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你知道C919都有哪些技术亮点吗

2017-06-22 15:08 来源:大飞机报

  

  

  资料图 陈宇辉摄 

  2017年5月5日,上海,浦东国际机场,备受瞩目的C919大型客机首飞成功。这是一件将载入民机研制历史的事件。从2008年5月以来,C919大型客机先后完成可行性研究论证、联合概念定义和联合定义、详细设计评审、总装下线等任务,每一个节点都是一次历史的创造。

  这是中国人第一次自主设计出150座级的干线客机,在中国制造大舞台上实现华丽转身,由制造大国转向制造强国,从跟随人后到行业标杆,“工业强国”的梦想日益清晰。

  大型客机被誉为工业皇冠上的明珠,对我国经济和科学技术发展、基础学科发展、航空工业发展具有巨大带动作用。研究表明,航空高科技企业发展及其核心技术辐射到相关产业,可以达到1∶15的带动效益。2008年C919大型客机立项以来,中国商飞公司在没有经验可以借鉴的情况下,先后攻克了综合航电、飞控控制律等一百多项关键技术攻关,填补了多项国内空白。

  

资料图 陈宇辉摄

  需求管理:

  “双V”管理让飞机研制更科学

  C919大型客机是民机产业的“后来者”,要实现“后来居上”,必须大力发挥后发优势。这个后发优势包括两方面,一个是在技术上学习先进、赶超先进,站在巨人的肩膀上实现跨越式发展。第二个是在研制标准上,使用国际最新修订发布的适航标准,这些标准更加先进、更加科学,也是竞争机型所没有贯彻的标准。

  ARP 4754A就是C919贯彻“新标准”中的典型。ARP 4754A是SAE(美国自动化工程师协会)于2010年发布的、关于飞机系统研制的顶层规范。ARP 4754A的前身是SAE于1996年发布的ARP 4754,当时它的名称是“高集成或复杂飞机系统的认证考虑因素”,也就是一份关于“高集成或复杂系统”的研制指南。随着飞机系统关联程度不断提高,SAE将这份基于需求管理的研制标准延伸到飞机所有系统,因此ARP 4754A也更名为“民用飞机及系统研制指南”。目前,只有C系列和E2等在研飞机贯彻了ARP 4754A标准。

  “双V”管理是ARP 4754A的核心。第一个“V”是指飞机需求管理从上而下分解和确认的流程(VALIDATION)。第二个“V”是指需求验证的流程(VERIFICATION)。“需求”从上而下分飞机级需求、系统级需求、分系统级需求、设备级需求。比如,飞机有“刹车”的“总需求”,这个需求将分解到起落架系统、液压系统、飞控系统等多个相关系统,而系统又将各自的“分需求”分解到机轮、刹车片、阻力板等具体的设备。每个设备通过完成自己的“子需求”,达到系统的“分需求”,进而实现飞机的“总需求”。

  在确定了需求以后,还要通过分析、仿真和试验等手段进行需求验证工作,以保证需求得到有效满足,这个过程就是系统集成试验。系统集成试验的主要目的就是充分“挖掘”各系统“联合办公”时可能出现的故障。飞机的系统间接口关系复杂,远不是别人眼中“1+1=2”的关系,就算所有系统都没有问题,也远不代表“联合办公”就没有问题。从2015年11月2日首架机下线,以上飞院为主的试验团队就开展大量系统集成试验,保障首飞安全。

  

资料图 陈宇辉摄

  结构设计:

  首次应用第三代铝锂合金材料

  C919大型客机结构设计完全由中国商飞上飞院自主完成,并实现生产制造全国产化,2013年完成机体结构生产数据发放,2014年正式进入结构总装。在C919大型客机项目上,设计人员大量使用了世界先进的第三代铝锂合金材料,这在中国尚属首次,大大带动了国内航空材料的发展,提升了航空材料的先进性。

  铝锂合金相比普通铝合金而言,比强度和比刚度更高,也就是在同等重量下,铝锂合金强度更大;在同等强度下,铝锂合金重量更轻。这一性能对飞机而言非常重要。同时,铝锂合金的损伤容限性能和抗腐蚀性能也更强。C919大型客机设计要求高,使用铝锂合金可以大大提高飞机寿命。

  国内以前没有生产过这种材料,对于材料的化学铣切、机加、制孔、表面阳极化等加工工艺都缺乏经验。通过C919大型客机项目,先后攻克了铝锂合金蒙皮喷丸强化、铝锂合金型材滚弯成形制造、蒙皮镜像铣切加工、铝锂合金型材热压下陷制造、铝锂合金蒙皮喷丸校形等多项关键技术攻关,在生产工艺上取得重大突破,不仅解决了第三代铝锂合金生产制造问题,还为提高国内工业基础水平作出积极贡献。

  这当中值得一提的是蒙皮镜像铣切加工技术。由于飞机蒙皮形状特殊,长、大、薄,一般只有2毫米左右,最厚也不超过6毫米,所以在铣切时刀具易晃,很容易造成铣薄铣穿。以前飞机蒙皮生产加工时一般使用化学铣的方法,通过高浓度酸液腐蚀,保证铣切精度。但化学铣使用的化学制剂污染大,不符合C919大型客机项目的环保理念。为了降低污染,C919引进了亚洲第一台、全球第二台蒙皮镜像铣设备进行蒙皮加工。蒙皮镜像铣有两个完全对称的主轴头,一个主轴头是铣切头,一个主轴头是支撑头,两个主轴头加工时进行同步镜像运动,通过控制加工头与支撑头之间的距离,实现蒙皮厚度的精确铣切。

  

资料图 陈宇辉摄

  强度设计:

  创建千万级高精度有限元模型

  谈到结构设计,不能不提的是强度计算。结构设计是否合理,必须通过强度计算进行验证,而强度计算的精确性直接影响飞机的安全性和经济性。在C919大型客机强度计算中,除了使用国际通用的自然网格有限元计算模型外,还应用1500万级精细化有限元模型进行补充,大大提高了计算精度。

  有限元作为国际主要的民机强度计算方法,在应用之初受到计算机水平的限制,全机模型通常只能划分几万个单元。到2000年以后,国外逐步出现百万级的精细化有限元模型,而国内民机尚无使用先例。直到2012年,随着C919大型客机项目的推动,上飞院开始策划创建百万级高精度有限元模型,并成立了国内第一家有限元仿真室。2013年,随着百万级高精度有限元模型的完成,科研人员有了一个更大胆的想法:创建一个千万级的高精度有限元模型,把飞机上每一颗铆钉都列入模型。

  2014年,C919翼身组合体开始进行静力试验,试验结果令科研人员欣喜不已:有限元仿真室创建的百万级、千万级两个有限元模型计算结果与静力试验结果惊人相似。

  目前,C919大型客机有限元模型已经做到1500万个节点,达到国际领先水平。随着国内有限元仿真水平的不断提升,有限元仿真计算辅助静力试验的作用日益明显,将来型号中涉及静力试验的数量有望大幅降低,试验成功率明显提高,从而大大节约试验成本,缩短研制周期。

  谈到未来的发展方向,中国商飞上飞院科研人员告诉记者:“由于结构在承受载荷后期会进入各种局部失效或准失效状态,但结构整体还有承载能力,只是结构响应呈现出了非线性特征。目前,国际上有限元仿真计算的前沿探索方向之一,就是突破只能模拟前期线性阶段的限制,朝着非线性仿真计算的方向发展,旨在进一步挖掘结构的‘可用潜能’,使结构在保证强度安全的前提下,提高使用效率,减轻结构重量。”

  

资料图 陈宇辉摄

  航电系统设计:

  把工作都交给网络

  在民机产业有个形象的说法:航电系统是“大脑”,飞控系统是“四肢”。就像人一样,一架先进的飞机应该拥有聪敏的大脑、灵活的四肢。

  C919飞机采用国际领先航电系统,其核心——IMA,即航电核心处理系统,使用的是目前最先进的网络化数据处理技术。IMA由两台核心处理计算机负责处理全机各系统的数据,承担全机信息交换中心的职能。遍布全机的16个远程数据接口装置和4台远程交换机为全机各系统数据传输、交换提供了通路,形成强大的数据传输网络。

  这种网络化数据处理方式相较之前一对一数据传输处理方式而言是个巨大变革,不仅数据传输处理效率提高了,而且全机电缆也大大减少,有利于减轻飞机重量。比如飞行速度、高度这些数据,以前要由大气数据计算机分别传输给显示系统、发动机、环控等系统,现在只需“把工作都交给网络”。

  C919飞机还使用了先进的ARINC664网络验证技术。简单来说,该网络验证是一种航空总线通信协议,它最大的好处就是带宽高。以前的429总线带宽约100Kb/s,而ARINC664带宽达到100Mb/s,足足高了一千倍。这意味着原来通过若干根线缆传输的信号,现在可以经由一根线缆传输。

  以ARINC664总线为数据主干道的航电核心处理系统,是新世纪随着信息技术的发展产生的、应用在飞机航电系统中的先进信息处理系统。目前,国际上只有波音787、空客A380等较新机型才采用了这种技术。随着C919项目的开展,国内相关技术的研发和综合测试工作也正如火如荼地进行。同时,在C919项目的推动下,GE公司和中航工业合资成立了昂际公司,与上飞院共同研发C919项目航电核心处理系统,相信在不久的将来,我国民用飞机航电系统的设计研发一定会迈上一个新的台阶。

  飞控系统设计:

  首次开展飞控系统控制律设计

  谈到飞控系统,C919飞机采用的是全权限电传飞控系统,其中的核心技术就是控制律,是国内第一次自行研发设计。全权限电传飞控系统是现代民用飞机进化的重要标志,它改变飞行员通过机械设备控制飞机的传统做法,利用计算机经过一系列复杂算法达到操纵飞机的目的,大大提高飞机的安全性和舒适性。而其中飞行员操纵飞机利用的“一系列复杂算法”就是控制律,它一直是国外限制出口与转让的关键技术,也是飞机主制造商必须掌握的核心技术。

  2009年,法航一架空客330空中解体,机上人员全部遇难。对于空难事故的推测之一,就是空速表出现了问题,显示了错误的飞行速度,飞机在进入雷区前,飞行员拉杆过猛,飞机迎角过大,导致飞机失速,发动机骤停。上飞院技术人员告诉记者:“我们设计的电传操纵系统,可以将迎角控制在一定范围内,超过这个范围,飞行员再拉杆,飞机迎角也不会增加,保障了飞行安全。”

  关于控制律,技术人员打了一个形象的比喻,改进这项技术,让驾驶者有“从开拖拉机到开小轿车”的舒适体验。控制律要实现的功能之一就是降低甚至消除飞机在转弯和有阵风扰动时对乘客造成的不适感。“比如飞机转弯时,控制系统会自动调节航向和坡度,实现协调转弯,机内的乘客就不会有被甩出去的不适感。” 减重减阻也是控制律带来的一大好处。通过提高飞机尾翼的工作效率,可以减少这些部位的尺寸,降低飞机重量。“就拿平尾来说,它的作用就是实现飞机纵向平衡,先进的电传飞行控制系统可以提升平尾的工作效率,也就是说,用较小的平尾实现既定的功能,这样就能够使飞机更经济、更环保。”(喻媛)

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