(shè)計、疲勞-損傷容限設(shè)計等方法，確保在長壽命周期和極端使用環(huán)境下，結(jié)構(gòu)不發(fā)生不可接受的變形與破壞。

 

在確定和優(yōu)化結(jié)構(gòu)構(gòu)型時，須追求盡可能低的結(jié)構(gòu)重量系數(shù)（機體結(jié)構(gòu)重量與飛機正常起飛重量之比），為減輕每一克結(jié)構(gòu)重量而努力。大飛機的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求更高，其水平在很大程度上取決于結(jié)構(gòu)減重的效果，輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計是關(guān)鍵內(nèi)容。輕量化結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)途徑主要是盡量采用整體化結(jié)構(gòu)，減少零組件數(shù)，簡化裝配連接關(guān)系，確定適合的用料和好的工藝方案。當(dāng)前，普遍采用復(fù)合材料、輕質(zhì)金屬等先進材料，以及以這些材料為基礎(chǔ)的整體結(jié)構(gòu)，未來還可利用增材制造實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化設(shè)計及整體制造。

 

3）大尺寸極端制造

 

大飛機的制造難度因“大”和巨量零件數(shù)（數(shù)百萬級）而劇增，并有很高的精度和一致性要求，且必須在設(shè)計、成本、精度、效率等多因素間取得最佳的平衡，堪稱機械類工業(yè)產(chǎn)品的大尺寸極端制造。以兩款最大的客機A380和B747為例，機身長分別為72.7米和70.7米，翼展分別為79.8米和64.9米，機翼上壁板分別長33米、34米，機身承力框的高/寬則均約為10米/8米；兩機的零件數(shù)分別為400萬和600萬（大型飛機的零件數(shù)大都在該數(shù)量級）。制作如此大的機身、機翼構(gòu)件，且有復(fù)雜曲面要求和精確裝配關(guān)系，綜合難度可想而知。

 

要采用強度、剛度足夠，加工性良好的材料，并需開發(fā)先進的制造工藝及裝備。數(shù)控加工、噴丸成形、攪拌摩擦焊、自動纖維絲束鋪放、協(xié)作機器人、增強現(xiàn)實等，都是為滿足大飛機制造要求而發(fā)明，或是率先在大飛機制造中得到應(yīng)用的。

 

同等精度要求下，越大尺寸的零組件，對工藝裝備的要求也越高，最現(xiàn)實的挑戰(zhàn)是復(fù)合材料應(yīng)用。從外觀看，復(fù)材用量分別達50%和52%的B787和A350XWB兩款大飛機，幾乎所有構(gòu)件（除起落架等少數(shù)部分）都是復(fù)材制造的。B787的筒形機身甚至可以整體成形，直接顛覆了傳統(tǒng)的大飛機材料和制造體系，也使其制造難度又上了一個新臺階。在B777X大尺寸復(fù)材機翼制造中，不僅實現(xiàn)了32米整體翼梁制造，還催生了高價值（每臺2500萬美元）、具有在線檢測能力的機翼蒙皮壁板全自動鋪放機床、長度達5.33米的大型3D打印復(fù)材工裝和544噸重的熱壓罐等高端制造裝備。而更能適應(yīng)高效率、低成本要求的復(fù)材構(gòu)件非熱壓罐制造工藝、高壓與壓縮樹脂轉(zhuǎn)移模塑成形（HP-RTM，C-RTM）技術(shù)，也正快速走進大飛機主結(jié)構(gòu)制造戰(zhàn)場。

 

4）大推力發(fā)動機

 

大型飛機的成敗與發(fā)動機密切相關(guān)，飛機從小到大的發(fā)展在很大程度上是由發(fā)動機的進步驅(qū)動的。大飛機自然需要大推力發(fā)動機，而且運輸類大飛機大都采用大涵道比渦扇發(fā)動機。當(dāng)年，安-225使用了6臺單臺推力23.34t的D-18T發(fā)動機，使總推力達到130t，但付出了增加無效載荷和加大控制難度的代價。而如今世界最大推力的發(fā)動機GE90，單臺最大推力已達52t。CFM國際公司為單通道客機研發(fā)的LEAP系列渦扇發(fā)動機，更成為A（A320）、B（B737Max）、C（C919）三方競爭中，對配套發(fā)動機的共同選擇。

 

當(dāng)今大飛機所用的發(fā)動機，除不斷提高推力、同飛機一起進行一體化設(shè)計外，更承擔(dān)著提高燃油效率以改善經(jīng)濟性，以及降低污染物排放與抑制噪聲以保護環(huán)境的雙重艱難任務(wù)，這一點對于民機尤為迫切，甚至已形成強制性要求。由于單體發(fā)動機性能的快速進步，基于四發(fā)的大型客機如B747、A380正被兩發(fā)的可點對點超遠距飛行的飛機所替代。

 

前不久有美國政客提出對我國斷供LEAP-1C發(fā)動機，這再次警示我們，我國自己的長江系列（CJ-1000、CJ-2000）大涵道比商用發(fā)動機必須加快研制，盡早問世。在復(fù)雜的國際政治形勢下，斷供威脅有可能重襲。關(guān)于發(fā)動機研發(fā)和生產(chǎn)的極高難度，這里不再詳述。

 

5）高難度試驗試飛

 

貫穿研制生產(chǎn)全過程的各種試驗，隨著飛機的增大而顯得越發(fā)困難。

 

首先，要根據(jù)研制需求、結(jié)構(gòu)完整性大綱、適航規(guī)范進行系統(tǒng)深入的強度試驗，以保證飛機結(jié)構(gòu)平臺的安全性與可靠性。一般而言，研制過程中必須進行研究性、研制性和驗證性三大類試驗，以分別達到機理清晰、選型科學(xué)和驗證充分的目的。全部試驗包括元件、組件、部件、組合體和全機等五個層級，各層級的試驗件數(shù)分別對應(yīng)萬、千、百、十和個數(shù)級，全機試驗包括靜力試驗、疲勞試驗、地面振動試驗、結(jié)構(gòu)與飛控系統(tǒng)耦合試驗以及氣候試驗。大型飛機由于其超復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和高難度的設(shè)計，從最初的研究性試驗開始到最終的疲勞試驗結(jié)束，一般要歷時十余年，其難度之大、任務(wù)之要，為工業(yè)產(chǎn)品所罕見。

 

以最大起飛重量200噸級飛機的全機靜力試驗為例，最大載荷達500多噸，加載點200多個，最大變形超過3米；如何實現(xiàn)特殊邊界與復(fù)雜載荷的精確性，保證超復(fù)雜試驗系統(tǒng)可靠性和大型飛機結(jié)構(gòu)安全性，以確保驗證充分，并力爭一次通過，是世界性難題。在全機地面振動試驗中，如何模擬大型飛機空中自由狀態(tài)，用盡可能小的力激起全機振動，如何從頻響函數(shù)中識別出高度耦合的低頻密集模態(tài)，也都是難度極大的技術(shù)。

 

其次，需要進行飛機各大系統(tǒng)的機上地面試驗。由于大飛機的系統(tǒng)復(fù)雜，需要開展高集成性聯(lián)試。業(yè)內(nèi)一般把飛機電源系統(tǒng)試驗、飛控系統(tǒng)試驗和航電系統(tǒng)試驗，形象地分別比喻為“銅鳥”“鐵鳥”“電鳥”，大飛機的系統(tǒng)集成試驗要求按照真實的構(gòu)型狀態(tài)，構(gòu)建與飛機同等大小、全部采用真實部件的綜合試驗設(shè)施，實現(xiàn)“三鳥”的互聯(lián)互通。為此，需要掌握復(fù)雜飛行與故障狀態(tài)及系統(tǒng)響應(yīng)模擬、真實性判定、信號傳輸?shù)耐脚c無損、仿真數(shù)據(jù)的實時交互與讀取等關(guān)鍵技術(shù)，以便成功搭建系統(tǒng)，完成全系統(tǒng)交聯(lián)試驗，最大限度地暴露問題，降低風(fēng)險，保障安全。

 

第三，大飛機的試飛項目更多，要求也更高、更難，如嚴(yán)苛的適航試飛和特殊科目試飛。部分大飛機還要進行交付前極限試飛。其中的飛行載荷試驗，一次升空飛行就長達數(shù)小時，試飛員采用極限操作，反復(fù)拉起和低頭，對機身機翼構(gòu)成急劇過載，以驗證各種使用范圍的飛機性能；還要模擬使用時的各種載荷分布、重量重心變化，以驗證飛行穩(wěn)定性。飛機顫振測試則通過特殊操縱，使飛機在高速飛行狀態(tài)發(fā)生沿軸線的振動，驗證飛機是否具有快速回穩(wěn)的能力。此外，還包括失速、大側(cè)風(fēng)、自然結(jié)冰、尾部觸地狀態(tài)的最小速度起飛等高風(fēng)險試飛科目。

 

（6）大飛機的未來

 

 

我對大飛機后一、二十年發(fā)展趨向的基本看法是：快而無極，大須有度，以需為本，精益可期。僅從技術(shù)上看，比安-225更大的運輸機和比A380更大座級的客機，還有發(fā)展的空間和實現(xiàn)的可能。但短時間內(nèi)，難有帶根本性突破意義的全新布局、全新構(gòu)型的機型出現(xiàn)；發(fā)展的主題是緊扣需求，依托發(fā)動機和新材料及先進制造技術(shù)，顯著提升現(xiàn)有機型的性能，大幅度降低成本。對大型客機的主要挑戰(zhàn)是安全性、經(jīng)濟性和滿足綠色環(huán)保的要求。軍用大型飛機發(fā)展的主要驅(qū)動力來自三方面，一是運輸機自身的性能提高，二是以運輸機為平臺的特種軍用飛機的需求，三是同樣達到大飛機起飛重量的戰(zhàn)略轟炸機呈現(xiàn)加速發(fā)展勢頭，客觀上也在推動大型化相關(guān)技術(shù)發(fā)展。

 

無論大小，無論類型，飛機追求速度幾乎是沒有極限的。即便是客機，上世紀(jì)六、七十年代，超聲速客機也已經(jīng)問世，英、法合作的“協(xié)和號”運行了30年。由于一場慘烈、非飛機自身原因造成的空難，激發(fā)和放大了其固有的先天不足，主要是噪聲污染和經(jīng)濟性差、市場狹窄、商業(yè)不成功，而悲壯地退出歷史舞臺。但人們對速度的追求從未停止，伴隨著低聲爆氣動布局和高效安靜發(fā)動機等的突破性進步，超聲速小型機和公務(wù)機將先行成功，繼而中大型超聲速商用機將榮耀歸來。

 

但在“大”的尺度上，究竟是否需要繼續(xù)做大，做大到什么程度，主要不是技術(shù)上能否做到的問題，而是要看有無需求，有無市場，需進行技術(shù)與技術(shù)、技術(shù)與經(jīng)濟的綜合權(quán)衡。當(dāng)下，B747和A380都正在退出歷史舞臺，更大的概念設(shè)計方案，如翼身融合的千座波音797也曾披露過，但離工程實用還有相當(dāng)大的距離，而且沒有工程實現(xiàn)的必要性，其意義僅在于技術(shù)儲備。單就載重能力而言，安-225若用于載客，將會超過2千座，但作為客機，是不可接受的。

 

運輸機也是如此。除非有特殊需求，如前文所說的Roc雙體飛機，在一般意義上，很難會有超越安-225的更大的常規(guī)布局運輸機出現(xiàn)了。如果純粹貨運，倒是可以在不追求速度的前提下，使用浮空器，就像谷歌研發(fā)的可載重500t的世界最大氣艇那樣，但那已經(jīng)不是我們本文約定要談的飛機了。

 

為了大飛機的今天，更為了大飛機的未來，我們需要比前一個航空百年更加重視新技術(shù)研究。其中，前文提到的翼身融合布局是最有希望的優(yōu)先方向。傳統(tǒng)大飛機均為“筒身-機翼型”布局，即由一個圓筒形的機身加上機翼、尾翼、發(fā)動機等構(gòu)成，機身和機翼之間界限明顯。這種布局的空氣動力效率的發(fā)揮已接近極限。由于升阻比難以提升，飛機的油耗、噪聲、排放等也難以進一步降低，必須尋找新的突破口。

 

在尋找增升減阻的途徑中，降低占總阻力大約一半的摩擦阻力（摩阻），十分重要，可在減少浸潤面積和擴大層流面積兩方面發(fā)力。翼身融合體所以被關(guān)注，正是因為較傳統(tǒng)布局可減少約三分之一浸潤面積；而自然層流流動控制（NLF）、全層流流動控制（LFC）和混合層流流動控制（HLFC）這三種方式對于擴大層流面積均具效果。研究稱，對于A380這樣的大飛機，只需采用15-20%弦長的HLFC，即可降阻14%。

 

翼身融合布局用于寬體客機，尚需解決一系列工程問題，主要是在實現(xiàn)巡航高氣動效率的同時，要改善起降性能，降低噪聲，合理布置艙門，滿足90秒應(yīng)急逃離要求，解決全艙各部位的乘坐舒適性等，以及特殊形狀的增壓客艙結(jié)構(gòu)與減重問題。盡管這種布局距工程應(yīng)用仍有距離，下一個十年的客機有可能還是基于傳統(tǒng)布局，但鑒于這一技術(shù)的巨大潛力，需要倍加重視。同樣，其他領(lǐng)域的新技術(shù)也都需要做好識別與預(yù)判，精心布局，尋求突破，為我國的航空強國偉業(yè)提供強有力的支撐。

     

【說明】這篇文章動筆于4月15號，遲遲未完，越抻越長。主要原因是在寫作中遇到了一些困惑，如第五段“大飛機難在哪里”，涉及專業(yè)多，有些技術(shù)問題把握不準(zhǔn)。經(jīng)進一步學(xué)習(xí)，特別是同趙群力、劉亞威、王元元、張洋等幾位比我年輕的專家朋友商討后，認識清晰了不少。他們認同我對這五個突出難點的歸納，在各自熟悉的專業(yè)領(lǐng)域給了我具體而寶貴的支持。謝謝他們的幫助?，F(xiàn)在，內(nèi)容基本規(guī)整，但有點太長了，已超過萬字。請感興趣的讀者耐心閱讀，并希望得到批評指正。  

 

來源：聚恩君