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[民航] 外行人看客机的系列化设计

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发表于 2017-5-11 01:09 超大游击队员 | 显示全部楼层 |阅读模式

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写得非常啰嗦,请有兴趣的网友看完再扔砖,正好家里盖房,缺砖。

当年专业期刊上有文章分析比较过南汽引进的依维柯Daily系列和北轻汽等几家引进的五十铃N系列。依维柯的标准化通用化系列化做得很好,一个系列可以从小到大、从货到客、从民到军衍生出很多型号,但发动机、变速箱、车桥、车架(大梁)、驾驶室等大件却分别只有有限的两三种甚至一两种;五十铃的产品也是系列化的,但在标准化通用化方面就比较差。文章认为,两个公司的做法其实都对,因为各自所面对的市场环境不同导致技术思路不同,倒不是技术能力上有差距:依维柯所面对的市场容量小但对品种的要求多,此时标准化通用化所带来的节约远超过非最优化所造成的浪费;五十铃所面对的市场则允许五十铃做到少品种大批量,此时专用化最优化更合适。当时很受教育。

当年的高中政治课本上说,世界是普遍联系的。深以为然。上述关于汽车的思路也许可以用来帮助理解客机的系列化设计。

从公开报道看,设计客机涉及到总体、气动、结构、强度、动力、燃油、飞控、液压、航电、环控等诸多专业领域,必然是极其复杂的,否则不至于“仅仅设计一个壳子”就需要大量专业人员参与且花费天量的投资和很长的时间。本人丝毫不懂客机设计,只是试着从纯外行的视角来做些很粗略很表面的猜想。

一、总体布局。空军之翼的科普文章介绍得挺好,现在客机看上去都差不多,都是下单翼双发翼吊,飞翼布局三发四发之类的要么还不成熟要么已经过时了。所以设计单位要做的是沿着常规布局的道路优化优化再优化(当然技术含量是很高的),这一点没什么可讨论的。

二、机身截面。B737/A320/C919这样的干线客机都是3-3座位,没有本质上的差异(当然细节方面量的差异可以带来质的区别,比如货舱能否放下LD3-45航空集装箱),没什么可讨论的;宽体机少至一排7座多至一排10座甚至11座,如何选择是设计单位和最终用户共同商量的,外行人也没有什么可讨论的。只是,从空客几十年如一日地坚持2-4-2座位布置(A300/A310/A330/A340直到最初推出的A350非XWB版)这一点,外行人也可以看出选好一种机身截面可以沿用很多年,为系列化打好基础。

三、本人认为最基础的一个参数:最大起飞重量(MTOW)。

1、起落架很重要。抛开最大滑行重量与MTOW有限的差别不谈,客机起飞前,起落架要能够支撑MTOW;客机降落时,尽管总重小了很多,但强大的冲击也要求起落架具有额外的承载能力。

2、机翼(主翼大翼外翼,很多名称各不相同)很重要也很复杂。先不说非常高深的流体力学,简单想像一下:起飞前,不产生升力的机翼要能承受自身的重量及翼内燃油的重量,还有发动机的重量,有点像双手拿着大哑铃侧平举,同时,安装主起落架的机翼翼根这里必然有极高的集中载荷,所以重着陆时可能主起落架没坏但翼根处顶穿掉了(想像一下用两根细杆子顶住人的腋窝让人悬空);起飞时,从轮胎离地开始,机翼所产生的升力就要大于MTOW,有一点点像吊环时的十字支撑,可以从肩部臂部的受力情况想像一下机翼尤其是翼根的载荷情况,何况还有强大的发动机拉着并扭着机翼。

3、发动机的重要性和难度无需多说了,只简单想像一下,推力不够,起飞时不能保证加速性能,飞行中不能克服巨大的阻力以保证速度和高度。

4、所以本外行人猜测,对于客机这一飞行器的飞行性能而言,起落架、机翼和发动机这三大件最重要。尽管其它任何一个部件都重要,都不可或缺,但三大件说到底还是最基础、最关键的部分,而这三大件在很大程度是由MTOW决定的(一个系列中不同MTOW的型号共用起落架和机翼也许是因为前述的标准化通用化设计,非最优,有浪费,但节省了设计及制造成本)。

5、想像一下,如果一个系列的客机型号,MTOW保持不变,三大件就可以不变,这样总体、气动、动力、燃油可以不变或基本不变,飞控、液压、航电、环控需要的变化可能也不大,直观的变化是机身拉长或缩短,通常都是在中机身的前后增减直线段的机身,这样机身的结构和强度会有些变化,平尾垂尾(力臂变了)和中机身也要变化。不知是否可以简单地将中机身之前的部分(机头,前机身)和之后的部分(中后机身,后机身前段/后段/尾翼等)分别看做是悬臂,就像两根钓鱼杆尾对尾地对接起来握在手中,要加长则增加更粗的两节,要缩短则减少最粗的两节(此处将粗细想像成强度)。这样看,机身拉长缩短的设计工作量就少了很多。

6、在MTOW不变的情况下,机长加长,自重和载重增加了,燃油容量就少了,航程也就短了;机身缩短的情况则相反。看看维基百科里对A330/A340/B777的介绍,尤其是对比一下各自的子型号有关翼展、翼面积、机身长度、MTOW、OEW、MZFW、航程、发动机推力等参数,会很受启发,也许可以让外行人对客机的理解从百万分之一提高到百万分之二。

7、从附图看,MTOW约为270吨的B777-200不仅载客量少,航程也短;MTOW约为300吨的B777-200ER和B777-300要么载客量不变但航程增加,要么载客量大增航程略增;MTOW约为350吨的B777-200LR和B777-300ER的相互关系也类似;B777-8X和-9X仍然类似。这种类似的姊妹型号还有A330-200/-300,A340-200/-300,A340-500/-600,B787-9/-10。当然这种变型的方法也有缺点,覆盖的机型有限。如果自身能力足够强,能够占领的市场也足够大,当然是以最全的型号覆盖最全的细分市场为好,但是从中国商飞(能力弱,有希望的市场有限)来看,还是精简型号比较务实。

8、不同MTOW的产品系列也是可以有较强的通用化的,这方面波音空客有很多现成的例子,感兴趣的可以看看英文维基百科,这里不再复述。

9、从国际国内市场上主流的宽体客机订单结构来看,也许可以这样设想中国自己的宽体机系列:MTOW在250吨左右的C929和MTOW在350吨左右的C939两个系列,共用长中短三种长度的机身(三种机身本身也是高度通用化的);起落架类似于A330和A340-600那样通用;机翼一副小的一副大的;发动机分别是30吨级的和50吨级的,或者也许可以考虑另一个贴子里的思路(https://lt.cjdby.net/forum.php?mod=viewthread&tid=2377293&mobile=1),有人申请了国内专利并获得初步授权,不知道技术上是否可行。这样可以构建一个覆盖面较广的型谱,而设计工作量比常规方式少很多。看看国内的宽体机队,不难想像,将来更大号的宽体机的销量会很有限,放弃也是一种选择,但如果要上马,也许可以考虑尽可能地通用化,技术上做不到最优化,但投入比较经济。

10、从上述第8点、9点及上述第二条可以看出,要想让MTOW相去甚远的C929和C939(不是指真正的型号,仅指虚构的型号)像B777系列(270-350吨)以及A330/340系列(230-380吨)那样在很大程度上共用(通用)机身,那么机身截面的选择就必须很慎重,选对了长期受益,选错了很麻烦。选型的过程必然见仁见智充满争论,要考虑哪些因素?不知道。想得到的那些因素怎样算好怎样算差?也不知道。倒是可以从创新的思路出发,考虑一个独具特色的方案,也许可以让中国的宽体客机具有独特且巨大的优势。有人申请了国内专利并获得初步授权,如果技术上可行,商飞也愿意用,也许是一个机会。

11、上述系列化思路也可以用于干线客机C919和支线客机ARJ21。

12、前几天本人发了一帖“从A320系列及B737系列猜测C919的衍生型号”(https://lt.cjdby.net/forum.php?mod=viewthread&tid=2382793&mobile=1),有回复认为现在讨论为时过早,从上文可以看出,产品往往要系列化,而系列化要求在开始设计前就有足够的考虑,以留下足够的系列化空间。本外行人认为,现在考虑C929的一些基本问题已经不嫌早了。当然,外行人的考虑对商飞的实际工作肯定毫无用处就是了,只能自娱自乐。周济生那种曾经的业内专家不也是被商飞拒之千里吗?

四、客舱布局。有人申请了国内专利并获得初步授权,其目的在于不改变ARJ的设计即可增加近20%的座椅,每张座椅的乘坐空间局部变小但也有局部变大,排间距不变,不知道技术上是否可行。如果可行,ARJ21将有一个巨大的经济优势(对技术没有提升)。

五、军民融合。这是现在最上层的要求。如果军方有需要,由西飞或陕飞(在手型号很多,忙得过来吗?)甚至商飞(会影响民品本身的国际合作吗?)用C919的“国产壳子”为基础,其它任何因进口而不能军用的部件都可以到运20的供应商那里去找,没理由找不到,哪怕不先进,也能解决有无问题,即使是发动机,WS20应该也快了,整机的型号名称什么的更不是问题。将来C929也是一个道理。其实当年关于客货运输飞机的“干支之争”、“东西之争”、“军民之争”看似无解,但温相的“东西兼顾、军民统筹”就是答案(有钱就是好)。高层的智慧比我等草民要高了无数个层次。显而易见的是,C919及将来的民用型号必然以性能质量和市场竞争力为第一原则,并不会拘泥于国产化率;运20等军用型号则以用国产件飞起来为第一原则,并不急于追求性能;但通过民机的国际合作,军机的部件水平会不断提高,然后再回过头促进民机的国产化率。军民两套体系各自按不同的思路分别发展,但迟早会相得益彰,我等草民尽可放心。

PS 1:由于显而易见的原因,商飞的型号在可以预见的未来还是以国内需求为主,穷兄弟们的需求为辅。能实现进口替代就很了不起,走向世界还需要相当长的时间。华为那样的成功企业可遇不可求,高铁、核电那种仅国内市场就超过全球市场一半的产业并不多。

PS 2:我觉得可以淡化“国产化率”而改用“自主化率”,这方面苹果是正面例子,国内的合资轿车是负面例子,也许可以减少一些关于C919的争论。


感谢您能看到这儿!
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发表于 2017-5-11 08:23 | 显示全部楼层
支持楼主的分析!
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发表于 2017-5-11 08:59 | 显示全部楼层
起落架很重要,但还没到前三的地步。
发动机是商业化采购,波音空客都是如此,因此对设计师而言也不是首要考虑的,起落架也一样,基本都是现成的(或半现成的)货架产品。

机翼、机身的气动和结构设计才是总设计师重点考虑的问题,其他的还有飞控等,这些才是客机设计的技术核心。
网上的喷子就知道喷发动机、航电等都是采购的,气动、结构、飞控及系统集成才是客机公司的实力所在。
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发表于 2017-5-11 09:00 超大游击队员 | 显示全部楼层
多用途型号也算是系列化开发的一部分。
虽然919暂时不能军用,但是可以用于警用和科研。
1.虽然用别人的发动机,但是弄一个飞机试验国产航电很正常很合理吧。
2.用这种改进飞机不是用来运营而是给海警也是很正常很合理吧。
3.海警飞机顶个雷达扩大探测范围也是很正常很合理吧。
4.实际使用上军警联合执法也是很正常很合理吧。
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发表于 2017-5-11 13:19 超大游击队员 | 显示全部楼层
对起落架强度影响更大的应该是MLDW吧。毕竟着陆冲击应该还是比较大的

我告诉你单单320-214这一款飞机,就我知道的就有三种MTOW和MLDW的组合…别的公司我没了解过
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发表于 2017-5-13 11:21 | 显示全部楼层
波音对座位的覆盖范围比空客更精细些,基本每20到30座就一款子型号。正常来说窄体150座左右占据80%的窄体市场,通常系列化机型都要选这款作为性能最优化。

至于宽体机,上13000公里的航线还是占少数,如果能按280人,10000公里左右主流航线进行优化机型,飞远程和飞中短程都有利可图就最好了。
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发表于 2017-5-16 14:03 | 显示全部楼层

RE: 外行人看客机的系列化设计

南星之光 发表于 2017-5-11 09:00
多用途型号也算是系列化开发的一部分。
虽然919暂时不能军用,但是可以用于警用和科研。
1.虽然用别人的 ...

好好先搞个民用不好么?
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发表于 2017-5-16 14:27 超大游击队员 | 显示全部楼层
血染黄沙 发表于 2017-5-16 14:03
好好先搞个民用不好么?

跟着ARJ21的海警型的速度走就好
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发表于 2017-5-16 15:32 | 显示全部楼层

RE: 外行人看客机的系列化设计

南星之光 发表于 2017-5-16 14:27
跟着ARJ21的海警型的速度走就好

先不想太多。民机做好了后面也就自然来了,水到渠成嘛。
要不军方立项搞个全国产的,挂Dk30发动机的。这几年就好,用得着等么?
民机要求就是安全。经济,市场性。
先做好这吧。
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