我国自主开发的鲲龙AG600也在研制中。这款世界最大的在研两栖飞机,主要用于灭火和水上救援,最大起飞重量53t,采用单船身、悬臂上单翼布局,配装四台WJ-6发动机。在2018年10月实现首次水上起降后,正在进行减重等技术优化工作,更根本性的挑战在于对应用场景的适应性以及市场运作与商业成功。媒体有时也把AG600与大运、大客合称为中国大飞机“三剑客”,但实际上,该型飞机并未列入国家的大飞机专项。
(5)大飞机之难
飞机从小到大,设计和制造的难度渐次提升。在经济与商业因素以外,由于大型飞机的大尺寸、大载重,以及大型客机极高的安全性、经济性要求,带来在设计、制造、试验等几乎所有技术方面的独有难度,其困难程度远超其他种类的飞机。虽然不止于以下内容,但高升力气动设计、结构构型与减重、大尺寸极端制造、大推力发动机和高难度试验试飞这五个方面尤为突出。
1)高升力气动设计
对于所有航空器,通过良好的气动设计获得尽可能高的气动效率,是永恒的主题。但大飞机的气动设计尤其重要,也尤其难。根据尺寸效应,当整体尺寸放大2倍时,表面积增大4倍,体积与重量将增加8倍。面积增大所带来的升力增益,远不足以支撑重量的增加。尺寸越大,这个问题就越突出。
大型飞机成功的首要前提是优秀的高升力气动设计。多数采用正常式布局的现役大飞机,采用大展弦比机翼、复杂高升力装置、附面层主被动减阻、放宽静稳定性等技术,千方百计挖潜优化,增加升力系数,提高巡航升阻比。采用超临界翼型和翼梢小翼,几乎成了大型客机的标配。而更多的新构型,如翼身融合(BWB,Blended-wing-body)、桁架支撑翼、连结翼、飞翼、双机身、变体等布局,以及层流流动控制等技术,也需要研究,以增强储备,适时将成果用于工程研制。
2)结构构型与减重
结构是飞机实现功能的基础,结构设计的任务是确定全机结构总体布局,包括选择结构分离面,确定主承力结构形式和传力路线等。大型飞机因其大尺寸结构,带来动态大载荷、大形变和强振动,需集成应用气动、强度、力学、伺服等多领域技术,采用破损-安全寿命设计、疲劳-损伤容限设计等方法,确保在长寿命周期和极端使用环境下,结构不发生不可接受的变形与破坏。
在确定和优化结构构型时,须追求尽可能低的结构重量系数(机体结构重量与飞机正常起飞重量之比),为减轻每一克结构重量而努力。大飞机的结构设计要求更高,其水平在很大程度上取决于结构减重的效果,轻量化结构设计是关键内容。轻量化结构的实现途径主要是尽量采用整体化结构,减少零组件数,简化装配连接关系,确定适合的用料和好的工艺方案。当前,普遍采用复合材料、轻质金属等先进材料,以及以这些材料为基础的整体结构,未来还可利用增材制造实现复杂结构的拓扑优化设计及整体制造。
3)大尺寸极端制造
大飞机的制造难度因“大”和巨量零件数(数百万级)而剧增,并有很高的精度和一致性要求,且必须在设计、成本、精度、效率等多因素间取得最佳的平衡,堪称机械类工业产品的大尺寸极端制造。以两款最大的客机A380和B747为例,机身长分别为72.7米和70.7米,翼展分别为79.8米和64.9米,机翼上壁板分别长33米、34米,机身承力框的高/宽则均约为10米/8米;两机的零件数分别为400万和600万(大型飞机的零件数大都在该数量级)。制作如此大的机身、机翼构件,且有复杂曲面要求和精确装配关系,综合难度可想而知。
要采用强度、刚度足够,加工性良好的材料,并需开发先进的制造工艺及装备。数控加工、喷丸成形、搅拌摩擦焊、自动纤维丝束铺放、协作机器人、增强现实等,都是为满足大飞机制造要求而发明,或是率先在大飞机制造中得到应用的。
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