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为了更好的经济性和实用性 飞机超重也得“减肥”

时间:2017年01月19日 10:23    来源:大飞机报
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  飞机重量是连接飞机设计过程中各个部分的共同因素,如空气动力学、结构、推进、布局、适航性、环境、经济性和使用等各个方面都会受到重量的作用和反作用。 

  在每一个设计阶段都需要对全机进行重量检查。超重的飞机将使航程缩短,降低爬升能力,同时使得机动性也降低,起飞、着陆距离增加。如果使用要求上不允许这些性能上的降低,必须减少有用载荷来抵消飞机空重的影响,以保证飞机最大起飞重量不超出最大上限。这个有用载荷的减少将使飞机的竞争力降低并影响到设计项目的商业成功。 

 

飞机减重的必要性

  飞机的重量是影响飞机性能的重要特性之一,同时也是飞机在技术领域的竞争因素之一。这里说的飞机重量主要包括起飞总重和使用空重,其中最大起飞总重也是飞机直接使用成本计算的原始数据之一。

  目前波音、空客的飞机占据了市场的主要份额,如果要在国际大型飞机市场上具有足够的竞争力,飞机必须在飞行性能、舒适度和环保性等各个方面都达到现役飞机的标准,并有所突破和创新,而设计中拟解决的关键问题之一在于飞机减重,即提出飞机减重措施,并对采用这些减重措施所承担的技术风险作出评估。在重量节省计划中,如果能引进一种新的材料或加工流程,那么将节省飞机结构重量,新技术成本能够被飞机上所有的重量节省所抵消。研究表明,假如在初始阶段重量节约值能被确定的话,在300-600座民用飞机上节重价值的保守估计为每减重1磅可以节约1000美元。

  在方案论证阶段,需要充分论证并详细估算飞机的重量特性参数,并在技术设计阶段为详细设计阶段计算并制定各专业切实可行的重量控制指标,制定一系列飞机设计减重措施,针对不同专业具体问题建立重量变化控制应变措施从而使飞机的设计重量尽量轻。

  对于经常进行飞机方案设计的部门,或飞机研究、教学等部门,通常备有飞机总体参数优化过程。优化一般指起飞重量最小、成本最低、航程最大或升限最高等,起飞重量最小是最普遍的优化目标。

  在方案设计冻结之后,制造过程中会对飞机各部件的重量进行严格控制,尽量达到或低于方案中的限制重量。而专业术语中的“减重”是指当前重量对限制重量的重量减小量。飞机减重的目的在于:保证飞机总重和使用空机重量达到型号设计要求;满足型号的性能和使用要求;具有良好的营运经济性,保证市场竞争能力。若最大起飞重量保持不变,则空机重量超重,同样会使性能与使用特性大幅度下降。

 

设计减重最有效

  在设计过程中减轻飞机重量是最有效的减重方法之一。把飞机上的多余重量和可能的超重都消灭在图样上。具体的减重方法有以下几种:

  一是先进的总体布局及气动力技术。在总体布局中采用先进技术是降低飞机重量的有效手段。随着设计技术的日臻完善和先进技术的广泛应用,飞机的空机重量与最大起飞重量之比不断下降,重量效率提高。

  二是采用先进的应力分析,强度计算方法。使计算更精确,多余的重量减少,使飞机结构更有效,也更轻,从而提高其重量效率。

  三是严格的重量控制。由于采用先进的总体布局,先进的气动力技术和精确的应力分析,强度计算方法,使飞机的重量减轻。为保证由这些措施获得的良好效果在实际设计和生产中不丢失,在设计和生产过程中贯彻执行严格有效的重量控制和监督是十分必要的,这就起到了间接减重的作用。例如:改进总体布局。先进的总体布局可以有效地降低飞机的空重。翼身融合体飞机可以减少20%的起飞重量,而升力体布局和飞翼布局分别可以减少10%和15%。

  同时,可以通过改进机翼设计,从而改进气动力技术。一般来说,采用先进的机翼设计技术,先进的增升装置和翼梢小翼等都能有效地降低飞机的空重。

  另外,主动控制技术的应用也能减轻飞机的重量。采用主动控制技术可减小尾翼面积,减轻结构重量;降低巡航阻力,增大航程;同时,减轻驾驶员工作负担;降低制造成本和维护费用。

  主动控制技术中最主要的是放宽静稳定性,让飞机的静稳定性小于常规要求值,甚至是静不稳定的,即焦点靠近重心或在重心之前。

  主动控制技术以放宽静稳定性功能为基础,视放宽静稳定性的大小,主动控制飞机比常规飞机的平尾面积一般可减小30-50%。从而减轻使用空机重量1.3-2.3%。

 

材料和设备减重最经济

  在飞机上选用性能更好的新材料以替代旧材料是减轻飞机重量的有效途径。采用新合金材料、采用新金属材料、采用新型复合材料。

  例如:复合材料的应用既可减轻飞机重量,又可降低研制成本。在国外,复合材料的应用已进入了规模化生产的成熟阶段。民用飞机已大量使用复合材料,且已应用于主承力构件。复合材料在飞机上的应用程度已成为衡量飞机先进性的指标之一。

  B787和A350后机身结构的CFRP材料利用率均很高。这两款竞争机型的后机身复材壁板都采用阳模整体纤维铺放技术,蒙皮与长桁整体共固化成,这种整体化复材机身壁板重量轻、结构效率非常高。

  成品设备减重则是通过先进的电子设备和机械系统等进行。最常见就是发动机减重。

  波音787的动力装置选用了GEnx发动机,该款发动机不仅继承并发展了GE公司以往成熟发动机特别是GE90发动机的设计技术,吸纳了GE90发动机研制与使用的经验与教训,而且还采用了最新发展的一些先进技术,使其性能达到了较高水平,而且研制周期较短。

  GEnx发动机的设计推力为333kN,其巡航耗油率比用于A330客机的CF6-80E1A4发动机的低15.4%,比用于B777客机的GE90-94B发动机的低6.9%。

  其降低耗油率的措施主要有以下几个方面:高总压比;高涵道比;采用了低增压比、低叶尖速度、掠形宽弦复合材料风扇;低载荷、特高升力的7级低压涡轮;第4代三元流高压压气机;第3代三元流高压涡轮、反向转动出口旋流器;优化的排气系统。GEnx发动机风扇叶片采用了GE公司的第3代复合材料,外形基本与GE90-115B相同,而且该款发动机只有18片叶片,比GE公司的CF6发动机叶片重量轻了50%,同时其产生的噪声也比其他款的GE发动机都低。

  GEnx发动机风扇机匣由复合材料加工而成。该种机匣包容性能及强度均优于金属机匣,且该机匣比金属机匣轻154千克,可使飞机减重363千克,同时,该机匣不会像金属材料一样容易被腐蚀,便于维护。

 

波音空客的“减重经”

  波音787采用了全电刹车技术,该产品由Goodrich提供,刹车系统由四个具有相同部件号的电刹车作动器(EBA)驱动,每个EBA均为现场可更换单元部件,采用电接口与飞机进行接口,提高了维护性。另外,刹车系统具有刹车涂层和系统的健康报告能力,以供机载维护系统使用。

  全电刹车较传统液压刹车系统相比而言,其重量更小。虽然全电刹车系统的机电作动器比充满液压油的液压作动器重了5千克,但由于取消了液压管路和设备,就整个刹车系统来说,总体重量是减小的。

  有数据表明,采用两个主起落架的战斗机可减重25-50千克,而对于带有8个主机轮的运输机来说估计可减重150千克以上。

  综合模块化航空电子(IMA)技术,具体实施构型采用通用现场可更换模块组合的核心处理系统加高速统一总线技术,连接航电各分系统资源,带来重量大大减轻等好处。先进的综合化航空电子核心系统实际上是由统一的总线网络连接通用的模块构成硬件基础,并由系统软件提供任务功能的信息交换和处理的实体。

  波音787由于采用了开放式的IMA架构,减少了一百多个LRU,减少重量411.4千克,为实现20%的燃油节省做出了重要贡献。

  A380飞机航电系统综合了23个功能,A350扩展到了40个功能,B787综合了77个功能。通过采用IMA架构,使整个航电系统的体积减小了50%,功耗降低了16%,减少了15%~20%的全寿命运行成本,可靠性提高了20倍,重量减少了30%。

  通过这些技术创新,波音787与A330-200相比,重量上减少了13.6-18.14吨,这可以使B787的油耗减少20%,同时减少20%的排放量。这些减掉的重量可以为航空公司增加45%的货舱收益。

 

A350XWB客舱结构 资料图

 

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“另类”的飞机减重招数

 

 

  “为减轻飞机每一克重量而奋斗”是全世界飞机设计师的格言。飞机减重就意味着飞机的油耗小,成本低,更环保节能,减少二氧化碳排放。在这种理念下,许多航空公司、航空设计制造等单位各有自己的招数。 

  加拿大JAZZ地区航空配备浮力设备代替救生衣,以减轻飞机重量。加拿大运输、基础设施和社区部规定,如果客机在距海岸线50海里(92.6公里)以内上空飞行,航空公司可在机舱配备浮力设备代替救生衣。现阶段,JAZZ把机舱座垫作为浮力设备。一件商业救生衣重0.5公斤左右,JAZZ的客机载客量多为50人,机上配备的救生衣总重大约25公斤。 

  英国航空采取多种减重措施,降低运营成本。英国航空职员除了被要求注意个人体重,减少飞机餐的包装、减少机上冰镇饮料供应量、缩少刀叉体积、采用较为轻便的餐具、替换重型餐车、取消派糖包及耳机等之外,还缩小机载杂志尺寸,以减轻飞机总重降低运营成本。瑞安航空的飞行中杂志《随瑞安一起出行》,该杂志纸张从A4缩小为A5,并把底面用作菜单。维珍航空的方法是削减食品的包装,例如面包不会再有保鲜纸包装,并最终达致食品无包装化的目标。此外,维珍亦引进较轻型的座椅及垃圾桶,每架飞机每年可以减轻数千吨重量。 

  法航等使用轻型材料,推进机队现代化。据计算,法航的飞机若每架重量减轻1公斤,则每年可减少80吨二氧化碳排放量。采用新型轻质座椅,每年能帮助法航减少6万吨的二氧化碳排放量。 

  对机上娱乐设备结构改进升级,以减轻设备重量。作为机上娱乐设备主要生产商之一,日本松下公司新推出的eXLite产品来自XSeries系列。其优势主要是结构的改进,只需在原有设备基础上进行升级,去除多余的部件即可。这既避免了大量的拆卸工作,又使得升级后的设备重量减轻了30%。同样,法国泰雷兹公司生产的机上娱乐设备TopSeries产品,适用于70座的庞巴迪CRJ飞机、550座的空客A380飞机,减轻的重量平均到每个座位上大约是3.8磅。 

  瑞典的独特碳布大幅度减轻飞机的重量,节省大量的燃料成本。新型碳布,采用展开丝束而非纱线生产,如同几千年来生产织物增强材料的方式一样。用碳纤维布代替当前传统的材料(如飞机复合板所使用的材料)可减轻飞机的重量,有望每年为20家主要的航空公司节省4300万欧元的燃料成本。随着飞机重量的降低,二氧化碳排放量也随之大幅度减少。 

  SKF公司开发出的轻型钛质滑动轴承,可使每架A380飞机减轻110公斤。龙业通(天津)进口skf轴承贸易有限公司开发出的合成材料和钛,与传统的钢铜质滑动轴承相比,重量可减轻40%。这些轴承可应用在空客A380上的起落架、机身挂梁连接和机翼组件等。这样将为每副起落架减轻45公斤,是使用标准材料和设计的40%,从而使每一架飞机(包括机头起落架)减轻110公斤。 

  机务维修手段的节油效果日益突出,因此受到越来越多的关注。以喷漆为例:美国航空、日航、美西北和国泰的货机机身外壳大部分油漆都被刮去并磨成银光色,只保留机头和机尾的航空公司LOGO,被业内人士称为“银色子弹”。国泰飞机减重专责小组称,此举能使飞机减轻约200公斤,每年可节省高达150多万元的燃料费用。 

  (民航) 

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