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  • 90后小伙数字化装配运20很少有人知道运-20驾驶舱设计运用了先进的头盔显示器

作者:淘小白5-5 12:54分类: 热门

研发制造体系



前面三篇简单介绍了运-20的外观和内部,众多先进的设计和技术打造出世界一流的大型军用运输机。在此背后,整个运-20的研发制造体系还有很多令人自豪的亮点是公众不太注意的,下面列举一二。


运-20是国内第一个设计、制造全面三维数字化的飞机型号,在总设计师唐长红院士和总制造师何胜强(两位总师均为西工大毕业)的主导下顶住各方压力,从成飞和沈飞开始,历时3年半在遍布全国的近千家参研单位全面推行全数字化体系流程,上到总师下到质检员全部都得遵循统一的三维设计生产规范,通过设计手段的创新大大缩短了研制周期,也提高了整个航空工业的技术水平。


具体来说运-20是国内第一、世界第三种采用MBD技术(Model-based definition - 基于模型定义)设计制造的飞机,仅次于A380(2000年)和波音787(2005年)。MBD不仅仅是一个带有三维标注的数据模型,它系统化地将制造信息和设计信息共同定义到三维数字化模型中,使其成为生产制造过程的唯一依据,实现了CAD(设计)和CAM(加工、装配、测量、检验)的高度集成,令工程人员彻底摆脱对二维图样的依赖,提高了效率,减少了误差。


应用MBD技术后,设计工作量减少40%,生产准备时间缩短75%,制造周期缩短30%。例如过去安装一副机翼需要花费1到2个月时间,如今缩短到仅仅几个小时。



运-20也是国内第一、世界第二种采用ADT技术(Associative Design Technology - 联想设计技术)设计的飞机,仅次于波音787。ADT在国内也称为“在线关联设计技术”,它使飞机设计的各个环节始终处于同一平台,一个设计数据发生更改,与之关联的节点、管线、控制面数据自动同步更新。这项技术涵盖总体、气动、结构和机载系统,叠代设计效率提高了40%,令整机研发时间至少缩短了8个月。过去修改一处机翼设计,加上下游各关联部位的改动要一个星期,如今只要半天;完成全机强度校核则从几个月时间缩短到几天。


我们都知道运-20采用了先进的衍射平显,但很少有人知道设计驾驶舱时还运用了先进的头盔显示器虚拟现实技术,试飞员参与设计全过程,提高人机工效,加快了设计进度。




运-20采用了浙江大学自主研发的数字化装配技术,从组件到大部件直到主翼和机身的大十字对接,实现数字化自动装配。过去采用修配式装配,运-7级中型机的大十字对接要耗时一整天,运-20原型机只用了40分钟一次成功。



运-20还是世界上的货运飞机中第一个采用3D激光增材制造技术的型号,安装了目前国内尺寸最大的3D打印部件。在首飞前的第二次起落架强度试验中发现,因设计经验不足、应力曲线数据有误,主起落架支持接头出现裂纹。北航王华明院士率领的团队在7天内完成6种规格10件机身/主起落架接头大型主承力构件的快速制造,确保了如期首飞。


除了运-20本身,研制过程中更大的收获是锻炼出一支过硬的设计队伍。中航一飞院、西飞和整个中国航空工业独立走完了首次研发制造200吨级军用大飞机的全过程,放眼整个世界航空界,只有美、俄两个老牌航空强国具备这样的实力。


从纪录片中可以看到运-20的设计团队相当年轻,被树立为标兵的飞控系统设计师黑文静当时只有27岁,没有任何先例可以参照,她担纲设计的电传系统主控制律实现了多项技术创新,在空投数十吨重的单件货物、重心剧烈变化时保证了飞机的稳定性、操作性和安全性。



机载快速以太网、平显和视景增强系统、机电液压系统、一体化座舱设计、高模量碳纤维复合材料等诸多系统都经过了艰苦的攻关,完全实现自主设计。对运-20的设计和性能,军迷们可能或多或少还有一些遗憾,但假以时日当我们研制运-20改进型、运-30、运-40时,这支年轻而成熟的团队前途不可限量。
运-20的型号改进和拓展
运-20的改进将分为两个方面,一是运-20本身的改进,二是今后的型号拓展。本身的改进,主要就是用涡扇-20替换目前的D30-KP2/涡扇18,这是立项伊始就确定的6大技术目标之一,是作为一个整体进行规划设计的,而不是等到新型发动机研制成功后再临时抱佛脚打个补丁。



媒体和卫星照片多次拍到试飞院的伊尔-76高空试验台和运-20本身搭载一台或四台涡扇-20的画面。



从中航一飞院最近公众号的文章可以看出涡扇-20已经上机装配完备,等待首飞。现役运-20飞行大队长也在媒体上公开说“今年运-20将给大家带来耳目一新的感觉”。



新鲲鹏正展翅待飞!


很多网友都留言探讨换装涡扇-20后对飞行性能的影响,有的认为最大起飞重量和最大载重量不会增加,因为必须增强机体结构,改善的只是航程和起降性能。


我不是航空专业人士,对推力和起飞重量的相互关系和具体机制并不是太清楚。基于我之前的观点,运-20本身就是按涡扇-20的规格和推力来设计的,换装时不需要再增强结构。粗略地看,在机体结构(升阻比)不变、起飞条件(如军方规定的野战跑道长度)不变的情况下,更大推力的发动机可以提高飞机的最大起飞重量,或者在最大起飞重量不变的情况下改善起降性能。


大型运输机更换发动机的有不少,不过拿伊尔-76MD-90A来做例子还不算直观,因为它不但换装了PS-90A-76发动机,还采用了全新的机翼设计(升阻比有变化),最大起飞重量比伊尔-76MD增加了20吨,最大载重量增加了5吨。



和运-20的情况更接近的是KC-135加油机,已经62岁高龄的它最初采用J57涡喷,中间有135架换装第一代TF33涡扇,目前现役的354架全部使用CFM56涡扇(也用于A320CEO/A340/波音737NG),推力翻番。在只换发不改动机翼机身结构的情况下,最大起飞重量从134.7吨提高到146.2吨,作战半径增加60%。



> 1977年,一架KC-135A正驶上英国米尔登霍尔皇家空军基地的起飞线,其J57涡喷的推力不足,需要喷水加力才能重载起飞



> 2003年8月19日,隶属于俄亥俄州空中国民警卫队第121空中加油联队的KC-135R在土耳其英切尔利克空军基地着陆,准备支持伊拉克的作战行动


据说涡扇-20的单台推力达到16吨,比涡扇-18提高了4吨,64吨的总推力足以支持最大起飞重量220吨、最大载重量66吨的最终设计指标。同时油耗将降低20%,航程增加10%,显著提高了运-20的各项性能。


换发还有一个巨大的好处,就是运-20将能够采用先进的推力管理系统。和飞控系统相结合 - 也就是常说的“飞火推一体化”中的“飞”和“推”,可以根据不同的飞行状态自动调节发动机推力,改善复杂气流条件下的飞行品质,令飞行员无忧操作,专注于低空空投、野战机场起降等作业。这是因为涡扇-20配备了全权限数字式发动机控制系统(FADEC),而设计过时的D30-KP2/涡扇18都不具备这样的能力。


运-20型号的拓展,目前公开的只有运-20F-100民用货运型,机体加长了7米,采用大涵道比发动机(但不一定就是涡扇-20,民用型可以有更多商业化的选择),最大载重量65吨。



从模型上看机头似乎更尖锐一些,雷达罩下倾的程度小,因为民用机在正规机场起降,对前下方的视界要求没有军用机这么高。相对运-20原型机,货运型显得更加修长,飞行阻力更小,以提高商业营运的经济性。


从原理上说运-20军用型今后也可以采用类似的改进,像波音-737系列那样 - 参见737的前世今生(中),采用相同的发动机和机翼,保持机身截面积不变,在机翼前后插入加长段拉长机身,提供更长的货舱长度。但军用型是否需要拉长和军方的作战需求、装备体系的发展密切相关,目前并不是非常迫切的任务。


中国空军更急需的是预警机、空中加油机通用的大型运载平台,甚至比运-20本身更急。大家都说用客机平台改装更合适,滞空时间更长,航程更远,运营效率更高。但国产大型客机目前尚在研发当中,而且广泛采用国际招标合作,无论是C-919还是更遥远的C-929,要转为军用还需进行国产化二次开发,并不是商飞一家就能很快改造得出来的。因此运-20就是目前唯一可用的大飞机平台了。


2017年初在咸阳现身的一架黄皮静力试验机向我们展现了运-20的另一种构型。



这架“堵街”的静力机(网友反映是从西飞厂房前往强度所)有下沿弧度更大但长度较短的发动机支架①,尺寸缩小到1/3的主起落架整流罩②,后部侧门③远离整流罩,后机身显得很粗壮④(有一定视角关系),并一直延申到更加圆钝的尾椎⑤。



这些变化都预示着这架运-20的机体结构有所不同:①短而拱的发动机挂架用于适配大直径的涡扇-20发动机;②大大缩小的主起落架整流罩将显著减少飞行阻力,同时也说明12个主轮将被收入机身内部,货舱地板的高度将被提高;⑤粗壮的尾锥可以安装更多电子设备,如后视雷达或者空中加油的对接监视设备 - 新一代的加油机如A400M、A330 MRTT和KC-46都已经不再采用带观察窗的尾部加油操作员坐席,而完全依靠光电系统在机舱内部操作;前登机舱门的位置和大小也可能有变化。



> 2017年西班牙空军完成了A400M的首次空中加油试验,该机可以在2小时内在货运与空中加油模式之间进行快速转换


用于预警机和加油机等特种用途时,运-20的改型无需野战起降能力,起落架结构可以减轻很多;货舱不用运载大尺寸、大重量的货物,地板结构无需特别加强,高度可以抬高,加大宽度以改善机舱空间利用效率,横向布置更多工作站,地板下方可以安装大型油箱。



> 从上图可以看出运-20的机身横截面并非正圆,深灰部分是一个正圆,绿色为超出正圆的部分。内部结构根据照片和尺寸推定,仅供参考,未考虑主起落架放下的位置,轮距可以适当缩小。


唯一有些疑惑的是机尾下半部被蓝布包覆的部分,依稀分辨得出还是留有尾门的空间,否则就不会出现一个凹坑。按理说预警机或者加油机完全不需要尾门,否则会增加结构重量和复杂性、难以气密,那这架静力试验机为什么在机尾还留有开口而没有用框架封闭起来呢?


我的猜测是机尾继承了货运型的开口结构以减少重新设计的工作量,但这里可以是模块化的,既可用不承重的蒙皮简单封闭起来,也可以为将来采用硬杆加油系统留下安装位置(仅仅是猜测,加油杆根部结构肯定是要加强的)。



媒体已经曝光运油-20在2018年底首飞成功,从卫星图片上看还是使用D30-KP2/涡扇18发动机,尾椎被平尾遮挡,看不清是否加粗,不过从起落架整流罩和后侧门的位置看还是基本的运输型构型,只是在外翼段挂载加油吊舱,采用软管加油形式。



这个也只能算是运油-20的过渡型号,等特种平台研制完备还是会升级的。有了上面提到的“飞推一体化”主动控制技术,完整状态的运油-20将具备阵风抑制能力,飞行姿态更稳定,有利于加油机与受油机的对接,提高空中加油效率。


很多网友对运-20目前没有安装机载自卫系统感到不解,甚至有点耿耿于怀。这可能和发动机推力小、电力供应不足有关,也可能是为了赶早日装备的节点系统集成还未完成,等后续改进时再整合进去。不必过于纠结,这在很多大型飞机的研发过程中都相当常见。最近的例子就是A400M,原型机在2009年底首飞,直到2016年6月法国空军装备的第9架在批次升级后才第一次具备空投补给等战术作战能力,同时在驾驶舱增加了装甲防护,安装了自卫防御系统,并首次同时具备空中加油和受油的能力。



> 法国空军共订购了50架A400M,截至今年4月30日交付了15架,上图就是第9架 - MSN33号。

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