「內外兼修」的國產ARJ21飛機

文/張美紅 劉暢

2020年1月10日，ARJ21飛機項目榮獲國家科學技術進步獎一等獎。人們不禁要問，這款國產商用飛機究竟有何魅力？

ARJ21飛機不僅有著俊美緊湊的外形，還具備優良先進的性能，可謂內外兼修。從立項到研發，再到取證運營，ARJ21飛機創造了中國商用飛機史上的多個第一，它的成功被形容為「一個國家的起飛」。

高顏值的秘方

現代飛機名目眾多，但是隨著技術成熟度的提高和設計理念的趨同，一架架飛機長得越來越像，「臉盲」的朋友很難區分它們。相對來說，

ARJ21飛機的主要布局特點為發動機尾吊、高平尾和下單翼。

所謂發動機尾吊，顧名思義，就是把發動機布置在飛機尾部。與之相對的是發動機翼吊，也就是把發動機布置在機翼下部，中國商飛研發的大型客機C919正是採用了翼吊布局。

在尾吊布局中，機翼是「乾淨」的，因此發動機對機翼氣動的幹擾較小，設計師可以放心地根據空氣動力學原理對機翼開展設計。但同時，尾吊布局也存在全機配平（類似槓桿平衡）困難等問題。

那麼，飛機究竟要採用尾吊還是翼吊？其實這要根據飛機總體指標和設計理念來確定。通常來說，中小型客機上一般採用尾吊布局，以提高發動機離地距離，保證發動機的安裝空間。

高平尾又叫T形尾翼，就是把平尾布置在垂尾頂部，從正前方觀察，平尾和垂尾組成一個「T」形。高平尾布局的優勢在於，加大了平尾與飛機重心的距離，根據槓桿原理，這種設置增加了平尾的配平能力。由於ARJ21飛機的發動機為尾吊，常規平尾正好處於發動機尾噴區，因此，加高平尾的位置也是必須的選擇。

由於這種尾翼設置會增加垂尾的質量，改變垂尾的氣彈特性，因此需要儘量減小尾翼質量，以滿足氣動彈性設計要求和強度指標，當然也就增加了尾翼的設計難度。

中國商飛上海飛機設計研究院有一個名為「夢想之翼」的雕塑，巧妙地將ARJ21飛機的複合材料尾翼試驗件（真實的）和雲彩（設計的）融為一體，在展現飛機設計之美的同時，也記錄了尾翼研發的艱難歷程。

所謂下單翼，就是把機翼設置在機身底部，這種布局可以提高飛機的靈活性，同時還可以將機翼作為緊急出口，這是現代商用飛機的常用布局。電影《薩利機長》中，飛機水上迫降後，乘客就是被疏散到機翼上等待救援的。

與下單翼對應的還有上單翼和中單翼。上單翼可以提高發動機離地高度，防止異物被吸入發動機，可以在複雜地形上起降，同時增加了機艙容量，因此在軍用運輸機上應用廣泛。我國的運-20飛機就採用了這種布局。中單翼是將機翼布置在機身中間，這是戰鬥機的常用布局，我國的殲-5戰鬥機就採用了中單翼布局。

早期的飛機由於氣動設計水平和發動機技術的限制，常採用雙翼布局，更多的機翼意味著更高的升力和穩定性。

翱翔之翼

飛機翱翔藍天離不開它的核心部件——機翼。如同鳥兒的翅膀，機翼為飛行提供了所需的升力。乍一看，不同機型的「翅膀」都大同小異，實際上這裡面有著很大的學問。

機翼設計的先進性是衡量飛機先進性的重要標準之一。ARJ21飛機是國內率先採用超臨界翼型的機型。超臨界翼型是為提高臨界馬赫數而採取的特殊翼型。簡單理解，就是這種翼型可以擁有比常規翼型更高的巡航速度、更小的阻力和更輕的重量，大大提高了飛機的經濟性。

在各式各樣的翼型中，如何快速區分超臨界機翼和傳統機翼呢？方法其實很簡單：看顏值！

傳統翼型的上下表面形狀是不對稱的：上表面彎曲，下表面較平。與其不同，超臨界機翼則採用了特殊翼型剖面：前緣鈍圓，上表面平坦，下表面接近後緣處有反凹，後緣較薄且向下彎曲。

ARJ21飛機機翼的末端，有一個近似垂直於機翼的小機翼——翼梢小翼。翼梢小翼雖小，對提高飛機的經濟性卻有著「四兩撥千斤」的作用。常看飛行表演的朋友會看到，飛機飛行時，翼尖會產生渦流。飛機飛得越快，所產生的渦流就越強，這樣會增加飛行時的阻力和燃料的消耗。

而翼梢小翼可以顯著削弱渦流，換言之，翼梢小翼增加了機翼劃開空氣的能力，進而降低飛機燃油消耗。

歷經千錘百鍊

作為商用飛機，安全永遠是第一位的。那麼民航客機的安全性靠什麼來保證呢？答案就是適航標準。嚴格的適航標準對飛機各項性能和指標提出了具體的要求，從而保證飛行安全。

ARJ21飛機是國內首款嚴格按照國際適航標準設計的飛機，採用新標準所帶來的挑戰也是前所未有的。如何達到標準要求，就需要航空專家打通設計思路、測試方法和結果評估等各個關卡。

比如，關於飛機防冰的要求，適航條款上就簡簡單單十餘行字，然而ARJ21飛機歷時4年、輾轉萬裡才完成防冰條款對應的自然結冰試驗驗證。其中很大一個阻礙在於：國內難以找到符合條款規定的氣象空域，最後只得到條款判據的誕生地（北美洲五大湖區）開展試飛。

類似的考驗還有很多。ARJ21飛機在完成了300項地面試驗科目、528個驗證試飛科目，累計試飛2 942架次、5 258飛行小時，398條適航條款關閉、3 418份符合性報告得到審批後取得了中國民用航空局頒發的型號合格證，可謂經歷了千錘百鍊。

ARJ21飛機雖然取得了適航證，但是作為商用飛機，其最終成功與否還要由市場檢驗。2015年11月29日，首架ARJ21飛機飛抵成都，交付成都航空有限公司，正式進入市場運營。此後，ARJ21飛機又陸續交付多家航空公司，先後開通了50條航線（包括哈爾濱到海參崴的國際航線），連通了50個城市，運輸旅客超82萬人次。

隨著運營時間和航線的增加，ARJ21飛機會根據市場實踐反饋，不斷進行優化改進。「雄關漫道真如鐵，而今邁步從頭越」，ARJ21飛機未來的路還很長，中國大飛機的路也剛剛起步。

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原載於《科學畫報》2020年第6期，本文受到上海科委2019年度「科技創新行動計劃」科普領域項目資助。項目名稱：「立足科創中心，傳播尖端科技——打造上海重大獲獎科技成果科普化融媒體專欄」；項目編號：19DZ2332600。