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民航客机里的“共通性”

2017-11-16 17:14 来源:大飞机报

  

  纵观民机发展过程,可以看到“多样化”发展与“共通性”传承并存。民机在驾驶舱、发动机、机载系统以及机体结构等方面的共通性有利于制造商的机型发展,同时也促进了各类机型的系列化发展。在同一机型的系列化发展方面,大部件的共通性设计也体现出了现实价值。

  这类系列化发展的机型,通常采用完全相同的机翼,甚至采用相同的起落架,仅对飞机的等直段结构框数量进行增减,以达到系列化改型的目标。这类飞机在设计之初就必须按照大部件共通性原则进行设计,在单一机型性能与系列化机型综合性能之间进行权衡,从而合理选取大部件的设计参数,使系列化机型的市场效益达到最佳。

  驾驶舱的共通设计

  

  A340飞机的驾驶舱布置 资料图

  驾驶舱是飞行员与飞机“沟通”的直接渠道,同时也是飞行操纵的“中枢”和“总管”,决定着飞行员驾驭飞机的方式和感受。从飞机诞生开始,以驾驶杆操纵升降舵、副翼,以脚蹬操纵方向舵,成为各类飞机通用的操纵方式。通过这三个主要舵面的配合,可以实现飞机的姿态控制,从而使飞机按照飞行员期望的航迹飞行。由于民用飞机以及运输类飞机对于机动飞行的要求不高,有很多这类飞机采用了驾驶盘来操纵副翼。随着航空技术的发展,现代民航客机普遍采用液压助力操纵,后来又出现了电传飞控,客机的操纵方式也出现变化,部分客机也采用了侧杆操纵。在自动飞行控制系统发展完善的过程中,飞行员逐渐从繁琐的飞行操作中解放出来,精力更多地关注在关键飞行段以及应急情况处理等环节,提升了对于飞机的全局操控能力。

  在电子信息技术的推动下,机载航电设备功能不断扩展,集成度不断提高;随着机械和电气技术的进步,电环控、电除冰以及电作动等技术逐步成熟,多电技术成为机载系统的发展趋势。为适应这些新技术的需求,民航客机驾驶舱配置越来越复杂;另一方面,在新技术的推动下,驾驶舱设计也越来越人性化,实际操作流程也更加便捷流畅。例如,高集成度的触控大屏取代了传统的组合仪表,提升了信息获取和管控能力,使飞行员可以在飞行过程中轻松地处理各类复杂的系统功能配置。

  纵观民航客机驾驶舱发展过程,可以看到“多样化”发展与“共通性”传承并存,而“共通性”主要体现在操纵方式、内部布置、驾驶习惯等方面,制造商在开发新机型时往往非常注重驾驶舱与已有型号的“共通性”,以充分利用成熟机队基础,使新产品能够迅速为航空公司创造效益。以“波音”和“空客”为例,“波音”客机一直沿用经典的驾驶盘操纵方式,从螺旋桨时代进入喷气时代,并一直到电传飞控时代;而“空客”在进入民航市场以后为了抢占技术优势,在A320系列窄体机研发中首先采用电传飞控与放宽静稳定技术,飞行操纵方式也从A300的经典驾驶盘模式转换为侧杆式,并在后续型号中一直采用。

  可以看出,除了操纵方式的区别,“波音”与“空客”驾驶舱在襟翼收放、配平操作以及一些机载系统的开关方式方面有着不同的设置,但在主要功能分区上又具有一致性,以符合飞行员的操作习惯。两家公司在各自机型发展上都保持了驾驶舱的传承,这一点在中控台操作设置上得到了更充分的体现。

  波音公司的747、757、767、777系列客机均采用了基本相同的中控台,而其737系列客机因采用手轮配平方式而使得中控台样式有所不同;空客公司机型的中控台设置延续了统一的风格和操作方式,各机型的中控台样式也非常相似。

  驾驶舱的共通性设计可以保证飞行员操作习惯的延续,使航空公司的机队在接收新机型后很快地适应飞行,缩短飞机入役运营的准备时间,从而为航空公司赢得宝贵的时间和效益。

  发动机的多选提高市场竞争力

  

  PW1100发动机 资料图

  为了提高客机适应市场需求的竞争力,提升机体集成制造商在发动机采购上的主动性,以及保障配套发动机的稳定供应,飞机制造商往往为同一机型设计多种发动机的选装方案,并选择不止一款发动机匹配整机进入市场。多型发动机的“共通性”也成为客机研制中的重要内容。例如,空客公司的A320客机可以选装CFM56和V2500两款不同的发动机,而最新型的A320还可以选装普惠公司的PW1100型发动机。

  航空公司根据自己的使用维护经验,倾向于选择熟悉的发动机,因而会向飞机制造商提出发动机选择的建议;制造商也会根据运营航线的实际情况为具体的交付机型选装合适的发动机型号。随着发动机技术的发展,为了延长机型的生命周期,新出厂的机体也有换装新型发动机的需求。因此,在飞机设计之初,整机制造商就必须考虑机型选装多型发动机的共通性设计。

  客机选装多型发动机,是在保证不影响飞机基本飞行性能和主要机体结构的前提下,尽量满足航空公司在航线运营中的现实需求以降低使用维护成本,或者适应新型发动机更新换代的需求以提高燃油经济性。共通性设计的作用正是减少发动机换装可能造成的不利影响,以确保发动机换装尽量不影响飞机自身原来的设计点状态,从而充分发挥多型发动机选装的优势来适应航线运营的更高要求。

  多型发动机共通性设计的基础是尽量减少发动机换装对飞机本体各方面造成的影响。对于航空公司的选装需求,要尽量做到换装不同发动机的同一机型能具有非常接近的飞行性能和运营经济性;而对于发动机升级更新的换装需求,要尽量做到不更改机翼外形和主体结构,甚至不更改发动机安装位置的机翼局部外形和结构,不影响飞机原本的气动性能。

  从飞机设计角度来看,客机选装多型发动机的共通性设计涉及到气动外形、机体结构、机载系统等多个方面,对机翼本身的气动与结构设计稳健性也提出了更高的要求。为了达成“共通性”状态的最佳效果,甚至要偏离匹配单一发动机状态的最佳设计点,使设计方案在两型甚至多型发动机之间达成均衡。很多情况下,性能均衡也是共通性设计所要追求的目标之一。

  系统的兼容和结构的互换

  

  飞机客舱内的座椅和内饰 资料图

  客机在机载系统设计开发过程中也充分利用共通性来缩短研发周期及降低研发成本,部分设备在不同机型的机载系统中通用,考虑到软硬件的兼容,同时在使用维护方面也具有明显的效益。共通性设计在航电、飞控、液压、电气、环控、燃油等机载系统当中都有所体现。在同一飞机制造商的不同机型上可以看到非常相似的系统构成。

  以机载电气系统为例,A320客机与A330客机具有非常相似的系统组成形式,主要设备的数量和连接关系基本一致,是充分利用成熟技术完成设计开发的典型示例。基本相同的组成形式也为生产安装工艺以及使用维护操作提供了便利。

  出自同一家制造商的客机在导航通信、灯光照明、仪表显示等附属系统上采用相同设备的案例更是随处可见;而客舱中的座椅、导轨、通风口、内饰等也都尽可能地采用相同的设施。可以说,共通性设计在扩大机载系统方案适应范围的同时,极大地提高了机载系统的设计研发效率,同时也为客机型号的系列化发展提供了有力的支持。

  飞机的机体结构在制造工艺上采用大量的标准件,不同机型之间也大量采用可以互换的通用零部件。客机在结构方面的共通性设计还体现在机身剖面的传承设计上。因为客机的机身通常都有一段较长的等直段,不同机型的等直段若采用相同的剖面设计,可以在剖面结构件、结构制造工艺、结构安装台架以及夹具等方面实现通用互换,从而节约大量的成本和生产周期,带来可观的经济效益。

  B737客机上有超过60%的零部件与B727通用,而且保持着与B727相同的机身剖面。该机身剖面一直在B737系列化型号中沿用,也被上世纪90年代发展出来的新一代B737继续采用。新一代B737也大量延用之前的各类通用零部件,并且与早期系列型号采用相同的地面支持和维护设备。新一代B737的四种机型之间更是具有高达98%的零部件通用性和100%的发动机通用性。

  波音公司和空客公司均在其生产的各类机型中大量采用通用零部件和设备,而且在同类机型上采用相同的机身剖面,从而保证了制造商在自身框架内对窄体客机和宽体客机系列化机型发展的延续性。 (张帅)

  【观点】

  “共通性”理念助力民航工程发展

  共通性的理念是民航工程快速发展的有效助力:从设计制造的角度,共通性提高了设计研发效率,缩短了从设计研发、制造生产到投入运营的周期,节约了设计研发和生产制造成本;从使用维护角度,缩短了机队从接收机型到开始运营的培训周期,降低了机务维护的操作难度,为航空公司带来直接收益;从系列化发展的角度,为机型的系列化衍生发展提供了有效地支持。除了飞机本身以外,民航运营当中在机场设施、辅助设备、人员保障设备等方面都存在着共通性准则和设计理念,以更好地为机组提供支援,为乘客提供服务。共通性的理念是民航工程领域不可缺少的重要助力,从过去、现在直到将来,都会更好地推动着民航工程的发展壮大。

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