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日志

 
 

制造国产大飞机的关键技术—— 二访我国著名飞机设计师程不时教授  

2014-04-10 14:48:46|  分类: 《天下》2014年第 |  标签: |举报 |字号 订阅

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特约记者/林疋

大飞机的价值

    记者(以下简称记)能否请您首先谈一谈,为什么我国要研制大飞机?我们都知道,研制大飞机是非常耗费金钱的,但也是体现国家经济实力的重要标准。

    程不时(以下简称程):飞机出现才一百多年,却成为表征人类社会进入“技术时代”的产品。除了在军事上有重大价值之外,在经济上也被称作“科学技术之花”,人类社会的许多科学技术成果,都聚集在飞机之上。同时,航空又被称为“工业技术的火车头”。航空的发展,会带动社会广泛的方面一同向前发展。因此,二十世纪的下半个世纪,美国经济的飞速发展,有人认为如果举出两个重要因素,其中一个就应该归功于航空的发展(另一个是教育的发展)。

    没错,大飞机研制是一项非常耗费能量的工作,但也是非常有经济效益的。飞机工业是一种知识高度集约的、低能耗、低材料消耗、高附加值的工业。飞机和发动机的单位重量价格,为电子计算机的三倍到五倍,是彩色电视机的十几倍到三十倍,是小轿车的近百倍。而在消耗方面,飞机工业平均每人使用的原材料(包括燃料在内)是钢铁工业的1/3、汽车工业的1/2。所以,那些有大型飞机的国家都把它视为国家的支柱产业。

因此可以说,民用航空产业是一个在经济方面有很大价值的行业。

    记:大型客机只是航空器中的一种。为什么要发展大型客机呢?在大型客机的研制过程中,哪些又是最为核心,最为关键的技术?

    程:航空在百年的发展中,曾经追逐过各式各样的技术指标,如速度、高度、航程、续航时间等。但是在过去五十年的时间里,各项指标逐渐趋于稳定。比如,我国在27年前起飞,翱翔在祖国领空的“运-10”,它的飞行速度与高度,就与当今技术性能最先进的空客公司的最新航空产品A380,以及波音公司刚刚研制成功的波音787是一样的。

    而航空技术发展的前沿阵地转到大型客机上,主要是因为大型客机带来了巨大的经济效益,以及对提高国家的综合国力和国际声望的极大作用。因此,发展大型客机,是一种战略安排,而不是眼前需要的一个临时性安排。

    既然是战略性问题,最核心的就是飞机的总体设计,就是综合设计,将所有的技术放在一架飞机上,这是最需要眼光的,它不是具体的计算35等于8,它要综合考虑各种可能性。

    记:您认为中国研制大飞机面临的最大问题是什么?和以前相比,新时期设计大飞机又会面临哪些不一样的环境?

    程:一般认为研制大飞机有三个门槛要迈过去:技术的、体制的、经济的。我认为不存在技术的门槛,27年前我们就已经实现了,我们当时就已经进入了世界大飞机研制的俱乐部,俱乐部有四个成员:美国、苏联、欧共体(现在的欧盟)和我们中国。后来我们退出来了,退出使我们落后了许多年,但是凭借中国人的智慧和将近100年来在航空技术上的积累(我国的航空史从冯如研制中国第一架飞机以来已有98年),技术上并没有不可逾越的障碍,何况现在全世界还可以共同交流。

    另外就是体制的障碍,“运-10”搁置后由于种种原因我们未能走上以创新为主的道路,以致航空路越走越窄。

    现在条件比当时好,有更多接触新技术、接受世界智力成果的机会,还有资金的注入,但我们绝对不能放弃以我为主开发的原则。

    记:在您看来,中国研制大型客机要赶上世界水平需要多少年?

    程:空客是和“运-10”同时起步研制大型客机的,到现在是37年,现在它已经到了超越波音的程度了。研究飞机到底需要多少时间我不敢说,我研制过“运-10”,它花了十年,当时处于文革特殊时期,受到很多干扰,而今天条件更好了,我想研制的周期可能会更短,一个产业的成长期,则很难说。

飞机机体结构特点

    记:大型客机的机翼有什么特点?它有哪些作用?

    程:大型客机需要在九千到一万米的高空,以高亚音速作长时间巡航。因此机翼一般采用大展弦比的后掠机翼,后掠角约为35°。此外,为了提高机翼在起降阶段“增升”的效能,大型客机通常使用全翼展前缘襟翼或缝翼。而在后缘采用双缝或三缝襟翼。机翼上还采用可操纵的扰流板。这种扰流板有多种功能,可以协助副翼作飞机横滚的操纵,也可以在飞机减速时作为阻力板使用;此外,也可以在飞机着陆时,在飞机轮子触地后作为“减升板”打开,使飞机结实地稳落在跑道上,防止飞机反跳。

    所以,大型客机的机翼上的辅助面,不像小飞机一样只有四块(两块襟翼,两块副翼),而有50块之多。这50块辅助面,都要在设计上解决它们——解决功能、构造、操纵,以及振动等的问题,这是大型飞机设计的特殊领域。这些结构特点,在我国研制的第一架大型客机“运十”上就已经实现了。

    记:大型客机机身设计的特点是什么?设计时需要考虑哪些问题?

    程:大型客机机身的主要特点是,在高空飞行时,机身的绝大部分是一个内部加压的压力容器。这决定了机身的剖面最好是圆形,因为圆形剖面的容器承受内部压力最有利。有时为了加大客舱的容积而采用双圆构型的“8”字形剖面,这样上下两部分都是由圆形组成,而中间由地板的横梁拉住,在受力上也很理想。

在客舱的后端,框的腹板承受着很大的向外压力。如果设计成一个结实的平板硬顶住压力,结构将变得很重。因此,客舱的后端往往因势利导地设计为球形,这样用料较少还利于承受压力。这就要求机身的基本剖面,不论是按圆形或非圆形设计,到客舱后端的部位,都应该收缩为一个整圆形,才便于安装球面框。

    记:那么客舱上的门和窗,都成了压力容器上的开口啦?

    程:是的。因此,门框和窗框的设计,要使开口造成的应力集中很好地分散。大型客机有百扇左右的舷窗,应按加强形式设计出基本一致的统一的窗框。而客舱的门,在型式上必须是无门槛的。这是为了飞机如果在地面滑行中万一冲出跑道,旅客们要能顺利地通过舱门用应急滑梯在最短时间内离开机舱。另一方面,在高空时舱门应该能安全地抵住客舱内的压力,而绝对不能像开瓶塞时那样被内部的压力弹出去。所以舱门的锁闭机构应设计得安全可靠。而且在门内要印有清楚的标志,提醒旅客在飞行中千万不能乱动开门的手柄,就是这个缘故。

    记:客舱内的座椅的安排,是固定在客舱地板上的吗?还是很容易变动的?

    程:客舱内的旅客座椅,是固定在纵向架在地板梁上的滑轨上的。因此飞机飞在空中时,座椅的位置是十分固定的,可以承受各种着陆情况下的冲击而保护旅客的人身安全。但是在每次飞行之间,如果要调整座椅的位置,比如调整一等舱的大小,则只要将座椅在滑轨上移动便可以了。这样既满足了飞行期间各种灵活调整的需要,又保证了每次飞行中的安全。我国研制的“运十”就采用了这种设计,在试飞中曾经根据不同需要,在各次飞行之间调整客舱内座椅布置,安排试验仪器的安装等,作这种调整其实很方便。

关于大飞机的发动机问题

    记:目前有传闻说,发动机仍是中国造大飞机的关键问题。请问发动机关键在什么地方?过去不是在“运-10”上面已经解决了吗?

    程:国际上有供应动力装置的行业。目前不论研制中的中国民用飞机、还是美国波音公司、欧洲空客的飞机,都是向世界范围内的厂商采购发动机来与飞机配套的。我国研制新的大型客机时,也将首先向世界发动机供应商选购发动机。在航空工业的构成中,飞机型号总体是金字塔的顶端。在今天开放的世界格局下,我国航空工业的发展,需要“从上而下”地首先占领制高点,由飞机型号的发展来牵引带动全局。至于组成飞机各个局部的分系统,可以用“全球配套”的办法取得供应。而不是“由下而上”先铺垫金字塔的各层基石,然后再来发展飞机型号。

航空发动机,是一种非常复杂、非常精密、高转速、大应力、高温度的装备,在技术上,可以说处于当代机械产品的极品位置。

    37年前我国研制“运-10”时,同时并行了两种发动机供应的方法。即研制国产发动机的同时,又从国外供应商那里购置发动机的方法。

    一是自行研制的国产915型发动机。这是我国在二十世纪内研制的推力最大(也是迄今最大)的发动机,该型发动机经过了严格的地面试车,并装上飞机进行了空中试飞。

    第二,“运-10”试飞时,如果飞机和发动机都是新研制的,那么试飞中如果出现某些数据偏离正常,将难以判定原因。因此“运十”试飞初期装配的是从世界发动机供应商采购的发动机。结果国产的飞机和发动机分别试飞的效果都非常良好。下一步本应该用中国的飞机装国产发动机试飞了。但遗憾的是“运十”工程被搁置,试飞停止。

    记:在全机总体布局上,俄罗斯一些大飞机的发动机离机身很近,这是否会影响机体?

    程:苏联的第一种喷气客机“图-104”将发动机装在翼根,使安装发动机的结构传力设计和系统管路的安排很麻烦,维护发动机很困难。最大的问题在于发动机喷流的噪声会冲击机身,使舱内旅客受到强烈声浪烦扰。更严重的是使压力客舱的舱壁产生声震疲劳而容易发生事故。这种“翼根发动机”布局,在喷气客机的早期,(比如因频繁失事而停产的英国“慧星”号客机)除了苏联还有一些欧洲国家采用过,但很快便被废弃不用。

“飞机穿棉袄”的故事

    记:听说您给大学生们讲过“飞机穿棉袄”的事,可不可以再给我们的读者谈一谈?

    程:哦,是这么回事——人冷了需要穿棉袄。大型客机的巡航高度,一般在九千到一万米的高空。大气的对流层内的平均温度在零下50度以下。由于大型客机的整个机身基本上就是一个客舱,所以在设计上,就要给机身穿上一件“棉袄”,给客舱保暖。

    记:这种“棉袄”是用什么做的?放在什么地方?

    程:飞机机身的“棉袄”并不是用真正的棉花做的,因为时间长久后棉花容易吸水长霉,老旧生虫。而用无机玻璃抽成丝所制成的“玻璃棉”,作为无机物,性态很稳定,既绝热防震,重量又很轻。因此飞机的机身采用的是塞着“玻璃棉”的棉被,铺设在机身的蒙皮和舱内装饰板之间的空间里。整个机身的客舱段和货舱段都用这种玻璃棉被包裹着,起着隔音和保暖的作用。客舱的地板,因为下面是货舱,同样处在加压保温区,所以一般状态下,不用特别绝热。但是在起落架舱的部位,客舱地板下是通大气的,在高空时处在低温下。因此,在起落架舱处的客舱地板,里面铺着电阻加热丝,在空中通电保暖,以防止旅客冻脚。

    记:大飞机的防噪声设计是不是我国设计领域的空白,是我国不能克服这项技术的“雷区”?

    程:不是。我国在八十年代研制的首架大型客机“运-10”上就采用了“玻璃棉被”的隔音保暖办法,使“运-10”在飞行中的舱内噪声达到国际先进飞机水平。旅客们在飞行中感受到的噪声很低,乘员们可以随意相互谈话。这一点我在20年前乘坐“运-10”试飞时有亲身体会。感觉与我乘坐各种外国客机绕地球飞行的感受是一样的。

大飞机起落架也有特殊性吗?

    记:大型客机的起落架设计有什么特点?

    程:当大型客机的起飞着陆重量增加的时候,需要增加机轮的数量,以分散飞机对跑道的压力,使大型飞机不必要求特别厚重坚实的跑道也可以起降。

    人们熟悉的小型飞机上,往往在每支起落架支柱下面安装一只机轮。载客稍多的客机,将机轮数量增加一倍,在主起落架支柱下安装双轮。当飞机的起飞总重到达百吨以上时,机轮的数量需要进一步加倍。在构造上,则是在起落架支柱下安装一个“车架”,而在车架上装上四只机轮。

    像波音747和空客A380这样的巨型客机上,不仅需要增加机轮来分散地面压力,还需要增加缓冲器的支柱来吸收机体着陆时的撞击能量。这时采用的办法是增加主起落架的支柱数量——不仅在机翼下表面安装一对主起落架,并且在机身腹部增加一对起落架支柱。而在机翼起落架和机腹起落架的缓冲支柱下方,都用车架安装了多个机轮。

记:车架式起落架是大型客机一种重要的基本设计型式。它是不是我国研制大型客机的技术障碍,是不是中国技术上的“盲区”或“空白”?

    程:不是盲区。在二十世纪八十年代试飞的我国“运-10”上,已经成功地实现了“车架式”起落架设计。“运-10”在试飞中已经通过从零海拨的机场(上海)到世界海拔最高的高原机场(西藏贡嘎机场)以及北国和南疆不同条件下的机场实际起降的考验。在以后的国际交往中,我国还承担过国外的机型进行改装“四轮起落架”的设计任务,成果得到外国飞机部门的赞许。因此,大型客机的车架式起落架,对我国航空设计事业是一门已经掌握的技术,一个已经攻占的阵地。

记:刚才您讲了我国给国外改装过起落架的故事。给哪个国家?美国吗?什么时候,能详谈一下吗?

   程:二十世纪八十年代,我国在总装美国的MD-82客机的时候,由于该机的主落架采用双轮,对地面的压力超过我国有些机场跑道的承受力,中国民航总局正式要求将美国MD-82客机改用“四轮起落架”,即在起落架的支柱下端安装车架式起落架。该项目由我国与美国合作,以中方为主。中方完成设计后,得到美方的赞许。但该项改装工程由于民航总局撤销改装要求而未在飞机上实施。尽管如此,我国对车架式起落架的设计,已经得到了美国有关设计部门的认可。

   记:谢谢程老师再次接受我们的采访。Ω


 

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