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制造者之梦:MS-21窄体干线客机

2017-2-6 19:41| 发布者: cfso5068| 查看: 1752| 评论: 0|来自: 中国航空报

摘要:   日前,俄罗斯伊尔库特公司正在进行MS-21首飞前准备工作。
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  日前,俄罗斯伊尔库特公司正在进行MS-21首飞前准备工作。众所周知,俄在MS-21项目中引入了多项新技术,展示了其在民用航空领域较强的系统集成和工程化能力,彰显出通过发展世界先进水平大型民机产品、争夺本国及全球民用航空市场的雄心。MS-21在材料、发动机、机电、航电和飞控等领域引入了多项新技术,其综合性能基本达到A320neo和波音737MAX的水平。此外,MS-21也具有一些自身的特点,如其座舱宽度达3.82米,超过了A320(3.70米)和波音737(3.54米),保证了良好的空间舒适性;与CFM56-5B等在役发动机相比,俄为该机新研的PD-14发动机耗油率可减少10%~15%;采用了大量的复合材料及新工艺,降低了制造和维修成本。MS-21对俄航空工业发展意义重大,许多新技术在民机上的应用尚属世界首次。 
材料工艺进步催生“黑色”机翼
  飞机机体结构大量应用复合材料是MS-21技术上最重要的亮点之一。首先,该机的复合材料重量占全机结构重量的40%左右,在全球干线飞机中处于最先进行列;更重要的是,该机在世界干线飞机产品中,首次采用了以非热压罐成形工艺制造的复合材料主承力结构。
  MS-21应用复合材料最多的部件是机翼,其中央翼、机翼翼盒、垂尾翼盒和平尾翼盒均采用复合材料,由于其颜色为黑色,故机翼被称为“黑色”机翼。在同类飞机中,金属材料机翼的展弦比可达到10.5,而MS-21机翼展弦比达到了11.5,使其巡航状态升阻比提高了5%~6%,燃油消耗可降低6%~8%。
  在为MS-21研制生产复合材料部件的过程中,俄OAK旗下的航空复合材料公司优化了制造工艺,引入了用于碳纤维铺层的机器人设备,可在2小时内完成以往传统工艺20人日的工作量。尽管复合材料价格昂贵、生产复杂,但由于极大地提高了劳动生产率,MS-21采用大量的复合材料部件仍经济可行。
  波音、空客民机大型复合材料主承力部件采用传统的热压罐固化工艺,而MS-21采用了非热压罐成形工艺,且零件最大尺寸可达20米×4米。由于取消了热压罐,该工艺可降低零件制造人工成本,减少能源消耗、提高生产效率。该工艺以往存在的问题是质量控制较难,零件孔隙率控制难,但俄联合欧、美企业解决了这些技术难题,MS-21成为世界首型采用非热压罐成形工艺制造复合材料主承力结构的干线飞机。
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国产发动机采用多项新材料、新工艺
  俄在民用航空发动机领域一直落后于美欧。为满足占领市场需求,伊尔库特公司为MS-21选择了美国普惠公司的PW1400G-JM发动机,并将配装它首飞。该发动机已于2016年5月在美国完成取证,计划2017年4月开始批产。
  同时,俄也为MS-21研制了PD-14发动机供用户选配。该发动机有8级压气机和2级涡轮,涵道比8.5,推力14吨,正开展地面试验。俄工贸部已为该发动机的研制拨款544.92亿卢布(按2016年9月汇率约合8.5亿美元),虽少于其他国家研制同等发动机的投入,但已超过对SaM-146发动机(用于SSJ-100支线飞机)的投入,主要原因是法国斯奈克玛公司为SaM-146提供了比较成熟的核心机,而PD-14是全新研制,应用了许多新技术。例如,全俄航空材料研究院为PD-14研制了20多种新材料,包括发动机及其短舱应用的复合材料、用于制造叶片的钛合金等;巴拉诺夫中央航空发动机研究院为发动机开发了16项新技术,包括具有先进冷却系统的高压涡轮单晶叶片(燃气工作温度可达2000K)、钛合金制造的宽弦风扇叶片、利用金属间化合物合金制造的低辐射燃烧室、用复合材料制造的吸声结构、热端部件采用陶瓷基涂层、空心低压涡轮叶片等。
俄多电飞机从概念走向实用
  依托MS-21项目,俄在多电飞机技术领域的多项研究成果也走向应用,成为提升该机市场竞争力的重要因素。该机的机电技术主要由俄“技术发展”集团开发,该集团按“多电飞机”理念为MS-21发展的发动机部件及其他设备主要包括电作动反推装置、电动机轮等。
  PD-14发动机的电作动反推装置由技术发展集团旗下的电力驱动公司研制,装配该装置后的PD-14试验发动机将在伊尔-76LL空中试验台上进行试验。此前,俄是利用液压系统驱动反推装置,使用电作动装置后不仅能减轻发动机重量,还可以使航空公司降低大约4%的燃油消耗,并可提高使用和维护性。此类系统在俄尚属首次研制,其他国家也刚应用不久。
  在2015年的莫斯科航展上,技术发展集团展示了可在无辅助动力的情况下使飞机在机场移动的电动机轮。根据欧洲民航法规的规定,机场的飞机禁止在滑行移动时起动发动机,因此要求用“电动机轮”代替传统的起落架机轮驱动方式,提高发电机和辅助动力装置的功率,使之能够在地面发动机停车情况下让电动滑行系统和空调系统等都处于工作状态。
  俄技术发展集团还为MS-21研制用于燃油系统的电动装置、新的发电系统、电作动的机翼增升系统以及起落架支架所需的其他电动部件。因此,MS-21项目拉动俄向“多电飞机”方向迈出了新的一步,对于提升飞机的市场竞争力、带动俄多电飞机技术的发展起到重要作用。
新一代综合航电和主动侧杆技术
  MS-21引入的其他新技术包括俄研制的新一代综合航电系统,以及来自美国的主动侧杆控制技术。
  航电技术一直是俄民机的短板,此前的SSJ-100支线飞机配装的几乎全是国外产品。为了推动本国民机航电技术的发展,俄为MS-21研制了国产化新一代综合航电系统,采用了国际上通用的开放式架构,性能和功能基本与国际先进水平接近,该系统已在2014-2015年进行了地面和飞行试验。
  在飞控系统方面,MS-21的最大亮点是在电传飞控系统中采用了主动侧杆控制系统,该系统在降低重量的同时,还可提高驾驶安全性。该主动侧杆控制系统由美国联合技术航空航天系统公司研制。在MS-21上,该系统使用两个控制器,可为飞行员提供有效的跟踪互动与必要的修正,使飞行更加安全。目前,用于MS-21的主动侧杆控制系统已在法国菲雅克的模拟器上完成地面试验检测。预计未来该系统将与MS-21同时得到欧洲航空安全局的认证。如一切顺利,MS-21将成为世界上首型采用主动侧杆控制技术的大型商用飞机。

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