主题：【文摘】ARJ21型支线客机 (1) -- 大漠孤烟远

FAI最终更改了原有的应急门设计方案。他们取消了机翼上两对相邻的应急出口，同时增大了机翼与发动机短舱之间的距离，并在客舱后部增设了一对I型应急出 口，与登机门和服务门构成2对Ⅰ型出口，撤离能力达到了90人，满足了CCAR25的要求。不仅如此，他们还考虑了发动机风车转速对应急撤离的影响、水上 漂浮特性、滑梯安装与收放和应急撤离空间等因素，以保证人员应急撤离时的绝对安全。

终于，“CAAC ARJ21-700型号合格审查组”认可了这个设计方案。

但是，应急门的设计改动也令FAI的设计师们极其痛苦：“应急门的改动使ARJ21-700飞机又增加了107公斤的重量！”FAI气动专业副总设计师陈 迎春说：“真是令人头疼！机身超重271公斤；水平尾翼超重104公斤；垂直尾翼超重45公斤；起落架超重56公斤……几乎是所有的系统、发动机、起落 架、机翼和机身为了满足飞机性能要求和适航要求的设计改动都可能产生了超重的问题！”

还有一些按照CCAR25要求的改动也增加了ARJ21-700飞机原有的重量：吊挂的新设计方案超出指标重量40公斤；“911事件”之后为了保证飞 行安全，CAAC要求在机头驾驶舱与客舱间加装防劫机门，这个门的重量有65.67公斤，超出指标重量40.67公斤；还有，供应商提供的系统也使飞机的 重量在不断增加——系统的指标重量为6990公斤，而在2005年10月，系统的重量就已经达到了11880公斤！

总之，ARJ21-700飞机重的几乎要飞不起来了！

在燃油价格上涨、经济大萧条的时期，航空公司甚至会通过减少飞机上所携带的杂志来节省燃油！

“减轻飞机的每一克重量”，这正是航空工程设计所虔诚追求的目标！

任何航空器都需要产生升力以克服重力才能升空飞行，飞机设计中的一项重要任务就是研究升力、质量力和推力的匹配关系。商用飞机的重量由使用空机重量、燃油 重量与商载重量组成，因此若要满足商载飞行，超重的飞机必然要缩短航程、降低爬升能力、降低机动性和增加起飞及着陆距离；若要满足飞机性能不变，就只有通 过减少有效载荷来抵消飞机空重的增加，而这两种办法必然导致飞机的竞争力下降，直接影响到飞机的商业成功。

“ARJ21-700飞机基本型标准航程的使用空机重量已占最大起飞重量比为61.62%，而国外同类飞机使用空机重量平均值为59.73%。虽然不到两 个百分点的差距，却足以决定ARJ21-700飞机在竞争中的命运！”ARJ21-700副总设计师陈勇解释了“超重”对商用飞机的影响。

“飞机超重的原因是多方面的，从飞机方案设计阶段设计人员就要对方案实施严格而有效的重量控制，才能最终保证飞机符合和满足设计的重量指标。但是，在飞机 研发过程中也经常会出现一些意想不到的情况，例如设计改动，结构调整，材料、标准件替换，还有后续的生产工艺，所有这些都会成为导致飞机超重的主要原因。 ”FAI院长吴光辉不仅解释了造成飞机超重的原因，同时也表示：“飞机设计师的智慧与卓有成效的工作，很多时候就体现在快速而有效地解决这些棘手的麻烦。 ”

在外行看来处理这么复杂的问题实在是天才干的活，但是，飞机设计师们却并不这样认为。也许在他们看来真正值得庆幸的不是“我们解决了工程中出现的棘手问题 ”，而是“我们把更多的商业实践与我们所掌握的技能结合在了一起，通过技术上的权衡，制造出了一架性价比非常优秀的飞机”。“我们不仅掌握了这些先进的技 术，并且我们还能够熟练地应用那些成熟的技术；我们不断了解这些技术之间的互补性，不断丰富我们的工程经验，所有的这些因素才是我们能够解决这些棘手问题 的关键所在”。FAI的飞机设计师们并不善于解释他们是如何解决棘手问题的，但他们却非常乐于向采访者介绍他们在商用飞机设计能力与理念上发生的变化，还 有他们对未来的一些想法。

在FAI的设计楼里，可以看见非常年轻的飞机设计师，他们轻快地在各个设计部门之间穿梭，胸前挂着用来证明身份和界定活动范围的胸卡。更大的改变还在于， 现在他们已经不用再抱着一捆捆的设计图纸去协调工程中出现的问题了。他们可以在VPM系统（虚拟产品管理）中，通过全机电子协调样机来修改、处理设计上出 现的所有改动和测试各系统之间的协调问题。

“在此之前，我们传统的飞机设计方式是采用图纸进行产品设计与管理，后来虽然也通过计算机进行二维模型设计，但还是需要在图纸上完成一系列程序化的操作， 这种方式一方面给数据管理和查询带来不便，另一方面也造成了资金上的浪费和研发周期的延长。”FAI负责IT技术的副总设计师叶伟介绍说：“FAI在全国 率先应用了法国达索公司提供的ENOVIAVPM软件，不仅创建了全机电子协调样机环境，还创建了产品协同环境。通过VPM系统，设计人员可以在这个虚拟 空间里凝固下他们的灵感与智慧，设计出用户所需要的产品。同时，通过VPM系统，西安和上海两地的设计人员也可以实时共享数据，清晰而且直观地查看到飞机 的各种变化状态。”

“ARJ21-700飞机采用全机电子协调样机进行总体、结构和系统的三维安装、协调、运动间隙检查，与供应商的协调也在全机电子协调样机进行，它是 ARJ21-700飞机详细设计和发图的基础。”FAI科技部副部长崔克非在电脑上演示了CATIAV5软件的设计功能，并强调说：“减重的优化设计也是 在全机电子协调样机上进行的。”

为了解决超重的问题，设计人员首先从系统着手，他们主要通过合理布置电缆的走向、减轻支架重量、更换管路材料等方法，在全机电子协调样机上进行减重的优化 设计，他们还对供应商提供的成品件的重量进行了有效的控制与管理。与此同时，在结构强度方面，设计人员通过检查全机总体传力路线、复核全机载荷、结构优化 设计调参等手段，对壁板、梁、肋、蒙皮、长桁等部件参数进行了调整，另外还更改了部分部件的材料以减少结构上的重量。

FAI结构专业副总设计师谢灿军说：“机头、尾段、吊挂、尾翼、机翼主要承力结构的材料以2000 系列铝合金和7000系列高强度铝合金为主，这是经过CAAC认证的成熟材料。为了减轻重量，我们还在方向舵、翼梢小翼、襟翼子翼等部件上应用了复合材 料，并且进行了专题适航验证试验。复合材料已经通过适航批准，满足了CCAR 25的要求。”

事实上，很多重量的超重是由于一些设计上的保守，为了加大安全裕度所导致的，AVIC1民机部部长汪亚卫就举出了这样的一个例子，“我们的设计人员在设计 舱门时应用了相对于波音787飞机或者空客A380飞机要传统的技术，尽管是成熟的技术，但采用了很多的钣金件，这是一个片，那是一个梁，还要用标准件进 行连接，这就产生一连串的问题，装配次数增多可能出现差错次数的增多，产品质量出问题的概率增加，提高了制造难度；标准件越多飞机的重量也必然增加，飞机 的性能可能就有损失。而现在波音公司和空客公司的飞机舱门采用整体数控加工，不需要标准件进行连接，既减轻飞机重量又能保证产品质量。”

针对这个问题，林左鸣说：“我们不可能一口吃个胖子，总得一步步走。制造采用最现代技术的舱门我们已经掌握，比如，我们为波音公司和空客公司都批量生产和提供这样的舱门，只是设计上我们还没有经验。”

有些错误甚至要到总装的时候才能暴露出来，ARJ21-700水排放口就是个例子。FAI飞控专业副总设计师田剑波说：“水系统的水排放口的布置协调是在 全机电子协调样机上进行的，由于计算机硬件条件的限制，设计人员在协调时往往关闭认为无关的部分，在水排放口的协调时，设计员就错误地关闭了翼身整流罩， 以至于排放口布置在了整流罩内，总装时才发现这个低级错误。”

一些低级的错误也同样存在于供应商交付的产品中，如Parker公司提供的发动机驱动泵，在101号飞机发动机上安装时才发现，管接口规格错误，只能把 102号飞机的液压泵装在101号飞机上。这是现场能够解决的问题，还有一些供应商的设计错误就必须要返回他们的总部进行更改。在主飞控系统的调试中，导 致ARJ21-700飞机水平安定面无法正常工作的，美国Honeywell-Parker公司提供的系统作动器出现了设计上的问题，因为选用的传感器类 型有误，发生故障作动器必须返回美国进行更新。

回避这些问题的出现，需要有丰富的工程经验，毕竟FAI这支年轻的设计队伍最缺乏的就是商用飞机的工程经验。而改变这些状况既需要时间，更需要在持续不断的工程项目中进行实践。

FAI院长吴光辉也坦言：“我只有呆在试验现场心里才感觉踏实，因为我能知道所有发生的事情。”当有人向他建议对缺少经验的设计人员进行裁减的时候，他会 苦笑着说：“我更关心如何留住设计人员，事实上，一方面我们面对的是整个国家飞机设计人员整体匮乏的现状；另一方面我还要面对有经验的设计人员不断流失的 现状。一面是造血功能不强，一面是血液流失过快！”他更形象地将自己此时的心情比喻为期盼丰收的瓜农：“我这西瓜地里就这么几个西瓜，我天天守着、盼着各 个能‘长势喜人’！当发现那个‘长势’不理想时，我就得赶快过去‘把拉把拉’看看出了什么问题！”即使是这样“精心呵护”，吴光辉还是得面对设计人员流失 给工程带来的混乱局面。然而这个难堪的局面到了2007年，工程出现了突破性的进展才得以根本扭转，不但人才外流止住了，并且出现了聚集到FAI上海分院 的效应。对此林左鸣说：“事业是个舞台，只要把这个舞台搭起来，演员不是问题，甚至会成长出一批明星。当我们决定自筹资金大把地投入到ARJ21项目中 时，人才流失问题就注定可以得到解决，事实确实也如此。”

发动机挂架的设计师前后换了三个，机翼的设计也反复了三次。“很多问题始料不及，可能在这个位置只发生了很微小的改动，但是却能导致与其相关的系统发生很大的变化。” FAI结构室的设计人员对此深有感触。

一面是飞机还在不断地发生变化，一面是伴随飞机研制始终存在的矛盾，飞机设计师要不断地做出折中选择：“前缘缝翼的疲劳强度不够，加厚蒙皮机翼重量又严重 超标。”时任FAI机翼结构室主任的韩霄，正在为机翼的超重现象烦恼。“这个超临界机翼的翼型，比以往的普通翼型复杂得多，普通的单曲度机翼变成了双曲度 给壁板设计带来很大麻烦，还有4-5米长的长桁，构型既有弯曲又有扭转，无论是设计还是制造，难度都非常大。更为复杂的是，机翼设计没有充分考虑结构和系 统布置协调问题，襟翼、副翼、扰流板、起落架结构和系统设计难度很大……”

2005年10月—2006年3月，对ARJ21-700飞机的减重在持续进行中：

机身减轻了150多公斤；

机翼（含起落架舱门）减轻了350公斤；

水平尾翼减轻了49公斤；

垂直尾翼又减轻35公斤；

系统总重也减轻了4860 多公斤……

在设计的高峰时期，FAI总共有1000多名设计人员在为ARJ21-700飞起来而忙碌！

吴光辉将FAI最优势的设计力量调到了ARJ21项目上，这位参与过MPC-75、AE-100项目，并且担任过国家重点型号的总设计师对于如何搭配设计 力量自然拥有着丰富的经验。同时，凭借着在军界的良好信誉与口碑，和FAI不断增长的能力，吴光辉又为FAI争取到了更多的项目“只有饿过肚子，才知道吃 饱饭的重要”！甚至连国家总理温家宝都记住了吴光辉常用的比喻“手里拿一个，嘴里含一个，眼睛看一个，心里想一个”，温总理坦言：这句话形象地表现出航空 人毫不满足的精神、永不休止的战斗精神和极大的创新意识。

在对FAI整个设计力量与科研结构进行了合理布局之后，为了弥补上海工程经验的不足，吴光辉采用“高职低配”的方式，将西安的总设计师调到上海担任ARJ21-700飞机的副总设计师，以此类推，副总设计师担任室主任，室主任担任组长……

正如林左鸣所言，我们这些行伍出身的人，就是知道如何能够打胜仗！

并不是仅仅只有创造出新奇的东西才算是创造，把熟悉的东西当成未知的领域再度开发也同样具有创造性，只有这样的创意才是真正的设计。

面对外界针对于ARJ21-700不断发生设计改动的指责，FAI也不断重申“飞机设计实质上就是个渐进设计的过程”，他们希望大家能够了解，渐进设计正 是飞机设计领域为了保持产品的优越性而普遍采用的方式。一些有经验的飞机总设计师时常会告诫自己的团队：“不要急于冻结设计方案，而是要不断地去优化它， 使其逐渐臻于完美。”

但是，在外行们看来，良好的设计应该一次就达到完美的境界，如果略有瑕疵就证明设计失败。事实上，自从世界上出现第一架飞机以来，就在满足新的功能的同时 出现新的欠缺，处在不断的改进中，在一种机型的生命期中的改进几乎是从不停止的。当小的改进积累到一定程度，就形成在基本型上的改型；而当技术进步或新的 使用要求已不能由基本型所容纳的时候，便进行新机型的设计。正是这些不断的变化构成了一个世纪的航空发展史。

飞机的设计过程分为多个阶段，每一阶段的工作都是基于前一阶段的结果，参考其他型号的经验，再加上一些假设进行工作。一个设计阶段结束时，都根据当时的设 计状态进行分析、计算和仿真，并进行各种形式的评审，确认此阶段的工作符合功能、性能、安全性、维修性、适航等方面的要求，并确认作为前一阶段工作依据的 假设成立，才进入下一阶段的工作。

FAI飞控专业副总设计师田剑波解释说，渐进设计的目的不仅在于最大限度地避免出现大的返工，同时还能通过这些渐进的改进提高产品的性能。波音公司与空客 公司从最初的设计方案到最终交付航空的产品，每型飞机都要经过几千次的设计更改，平均每周达十几次到几十次，这使得他们的技术越来越成熟，飞机性能越来越 先进，产品更具有市场竞争力。

ARJ21-700的襟翼支臂整流罩和翼身起落架整流鼓包的优化设计，就提供了这样的一个例子。设计合理的翼身起落架整流鼓包，可以产生有利的气动干扰， 减小跨音速飞行的阻力。经过风洞试验验证，优化设计之后的ARJ21-700翼身起落架整流鼓包在高速巡航状态减阻0.002左右，这些减小的阻力，使每 架ARJ21-700飞机至少可以增加150公里航程或者节省燃油300公斤，而全寿命期间可望节省的燃油费高达1440万元。

于是，中航商飞公司销售人员就可以非常有底气地对航空公司介绍说：“ARJ21-700飞机的经济性体现在，它的直接使用成本要比CRJ-200飞机低8%-10％。”

“对于最后的细节，我们所要做的一切都是优化”，AVIC1副总经理李玉海说，“ARJ21项目体现的就是一个优化的过程，一个折中的过程，总设计师系统的水平就应该体现在这些地方。”

“翼梢小翼的设计就是一个能够体现折中的例子”，吴光辉说：“如果翼梢小翼设计的不好，那么其带来的升力增加与阻力减小的好处就不足以抵消其在结构重量上 付出的代价。如何对翼梢小翼进行优化，如何实现其与超临界机翼的最佳匹配，这是机翼设计中另一项关键技术，对于提高ARJ21-700飞机的气动效率，降 低使用油耗起到至关重要的作用。”

“最终，翼梢小翼由原来的1.98米降低到现在的1.2米，结构重量减轻11千克”，陈迎春说：“这个方案是从10套方案中经过CFD计算分析以及风洞试验验证后才选出来的。与原来的大小翼相比，现在的小小翼不仅有效降低了机翼载荷，同时还提高了飞机横航向操纵品质。”

科学技术的发展，可以产生许多意想不到的结果，它能使早有共识的定论疑窦丛生，也能使久悬不决的难题迎刃而解。解决ARJ21-700飞机的“深失速”问题，就是这样的一个例子。

ARJ21-700飞机为机身后置发动机、高平尾布局，但是，后置发动机加上高平尾布局，容易在大迎角时发生“深失速”问题，此时，飞机极易发生灾难事故，这一直是影响尾吊布局飞机安全性的重大问题。

2005年1月进行的ARJ21-700飞机未加长机身“深失速”特性试验表明，ARJ21-700飞机存在“深失速”的问题。2005年7月进行了机身加长的“深失速”特性及其解决措施的风洞试验，试验表明ARJ21-700飞机机身加长后依然存在“深失速”问题。

ARJ21-700飞机的“深失速”问题从方案阶段就一直是备受各界关注的焦点，也是尾吊、翼吊方案产生争议的主要原因。“虽然CRJ、ERJ等支线飞机 都在使用尾吊布局，但是，解决飞机的‘深失速’问题对于FAI来讲是个极大的冒险，这种冒险既体现在技术上，也体现在商业上。”吴光辉解释说：“通过风洞 试验的研究、验证最终我们发现，采用机身尾部加装阻力板，机翼前移+发动机短舱上移，这两种措施都可以解决飞机‘深失速’的问题，但是，必须对飞机的结构 和系统进行重大的设计改动，随之而来又将产生一系列的系统关联矛盾！技术、时间、成本、舆论，方方面面都对我们提出挑战，所以这是个极大的冒 险……”FAI必须寻找到一种在付出最小代价的同时，又能彻底解决问题的完美方案！

他们能够做到吗？

一切如我所看到的，一切如您所感受到的，一切如吴光辉所说的：飞机设计师的智慧与卓有成效的工作很多时候就体现在如何快速而有效地解决这些棘手的麻烦！

…………

2006年3月20日，所有这些复杂而棘手的问题终于得到了妥善的解决：

ARJ21-700全机制造空机重量为24335.5公斤，达到了重量指标要求！

各种状态下的重心均满足了重心控制范围的要求！

ARJ21-700飞机失速推杆器系统经过改进设计，故障率不超过1.0-4每飞行小时，满足CCAR 25的要求，“深失速”问题得以解决！

不仅如此，在渐进改进的同时，ARJ21-700飞机也被注入了更多的新元素。这些新元素的注入不仅代表着ARJ21-700飞机的先进性，也许更能说明中国商用飞机设计理念的变化和渐趋成熟的设计体系。