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俄罗斯国产飞机MC-21的三大竞争法宝
苗玮

2017-08-09 | 聚焦

据aviation21.ru网站2017年8月8日刊文,俄罗斯国产飞机MC-21采用了碳纤维的机翼,这既是俄罗斯民用航空史上的首例,也是世界中程干线飞机的首架。那么这项新技术到底好在哪里以及为什么以前类似的飞机没使用呢?我们对此做出分析如下:

复合材料的使用是现今世界飞机制造的趋势。新型民用航空飞行器对复合材料的使用呈上升趋势。波音787和空客350XWB飞机一半以上都使用了复合材料。不过在1990-2000年间业界人士存在一个顽固的想法,即复合材料只对于大型宽体远程干线飞机有用。那时人们认为,这种新型的但非常昂贵的(对于那个时间来说)结构材料只会有经济方面的效益。相对于体积较小、重量较重的窄体飞机来说复合材料只用到了机翼的一些机械零件、整流罩以及舱盖等。

“伊尔库特”集团公司在确定MC-21飞机方案时就指出“此时已非彼时”。如果在MC-21中程干线飞机上使用复合材料,比如机翼将取得巨大的成功。“这是一个计算多个参数后作出的综合性结论。”集团公司产品开发部门的技术经理尤里-塔帕索夫这样说,“我们研究了目前存在的各种技术方案,进行了各阶段的数学模拟、真实结构件的试验,得到了一些研究所的专业评估以及经济方面的计算,最终选择了采用真空注射法而不是热压罐来制造碳纤维机翼。”

大展弦比

碳纤维机翼具有更大的展弦比以及较薄的翼型,所以迎面阻力相对较低。在其它参数不变时机翼厚度越小,拉升时的阻力也越小。机翼展弦比还影响翼尖分流产生的阻力总和,即诱导阻力。这种类型的阻力对于低速飞行影响很大。假如飞机机翼没有翼尖,那么也不会有诱导阻力,但这是理想状态。实际生活中克服诱导阻力的方法要么安装垂直小翼、鲨鳍小翼,要么增加机翼长度。

铝合金机翼的展弦比一般在8-9,增加铝合金机翼的长度不好做到,因为铝是软金属,为了防止铝合金机翼在飞行过程中受力并弯曲,就得增加机翼的厚度,结果大展弦比的优势又全都被铝合金机翼的厚度吞噬了。而碳纤维是较坚固的材料,机翼展弦比可做到10、11以及更大一些。

MC-21的机翼展弦比达到了11.5。仅凭这一点空气动力性能就提高了5-6%。总体来说,大展弦比薄翼型的复材机翼使得MC-21与同类型飞机相比,能耗降低了8%。传统铝合金机翼的中程干线飞机在全生命周期(2万个小时左右)要烧掉14万吨的燃油,而每架MC-21在同样的飞行时间内可节省燃油1.1万吨。这个数字成为MC-21超出金属飞机的有力证据。

重量轻

复合材料与铝合金相比还具有单位重量较轻的性能。理论上用复合材料代替金属可减重15%。不过据专家看来,波音787以及空客350XWB都没达到最初的减重目标。“目前这些飞机的重量还是老样子,就像用金属做的一样,”俄罗斯航空空气动力研究所所长谢尔盖 切尔内舍夫说,“主要原因是飞机制造公司对复材结构设计方面的了解不够。”

因此设计师们往往会留出比实际需要多的复材结构强度余量,目前铝合金结构的强度余量不超过1.5,但在设计同样的碳纤维结构初期余量达到了5,甚至7。但是随着对复材性能的了解,设计强度余量在逐渐降低,结构也越来越轻,正是这样MC-21成为了受益者,降低了重量。

复合材料飞机在使用方面也有优势。金属材料易老化,所以设计的生命周期有限。而复合材料对于交变载荷、腐蚀要稳定的多,寿命要比金属长。

经济性高

复合材料长久以来都是相当昂贵的材料。飞机用的铝合金每公斤3美元左右,而波音787使用的碳纤维每公斤约400美元,好在材料性能弥补了价格昂贵的缺陷。

另外工艺的选择也可以降低成本。目前零件制造的很多工序都是自动化的,但是装配自动化比较困难。采取减少劳动量的方法之一即整体结构装配。也就是说装配的不是单个零件,而是一个个现成的单元。就MC-21来说,从乌里扬诺夫斯克和亚尔库次克工厂出来的已经是现成结构,即机翼翼盒,所以到了总装厂就不用像生产铝合金机翼时那样需要高技能的装配专家。

MC-21在乌里扬诺夫斯克航空复材厂即可完成翼盒从铺层到装配的整个生产过程。所有的过程都最大程度地自动化。用真空注射代替热压罐不仅简化了生产过程,还节省了时间,降低了生产成本。

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原文链接:aviation21网站
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