王思磊

2015年11月2日，國(guó)產(chǎn)C919大型客機(jī)首架機(jī)正式總裝下線。這不僅標(biāo)志著C919首架機(jī)的機(jī)體大部段對(duì)接和機(jī)載系統(tǒng)安裝工作正式完成，已經(jīng)達(dá)到可進(jìn)行地面試驗(yàn)的狀態(tài)，為下一步首飛奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，更標(biāo)志著中國(guó)成為世界上少數(shù)幾個(gè)有能力研制大型客機(jī)的國(guó)家。

C919的驚艷亮相，使中國(guó)人的“大飛機(jī)夢(mèng)”漸行漸近，而在這時(shí)，人們不禁會(huì)問(wèn)，國(guó)產(chǎn)大型客機(jī)C919到底有哪些高科技含量？

布局民航客機(jī)市場(chǎng)“圓夢(mèng)藍(lán)天”

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

?C919飛機(jī)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(guó)的C919是這個(gè)領(lǐng)域的新來(lái)者。C919的命名頗具深意，“C”是中國(guó)商飛英文縮寫“COMAC”的第一個(gè)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(gè)“9”代表“長(zhǎng)久”，后面的“19”則代表最大載客可達(dá)190座。C919承載著中國(guó)人的“大飛機(jī)”夢(mèng)想，以及布局民航客機(jī)市場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)研制成功、市場(chǎng)成功和商業(yè)成功的戰(zhàn)略重任，將在首飛和通過(guò)適航測(cè)試之后，進(jìn)入航線運(yùn)營(yíng)，填補(bǔ)航線上沒(méi)有中國(guó)干線噴氣客機(jī)的空白。

C919大型客機(jī)項(xiàng)目以中國(guó)商用飛機(jī)有限責(zé)任公司（中國(guó)商飛）為載體，采用國(guó)際民機(jī)行業(yè)通行的“主制造商-供應(yīng)商”模式開(kāi)展研制。在《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》當(dāng)中，C919被確定為16個(gè)重大科技專項(xiàng)之一。這是因?yàn)椋邪l(fā)大型民航客機(jī)，不僅是提高國(guó)家自主創(chuàng)新能力、增強(qiáng)核心競(jìng)爭(zhēng)力的重大戰(zhàn)略舉措，也是國(guó)家工業(yè)、科技水平和綜合實(shí)力的集中體現(xiàn)。

需求管理體系為大飛機(jī)作保

?C919飛機(jī)的前機(jī)身部段下線，其機(jī)身蒙皮和長(zhǎng)桁使用的是鋁鋰合金材料

在研制之初，C919就將競(jìng)爭(zhēng)國(guó)際市場(chǎng)作為目標(biāo)，為國(guó)產(chǎn)大型客機(jī)“飛出國(guó)門”鋪路。因此，它是中國(guó)首款按照最新國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)研制的干線民用飛機(jī)。目前，國(guó)際上重要的標(biāo)準(zhǔn)之一，便是ARP 4754A《民用飛機(jī)與系統(tǒng)研制指南》?？梢哉f(shuō)，從頂層設(shè)計(jì)開(kāi)始就嚴(yán)格按照ARP 4754A規(guī)定的方法和流程研制民航客機(jī)，是獲得美國(guó)與歐洲適航許可的重要基礎(chǔ)，也是飛機(jī)走向市場(chǎng)的重要保證。

飛機(jī)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(yàn)證的結(jié)合。因此，對(duì)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(gè)“V”，是指飛機(jī)需求從上而下分解和確認(rèn)的流程（Validation）;第二個(gè)“V”，是指產(chǎn)品自下而上的集成驗(yàn)證流程（Verification）。對(duì)于民航客機(jī)來(lái)說(shuō)，“需求”從上而下被劃分為市場(chǎng)需求、飛機(jī)級(jí)需求、系統(tǒng)級(jí)需求、分系統(tǒng)級(jí)需求、設(shè)備級(jí)需求等需求。

舉例而言，飛機(jī)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(jī)級(jí)需求”。而飛機(jī)減速相關(guān)的飛機(jī)級(jí)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(gè)相關(guān)系統(tǒng)，這些“系統(tǒng)”又將各自的“系統(tǒng)級(jí)需求”分解到機(jī)輪、剎車片、阻力板等具體的設(shè)備。當(dāng)飛機(jī)在地面上需要減速剎車的時(shí)候，每個(gè)設(shè)備通過(guò)完成自己的“分系統(tǒng)需求”，達(dá)到系統(tǒng)的“系統(tǒng)級(jí)需求”，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的“飛機(jī)級(jí)需求”。這個(gè)“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(kāi)，依據(jù)市場(chǎng)需求、飛機(jī)設(shè)計(jì)等頂層需求出發(fā)，捕獲、分析并定義了飛機(jī)級(jí)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(jí)、設(shè)備級(jí)并形成相應(yīng)具體的需求文件，由此構(gòu)建完整的全機(jī)需求管理體系。這個(gè)過(guò)程，確保了C919飛機(jī)研制先進(jìn)性和科學(xué)性的需求予以落實(shí)、實(shí)現(xiàn)。

《民用飛機(jī)與系統(tǒng)研制指南》

這一文件由美國(guó)自動(dòng)工程協(xié)會(huì)（SAE）根據(jù)美國(guó)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(fù)雜航電系統(tǒng)對(duì)適航規(guī)章的符合性，是關(guān)于飛機(jī)系統(tǒng)研制的頂層規(guī)范。

“超臨界機(jī)翼”

大大提高氣動(dòng)效率

由于民用飛機(jī)更強(qiáng)調(diào)經(jīng)濟(jì)性和安全性，科研人員除了考慮大飛機(jī)的先進(jìn)性和科學(xué)性，也在努力提升飛機(jī)的經(jīng)濟(jì)性能。飛機(jī)的耗油量與飛機(jī)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(jī)的氣動(dòng)效率越高，耗油量就越少。而飛機(jī)的升力主要來(lái)源于機(jī)翼，全機(jī)70%左右的阻力也來(lái)源于機(jī)翼。因此，為了保證飛機(jī)的座級(jí)，避免“油老虎”的出現(xiàn)，在飛機(jī)機(jī)翼上動(dòng)腦筋，便成了提高飛機(jī)氣動(dòng)效率的關(guān)鍵。

噴氣式民航客機(jī)通常以略低于音速的高亞音速飛行。當(dāng)飛行速度接近音速時(shí)，機(jī)翼上表面某些區(qū)域的氣流速度可能已經(jīng)達(dá)到音速，令飛行阻力急劇增加。這一時(shí)刻飛機(jī)飛行速度與音速的比值，被稱為飛機(jī)的“臨界馬赫數(shù)”。第一、第二代噴氣式客機(jī)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(dòng)效率。但是，隨著飛行速度的進(jìn)一步提高，古典翼型的設(shè)計(jì)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(dòng)效率的翼型，這就是超臨界翼型。

C919的機(jī)翼設(shè)計(jì)就是運(yùn)用了這一超臨界翼型。相對(duì)于古典翼型，超臨界翼型可使巡航氣動(dòng)效率提高20%以上，巡航速度提高100多千米/小時(shí);如果用同一厚度的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)設(shè)計(jì)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(jī)翼相對(duì)厚度，而這可以減輕飛機(jī)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(jì)

讓飛機(jī)更經(jīng)濟(jì)、更安全

在C919飛機(jī)的設(shè)計(jì)上，超臨界機(jī)翼與發(fā)動(dòng)機(jī)、機(jī)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(jì)，這些設(shè)計(jì)進(jìn)一步提高了C919飛機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和安全性。

通常飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝位置與機(jī)翼較近，兩者之間難免產(chǎn)生阻力干擾。設(shè)計(jì)人員經(jīng)過(guò)反復(fù)論證研究，采取了局部融合設(shè)計(jì)，使發(fā)動(dòng)機(jī)與機(jī)翼之間達(dá)到了有利干擾，也就是“1+1<2”的設(shè)計(jì)效果，讓兩者一起的阻力小于兩者的阻力之和。對(duì)于機(jī)翼和機(jī)身之間過(guò)渡區(qū)的局部設(shè)計(jì)，不僅沒(méi)有帶來(lái)機(jī)翼的升力損失，還提高了一部分機(jī)翼升力系數(shù)，也讓兩臺(tái)全新的LEAP-1C高函道比發(fā)動(dòng)機(jī)能發(fā)揮出更佳的性能。

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

國(guó)內(nèi)首次應(yīng)用

第三代鋁鋰合金材料

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

鋁鋰合金材料被認(rèn)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(qiáng)度更大，在同等強(qiáng)度下重量更輕，這一性能對(duì)飛機(jī)而言非常重要。同時(shí)，鋁鋰合金的損傷容限性能和抗腐蝕性能也更強(qiáng)，使用鋁鋰合金可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重并大大提高飛機(jī)壽命。

由于第三代鋁鋰合金此前沒(méi)有在國(guó)內(nèi)民用飛機(jī)上使用過(guò)，因此拉伸性能、疲勞性能和斷裂性能等關(guān)系到飛機(jī)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，在國(guó)內(nèi)基本沒(méi)有，需要進(jìn)行大量試驗(yàn)，方能獲得其各項(xiàng)性能指標(biāo)。為此，攻關(guān)團(tuán)隊(duì)先后進(jìn)行了三大塊試驗(yàn)，獲得了大量設(shè)計(jì)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(jì)許用值體系和制造工藝規(guī)范體系，為將來(lái)鋁鋰合金在國(guó)內(nèi)民機(jī)產(chǎn)業(yè)的廣泛使用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

不僅在材料設(shè)計(jì)參數(shù)驗(yàn)證方面，在材料生產(chǎn)加工過(guò)程中，攻關(guān)團(tuán)隊(duì)又先后攻克了多項(xiàng)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(wèn)題。

苦練內(nèi)功，航電核心處理系統(tǒng)

達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平

如武學(xué)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(jī)產(chǎn)業(yè)有個(gè)形象的說(shuō)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(jìn)的飛機(jī)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(jìn)的高度集成數(shù)據(jù)處理和網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)。飛機(jī)搭載的IMA，由兩臺(tái)核心處理計(jì)算機(jī)柜負(fù)責(zé)處理全機(jī)各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，承擔(dān)全機(jī)信息交換中心的職能。遍布全機(jī)的16個(gè)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)接口裝置（RDIU）和4臺(tái)遠(yuǎn)程交換機(jī)，為全機(jī)各系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸、交換提供了通路，形成了強(qiáng)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(duì)一的數(shù)據(jù)傳輸處理方式，是巨大的變革，因?yàn)樗粌H提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶幚硇剩泊蟠鬁p少了全機(jī)電纜的長(zhǎng)度，從而實(shí)現(xiàn)了有效的減重。比如說(shuō)，飛行速度、高度這些數(shù)據(jù)，以前要由大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)分別建立通路，傳輸給顯示系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)、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(diǎn)，要?dú)w功于C919使用的目前最先進(jìn)的ARINC664網(wǎng)絡(luò)集成技術(shù)。系統(tǒng)更先進(jìn)了，帶來(lái)的技術(shù)難點(diǎn)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(jī)航電系統(tǒng)中的先進(jìn)信息處理系統(tǒng)。目前，國(guó)際上只有B787、A380等較新機(jī)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(fù)雜性，提高了設(shè)計(jì)難度，也給中國(guó)商飛提出了很高的設(shè)計(jì)集成能力要求。

如今，大型客機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?，以及未?lái)在客機(jī)上搭載娛樂(lè)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(kuò)展?jié)摿Ψ矫?，達(dá)到了目前民航國(guó)際先進(jìn)機(jī)型的水平。

如何理解ARINC664網(wǎng)絡(luò)？

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，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(lái)需要通過(guò)若干根線纜傳輸?shù)男盘?hào)，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(kāi)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(hào)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。