C919首飛在即，國產大飛機原來是這樣的！

出品：科普中國

制作：南京航空航天大學大學生科學與技術協會戚耀文

監制：中國科學院計算機網絡信息中心

C919大飛機即將首飛啦！C919是中國首款按照最新國際適航標準研制的干線民用飛機，于2008年開始研制，2015年11月2日，C919大型客機首架機正式下線；2017年3月，國內63名院士和專家組成的評審委員會一致同意通過國產大型客機C919首飛技術評審；2017年4月16日，C919在上海浦東機場進行了首次高速滑行測試；2017年4月23日，C919在上海浦東機場成功進行了高速滑行抬前輪測試，標志著C919的首飛已進入“讀秒”狀態......

2015年11月2日，我國自主研制的C919大型客機首架機，在中國商飛公司新建成的總裝制造中心浦東基地廠房內正式下線。新華社記者丁汀攝

2017年4月23日，國產大型客機C919在上海浦東機場進行高滑抬前輪試驗。王脊梁攝

外形：小干線家族中的“大塊頭”

C919為雙發渦扇中型機，畢竟是干線客機，長38.9米，連翼展35.8米，高12米，就算身高1米9的乘客走在機艙里也不會覺得不適，最大起飛重量為72噸，雖然沒有波音777那么大，但已經是小干線家族中比較大的機型了，最大可容納190人之多。

C919機身線條流暢，值得一提的是，飛機的機體從設計、計算、試驗、制造全是中國自己做的，強有力地回應了對飛機制造自主性的諸多質疑。飛機采用了新一代超臨界機翼，自主發展“一分鐘”快速成型的方法提高了機翼曲面的質量，改善跨音速范圍內的可控性，減少飛行阻力從而節省了很多燃料。為了全面認證C919的氣動設計，滿足對CFD技術的不同精度和效率的要求，不同構型、雷諾數的全、半膜的風洞測試不斷開展，包括測力、測壓、動力影響，增升裝置設計方案選型、驗證、確認等一系列超過15000的風洞“吹風”試驗，從而擁有了比現役同類飛機更好的巡航氣動效率。

再看看它的造型，就是霸氣，像是戴著一副俊酷的墨鏡。相比需要6塊擋風玻璃的傳統飛機，C919只有4塊，機頭更具流線型，使得飛行員視野更開闊，減少阻力。但是這種擋風玻璃工藝更復雜，制造難度也大。這也使得C919獨特到只看臉就可以辨認出來。

由于飛機重量比較重，其發動機甚至比現役的波音737的都要大，所以C919采用了第三代鋁鋰合金材料，鋰元素的加入使其比同等機型輕了5%-10%。飛機上使用的復合材料主要是碳纖維增強樹脂基復合材料，具有高耐腐蝕、質量輕等特點，但價格大約是常規鋁合金材料的幾十倍，所以在機體結構用量只占到了12%。

發動機：技術創新運營成本降低

航空發動機作為“航空之花”，可以說是航空技術和工業積累的完整體驗。C919的發動機為LEAP-X1C發動機。

LEAP-X1C型發動機是由國際公司美國通用電氣與法國SNECMA各以50%資金比例合資建立的大型客機發動機生產商CFM國際公司研制的大型噴氣客機發動機。它采用了18片賽峰公司研制的碳纖維復合材料風扇葉片以及美國通用電氣公司研制的陶瓷基復合材料渦輪部件。

它采用了許多行業內領先的創新性技術，包括超高壓比核心機、采用三維編織樹脂模傳遞成型技術制造的復合材料風扇葉片、復合材料風扇機匣、第三代三維氣動設計壓氣機和渦輪葉片設計技術、第二代雙環預混旋流器（TAPS II）燃燒室技術、可變面積外涵噴管和先進材料等。發動機和短艙將作為一體化推進系統來設計，擁有先進的進氣道、聲學處理和電動反推力裝置，可以充分發揮其氣動性能、重量和聲學優勢。

這款先進的新型渦扇發動機較CFM之前生產的波音737的發動機有了許多先進性提升。LEAP-X1C發動機燃油消耗可減少16%，二氧化碳排放量可減少16%，氮氧化物排放量可減少至不足60%，且更為安靜。相比于其他發動機，LEAP-X運營成本可以比其他發動機降低15%，這是一項巨大的優勢，這也是最終選定LEAP-X系列發動機作為動力裝置的最重要原因。

航空發動機（圖片來源于網絡）

為啥發動機不是國產的？

有人會問，C919的發動機為啥不用國產的呢？航空發動機的研制都有哪些難題呢？

中國的現代化工業起步比國外晚，技術也比較落后，這讓中國的航空發動機水平和中國航空整體水平相比比較低，這個短板影響了整個航空工業的實力。而我國在大飛機的發動機上落后很久，上世紀轟動一時的運10所用發動機就是波音707所用JT3D-7發動機。當時雖然已經開始著手研制我國自己的發動機，但是因為種種原因運10下馬，科研資料全部銷毀，致使我國發動機事業停滯不前。

難點1：四高

簡單而言，噴氣式飛機發動機就像是一個兩端都開口的圓筒，從前端吸入的空氣經過壓氣機、燃燒室等一系列的內部結構，而后變為高溫、高速的燃氣從后端噴射出去，就產生了向前的反推力。所以，飛機發動機的特點是“高溫、高壓、高轉速、高負荷”。

這四高，簡直是個大難題。一般噴氣發動機內部某些部位的溫度在1600℃左右，而發動機風扇后的壓氣機進口空氣和出口空氣的壓強都要比大氣壓強要高得多。

與發動機相比，大飛機用的大涵道與發動機和戰斗機的小涵道又有不同，所謂涵道比就是發動機外涵道與內涵道之比，拋開種種晦澀的技術細節不談，普通人能夠直觀明白的是，大涵道比發動機比小涵道比發動機的油耗小、推進效率好、經濟性能高，不過制造要求也更高，穩定性更強，比如前者的風扇葉片起碼有一米多，而后者則只需0.3—0.4米左右。

拿一款非常高端的發動機來說，羅爾斯·羅伊斯公司為A380生產的發動機內部的最高溫度達到了太陽表面的一半，發動機內部的壓力達到了50個大氣壓，渦輪葉片葉尖的運動速度達到2000公里/小時，而它的葉片有3米多長。這四高兩低簡直是制造民用大飛機發動機的緊箍咒。

難點2：經濟性與舒適度

除了四高難題以外，民用客機的發動機還必須考慮經濟性能和舒適度，也就是說，油耗要低，噪音也要低。而這些林林總總的問題也正導致了我國飛機發動機發展緩慢。

難點3：發動機的材料和工藝

此外，材料和工藝難題也是不能忽略的，要保持燃油火焰在以每秒100多米高速流動的高壓氣流中穩定燃燒，這與在狂風中保證手中火炬不滅一樣困難；同時要保護燃燒室火焰筒壁不被高溫燃氣燒蝕，不僅需要耐高溫材料和耐熱涂層，還要通過燃燒室結構設計，采取冷卻手段，降低燃燒室筒壁溫度。

目前國外發達國家的發動機主軸承的壽命都在1萬小時以上，而我國的基本在900小時以內，差距還很大。而現代高性能航空發動機都采取一些高強度、耐高溫材料，包括鈦、鎳、鋁、復合材料以及鎳基和鈷基超耐熱合金。有分析認為，中國現在超耐熱合金還不能完全自給，據估計中國每年超耐熱合金的生產量約為10000噸，而需求量則為20000噸。更有專家指出，制造發動機風扇的復合材料目前國內做不出來。

機上電子設備

C919采用了雙側桿正桿飛行控制系統，其特色在于采用兩種不同構型的4個獨立主飛行控制系統。其中包括兩個常規液壓動作系統和兩個電-液動作系統。C919采用電-液動作系統，這使其在動力資源上具備更大的靈活性，增加了冗余性，提高了安全性能。針對先進的氣動布局、結構材料和機載系統，研制人員共規劃了102項關鍵技術攻關，包括飛機發動機一體化設計、電傳飛控系統控制律設計、主動控制技術等。

與此同時，C919在機內采用先進的電傳操縱和主動控制技術，提高飛機綜合性能，改善人為因素和舒適性；另外，先進的綜合航電技術減輕了飛行員負擔，提高導航性能，改善人機界面。

但必須承認的是，C919上也有很多設備是現在甚至是較長時間內，國內都無法提供具備競爭力產品的類型。一個典型例子就是機載液壓系統。飛機上的各個氣動舵面偏轉、艙門和起落架的收放等等，無不依賴于液壓系統的驅動——這個以極小的體積和重量，就能傳遞極大的功率的神奇設備。

C919首飛意味著什么？

航空制造業差不多代表了一個國家制造業的頂尖水平，我國在上世紀放棄了運-10計劃導致國內航空制造業十年的斷檔和大量的人才流失，此次首飛標志著我國的大飛機制造業重新崛起。

有人說，我們只是造一個殼子把所有的東西塞進去。但這正是我們所取得最大進步所在，航空制造業與其他制造業的有一個不同之處就在于集成的難度，飛機特別是商用的大飛機，講究耐用率與經濟性，這就帶來了對氣動布局的近乎苛刻的要求，既要有可靠的結構強度同時又要做到盡可能輕便，而一個氣動布局所涉及到超算模型與風洞模擬，又不是一般小國家可以做到的體系化建設。可以說造出一個殼子是一個系統的工程，考驗的是一個國家的完整工業體系與龐大的工程師隊伍。

在全球化的時代里，一味講究國產率實際上并沒有太多的價值，737和A380上面也有不少零件來自于中國制造商。C919使用了美法合資CFM公司的LEAP-1C的發動機，其實波音與空客的飛機也用了這個發動機，C-919用了它可以消耗比同級別飛機少15%的燃油，降低10%的座公里直接使用成本，還可以減少50%的碳排放量，別人的好東西可以拿來用為什么不用呢？

當然這也不意味著我們可以不必發展發動機，C919的航電、飛控、空氣管理系統供貨商均為歐美公司，這些關鍵技術上面我們尚還沒有能力做出和西方歐美公司一個水準的產品，但是只要我們可以利用他們的技術造出我們的飛機，并且可以投入運營并盈利，自然會有國內的廠家來研發我們自己的航電、飛控系統，如果一蹴而就全部國產，可能帶來的結果是C919項目的失敗，這會導致國民對整個國產飛機產業鏈失去信心，國產飛機失去市場，行業逐漸崩潰，想要再一次打開市場，困難可想而知。

C919以高達百分之五十的國產率下架，打破了歐美在大型客機領域的壟斷地位，是超出預期的成功。作為一款商業用途的飛機，大量使用國際一流的發動機與航電、飛控技術以增強穩定性，并以此加大通過美歐主導的適航認證的概率，更為之后的國產化積累了經驗。