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一、背景知識

1.1大飛機的基本概念

大飛機，是指最大起飛重量超過100噸的運輸機，也包括150座以上的干線客機。它是民航使用最廣泛的主力機型。由于各國航空工業發展水平不均，“大飛機”也只是相對的概念。一般來講，在中國150座以上的客機被稱作“大型客機”，100座以下的叫做“支線飛機”；而國際航運體系習慣上把300個座位以上的客機稱作“大型客機”。

1.2中國研制大飛機的必要性

中國研制大飛機七項重要意義:

首先，大飛機機項目是一個國家工業、科技水平和綜合實力的集中體現，對增強中國的綜合國力、科技實力和國際競爭力，使中國早日實現現代化具有極為重要的意義。

其次，航空工業產業鏈長、輻射面寬、連帶效應強，在國民經濟發展和科學技術進步中發揮著重要作用。大型客機是現代制造業的一顆明珠，是現代高新科技的高度集成。

第三，發展大型客機，能夠帶動新材料、現代制造、先進動力、電子信息、自動控制、計算機等領域關鍵技術的群體突破;能夠拉動眾多高技術產業發展;還將帶動流體力學、固體力學等諸多基礎學科的重大進展，將會全面地、大幅度地提高中國科學技術水平。大型飛機屬于典型的復雜產品系統，知識含量高，技術領域廣，涉及數學、空氣動力學、材料學、人機工程學、自動控制學、流體力學等上百種學科和七千多種技術大型飛機是以先進技術為基礎，其研制和生產的過程實際上是不斷吸收現代科技最新成果的過程。通過不斷引入現代科技創新成果，不僅使產業本身保持較高的生產率和增長率，在市場競爭中占據優勢地位，而且直接推動了其他產業部門的創新和新興產業的發展，對于整個產業發展具有很強的帶動性和滲透性。國家通過對大飛機產業提供財政政策支持，有助于放大產業的關聯效應，進一步發揮其在經濟發展和產業升級中的牽引作用。

第四，發展大型客機，將更好地滿足我國經濟發展和人民出行需要，也必將成為一個潛力無限的新的經濟增長點。中國要長期保持高速發展，必須創造新的經濟增長點，包括大飛機工程在內的戰略工程項目的實施，可以成為我國新的經濟增長點。在航空領域的高投入肯定會帶來巨大的經濟效益。有人計算過，一般的汽車工業投入產出比是1 比2.3，而大飛機制造業的投入產出比，將達到1 比10 以上。然而，我國目前使用的大飛機主要是由美國波音公司和歐洲空客公司制造的。巨大的國內“獵場”。如果我國大飛機工程能夠成功，就可以在巨大的國際國內航空器市場中爭得一席之地，從而對國民經濟的持續發展作出重要貢獻。

第五，研制具有市場競爭力的大型客機，不僅可以為航空工業的發展提供突破口和新的增長點，還有利于提高中國航空工業的制造能力和管理水平，最終形成強大的航空工業。

第六，大飛機的研制還與我國的國防現代化息息相關。研制大飛機，可以帶動大型預警機，大型運輸機，大型轟炸機的研制，乃至未來中國國產航母的下水。而這些，不單單對于現在棘手的西沙南沙，臺灣和周邊防衛問題有著極為現實的積極作用;更在于為我國今后國防現代化的建設，增強我國軍事威懾力為和平崛起提供一個更為強大的保障奠定了基礎。

第七，中國擁有13億人口，改革開放以來綜合國力和國際地位日益提高，應該擁有自己的大飛機，這樣才與我國社會主義大國的地位相稱。隨著我國經濟的發展、交通網絡的日漸完善, 以及人民生活水的迅速提高, 航空在公共交通中占據的比重越來越大。我國已經有了世界一流的航空公司和機場, 但是在大型飛機制造上, 還缺少一個“拳頭項目” 。從目前來看, 發展大飛機項目, 推進航空工業完全自主化, 是非常必要的。內地的航空產業正處于高速的發展態勢之中, 在未來的數年內, 由于交通、物流等方面的快速發展, 內地航空產業對干線客機產生極大的需求。目前, 世界上的干線客機市場被波音和空中客車兩家所把持, 而我國只有支線飛機的生產, 在干線飛機制造上還是空白。如果我國能夠發展起來自己的大飛機項目, 就能突破這一瓶頸。

二、國內外研究現狀

2.1國外研究現狀（以波音787為例）

波音787是一款航空史上首架超遠程中型客機，是美國著名飛機制造商波音公司于2009年12月15日推出的全新型號。它變體機型中典型的三層座位設計能容納242至335名乘客。

波音787的最大特點是大量采用先進復合材料建造飛機骨架、超低燃料消耗、較低的污染排放、高效益及舒適的客艙環境。主要要競爭對手為空客A350及A330neo。首架波音787于2011年9月26日交付全日空航空公司使用。

設計特點

動力系統

通用電氣與羅爾斯·羅伊斯公司聯合為787提供了新一代發動機技術。波音的專有技術與計算機流體力學（CFD）優化了發動機與787機身的整合，將干擾阻力降至最小，讓這些技術進步的效益達到最優化。787新型發動機建立在成功的通用電氣GE90與羅爾斯·羅伊斯遄達（Trent）發動機產品家族的基礎上。這兩款發動機都將取得在“開箱”投入使用時進行雙發延程飛行(ETOPS）認證。機翼后掠角（25%弦長） 30度。計算機根據飛行時所處的高度和速度，以及載荷情況，操縱飛機后緣襟翼來獲得最佳翼型。這種自動變彎度翼型可提高飛機氣動效率、減小阻力、還可以緩解機翼所承受載荷而減小機翼結構重量，翼尖加裝翼梢小翼。升阻比比A300高40%。機身和尾翼采用了大量鋁鋰合金和復合材料，鋁鋰合金用于機身結構、桁條等部件。尾翼、各操縱面、整流蒙皮、客艙地板均由復合材料制造。主起落架為四輪小車式，前起落架為雙輪式。動力裝置所選用的發動機GEnX,采用了先進技術，壓縮比更高，加大了進氣道和進氣量，提高了發動機推力，降低了燃油消耗。全部符合ETOPS180分鐘標準。

材料特點

波音公司在波音787上使用了“音速巡航者”所提出的技術以及機體設計，并決定在7E7的主體結構（包括機翼和機身）上大量采用先進的復合材料。波音787擁有多項技術創新，其中最引人注目的是波音787機體結構的一半左右都用更輕、更堅固的復合材料代替鋁合金，是第一款以復合材料為主體材料的民用噴氣式客機。一方面是因為金屬能夠隱藏損傷問題，這種損傷很難發現，直到碎裂時才會被發現，而合成材料就不存在這種問題；另一方面，用復合材料制造的機身比較輕，還能夠埋入光纖管來監控飛機的狀況，對于后期的維護成本跟安全上都能達到最新的飛機需求，這使得波音787更節省燃油，而且也可以節省在維護方面的花費。這種合成材料類似于一級方程式賽車中所使用的碳纖維合成材料。

1985年，空中客車公司率先將這種復合材料用于飛機制造，制造A310客機的尾翼，隨后空中客車公司還將這種合成材料用于制造A350客機的機翼。波音787將這種技術全面運用到787飛機上，機身、機翼等主要的部件，都采用這一新技術，重量比例將超過50%，此前這個比例只有20%。復合材料也大量應用在發動機的葉片、發動機罩等部份。波音787也因這種新技術的廣泛應用而被稱作“夢想”飛機（使用物料（按重量）：61%復合物料（碳纖維），20%鋁，11%鈦，8%鋼）。生產線只要3天（以生產線達至全力全速而言計算）便可完成一架787的裝配，而737則需要11天。

機身特點

波音787機身截面形狀采用雙圓弧形，并采用平滑機翼、流線機頭與鯊魚鰭形翼端與尾翼的設計，頂部空間也進行了優化設計，可為乘客提供更寬敞的空間。波音787的機翼設計延續波音737NG（Next Generation）/777的超臨界機翼設計。超臨界翼的好處在于在高次音速時可增加5%氣動力效率，可以減少燃料的消耗并增加飛機的性能，如飛行距離等。787還裝備了垂直陣風抑制系統 ，能感知湍流并指揮機翼操縱面應對湍流，從而大幅提高飛行的平穩性。

2.2 國內研究現狀（以C919為例）

C919大型客機，全稱COMAC C919，是中國首款按照最新國際適航標準，具有自主知識產權的干線民用飛機，于2008年開始研制。C是China的首字母，也是中國商飛英文縮寫COMAC的首字母，第一個“9”的寓意是天長地久，“19”代表的是中國首型中型客機最大載客量為190座。C919大型客機是我國按照國際民航規章自行研制、具有自主知識產權的大型噴氣式民用飛機，座級158-168座，航程4075-5555公里，于2017年5月5日成功首飛，截至2018年2月26日累計獲28家客戶815架訂單。

設計技術

1. 采用先進氣動布局和新一代超臨界機翼等先進氣動力設計技術，達到比現役同類飛機更好的巡航氣動效率，并與十年后市場中的競爭機具有相當的巡航氣動效率；

2. 采用先進的發動機以降低油耗、噪聲和排放；

3. 采用先進的結構設計技術和較大比例的先進金屬材料和復合材料，減輕飛機的結構重量；

4. 采用先進的電傳操縱和主動控制技術，提高飛機綜合性能，改善人為因素和舒適性；

5. 采用先進的綜合航電技術，減輕飛行員負擔、提高導航性能、改善人機界面；

6. 采用先進客艙綜合設計技術，提高客艙舒適性；

7. 采用先進的維修理論、技術和方法，降低維修成本。

設計特點

C919客機屬中短途商用機，實際總長38米，翼展35.8米，高度12米，其基本型布局為168座。標準航程為4075公里，最大航程為5555公里，經濟壽命達9萬飛行小時。

在使用材料上，C919將采用大量的先進復合材料、先進的鋁鋰合金等，其中復合材料使用量將達到20%，再通過飛機內部結構的細節設計，把飛機重量往下壓縮，另外，C919將會使用占全機結構重量20-30%的國產鋁合金、鈦合金及鋼等材料，充分體現了C919大型客機帶動國內基礎工業的能力與未來趨勢。同時，由于大量采用復合材料，較國外同類型飛機80分貝的機艙噪音，C919機艙內噪音可望降到60分貝以下。

在減排方面，C919將是一款綠色排放、適應環保要求的先進飛機，通過環保的設計理念，有望將飛機碳排放量較同類飛機降低50%。

舒適性是C919機艙設計的首要目標。機艙座位布局將采用單通道，兩邊各三座，其中中間的座位空間將加寬，有效地緩解以往坐中間座位乘客的擁擠感。據官方資料表示，C919采用先進的環控、照明設計，提供給旅客更大觀察窗，更好的客艙空間，提供給旅客更好的舒適性；同時降低剖面周長0.326%，降低剖面面積0.711%，機身結構重量降低26.7kg。

C919采用四面式風擋。該項技術是國際上先進的工藝技術，干線客機中只有最新的波音787采用，它的風擋面積大，視野開闊，由于開口相對少，簡化了機身加工工業，減少了飛機頭部氣動阻力。但是工藝難度相對較大，機頭需要重新吹風，優化風擋位置和安裝角，同時也有風擋玻璃面積相對較大，制造工藝復雜，成本較高。同時該設計對機頭受力和風擋間承力支柱強度提出了更高要求，屬于國際上比較先進的設計。

C919采用了5000PSI（磅/平方英寸）壓力的液壓系統，與一般民用飛機采用3000 PSI（磅/平方英寸）壓力的液壓系統相比，前者可提供更大的動力。壓力的增加意味著可使用較小的管道和液壓部件傳輸動力，減輕了重量。

C919機翼有36米長，除了裝有起落架之外，還能儲存燃油，加起來共能容納186386升燃油。C919采用了雙側桿正桿飛行控制系統，其特色在于采用兩種不同構型的4個獨立主飛行控制系統。其中包括兩個常規液壓動作系統和兩個電-液動作系統。919采用電-液動作系統使其在動力資源上具備更大的靈活性，增加了冗余性，提高了安全性能。

2.3國內外主要差距

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1、美國NASA下設的9個研發中心和實驗室，在空氣動力、材料學、航空電子和發動機技術等方面有著深厚的技術儲備底蘊;波音707所采用的各種材料、設備、技術，都是業已成熟、且有多種選項備份的，且其發達的制造業水平和特種材料加工能力，保證了大飛機造得出、跟得上。與之相比，中國航空的技術儲備薄弱，研制運-10時，全機14個大系統，435項成品、附件，竟有305項需要從頭研制，最終直接拆借了58件國外現成設備(包括波音707的備用發動機)才飛上天。

2、飛機的“心臟”發動機，更是中國航空的痼疾：1972年正式引進的英國“斯貝”發動機，直到近幾年才形成批量生產能力，且質量竟不如英方拆下來翻修過的舊機，而大飛機所必須的大涵道比、大推力渦扇發動機，中國至今還是空白。

三、未來發展趨勢

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眾所周知，大飛機的研制要涉及氣動、材料、制造、飛控等諸多產研學科。如從氣動和飛控設計來講，就需要大量的風洞數據支持。不過得益于冷戰時期的國防建設需要，中國在風洞這一塊長期以來都是不弱的。弱項主要在于材料和工業制造水平的低下。從工業制造的角度來說，現代大型客機中有大量的鋁、鈦合金部件需要以超大型模鍛液壓機進行鍛壓，所以大壓機的數量和工況指標，也是一國重工業、尤其是航空制造業水平的標志性門檻。