晨枫 发表于 2023-3-14 00:07:12

ARJ21能改翼吊发动机吗

本帖最后由 晨枫 于 2023-3-13 11:11 编辑

https://d1a2ot8agkqe8w.cloudfront.net/web/2014/10/arj21_57889.jpg

在C919之前,ARJ21是中国商飞唯一量产的客机。不算早夭的运-10,这也是中国第一架量产的喷气客机,如果不把新舟那样涡桨客机算上的话。涡桨在技术上也可以牵强附会地算入喷气发动机,因为基本发动机是与涡扇和涡喷相同的涡轮发动机,只是最后靠转化为螺旋桨的机械能产生推进力,而不是涡扇、涡喷那样直接用喷气流产生推进力。涡桨自己也有少量的喷气,但不产生多少推进力。

https://samchui.com/wp-content/uploads/2019/06/ARJ21_05-800x533.jpg

ARJ21采用在支线客机里较为宽大的3+2座位形式,而不是以前更加流行的2+2。3+2每排乘坐的旅客更多,经济性更好。机舱宽大、高畅,不仅舒适感好,头顶行李箱也较大,没有2+2的行李箱空间局促、标准携带行李也常常放不下的尴尬。3+2较大的机体直径还有一个常被忽略的好处:机窗位置抬高,接近肩线,看外面不需要俯身探头。小直径机舱的座位相对于机体最宽处较高,有时连头顶行李箱都取消了,机窗尺寸较小才有利于气密,接近舱壁垂直位置看出去变形小,所以机窗位置通常较低,往外看很不舒服。旅客主观感受也是很重要的。

ARJ21采用下单翼,这是客机的典型布局,缩短起落架,理论上有可能用自带舷梯直接上下飞机。机体骑坐在中央翼盒上,受力良好,喷气客机用上单翼的非常少了。

发动机尾吊后,机翼形状干净,气动效率高,但机尾发动机短舱与后机体的相互气动干扰形成阻力。这事情没办法,跑得了和尚跑不了庙,尾吊还是翼吊,发动机短舱阻力只是换一个地方。机舱前部噪声很小,但机尾座位的噪声很大,对旅客舒适度影响很大。另一个问题是:尾吊发动机不便于维修,在改进中换发也比较麻烦。

发动机尾吊还使得平尾必须高置。T形尾翼的结构重量较大,在大迎角飞行中容易进入深度失速,F-104战斗机就是因为这个问题摔了好多。但客机极少有大迎角飞行的要求,这不算多大的问题。

利弊相较,支线客机采用发动机尾吊的很多,如巴西的ERJ系列和加拿大的CRJ系列。公务机里,尾吊发动机更是主流。

https://www.aerospace-technology.com/wp-content/uploads/sites/15/2017/10/ERJ145_6.jpg

https://airlinesfleet.com/wp-content/uploads/2018/06/Bombardier-CRJ-700-N510AE-American-Eagle-Airlines-departing-LAX.jpg
巴西的ERJ-145(上)和加拿大的CRJ-700(下)都是发动机尾吊的

https://www.eyerevolution.co.uk/wp-content/uploads/2014/07/global-6000-opt.jpg

https://www.privaira.com/wp-content/uploads/PRIVAIRA-LEARJET-60-exterior.jpg
发动机尾吊更是公务机的主流,这是环球快车6000(上)和利尔喷气60(下),都在加拿大的庞巴迪旗下

在小型支线客机里,发动机推力较小,噪声较低,飞行时间也短,忍一忍就过去了。公务机的主要客舱在前舱,后舱用于卫生间、行李间、厨房等,是在需要,隔音加料就是了,反正成本和重量不是问题,所以问题也不大。但ARJ在支线客机里算大的,为了高原使用,也为未来加长预留空间,发动机特意加料,“推力过剩”,后舱噪声的问题就有点大。

ARJ21现在依然在早期成长阶段,要给时间,给机会。但从长远来说,可能需要转为翼吊发动机。巴西和加拿大也是这样做的。

https://www.ainonline.com/sites/ainonline.com/files/styles/ain30_fullwidth_large_2x/public/uploads/2018/02/e190e2.jpg?itok=GzIl9c0P&timestamp=1519848207
巴西E-190已经转为翼吊发动机了,现在发展到第二代的E2

https://www.lufthansa.com/content/dam/lh/images/local_variations/seatmaps/en/EN_ERJ190_100-nose.png
不过还是用阻力小、结构重量轻但潜力受到限制的2+2

https://aircraft.airbus.com/sites/g/files/jlcbta126/files/styles/airbus_608x608/public/2022-08/A220-300_in_flight%20%281%29.jpg?itok=sAU7u1DH
加拿大A220(原先称为CS100,现在名为空客,实际上还是在加拿大制造)也是一样

https://media.cnn.com/api/v1/images/stellar/prod/160606173250-swiss-bombardier-cs100-cabin-interior-first-passenger-flight.jpg?q=w_4288,h_2848,x_0,y_0,c_fill
不过机舱改为3+2,使得老对手巴西航空压力山大

ARJ21的底子不错,有很大的发展潜力,改为翼吊发动机是必由之路。

尾吊改翼吊,中国绝对有这个技术能力。不断听到的质疑是:这是不是等于全新设计了?

又是,又不是,取决于这个“全新”意味着什么。

尾吊改翼吊,气动上确实是大改,但气动并不是飞机设计最大的一头,尽管是最抓眼球的一头。反过来说,如果气动是主要问题,世界上能造飞机的国家就该多得多了,因为大的气动布局问题在理论上和实践上都有大量丰富经验,门槛实际上也没有那么高,尤其是不追求极限性能的话。民航客机追求极限性能,但不是在飞行性能上,而是省油、可靠、舒适这些方面,气动方面的要求并没有那么高。这当然不是说气动方面没要求,只是相对于结构和发动机而言。

ARJ21-2(姑且用这个名字吧)在机体尺寸方面不用改,这意味着机体设计、制造和认证的过程可以大大简化、加速,降低改型成本。机体其实是最大的一头。尾翼改为常规的低置,这个比较简单,还简化垂尾的结构,减轻垂尾的重量。机翼需要重新设计,但这可能是本来就要做的:根据C919的设计经验,采用更加先进的超临界翼技术,设计更先进的复材机翼,在这过程中,一并考虑翼吊发动机的吊舱结构。机翼设计说简单不简单,说高难也未必。各国客机在改型时,最常做的事情就是重新设计机翼,这是“投入小收效高”的事情,因为机翼制造的改变比机体简单,只要与机体对接的部份重新设计,其他的与机体无关。先进机翼是减轻重量、降低阻力的最简单易行的途径。

起落架需要加高。前起好办,主起稍微费点事,可能一并把锚定点向外移动一点,增加着陆和地面滑行时的横向稳定性。

https://www.aerotime.aero/images/AIR-BALTIC-AIRBUS-A220-300-scaled.jpg

发动机与其说是翼吊,不如说是紧贴机翼安装。这对翼下净空要求提高,但也没有那么离谱。尾吊可以使得起落架缩短,但是有限度的。主起长度还受到起飞时的离去角限制,主起太短的话,一拉起,机尾就触地了。机体、机翼下表面的净空要求还受到地效限制,过于接近地面的话,地效突然增加,增加着陆困难。尾吊改翼吊时,起落架长度要增加,但代价完全可控。

翼根整流罩可能需要加大,以适应较大的起落架轮胎。但翼根整流罩加大是现在的共同趋势,可能更多地由跨音速面积律决定,而不是起落架。好在翼根整流罩是在机体筒体之外的,非结构承力件,还真就是整流罩,修改形状和大小相对好办。

至于简易机场跑道杂物进入,支线客机不是军用运输机,没有简易跑道起落要求。不能用舷梯直接上下也不是大问题,绝大部分运作ARJ21一级飞机的民用机场都有登机梯。自带舷梯其实用起来不方便,很窄,而且走上去晃晃悠悠的,不双手拉住站不稳。没办法,舷梯挂在本来就很轻的机体上,为了不损坏外表面,下端实际上不接地,加上起落架的弹性,刚度和稳定性不可能有多好。

https://www.jftjet.com/wp-content/uploads/2022/02/01-BOMBARDIER-GLOBAL-6000.jpg

但发动机翼吊的好处就大了。发动机的重量对机翼减载,使得机翼翼根的强度要求降低。这有点反常识,但考虑到翼根主要受力是升力产生的向上弯折力矩,发动机重量正好平衡掉一部分,就不难理解了。这和飞翼的结构气动效率最高是一样的道理,只是没有飞翼那么极端。

发动机进气条件干净使得推进效率提高。尾吊发动机受到机体附面层堆积的影响,机体越长,堆积层越厚,需要尾发的短翼翼展越长,以避开附面层,实际上阻力不小。现在翼吊都“缩脖子”,吊架不仅短,而且基本上没有前向暴露面积,这方面的阻力反而小。

重心是个问题,翼吊后重心前移。这就是筒形机体的好处了,一段一段分段制造,前后调整一下长度,不难做到。客机加长、缩短就是这样做的。

飞控需要修改,但飞控律不用修改,参数修改就可以。这是调试问题,不是太大的问题。没干过自控的人谈虎色变,以为这是天大个事;干过了就心里有底了。

油路要改变,但实际上简单了。油箱还是在机翼,尾发需要很长的油路,翼下反而就近了。

维修和换发容易多了。波音737可以长寿60年,最大原因就是早早采用了翼吊布局,同时代的道格拉斯DC-9(后来改型为麦道-80/90系列)、法国“快帆”都先后淡出了。空客推出对标的A320时,直奔翼吊了。

这肯定是新机型,但是在老机型基础上实际上有限的修改就可以获得的新机型,并非想象中的重起炉灶。在设计和制造上,改动介于CRJ到A220和波音经典型到NG/MAX之间。不急,但要考虑起来。

这牵涉到一个问题:中国还需要对ARJ21这样的支线客机多下功夫吗?

高铁深刻地改变了中国人的出行习惯,高铁网络还在继续延伸、密集,中国高铁碾压世界的现状在可预见的将来不会改变。但高铁与民航是互补的。在整个东部,人口密集,地形平坦,高铁具有极大优势,尤其是5小时旅行圈内。但中国还有中西部,人口没有那么密集,高铁不可能像东部那样密集和便利,这就是支线航空的空间了。

即使在东部地区,昼夜航线的流量也不均匀。日间出行方便,流量大,大飞机合适;深夜流量就小,可能小飞机才合适。国内点到点的深夜出行需求可能不大,但考虑到接驳航班出发较早,“飞夜班”还是有需求的。早出晚归也是一些人的刚需,这些人数量不大,小飞机正好。

另一个就是接驳航线(feeder routes)。远程出行还是需要民航,但除了少数在设计和建造时已经有所考虑的枢纽,高铁转飞机还是个麻烦事。如果高铁不是直达,中间还要转车,麻烦就更大了。在这种情况下,支线航线向枢纽汇集,“喂饱”干线航线,是很现实的需求。现在这个需求或许还没有那么大,但到了鹤壁人要去美国、枝城人要去阿根廷、蚌埠人要去日本的时候,这个问题就突出了,在同一个机场转机毕竟方便多了。

中国更有广袤的大西北,人烟稀少,交通距离远。用C919开辟航线有流量不足的问题,高铁更有流量不足的问题,公路和普铁则时间太长,需要支线客机承担大量运输任务。

支线客机在中国还是有很大需求的。在一带一路国家里,支线客机也有很大需求,但那是第二步的考虑了。那里使用、保养条件可能较差,需要飞机更加皮实,售后支援更加及时、到位,等水到渠成吧。

很多人对ARJ21不看好,不光是有了C919后的喜新厌旧,还有ARJ21的军用潜力较低的缘故。必须说,不管是ARJ21还是C919,军用潜力都不是首要考虑,那只是条件合适就顺手的事,不会为了军用要求而削足适履。

但即使在现状态,ARJ21是有可观的军用潜力的。客机军用有加油机、预警机、巡逻机等。作为加油机,ARJ21确实小了些,但预警机的大趋势是小型化。这不仅是雷达和机载数据处理设备小型化的结果,也是战场节点分散化的需要,尤其是以对地面和低空目标为主的战场监视飞机。美国曾有计划用湾流550公务机或者环球快车6000为基础,研发E-8C“联合星”的下一代,计划因为各种原因而搁置了,但证明了用支线客机/公务机为平台是可行的。

https://s3.amazonaws.com/the-drive-staging/message-editor%2F1507149483473-jstars-recap-mountains.jpg?auto=webp&optimize=high&quality=70&width=1920
美国曾经计划用环球快车6000为基础的战场监视平台替换E-8C“联合星”

https://www.gulfstream.com/assets/images/aircraft/special-missions/d_g650er_a_mkt_00388_v05_web.jpg

https://i.ytimg.com/vi/Z7sVt_SgvtA/maxresdefault.jpg
以“湾流”公务机为基础的“特种任务飞机”更是早就投入使用

https://www.airvectors.net/averj_07.jpg
巴西ERJ也用于海上巡逻机

至于电子侦察、干扰、训练、VIP运输等用处,那就更多了。

作为军用,ARJ21需要增加航程和留空时间。老规矩:改军用后,地板下行李舱空间利用起来,大大增加油箱容量,“推力过剩”现在一点不过剩了,正好用于增加起飞重量。

https://archive.shine.cn/newsimage/2014/04/01/20140401145347.jpg

当然,ARJ21改军用的话,需要解决进口系统不便军用的问题。C919也有这问题。这问题在得到解决,并不完全是因为军用问题,更多的是为美欧禁运未雨绸缪,但这里就不扯远了。

ARJ21又名“翔凤”,凤凰一旦展翅,就要一飞冲天。ARJ21不仅能改翼吊发动机,还有很大的发展前程。

孟词宗 发表于 2023-3-14 00:29:57

没看出来非改不可的理由。而且你这句
但翼吊的好处就大了。对机翼减载使得机翼的强度要求降低,发动机进气条件干净使得推进效率提高。

翼吊是把发动机挂机翼上,怎么会“对机翼减载使得机翼的强度要求降低”?相反才对吧? 另外,尾发的进气条件更干净吧?翼吊发动机更贴近地面,容易吸入地面杂物。

另外,尾发改翼吊并不是把发动机挪个位置就行了。飞机的重心完全不一样了,油路也不一样了,操控也不同了,这当然是个大改,并不能“机体设计、制造和认证的过程可以大大简化、加速”。与其改这个,还不如搞个新机型。

故乡在喀什 发表于 2023-3-14 00:31:18

SSJ-100也是翼吊发动机。

晨枫 发表于 2023-3-14 00:33:49

故乡在喀什 发表于 2023-3-13 10:31
SSJ-100也是翼吊发动机。

是的,不过SSJ-100不算成功。

晨枫 发表于 2023-3-14 00:46:59

孟词宗 发表于 2023-3-13 10:29
没看出来非改不可的理由。而且你这句




翼根受力最大的时候是在产生升力的时候,受力状态是向上弯折的。发动机的重量平衡掉一部分,所以减载。这和飞翼对减载最为有利是同一个道理。

尾发的进气条件其实不好。机体筒体有附面层堆积的问题,越往后问题越大,所以尾发需要横向的短翼把发动机“支开”,在现代翼吊的情况下,翼下吊架实际上已经没有前向裸露部份了,所以阻力更小。

发动机吸入异物问题,文中已经谈到了,不是问题。重心确实不一样了,但这就是筒体结构的好处了,把原先的筒体段前后调整一下,问题不难解决。油路这些都是小问题。飞控律不需要变,只是参数需要重新调试,也不是问题。

这本来就是新机型,但是与老机型有密切关系的新机型。在设计改动上,介于CRJ到A220和B737 classic到NG之间。

豪哥豪哥 发表于 2023-3-14 02:36:06

翼吊布局是真龙天子。

ARJ21用尾吊纯粹是为了利用以前造麦道的现成资源。

pcb 发表于 2023-3-14 03:09:23

"飞控需要修改,但飞控律不用修改,参数修改就可以。"
下单翼翼吊时,发动机出力会对整机产生一个上仰力矩,这个在飞控可以比较容易的处理么?

togo 发表于 2023-3-14 03:26:07

问个低级问题:机舱布局3+2,两侧重量不平衡是怎么解决的。机身下面有配重,还是翅膀,发动机功率上作调节{:7_333:}

晨枫 发表于 2023-3-14 04:33:10

togo 发表于 2023-3-13 13:26
问个低级问题:机舱布局3+2,两侧重量不平衡是怎么解决的。机身下面有配重,还是翅膀,发动机功率上作调节{ ...

这个问题我也没有想明白。可能影响不大吧?支线还有1+2的,偏心更加厉害,好像也没听说有什么特殊措施。

晨枫 发表于 2023-3-14 04:34:04

pcb 发表于 2023-3-13 13:09
"飞控需要修改,但飞控律不用修改,参数修改就可以。"
下单翼翼吊时,发动机出力会对整机产生一个上仰力矩 ...

在设计时考虑到,就没有这个问题。Max是因为在原设计上修修补补才出这个问题的。

晨枫 发表于 2023-3-14 04:34:47

豪哥豪哥 发表于 2023-3-13 12:36
翼吊布局是真龙天子。

ARJ21用尾吊纯粹是为了利用以前造麦道的现成资源。 ...

和麦道没有什么关系,思维惯性而已。在ARJ筹划的时候,尾吊还是主流。
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