大型飞机发展趋势与主要技术(陈一坚)

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陈一坚*<p></p></P>
(中国航空工业总公司603研究所)</P>
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航空产业(包括民用航空和军用航空)不仅是国家经济发展的支柱之一，也是保卫国家安全和主权的主要手段之一，所以世界各国都投入巨资大力发展，以壮大国力，航空产业具有多学科、多专业、知识密集的高技术特点，其难度大、综合性强，需要相关技术产业的支持，以及大量的试验验证和实践积累，因此投资强度大、研制周期长。半个多世纪以来，世界强国都不遗余力发展航空产业，不仅自身取得了瞩目的进步，同时也还动了相关产业的发展和进步。</P>
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一、        </B>国内外发展形势</B><p></p></B></P>
1．  </B>民用航空飞机</B><p></p></B></P>
民用航空飞机具有快速、安全、舒适、经济、多适用性的特点。民用航空飞机按用途可分为民用客机、民用货运机和通用飞机，而民用客机又有干线飞机（150座以上）和支线客机（50~120座级）之分。从技术上讲，它们没有本质的区别，大多能够通用。</P>
大型客机一般为载客150人以上，航程超过3000km的客机。从20世纪60年代起，随着150座以上喷气客机的出现，航空运输在人类交通运输业中成为重要的交通工具。世界航空客运今后每10年将增长1.6万亿人公里，货运周转量平均年增长率将达到5%~7%。到2020年，世界航空客运量估计将达到6.4万亿人公里。2001~2020年，全世界航空公司大型喷气飞机总需求量将超过1.8万架，总价值将超过1.4万亿美元。我国是世界上民航运输增长最快的地区之一。1999年全国民航年运输总周转量和旅客周转量已经上升为世界第9位和第6位。预计未来20年我国民航客运周转量年增长率为8.3%，2020年民用飞机机队总规模将达到1852架，需增加飞机1325架。加上退役飞机需要用更新飞机替换，共需补充民用飞机1690架（其中大型飞机1119架），价值约2000亿美元。</P>
美国、欧洲等紧紧抓住大型民用飞机，作为其占有世界航空市场份额的重要手段。2000年，美国波音公司大型飞机的年销售额达311亿美元，欧洲空中客车公司销售额达172亿美元，最近空客公司销售量已赶上波音公司。当今大型民用机市场几乎被美国波音公司和欧洲空中客车公司所垄断，诸如波音公司的B-747、B-777等，空中客车公司的A-300、A340等，超音速客机则有法国的“协和”号。</P>
我国航空产业从无到有，从仿制到自行设计，50多年来走过了艰难而曲折的道路。但是，大型军、民用飞机的现状与国外发达国家相比还相当落后，与国家经济发展和国防安全的需要相比也很大适应。民用飞机除运-7、运-12、运-8为国产外，大型飞机几乎全部依靠进口。</P>
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2．  </B>大型军用运输机</B><p></p></B></P>
大型军用运输机载重能力一般为40~50t，能载百名以上全副武装士兵或相应的各种装备，航程达4000km以上。</P>
在近20年的历次高技术局部战争中，大型军用飞机都发挥了巨大的作用。它们快速、机动和大纵深的作战能力，直接提高了整个战争的大机动和快速反应能力，加速了战争进程，增强了持续作战能力。快速空运和大范围精确打击是高技术局部战争的决定性因素。美国在海湾战争期间，出动大型运输机及大型特种飞机共1135架次，几乎与出动的歼击机、攻击机和轰炸机共1193架次的数量相近。“911”事件后的阿富汗战争中，美国动用大型运输机共140架次。</P>
大型军用运输机，美国的代表型号有C-130、C-17、C-5等，俄罗斯的代表型号有伊尔-76、伊尔-96等。战略轰炸机，美国的代表型号有B-52、B-1、B-2，俄罗斯早期的代表型号有图-22、图-160等。我国目前没有大型运输机，预计需要装备200~300架大型军用运输机。</P>
大型军用、民用飞机的发展趋势是：大型化，载客量超过500座，货运量超过50t；航程一般达1万km；高升阻比（预计10~15）；低油耗、低噪声、低污染、经济性好。美国的代表型号有正在研制的波音747X和正在开发初期的“音速巡航者”，空中客车公司则以A-380为代表。战略轰炸机朝着高超音速（马赫数为10~15）、隐身、精确制导和洲际打击方向发展，值得引起注意。</P>
从现在起，如果再不抓住发展机遇，抓紧大型飞机研制，我国将摆脱不了引进外国大型飞机的局面。从经济角度看，将损失巨大的时常；从国家安全角度考虑，将受制于人。一旦政治形式突变，军、民用航空飞机都将瘫痪，后果不堪设想。</P>
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二、大型飞机的主要技术</B><p></p></B></P>
大型军、民用飞机和中小型军、民用飞机，技术上是相通的，基本上可以通用。除军用飞机有其特殊的技术要求外，一般包括11个方面的主要技术。</P>
1．  </B>总体布局技术研究</B><p></p></B></P>
新一代大型飞机目标决策和指标体系优化技术。</P>
三翼面布局研究：非主动控制常规总体布局、主动控制技术的总体布局、先进气动技术（如超临界机翼、层流控制技术、翼梢装置、发散后缘等）总体布局、高升力系统综合研究。</P>
机体/飞控/动力装置综合优化设计研究：机翼与机身一体化构型、机体与发动机一体化构型、机身尾段与尾翼一体化构型、多点式及多轮式起落架布置、飞机构型与维护/服务的一体化设计。</P>
宽体机身布局研究：具有覆盖远航程和短航程的能力系统列化发展；机身横剖面形式；客舱内部布置，包括单、双层客舱，头等舱、公务藏、经济舱的设置：舱内布置如何快速响应航空公司经营策略变化；宽体机身布局与地面服务设备设施关系等。</P>
超音速技术基础研究：超音速运输机总体布局及机场适应性。</P>
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2．  </B>先进气动力设计技术研究</B><p></p></B></P>
减阻技术研究：超临界机翼设计，层流机翼设计技术，发散后缘技术，先进翼梢设计技术，一体化/融合体技术，采用涡流片技术提高增升装置效率，变弯度机翼，动力效应模拟和滑、喷流影响研究等。</P>
高效增升装置研究：完善二元多段翼型分析和优化设计技术、三元多段机翼分析和优化设计技术、动力增升技术，高升力装置风洞试验技术的应用，以及开展增升 装置噪声分析及其抑制手段。</P>
近地面空气动力特性研究：近地面飞行空气动力特性、操纵性及稳定性，超低空技术。</P>
超音速技术基础研究：超音速运输机的多目标气动优化设计技术、气动弹性设计技术、进场噪声分析和降噪技术。</P>
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3．  </B>长寿命结构设计技术研究</B><p></p></B></P>
新型高性能结构及相关技术、工艺研究：宽机身大开口优化设计技术，整体油箱先进技术，先进货运系统技术，先进动力短舱/反推力装置结构及相关工艺，先进大型起落架结构及相关工艺，大型整体壁板先进加工工艺，新型加劲结构及相关工艺（含金属结构和复合材料结构），新型夹芯结构及相关工艺，新型叠层结构及相关工艺等。</P>
复合材料主结构应用技术研究：先进的载荷预测技术，先进结构分析/优化设计技术，结构耐久性及损伤容限设计与评定技术，结构抗腐蚀先进设计技术，先进减振降噪技术。</P>
4．  </B>系统综合技术研究</B><p></p></B></P>
主动控制技术研究放宽静安定性技术，载荷减缓控制技术，利用变稳飞机进行空中飞行试验，利用工程模拟器进行飞行品质研究等。此外，还包括系统重构技术、抗雷击技术、系统局部光传操纵等技术。</P>
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5．  </B>材料选用</B><p></p></B></P>
为提高飞机的结构效率，减轻重量，便于按损伤容限准则进行设计，实现对飞机的长寿命要求，民用客机结构设计所用之材料应比较成熟，总体水平高，技术数据齐全。</P>
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6．  </B>起落架系统研究</B><p></p></B></P>
非对称载荷会带来结构动力学上的一些问题，如起落架着陆、刹车、滑行时的不对称载荷等。因此，应对起落架进行系统研究，包括悬持结构必须承受起落架的巨大载荷的研究，起落架载荷分配设计多个起落架缓冲刚度的匹配研究，地面运动的协调性和转弯操纵研究等。</P>
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7．  </B>客舱的舒适性设计</B><p></p></B></P>
舒适性是民用客机重要的技术指标之一。在机舱内饰方面，要为乘客营造一个优雅、舒适的客舱生活环境，而且所采用的美学观点、艺术格调以及所体现的文化品位应得到国内外大多数乘客的认可，还要进行隔噪声、降噪声等设计。</P>
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8．  </B>试验条件与能力</B><p></p></B></P>
必须具备风洞试验、结构强度试验、系统试验方面的条件和能力。</P>
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9．  </B>制造条件</B><p></p></B></P>
由于大型客机尺寸大，飞机的部件和零件尺寸也大，由此而导致了一系列特殊要求，如大尺寸的原材料如毛坯供应，大型加工设备和大型数控加工设备，大尺寸热处理设备，大尺寸、复杂曲面蒙皮成型设备，大尺寸复合材料构件的制造设备，大型检测设备，大型厂房等。</P>
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10</B>、适航性研究</B> <p></p></B></P>
通过适航审查后投入营运，这是民用客机区别于其他类型飞机的显著特征。对民用客机来讲，安全性是头等大事，而适航规章则是满足安全性要求的最低标准。适航要求客机研制的全过程始终处于受控状态，其设计、试验和生产等研制环节都必须严格按程序进行。</P>
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11</B>、非常规布局大型飞机总体技术</B><p></p></B></P>
大型民用飞机的客座数超过700座，将进入特大型飞机的范畴。目前在研制方面存在的问题有：</P>
由于现有机场限制，飞机尺寸一般限制在80m×80m之内，由此带来飞机难以获得最佳气动性能的问题。飞机尾流将导致机场方面不得不对特大型飞机进行严格的限制，这将使特大型飞机丧失潜在的优势，而且通过气动设计减小尾流的潜力也有限。</P>
噪声问题：大尺寸、大重量势必增加噪声。特大型飞机满足第三阶段噪声要求尚有可能，但如果适航强制执行第四阶段噪声要求，噪声将成为一大难题。此外，起落架和襟翼放下后引起进场噪声增大，减小进场速度对噪声有利，但增加了气动设计难度。</P>
布局问题：鸭翼气动布局、飞翼气动布局、复合式翼气动布局、倾转翼总体布局及其相关的专门问题。</P>
总之，我国航空产业半个世纪以来发展是迅速的，但与世界先进水平相比，尚有不小的差距，尤其是大型军、民用飞机的研制水平。为了迎头赶上航空强国，我们应该在主要技术的研究方面下大功夫，花大气力，以便在将来大型飞机研制中缩短差距，为民族复兴大业增添光彩。</P>
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(中国航空工业总公司603研究所)</P>
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航空产业(包括民用航空和军用航空)不仅是国家经济发展的支柱之一，也是保卫国家安全和主权的主要手段之一，所以世界各国都投入巨资大力发展，以壮大国力，航空产业具有多学科、多专业、知识密集的高技术特点，其难度大、综合性强，需要相关技术产业的支持，以及大量的试验验证和实践积累，因此投资强度大、研制周期长。半个多世纪以来，世界强国都不遗余力发展航空产业，不仅自身取得了瞩目的进步，同时也还动了相关产业的发展和进步。</P>
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一、        </B>国内外发展形势</B><p></p></B></P>
1．  </B>民用航空飞机</B><p></p></B></P>
民用航空飞机具有快速、安全、舒适、经济、多适用性的特点。民用航空飞机按用途可分为民用客机、民用货运机和通用飞机，而民用客机又有干线飞机（150座以上）和支线客机（50~120座级）之分。从技术上讲，它们没有本质的区别，大多能够通用。</P>
大型客机一般为载客150人以上，航程超过3000km的客机。从20世纪60年代起，随着150座以上喷气客机的出现，航空运输在人类交通运输业中成为重要的交通工具。世界航空客运今后每10年将增长1.6万亿人公里，货运周转量平均年增长率将达到5%~7%。到2020年，世界航空客运量估计将达到6.4万亿人公里。2001~2020年，全世界航空公司大型喷气飞机总需求量将超过1.8万架，总价值将超过1.4万亿美元。我国是世界上民航运输增长最快的地区之一。1999年全国民航年运输总周转量和旅客周转量已经上升为世界第9位和第6位。预计未来20年我国民航客运周转量年增长率为8.3%，2020年民用飞机机队总规模将达到1852架，需增加飞机1325架。加上退役飞机需要用更新飞机替换，共需补充民用飞机1690架（其中大型飞机1119架），价值约2000亿美元。</P>
美国、欧洲等紧紧抓住大型民用飞机，作为其占有世界航空市场份额的重要手段。2000年，美国波音公司大型飞机的年销售额达311亿美元，欧洲空中客车公司销售额达172亿美元，最近空客公司销售量已赶上波音公司。当今大型民用机市场几乎被美国波音公司和欧洲空中客车公司所垄断，诸如波音公司的B-747、B-777等，空中客车公司的A-300、A340等，超音速客机则有法国的“协和”号。</P>
我国航空产业从无到有，从仿制到自行设计，50多年来走过了艰难而曲折的道路。但是，大型军、民用飞机的现状与国外发达国家相比还相当落后，与国家经济发展和国防安全的需要相比也很大适应。民用飞机除运-7、运-12、运-8为国产外，大型飞机几乎全部依靠进口。</P>
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2．  </B>大型军用运输机</B><p></p></B></P>
大型军用运输机载重能力一般为40~50t，能载百名以上全副武装士兵或相应的各种装备，航程达4000km以上。</P>
在近20年的历次高技术局部战争中，大型军用飞机都发挥了巨大的作用。它们快速、机动和大纵深的作战能力，直接提高了整个战争的大机动和快速反应能力，加速了战争进程，增强了持续作战能力。快速空运和大范围精确打击是高技术局部战争的决定性因素。美国在海湾战争期间，出动大型运输机及大型特种飞机共1135架次，几乎与出动的歼击机、攻击机和轰炸机共1193架次的数量相近。“911”事件后的阿富汗战争中，美国动用大型运输机共140架次。</P>
大型军用运输机，美国的代表型号有C-130、C-17、C-5等，俄罗斯的代表型号有伊尔-76、伊尔-96等。战略轰炸机，美国的代表型号有B-52、B-1、B-2，俄罗斯早期的代表型号有图-22、图-160等。我国目前没有大型运输机，预计需要装备200~300架大型军用运输机。</P>
大型军用、民用飞机的发展趋势是：大型化，载客量超过500座，货运量超过50t；航程一般达1万km；高升阻比（预计10~15）；低油耗、低噪声、低污染、经济性好。美国的代表型号有正在研制的波音747X和正在开发初期的“音速巡航者”，空中客车公司则以A-380为代表。战略轰炸机朝着高超音速（马赫数为10~15）、隐身、精确制导和洲际打击方向发展，值得引起注意。</P>
从现在起，如果再不抓住发展机遇，抓紧大型飞机研制，我国将摆脱不了引进外国大型飞机的局面。从经济角度看，将损失巨大的时常；从国家安全角度考虑，将受制于人。一旦政治形式突变，军、民用航空飞机都将瘫痪，后果不堪设想。</P>
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二、大型飞机的主要技术</B><p></p></B></P>
大型军、民用飞机和中小型军、民用飞机，技术上是相通的，基本上可以通用。除军用飞机有其特殊的技术要求外，一般包括11个方面的主要技术。</P>
1．  </B>总体布局技术研究</B><p></p></B></P>
新一代大型飞机目标决策和指标体系优化技术。</P>
三翼面布局研究：非主动控制常规总体布局、主动控制技术的总体布局、先进气动技术（如超临界机翼、层流控制技术、翼梢装置、发散后缘等）总体布局、高升力系统综合研究。</P>
机体/飞控/动力装置综合优化设计研究：机翼与机身一体化构型、机体与发动机一体化构型、机身尾段与尾翼一体化构型、多点式及多轮式起落架布置、飞机构型与维护/服务的一体化设计。</P>
宽体机身布局研究：具有覆盖远航程和短航程的能力系统列化发展；机身横剖面形式；客舱内部布置，包括单、双层客舱，头等舱、公务藏、经济舱的设置：舱内布置如何快速响应航空公司经营策略变化；宽体机身布局与地面服务设备设施关系等。</P>
超音速技术基础研究：超音速运输机总体布局及机场适应性。</P>
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2．  </B>先进气动力设计技术研究</B><p></p></B></P>
减阻技术研究：超临界机翼设计，层流机翼设计技术，发散后缘技术，先进翼梢设计技术，一体化/融合体技术，采用涡流片技术提高增升装置效率，变弯度机翼，动力效应模拟和滑、喷流影响研究等。</P>
高效增升装置研究：完善二元多段翼型分析和优化设计技术、三元多段机翼分析和优化设计技术、动力增升技术，高升力装置风洞试验技术的应用，以及开展增升 装置噪声分析及其抑制手段。</P>
近地面空气动力特性研究：近地面飞行空气动力特性、操纵性及稳定性，超低空技术。</P>
超音速技术基础研究：超音速运输机的多目标气动优化设计技术、气动弹性设计技术、进场噪声分析和降噪技术。</P>
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3．  </B>长寿命结构设计技术研究</B><p></p></B></P>
新型高性能结构及相关技术、工艺研究：宽机身大开口优化设计技术，整体油箱先进技术，先进货运系统技术，先进动力短舱/反推力装置结构及相关工艺，先进大型起落架结构及相关工艺，大型整体壁板先进加工工艺，新型加劲结构及相关工艺（含金属结构和复合材料结构），新型夹芯结构及相关工艺，新型叠层结构及相关工艺等。</P>
复合材料主结构应用技术研究：先进的载荷预测技术，先进结构分析/优化设计技术，结构耐久性及损伤容限设计与评定技术，结构抗腐蚀先进设计技术，先进减振降噪技术。</P>
4．  </B>系统综合技术研究</B><p></p></B></P>
主动控制技术研究放宽静安定性技术，载荷减缓控制技术，利用变稳飞机进行空中飞行试验，利用工程模拟器进行飞行品质研究等。此外，还包括系统重构技术、抗雷击技术、系统局部光传操纵等技术。</P>
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5．  </B>材料选用</B><p></p></B></P>
为提高飞机的结构效率，减轻重量，便于按损伤容限准则进行设计，实现对飞机的长寿命要求，民用客机结构设计所用之材料应比较成熟，总体水平高，技术数据齐全。</P>
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6．  </B>起落架系统研究</B><p></p></B></P>
非对称载荷会带来结构动力学上的一些问题，如起落架着陆、刹车、滑行时的不对称载荷等。因此，应对起落架进行系统研究，包括悬持结构必须承受起落架的巨大载荷的研究，起落架载荷分配设计多个起落架缓冲刚度的匹配研究，地面运动的协调性和转弯操纵研究等。</P>
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7．  </B>客舱的舒适性设计</B><p></p></B></P>
舒适性是民用客机重要的技术指标之一。在机舱内饰方面，要为乘客营造一个优雅、舒适的客舱生活环境，而且所采用的美学观点、艺术格调以及所体现的文化品位应得到国内外大多数乘客的认可，还要进行隔噪声、降噪声等设计。</P>
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必须具备风洞试验、结构强度试验、系统试验方面的条件和能力。</P>
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由于大型客机尺寸大，飞机的部件和零件尺寸也大，由此而导致了一系列特殊要求，如大尺寸的原材料如毛坯供应，大型加工设备和大型数控加工设备，大尺寸热处理设备，大尺寸、复杂曲面蒙皮成型设备，大尺寸复合材料构件的制造设备，大型检测设备，大型厂房等。</P>
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通过适航审查后投入营运，这是民用客机区别于其他类型飞机的显著特征。对民用客机来讲，安全性是头等大事，而适航规章则是满足安全性要求的最低标准。适航要求客机研制的全过程始终处于受控状态，其设计、试验和生产等研制环节都必须严格按程序进行。</P>
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大型民用飞机的客座数超过700座，将进入特大型飞机的范畴。目前在研制方面存在的问题有：</P>
由于现有机场限制，飞机尺寸一般限制在80m×80m之内，由此带来飞机难以获得最佳气动性能的问题。飞机尾流将导致机场方面不得不对特大型飞机进行严格的限制，这将使特大型飞机丧失潜在的优势，而且通过气动设计减小尾流的潜力也有限。</P>
噪声问题：大尺寸、大重量势必增加噪声。特大型飞机满足第三阶段噪声要求尚有可能，但如果适航强制执行第四阶段噪声要求，噪声将成为一大难题。此外，起落架和襟翼放下后引起进场噪声增大，减小进场速度对噪声有利，但增加了气动设计难度。</P>
布局问题：鸭翼气动布局、飞翼气动布局、复合式翼气动布局、倾转翼总体布局及其相关的专门问题。</P>
总之，我国航空产业半个世纪以来发展是迅速的，但与世界先进水平相比，尚有不小的差距，尤其是大型军、民用飞机的研制水平。为了迎头赶上航空强国，我们应该在主要技术的研究方面下大功夫，花大气力，以便在将来大型飞机研制中缩短差距，为民族复兴大业增添光彩。</P>
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