2020年1月10日ARJ21飞机获国家科学技术进步奖一等奖

2020年1月10日，ARJ21飞机项目荣获国家科学技术进步奖一等奖。 人们不禁要问，这款国产商用飞机究竟有何魅力？

ARJ21飞机不仅拥有美观紧凑的外观，而且性能优良先进，可谓内外兼修。 从立项到研发，再到取证和运营，ARJ21飞机创造了中国商用飞机史上的多个第一。 它的成功被形容为“一个国家的腾飞”。

美丽容貌的秘诀

现代飞机的名称有很多，但随着技术成熟度的提高和设计理念的趋同，飞机的外观越来越相似，让“脸盲”的朋友难以区分。 相对而言，ARJ21飞机的主要布局特点是发动机尾吊、高平尾、低单翼。

所谓发动机尾吊，顾名思义，就是将发动机放置在飞机的尾部。 与之相反的是发动机翼吊，即发动机放置在机翼下方。 中国商飞公司研制的C919大型客机采用翼吊布局。

在尾升式布局中，机翼是“干净的”，因此发动机对机翼空气动力学的干扰较小，设计者可以放心地根据空气动力学原理来设计机翼。 但同时，尾吊布局也存在整机修整困难（类似杠杆平衡）等问题。

那么，飞机应该使用尾吊还是翼吊呢？ 其实这要根据飞机的整体指标和设计理念来确定。 一般来说，中小型客机一般采用尾吊布局，以增加发动机与地面的距离，保证发动机的安装空间。

高水平尾翼也称为T形尾翼。 水平尾翼放置在垂直尾翼的顶部。 从正面看，水平尾翼和垂直尾翼形成“T”形。 高水平尾翼布局的优点是增加了水平尾翼与飞机重心的距离。 根据杠杆原理，这种布置增加了水平尾翼的配平能力。 由于ARJ21飞机的发动机是尾吊，所以常规水平尾翼正好位于发动机排气区域。 因此，抬高水平尾翼的位置也是必须的。

由于这种尾翼构型会增加垂尾的质量，改变垂尾的气动弹性特性，因此需要尽可能减少垂尾的质量，以满足气动弹性设计要求和强度指标，这当然增加了尾部设计的难度。

中国商飞上海飞机设计研究院有一座名为“梦想之翼”的雕塑，巧妙地将ARJ21飞机复合材料尾试件（真实）和云彩（设计）融为一体，展现了飞机设计之美。 同时也记录了尾翼研制的艰难过程。

所谓下机翼，是指机翼放置在机身底部。 这种布局可以提高飞机的灵活性，还可以将机翼用作紧急出口。 这是现代商用飞机的常见布局。 电影《萨利机长》中，飞机迫降后，乘客被疏散到机翼等待救援。

与下单翼对应的是上单翼和中单翼。 上单翼机可以增加发动机离地高度，防止异物被吸入发动机，可以在复杂地形上起降。 它还增加了客舱容量，因此广泛应用于军用运输机。 我国的运20飞机就采用了这种布局。 中单机翼将机翼布置在机身中部。 这是战斗机的常见布局。 我国的歼5战斗机采用中单翼布局。

由于气动设计水平和发动机技术的限制，早期的飞机往往采用双翼布局。 更多的机翼意味着更高的升力和稳定性。

翱翔的翅膀

飞机如果没有其核心部件——机翼，就无法在天空中飞行。 就像鸟的翅膀一样，翅膀提供飞行所需的升力。 乍一看，不同车型的“翅膀”很相似，但其实里面蕴藏着很多学问。

机翼设计的先进性是衡量一架飞机先进性的重要标准之一。 ARJ21飞机是国内第一架采用超临界翼型的飞机。 超临界翼型是一种为提高临界马赫数而设计的特殊翼型。 简单的理解就是，这种翼型比常规翼型可以有更高的巡航速度、更小的阻力和更轻的重量，从而大大提高了飞机的经济性。

各种翼型中，如何快速区分超临界机翼和传统机翼？ 方法其实很简单：看外观！

传统翼型的上下表面形状是不对称的：上表面是弯曲的，下表面是平坦的。 与此不同的是，超临界机翼采用特殊的翼型轮廓：前缘钝，上表面平坦，下表面靠近后缘处凹入，后缘较薄且向下弯曲。

ARJ21飞机的机翼末端有一个与机翼近似垂直的小翼——小翼。 小翼虽然很小，但对于提高飞机的经济性却发挥着巨大的作用。 经常看飞行表演的朋友会看到，飞机飞行时，翼尖处会产生涡流。 飞机飞得越快，产生的涡流就越强，这会增加飞行过程中的阻力和燃油消耗。

小翼可以显着削弱涡流。 换句话说，小翼增加了机翼穿过空气的能力，从而降低了飞机的燃油消耗。

经过千锤百炼

作为商用飞机，安全始终是第一位的。 那么如何保证民航飞机的安全呢？ 答案是适航标准。 严格的适航标准对飞机的各项性能和指标提出了具体要求，以确保飞行安全。

ARJ21飞机是第一架严格按照国际适航标准设计的国产飞机。 采用新标准带来的挑战也是前所未有的。 如何满足标准要求，需要航空专家明确设计思路、测试方法、结果评价等各个层面。

例如，对于飞机的防冰要求，适航条款只有十几行。 然而ARJ21飞机却用了4年时间、数千英里的时间才完成了防冰条款对应的自然结冰试验验证。 一大障碍是在中国很难找到符合规定的气象空域。 最终只选择了规定的发源地（北美五大湖地区）进行试飞。

类似的测试还有很多。 ARJ21飞机已完成地面试验科目300个，验证试验科目528个，累计试飞2942次，飞行小时5258小时，完成适航条款398项，获得民航总局批准合格报告3418份。 颁发的型号证书历经了许多考验和磨难。

虽然ARJ21飞机已经获得了适航证，但作为商用飞机，其最终能否成功还必须接受市场的检验。 2015年11月29日，首架ARJ21飞机抵达成都，交付成都航空有限责任公司，正式进入市场运营。 此后，ARJ21飞机陆续交付多家航空公司，并开通了50条航线（包括哈尔滨至符拉迪沃斯托克国际航线），连接50个城市，运送旅客超过82万人次。

随着运营时间和航线的增加，ARJ21飞机将根据市场实践反馈不断优化和改进。 “通往大道，真如铁，但现在我们又从头跨越了。” ARJ21飞机未来还有很长的路要走，中国大飞机之路才刚刚起步。

文/张美红 刘畅

本文来自《科学画报》