主题:运十专题:运十技术知识普及。 -- 乾道学派

2011-07-13 03:17:19乾道学派
运十专题:运十技术知识普及。

一.总体技术方案

1972 年 8 月5 日,“708”设计组负责人熊焰、技术牵头人马凤山,与总体设计人员们一同向全国专家审定会议提出的“运十”设计总体方案,极具技术眼光,经得起历史的检验。此方案采用 150-180 载客量的规模、一排六座的客舱布置、大展弦比中等后掠的机翼、翼吊式发动机布局、多轮车架式起落架、当时比较先进的翼型、马鞍形翼根整形(后改为喇叭形)、可调式平尾,采用国际通用的先进适航标准作为设计的基本规范(当时国内通用中苏关系破裂前、落后十几年的过期苏联强度规范),采用破损安全的结构设计原则、软式飞行操纵、缝外密封式大吨位整体油箱、大容量密封客舱的密封技术与先进高空系统、先进的构件及管道连接形式、等等。

二.气动设计过程

为了确定运10飞机的气动布局和测定气动力数据,设计组在设计中制成各种吹风模型,先后在全国4个省、市的9个风洞中进行模型吹风试验,试验分4个阶段。1971年4月-1973年4月,进行18项选型试验,在选型试验中,共制造了6副机翼和两套平尾及垂尾。通过试验,最后选择尖峰翼型为运十的基本翼型,并确定了机翼的平面形状,反弯度平尾和低阻翼尖,给出第一轮极曲线、气动载荷和气动导数等。

为了提高气动效率,对机翼局部修改,1973年5月-1974年10月进行预定性试验。经过10个项目的试验,取消机翼的几何扭转,从而改善了工艺性;将机翼根部改为喇叭形,可增加升阻比6%左右,相当于增加航程400千米;测得第二轮极曲线、气动载荷和气动导数等,供飞行性能、飞行品质和外载计算等使用。

1974年11月-1980年9月,为确定运十飞机最终的气动力特性,进行32次定型试验和其他气动力试验。用试验取得的数据进行计算,证明运十性能达到上级提出的技术指标,飞机收襟翼临界失速特性略优于波音707飞机,放襟翼的特性略差,为此改进了前缘襟翼与发动机舱吊挂处的缝隙;调整了机翼上扰流板的面积和位置,避免造成副翼效率下降,并验证了机翼增升颤振风洞试验,证明运十飞机的颤振特性符合规范要求;通过两次大迎角风洞试验和11架次自由飞模型投放试验,证实运十飞机具有良好的失速特性和尾旋特性,不易进入尾旋,如强迫进入尾旋,用常规的方法就能成功地改出尾旋。

为了验证运十飞机的临界失速特性,1980年9月运十首次试飞后,又进行了定型后的吹风试验。

截止1981年11月,共进行63项气动力试验,吹风10493次,试验时间1353小时,共做40套吹风模型,试验对比了18种形态的机翼,3种平尾,4种垂尾、6种发动机短舱位置和42种前、后缘襟翼的组合方案,选择了一种组合优化方案,特别是针对当时国内的风洞都比较小,6×8米低速风洞建设速度缓慢的问题,科技人员创造性的采取有关飞机风洞试验与实际飞行差量的对比修正方法,解决了小风洞吹大飞机的难题。

三.总体研制过程

运十飞机的初步设计工作开始于一九七一年四月。同年底完成总体方案。一九七二年一月叶剑英、李先念等中央领导同志亲自听取了方案汇报并原则批准。同年八月举行的飞机设计方案会审会,再一次从技术上肯定了运十飞机的设计方案。一九七五年基本完成全机设计工作,共设计图纸143000标准页,编写技术条件211份,提供技术报告789份,开展各类课题研究171项,编制并应用计算机程序138项,编写各种技术手册约200万字。一九七八年十一月,第一架运十飞机全机静力试验一次成功。

一九七九年,运十研制方案进行了调整,将原来研制六架进行设计定型,改为研制四架达到国内适航性要求;发动机从原来四轮20台设计定型,改为三轮12台设计定型。

一九八○年四月八日,邓小平对三机部副部长段子俊说:“上海原来搞的大型客机受“四人帮”干扰破坏,花钱很多,把握不大,办法不对,要停下来。”

一九八○年九月,第二架运十飞机首次上天。

运十飞机首次试飞成功后,由于经费原因,研制工作难以继续进行(第三架飞机已完成总工作量的三分之二,因无钱无法继续)。1982年起运十飞机研制基本停顿,除第二架飞机继续作少量试飞外,研制工作基本停顿。

运十的飞行进行到一九八五年二月,共飞行130架次,170小时,证明运十飞机操纵稳定性好,飞行性能达到了设计指标。其间,曾飞到北京、哈尔滨、广州、昆明、合肥、郑州、乌鲁木齐、成都等地,并七次飞到拉萨,执行货运任务。

四.主要技术数据(02号机)

  发动机型号         4台PW JT3D-7

  发动机推力(SLST)(kg/lb)  单台8,650 / 19,000

  设计航程(Range)(km/nm)  6,400 / 3,456

  客座数            124 / 149

  标准每座商载(spp)(kg/lb)   100 / 220

  机翼参考面积 (m2/ft2)    244.455 / 2,630

  巡航速度 (M)         0.82

  最大使用速度 (VMO/MMO)  345 kts / .88

  进场速度 (MLW,SL,ISA)   147 (kts)

  初始巡航高度 (m/ft)     10,668 / 35,000

  使用空重OEW (kg/lb)     58,000 / 127,866

  最大起飞重量MTOW (kg/lb)   110,000 / 242,500

  最大着陆重量MLW (kg/lb)   83,000 / 182,980

  标准商载 (kg/lb)       14,900 / 32,848

  最大商载 (kg/lb)       25,000 / 55,115

  最大燃油 (kg/lb)     51,000 / 112,434

  起飞场长TOFL(MTOW,SL,ISA)  2,318 m / 7,605 ft

  着陆场长LFL(MTOW,SL,ISA)   2,143 m / 7,031 ft

  货舱容积 (m3/ft3)       36.01 / 1272

五.主要技术成就

1.在技术路线上,运十研制遵循的是“博采众长,为我所用的“自主创新”的技术发展路线。运十所遵循的独立自主开发的路线,明显地不同于此前运七的“测绘仿制”路线,也不同于AE-100的“期望由外国人牵头来领导我国设计”的路线,更不同于MD系列的干线客机从“国外购买生产权”的路线。这是运十研制最重要的技术建树,它所遵循的技术路线,正是今后我国大型客机将要采用的发展路线。

2. 运十是我国首次使用国际适航标准作为设计根据的机型。

3.运十在气动力上的成就

运十是我国首次设计在空气动力学上属于“高亚音速”领域的飞机。 运十采用当时先进的“尖峰翼型”是成功的,风洞试验证明运十的阻力系数小于当时使用的“波音707”飞机。“波音707”机翼上安装了许多“涡流发生器”,运十的机翼性能优越,经试验和设计研究不采用这种装置,与“波音707”在对比试飞观察中,在“波音707”的机翼上已经可以观察到出现“激波”的马赫数上,运十的机翼上并无激波迹象。“波音707”安装了“马赫数配平”装置来克服高亚音速时压力中心的急剧移动,而运十不安装这种装置,实际试飞达到马赫数0.8为止仍无异象出现。

4.运十在结构上的成就

国内首次采用"破损安全"、"安全寿命"概念设计飞机结构。

在结构分析上首次采用电子计算机有限元法的“整体解”,是对过去的“手册法”的一个重要突破。使用这种方法使运十在静力试验中实际破坏载荷是理论载荷的 100.2%, 即多余材料仅为 0.2%(正余量),达到前所未有的精度。

载客量达到 180 人的大容量气密客舱,最大气密容积达318.85立方米,其承力结构型式、防疲劳措施、隔音隔热的方法(大部份面积采用玻璃棉隔热,起落架舱等少数地区采用电热地板)均为我国首次使用。

结构分析中的颤震分析,(按,颤震是美国工程院院长的专业,可见其复杂性)在过去我国设计的小飞机上,机翼上只有四个活动面(一对副翼,一对襟翼),而运十机翼上有五十片活动面。这极大地加大了颤震设计的难度。运十成功地解决了复杂机翼的颤震计算、试验和设计问题。

运十所首次使用的车架式主起落架使其机场适应载荷比载客量较小的进口飞机还低。

5. 全机选用材料415项,其中新材料76项,占18%;选用标准955项,其中新标准164项,占17%;选用配套成品435项,其中新成品305项,占70%;选用轴承185项。

6. 国内首次将电子计算机用于飞机型号设计,编写了计算程序138项;

7.首次采用由调整片带动操纵面的气动助力操纵形式,省去了液压助力装置;

8.国内首次采用全翼展整体油箱,最大装油量达51吨;

9.在国内首次进行了规模较大的全机各系统地面模拟试验,进行了自由飞模型试验,共完成全机各种试验163项;

10.其他细节上的创新:

如仪表盘使用导光板照明,里面安装绿豆灯泡,灯光从刻度上射出;还自行研制出机舱打开后使用的充气滑梯;大飞机空调的容量可承担180人的空气调温和调压的需要。运十在各个部件和系统上还有许多重要的技术方式选择,例如客舱结构的抗疲劳设计、机翼整体箱的缝外密封型式、驾驶舱结构的多路应力传递方式、反弯度平尾、飞行稳定系统中偏航阻尼器的应用、软式飞行操纵系统、防撞风挡的加温防裂设计、燃油系统的精确测量系统的设计、便于客舱布置调整的地板梁设计、安全的增压客舱的舱门设计、加温舱的绝热隔声层设计、气密舱的球面框设计。

在进一步细化的设计各个层面上,运十中还使用过许多先进的设计细节及标准,如高抗剪螺钉、虎克铆钉、导管无扩口接头,及变厚度蒙皮、蜂窝结构等等。

六.改型方案

为扩大运十飞机的使用范围,打开销路,占有市场,飞机研究所从1977年8月起,组织部分设计人员开始探索运十飞机加长型的设计工作;1978年8月起开展运十飞机改为预警机的方案可行性论证;1983年开展运十飞机改为空中加油机的方案研究,均取得阶段性成果。后由于运十飞机的研制停止,改型工作未能进一步深入下去。

七.主要参考资料:

1.上海航空工业志 >> 第二章运10飞机http://www.shtong.gov.cn/node2/node2245/node64983/node64989/index.html

2.《运十飞机研制大事记》(620所、640所合编)

3.运十副总设计师程不时博客:http://chengbushi.blog.china.com/

附录:

1.运十的优点。

  1.有较好的安全性。

  我们选定美国的FAR-25作为运10飞机的设计标准,从而为确保运10飞机安全、可靠的使用打下了坚实的基础。在运10飞机的设计过程中,我们还全面考察、学习和分析了参考机的设计经验;对于国内尚未成熟的成品和设备,包括动力装置,一律装用国外先进产品,这些都是保证飞机安全的成功之路。

  我们遵循“一切经过试验”的原则,在设计、制造过程中进行了大量的试验工作,运10飞机的设计试验共有163项,在风洞吹风试验方面,共设计、制造了40套模型、分别在高低速风洞吹风1400小时,获取大量的气动原始数据。同时,还设计和制造了3架自由飞模型,进行了11架次的试验。结果表明,运10飞机具有良好的失速特性和尾旋特性。01架的全机静力试验共有42项163个情况,都满足试验大纲要求,全机静力试验的破坏载荷为理论值的100.2%,试验破坏部位与理论预计的部位一致。起落架落震试验1200次,表明运10飞机起落架动力特性符合设计要求。此外,在飞机的操纵、液压、燃油、电气等各系统也进行了内容广泛的地面模拟试验,并且还在有关单位支持下进行了各个系统和成品的联试。大量新成品在装机之前,又先在飞机上进行了飞行试验。总之,周到细致的设计试验工作,有效地保证了飞机试飞上天成功,也保证了运10飞机的安全使用。

  在设计过程中,我们还十分重视质量问题,严格把好质量关。从1972年到1979年,先后进行了7次规模较大的设计质量复查,并且先后邀请了国内知名专家就运10飞机的结构疲劳、四大系统模拟试验、风洞试验数据修正和使用,LC-4材料、气动外载荷等问题举办了7项专题讨论会,这些措施对设计质量和安全起了重大作用。

  2.有较好的速度特性。

  运10飞机采用了较为先进的尖峰翼型。其阻力发散马赫数为0.85,优于波音707的0.84;最大巡航速度为974公里/小时,高于伊尔-62和波音707飞机。特别值得指出的是运10飞机远航程气动效率最高的马赫数为0.79-0.8,也较波音707高。

  3.有较好的经济性。

  民用飞机的经济性涉及较多的因素。据一般统计,在直接使用成本中,燃油费用约占40%,经理论计算和试飞实践表明,运10飞机的座公里油耗均较伊尔-62和三叉戟飞机为低,而与波音707的相当,运10飞机的上座率只要达到60%,即可回收燃油费和飞机折旧费。

  4.有较好的机场适应性。

  运10飞机在国内航线使用时,飞机的载荷等级数(LCN)为48-56,较三叉戟的62-64.5为低。据不完全统计,在当时的机场条件下,运10飞机可以使用的国内机场有35个,而波音707和三叉戟仅为10个,同时由于运10飞机的推重比大,单发升限可达9500米,很适合飞西藏地区。

  5.有较大的使用伸缩性。

  运10飞机最大燃油量可达51吨,而且机舱容积较大,这就提供了使用伸缩性的余地。即机舱装客、货多时,燃油可少些;航程飞短些;反之,多油少货可飞远航程。运10飞机飞国内航线,当商载21.47吨时,航程为3150公里;当商载为5吨时,航程可达8000公里。

  6.有较大的发展潜力。

  运10飞机如改装先进的CFM56型发动机,将使燃油消耗率下降20%,大大提高经济性,噪声水平也大大降低,可满足FAR-36的第三阶段噪声标准要求。如果加长机身3.5米,则可大大提高装运量,从而进一步提高经济性。如在机身左前方开一大口,则可改成客货两用机,也可用于军用运输。

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