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来源: 南方日报网络版     时间:2019-11-18 02:03:59

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四块单曲风挡玻璃、承载式风挡设计、超临界机翼、国内首次在机体结构使用复合材料……从机头到机尾,C919飞机具有这些设计亮点。

C919飞机的成功首飞 ,引起了举国关注,它独特的外形特点成为了人们津津乐道的话题

“酷酷”的机头、“内敛”的机翼、“蜂腰”型机尾……C919独特的外表下隐藏着大大的内涵

今天,小编就带大家扒一扒,从机头到机尾,C919都有哪些设计亮点? “承载式”结构设计 1承载四块单曲风挡玻璃在C919的外形设计中,让大家印象最深刻的当属它“酷酷”的机头:流线型机头设计、四块单曲风挡玻璃,这是C919有别于其他飞机的独特造型

传统的飞机机头由正面两块、侧面四块,共六块风挡玻璃组成,而C919只用了四块风挡玻璃,这样的设计为飞行员提供了更为广阔的视野;另外,传统的飞机机头主风挡玻璃多为平面,而C919的主风挡玻璃采用了单曲,这也让C919机头的线条更具流畅性

据上飞院总体气动部外形室主任陈学刚介绍:“传统的六块平面风挡玻璃在飞机机头有一个‘硬拐’点,空气在流通的过程中遇到拐点会增大阻力,C919机头采用了流线型设计,让空气流通更顺畅,从而减少了空气阻力,让飞机更省油

”四块单曲风挡玻璃既能减阻,又能使驾驶舱的空间更大,但却给结构设计提出了挑战:由六块风挡变为四块风挡,在保证飞行员视野相同的情况下,四块风挡玻璃每一块的面积都较大,结构设计如何很好地承载这四块玻璃并保证结构强度的安全呢?众所周知,飞机飞得越高,高空的气压就越低,当气压低于一定程度的时候,人会因缺氧而感到不适,甚至会窒息

飞机在飞行过程中,为了保证驾驶舱和客舱的舒适度,会给驾驶舱和客舱进行增压,当舱内气压大于舱外时,就会形成气压差,进而形成增压载荷

风挡玻璃受增压载荷的作用,容易破裂,甚至脱离窗框,如果这一区域的结构强度没有设计好,会给飞机造成极大的安全隐患

空客A320飞机采用的是压板式结构设计,即在窗框用两块板将风挡玻璃的四边夹住,由于C919飞机的每块玻璃都比A320大50%左右,对于增大的风挡面内载荷,压板式设计容易造成风挡玻璃的变形

波音B737飞机采用了螺接式结构设计,即在风挡与窗框之间以螺栓进行连接,但是由于螺栓之间间隙较大,螺接式设计也无法很好地传载

C919机头结构设计团队创新性地提出承载式风挡设计,用金属板将风挡连接到窗框上,当增压载荷垂直作用于风挡时,形成的面内载荷将通过风挡传到窗框结构

这样的设计起到了承载的作用,还能减轻结构重量

四块单曲风挡玻璃对窗框的设计也提出了难题

ARJ21飞机机头有六块风挡玻璃,窗框由两部分对接而成,而C919飞机的风挡玻璃为四块单曲,为了让风挡与窗框很好地贴合,设计人员在C919飞机上采用了整体式窗框设计,“这样还能在更换风挡玻璃时,有效防止因连接件问题导致的差错

”上飞院结构部工程师罗林说

超临界机翼和局部融合设计2让飞机更经济、更安全“比起波音B787‘圆月弯刀’的翼形设计,C919的机翼更显内敛

”一位民机设计师打趣说道

而这样一副“内敛”的机翼,却是设计团队在设计了2000多副机翼中挑选而出,也是国内第一次完全自主设计的超临界机翼

民用飞机更强调经济性和安全性

飞机的耗油量与飞机的升阻比(升力和阻力的比值)有直接的关系,升阻比越高,飞机的气动效率越高,耗油量就越少

而飞机的升阻比主要来源于机翼,因此,在飞机机翼的设计上,要尽可能地增大飞机的升阻比,让飞机的耗油量更小

喷气式民航客机通常以略低于音速的高亚音速飞行

当飞行速度接近音速时,机翼上表面某些区域的气流速度可能已经达到音速,这一时刻飞机飞行速度与音速的比值,被称为飞机的“临界马赫数”

第一、二代喷气客机采用的是传统的古典翼型,古典翼型适合于低速及亚音速飞行,在这种速度范围内,它们具有较高的气动效率

但是,随着飞行速度的进一步提高,古典翼型的设计已不可能适应高速巡航飞行的要求,因此,只能寻求一种既能适应高速巡航飞行,又能保持较高气动效率的翼型,这就是超临界翼型

C919的机翼设计就是运用了这一超临界翼型

相对于古典翼型,超临界翼型可使巡航气动效率提高20%以上,巡航速度提高将近100多公里每小时;如果用同一厚度的标准来设计古典翼型和超临界翼型,超临界翼型的整体阻力比古典翼型要小8%左右,因而,超临界翼型具有较大的机翼相对厚度,而这可以减轻飞机的结构重量,增大结构空间及燃油容积

另外,C919飞机的超临界翼型,还充分考虑了迎角特性、力矩特性、低速特性等众多因素,在保证较高气动效率的同时,还能让飞机飞行更加稳定

“在C919飞机的设计上,超临界机翼与发动机、机身和吊挂之间还采用了性能更为优化的局部融合设计,这些设计进一步提高了C919飞机的经济性和安全性

”上飞院总体气动部工程师张美红说

C919飞机采用全新的LEAP-1C高函道比发动机,安装位置与机翼较近,两者之间难免产生阻力干扰

设计人员经过反复论证研究,采取了局部融合设计,使发动机与机翼之间达到了有利干扰,也就是“1+12”的设计效果,让两者一起的阻力小于两者的阻力之和

对于机翼和机身之间过渡区的局部设计,不仅没有带来机翼的升力损失,还提高了一部分机翼升力系数

吊挂是发动机和机翼之间的一个狭窄通道,C919飞机采用的是IPS吊挂,在吊挂设计的过程中,既不能让它破坏机翼下表面的压力分布,又不能破坏发动机短舱上的压力分布,设计人员利用IPS吊挂宽度较宽的特点,在机翼前缘进行了融合设计,在不破坏压力分布的情况下,让机翼晚点到达失速安全边界,提高了飞机的安全性

复合材料3国内民机首次在机体结构使用复合材料复合材料被公认为航空工业的先进材料,其在飞机上的使用率被认为是判断飞机先进与否的标志之一

C919飞机的尾段,包括后机身、平尾和垂尾,都使用了复合材料,这也是国内民机首次在机体结构使用复合材料的部位

飞机上使用的复合材料主要是碳纤维增强树脂基复合材料,它具有重量轻、抗腐蚀、抗疲劳、整体成型等诸多好处,但是, 要实现复合材料在机体结构的成功运用,对民机设计和工艺制造来说,都是一项巨大的挑战

“国内民机首次在机体结构使用复合材料,人员经验、设备能力都没有达到成熟运用复合材料的程度

程序如何进行?规范如何制定?参数如何确定?这些都是我们面临的棘手问题

”上飞院结构部工程师宫占峰说

目前,国际一流航空企业对复合材料零件的研制都有着丰富的研发经验和成熟的研发体系,但是国内目前在这方面经验较少,而且没有相关可供借鉴的资料文件

对此,在C919飞机的复合材料结构研制中,设计团队在国内首次开展了PPM(Pre-Production Manufacturing)和PPV(Pre-Production Validation)研制路线的探索

PPM,也称生产技术攻关,要制造出合格的复合材料零件,首先需要解决生产的问题

PPV,也称试生产路线鉴定,如何才能确定可以制造出合格的复合材料零件,这就要对每一个制造流程、细节、关键参数进行检验

一改往日设计和制造相对独立的做法,在机体结构复合材料的生产上,设计团队和制造团队形成了“一体化”,设计人员和制造人员在生产现场共同开展生产技术攻关

C919后机身尾段为“蜂腰”型双曲结构,由于双曲结构在不同方向上的曲率都不一样,实现复合材料在双曲结构上的铺贴更是难上加难

为解决铺贴角度问题,设计与制造团队开展了铺贴角度的试制,对材料铺贴的角度进行了一次又一次测量,通过验证得出既能满足设计需求,又能符合制造条件的角度,再把每一处的角度融进数模里

在此过程中摸索出的流程、细节、关键参数为试生产路线鉴定提供了依据

通过对C919尾段复合材料的运用生产,设计与制造团队共同探索出了通过PPM/PPV确定复合材料生产工艺、规范和关键参数的方法,初步建立起了民机复合材料研制程序,也为后续复合材料在飞机上的运用探出了道路

说了这些个C919的设计亮点,大家是不是觉得我们的“九妹”棒棒哒?其实,在某些看似简单的设计背后,无一不蕴含着大飞机设计师的集体智慧

“为什么光机头就有300份设计方案,机翼就有超过2000副的设计方案?那是因为飞机设计是一个不断权衡的过程,我们不仅要考虑外形的美观,还要综合考虑气动、结构、强度、材料、各系统等多种因素

”上飞院总体气动部外形室研究员曹喜锋说

因而,在C919优美身线的背后,更多的是设计团队对飞机安全性、经济性、舒适性、环保性的综合考量

文 | 党委工作部 夏墨图 | 上飞院图库编辑 | 党委工作部 小畅




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