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C929国产宽体客机,“单干”有多难

日期: 来源:了不起的中国制造收集编辑:了不起的中国制造

导语:近日,中国商飞副总经理戚学锋表示,C929宽体客机已进入详细设计阶段。C929项目让中国商飞成为继美国波音、欧洲空客的第三个宽体客机“大玩家”,C929这个中国的梦想之翼,将如何搅动目前的国际民航工业格局?

C929远程双通道宽体客机


一、C929“宽在哪”

客机仅凭客舱的通道实现了飞机“大、小”的定义。C929宽体客机即双通道,C919窄体客机则被称为单通道。


C919是中国首款自主研制的中短程窄体客机,2008年启动研制,2017年首飞,2023年5月完成商业首航,与波音737、空客A320相似。这类飞机负责3000-4000km航程的短途飞行。

C919和C929对比


而机身直径超过五米的飞机均需采用了双通道设计,相较窄体客机,宽体客机拥有更大的机身筒体直径,赋予了其内部更多油箱空间,因此宽体客机不但拥有庞大的载客量,且能飞行更远距离。

C929内部布局示意图


宽体客机是目前洲际航行的唯一方案,目前正在生产的包括波音787、777、空客A330、A350XWB,空客与波音采取错位竞争策略,以领先的技术、成熟的产品垄断了全球的宽体客机市场。


据国际民航组织预测,至2030年,客机需求中的90%多为200-350座位。届时,全世界宽体飞机的需求量将近8000架,其主要销售地是欧洲和亚太地区。而在亚太地区,中国的销售量将占一半。

C919\C929与国外机型对比


然而,C929的出现将逐渐动摇这样的格局。根据中国商飞透露,C929采用两台大涵道比涡扇发动机,基准航程为12000千米,从上海起飞可达南极洲,标准分布下载客量为280人,经济舱采用主流的“3-3-3”布局,属于远程中型宽体客机,从定位上几乎与波音787“贴身肉搏”,瞄准了“点对点”的远程直达航班。

在未来,更宽大的C929、C939这样的宽体飞机有更广阔的用途。


二、为何与俄罗斯“分道扬镳”

商飞的宽体机项目初始规划中俄合作研发CR929,C代表中国,R代表俄罗斯。然而近年来,公开的中国商飞宽体客机项目已经被更名为C929。决定“单干”我国主要是基于商业因素和技术因素综合作用的结果,在与俄方对“大飞机”的定义有所不同。

完成首飞的伊尔-96-400M


11月,俄罗斯伊尔-96-400M四发客机试飞成功,IL-96已是前苏联/俄罗斯最好的宽体机平台,定位上与C929类似,尤其是替代了过去的美制发动机,但IL-96已是近30年前的设计,机身为普通半硬壳式轻铝合金圆形截面结构,本质上仍然是老旧平台的改进。


我国的市场和技术需求明显与俄方有很大差异。一方面C929即使在诞生初期就需要在国内与世界上最省油的客机竞争,需要做到在飞机经济性、可靠性等主要指标不落下风;


另一方面,我国仍有必要展开与国际子系统供应商的合作,尤其是航发巨头美国通用电气和英国罗尔斯·罗伊斯,除去我国自研的35吨级别发动机CJ-2000外,这两个为波音787提供动力的公司同样有望成为C929的发动机供应商,分别供应GE-nx和Trent-900/1000(亦或是研发中的UltraFans)。


罗尔斯·罗伊斯的Trent系列发动机


发动机的数量不同背后体现了诸多因素。由于制裁原因,俄方在发动机领域并无国际合作空间,目前也没有成熟的35吨级民用发动机,因此俄罗斯选择了快速修改四发平台,牺牲了对俄罗斯而言无关紧要的燃油经济性。


经过多年为波音和空客的代工,中航及商飞在机身制造能力上更强,我国则需要首先保证客机的技术先进性,积极展开关键部件的国际合作,这将体现在客机的运营成本上,因此将采取最主流、最省油的双发方案。


三、复合材料重塑宽体客机

根据C929项目总师透露,C929将采用50%以上的碳纤维复合材料和15%的钛合金。显著超越了主流窄体客机的10%左右(C919为12%)。作为对比,波音787和空客A350XWB的用量分别为50%和52%。

俄方研发的CR929复合材料原型机翼


客机最重要的莫过于极端的经济性,更省油的客机也有利于飞行更远的航程,从而开辟更多的航线,才能给航空公司带来更高的收益。复合材料对于宽体客机的重塑,就可以从这两方面展开。


1)“弯刀”梦想之翼

原计划俄方研发机翼,中方研发机身。

展弦比与飞行器的性能密切关联,大展弦比表明机翼比较长且窄,能够带来较小的诱导阻力,适合长时间飞行。

展弦比示意图


鸟类翅膀能更好地提升飞机的效率,主要体现在持续增加客机的展弦比。然而航空铝合金的自重和强度使其无法继续承受机翼的加长(最大展弦比约为8),唯有强度更高的复合材料能够将展弦比提升到11,并在其中安置尽可能大的机翼油箱增加航程,这对制造机翼的材料强度和耐久度提出了更高的要求,同样将在C929上得到体现。而C929应用的斜切式翼梢小翼,既能减少涡流又能延伸展弦比,可视为机翼的一部分。


宽体客机气动标模CHN-T2总体布局



2)“减重”是飞行器设计永恒的课题

约70%的减重效果由材料技术的进步而产生,其余30%则通过设计优化产生,因此飞机材料的轻量化对于结构减重尤为重要。

受升力翘起的机翼也是模仿鸟类的成果


中国商飞在设计阶段就提出了飞机全寿命降低碳排放60%的要求,这其中既包括出色的运营效率,让飞机更耐用也极其关键。飞机在飞行时需要对客舱不断地加压,久而久之造成了材料疲劳。


得益于我国近年来进步迅速的碳纤维产业,相关院所在2018年就已经突破了飞机全尺寸复合材料机身壁板工艺(能够满足复合材料混用需求),并有望进一步掌握碳纤维机身一体化成型技术,获得超越传统材料的使用寿命。


四、新入场C929的进阶路不好走

在国际客机市场中,C919客机在技术上只能算是一个初学者。宽体客机堪称人类批量制造的最大工业品,涉及的产业链极为深远。


根据商飞的研究报告,未来二十年,中国市场将接收双通道喷气客机1250架,价值3800亿美元。基于中国自己的需求及时独立自主研发宽体干线客机,将节省引进客机的外汇消耗,减少对国外的依赖。

通常来说,宽体飞机的价格并非动辄三四亿美元的“目录价格”,而是在“目录价格”上给出巨大的折扣。经过大幅优惠后,其利润率已然不高。然而,在飞机出售后长达数十年的养护才是获得超额回报的过程。


短期完全依赖欧美大飞机进口肯定比独自研发划算,但是也必须受限于飞机后期的技术支持和升级,航空工业对于国家而言属于战略产业。例如在俄罗斯的“大飞机项目”就吃过很多亏,上世纪90年代伊尔96“西方化”在波音的强大压力下胎死腹中,在后期还要忍受采购波音737征收的高额附加税。


波音787各零部件的全球供应商


过去3年受疫情影响,波音、空客订单积压,干线客机全球积压订单已经超过了1.4万架:目前订购一架飞机需要等待至少三年才能“提货”,给机需要等待至少三年才能“提货”,给航空公司的决策带来了困难,而维修备件的供应更不确定,一架飞机由数百万零件组成,充分考验着民航工业的供应链稳定性,任何一个环节的纰漏都可能造成交付延误。


面对中国“大飞机搅局”,波音、空客巨头的手中还有一张王牌,那就是美欧市场的发动机环保评定,即是否符合欧美的噪音、环保等要求,这使C929客机装备国产发动机进入欧美市场的可能性几乎为零,如果波音、空客向世界三大动力公司施压,仅仅在机载动力这一个方面,中国的C929宽体大型客机与欧美就有一场艰苦卓绝持久战要打。


结语:宽体客机相当程度上代表了航空的最高技术水准,在经历了从运-10到ARJ21,从C919到C929的不断探索和突破,展现了中国航空工业的雄心和实力。


参考文献:

[1] 新华网. 中国商飞的C929宽体客机进入详细设计阶段.2023-11

[2] 澎湃新闻. 推力35吨,CJ-2000发动机验证机试车,国产宽体机未来就用它.2020-12

[3] 中国新闻网. 伊尔-96-400M远程宽体客机首飞成功.2023-11

[4] 中国复合材料工业协会.复合材料是如何让空客A350成为“规则制定者”?2023-4

[5] 中国航空新闻网. 空客启动“超性能机翼”飞行测试项目.2023-11

[6]宽体客机气动标模CHN-T2设计,doi:10.7638/kqdlxxb-2023.0026


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