《科学画报》
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“内外兼修”的国产ARJ21飞机
2020-10-29 12:39:002020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飞机不仅有着俊美紧凑的外形，还具备优良先进的性能，可谓内外兼修。从立项到研发，再到取证运营，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“一个国家的起飞”。
高颜值的秘方
现代飞机名目众多，但是随着技术成熟度的提高和设计理念的趋同，一架架飞机长得越来越像，“脸盲”的朋友很难区分它们。相对来说，ARJ21飞机的主要布局特点为发动机尾吊、高平尾和下单翼。
所谓发动机尾吊，顾名思义，就是把发动机布置在飞机尾部。与之相对的是发动机翼吊，也就是把发动机布置在机翼下部，中国商飞研发的大型客机C919正是采用了翼吊布局。
在尾吊布局中，机翼是“干净”的，因此发动机对机翼气动的干扰较小，设计师可以放心地根据空气动力学原理对机翼开展设计。但同时，尾吊布局也存在全机配平(类似杠杆平衡)困难等问题。
那么，飞机究竟要采用尾吊还是翼吊?其实这要根据飞机总体指标和设计理念来确定。通常来说，中小型客机上一般采用尾吊布局，以提高发动机离地距离，保证发动机的安装空间。
高平尾又叫T形尾翼，就是把平尾布置在垂尾顶部，从正前方观察，平尾和垂尾组成一个“T”形。高平尾布局的优势在于，加大了平尾与飞机重心的距离，根据杠杆原理，这种设置增加了平尾的配平能力。由于ARJ21飞机的发动机为尾吊，常规平尾正好处于发动机尾喷区，因此，加高平尾的位置也是必须的选择。
由于这种尾翼设置会增加垂尾的质量，改变垂尾的气弹特性，因此需要尽量减小尾翼质量，以满足气动弹性设计要求和强度指标，当然也就增加了尾翼的设计难度。
中国商飞上海飞机设计研究院有一个名为“梦想之翼”的雕塑，巧妙地将ARJ21飞机的复合材料尾翼试验件(真实的)和云彩(设计的)融为一体，在展现飞机设计之美的同时，也记录了尾翼研发的艰难历程。
所谓下单翼，就是把机翼设置在机身底部，这种布局可以提高飞机的灵活性，同时还可以将机翼作为紧急出口，这是现代商用飞机的常用布局。电影《萨利机长》中，飞机水上迫降后，乘客就是被疏散到机翼上等待救援的。
与下单翼对应的还有上单翼和中单翼。上单翼可以提高发动机离地高度，防止异物被吸入发动机，可以在复杂地形上起降，同时增加了机舱容量，因此在军用运输机上应用广泛。我国的运-20飞机就采用了这种布局。中单翼是将机翼布置在机身中间，这是战斗机的常用布局，我国的歼-5战斗机就采用了中单翼布局。
早期的飞机由于气动设计水平和发动机技术的限制，常采用双翼布局，更多的机翼意味着更高的升力和稳定性。
翱翔之翼
飞机翱翔蓝天离不开它的核心部件——机翼。如同鸟儿的翅膀，机翼为飞行提供了所需的升力。乍一看，不同机型的“翅膀”都大同小异，实际上这里面有着很大的学问。
机翼设计的先进性是衡量飞机先进性的重要标准之一。ARJ21飞机是国内率先采用超临界翼型的机型。超临界翼型是为提高临界马赫数而采取的特殊翼型。简单理解，就是这种翼型可以拥有比常规翼型更高的巡航速度、更小的阻力和更轻的重量，大大提高了飞机的经济性。
在各式各样的翼型中，如何快速区分超临界机翼和传统机翼呢?方法其实很简单：看颜值!
传统翼型的上下表面形状是不对称的：上表面弯曲，下表面较平。与其不同，超临界机翼则采用了特殊翼型剖面：前缘钝圆，上表面平坦，下表面接近后缘处有反凹，后缘较薄且向下弯曲。
ARJ21飞机机翼的末端，有一个近似垂直于机翼的小机翼——翼梢小翼。翼梢小翼虽小，对提高飞机的经济性却有着“四两拨千斤”的作用。常看飞行表演的朋友会看到，飞机飞行时，翼尖会产生涡流。飞机飞得越快，所产生的涡流就越强，这样会增加飞行时的阻力和燃料的消耗。
而翼梢小翼可以显著削弱涡流，换言之，翼梢小翼增加了机翼划开空气的能力，进而降低飞机燃油消耗。
历经千锤百炼
作为商用飞机，安全永远是第一位的。那么民航客机的安全性靠什么来保证呢?答案就是适航标准。严格的适航标准对飞机各项性能和指标提出了具体的要求，从而保证飞行安全。
ARJ21飞机是国内首款严格按照国际适航标准设计的飞机，采用新标准所带来的挑战也是前所未有的。如何达到标准要求，就需要航空专家打通设计思路、测试方法和结果评估等各个关卡。
比如，关于飞机防冰的要求，适航条款上就简简单单十余行字，然而ARJ21飞机历时4年、辗转万里才完成防冰条款对应的自然结冰试验验证。其中很大一个阻碍在于：国内难以找到符合条款规定的气象空域，最后只得到条款判据的诞生地(北美洲五大湖区)开展试飞。
类似的考验还有很多。ARJ21飞机在完成了300项地面试验科目、528个验证试飞科目，累计试飞2 942架次、5 258飞行小时，398条适航条款关闭、3 418份符合性报告得到审批后取得了中国民用航空局颁发的型号合格证，可谓经历了千锤百炼。
ARJ21飞机虽然取得了适航证，但是作为商用飞机，其最终成功与否还要由市场检验。2015年11月29日，首架ARJ21飞机飞抵成都，交付成都航空有限公司，正式进入市场运营。此后，ARJ21飞机又陆续交付多家航空公司，先后开通了50条航线(包括哈尔滨到海参崴的国际航线)，连通了50个城市，运输旅客超82万人次。
随着运营时间和航线的增加，ARJ21飞机会根据市场实践反馈，不断进行优化改进。“雄关漫道真如铁，而今迈步从头越”，ARJ21飞机未来的路还很长，中国大飞机的路也刚刚起步。
文/张美红 刘畅
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