中国的大飞机计划

中国的大飞机计划一：飞机安全设计中国的大飞机的梦想，从运十到干线，从干线到AE100，从AE100到ARJ，再到现在的C919，算是走了一个半径不小的螺旋式上升的过程。这几个项目，有着几代工程师的辛劳甚至血汗，更有着他们当年梦想的生成，破灭，重生，再破灭和再重生。这当中的辛酸和喜乐，痛苦和绝望，是局外人很难体会的。如今ARJ项目在收尾，C919刚开始，笔者想以一个局外人的观点，分析一下中国的大飞机计划中做得成功或是不成功的地方。同时，以借此机会分析一下波音和空客各自的成功之处，来和中国的大飞机计划比较一下，看看能不能对现在也好，将来也好的中国民机工业有所帮助。本人将以讨论重点的形式分题展开。因为时间有限，只能一个星期写一点，所以将会以分题更新帖子的形式发表，还请有兴趣的同好耐心等候文章的写完。分题一：安全看到过很多人说过坚决不会坐中国设计生产的飞机，认为那是不安全的。虽然本人和大多数人一样，对这种思维嗤之以鼻，但不同的是，我在这里要告诉有这种思维的人，你们的这种想法错在哪里。不是因为你是否爱国或是否爱自己，而是告诉你们，什么才是真正安全的飞机，还有他们的设计方法。稍微懂行一点的军友，应该都知道FAR25部这个设计指导规范。但是我想可能这里没有谁有这个耐心和毅力把他看完的，所以可能也就没有多少人知道这个指导规范是怎么来的。所以在谈民用客机的安全性之前，让我们先来谈谈什么是FAR25部。FAR-25/CS-25FAR25/CS25规定，任何想得到FAR或是EASA认证的新设计的大型客机（不包括空乘人员的乘客人数在19人以上的螺旋桨推进的飞机，或是10人以上的喷气推进的飞机。想想为什么运十二的载客量是19座而不是20座），都要符合FAR25/CS25部的设计规范。小于19/10座的要符合FAR23/CS23部的设计规范。现在我们来看看什么是FAR25/CS25部以及得到FAR25/CS25部认证的意义是什么。那什么是FAR25/CS25部呢？有人说这是民用客机设计的圣经，但我觉得它更象是如来佛的手心。因为如果你至少稍微看过它，就会发现它里面虽然有时也会有公式和具体的数字，但更多的时候，它都只是在说XXXX的设计，要保证不会因为单一的故障（FAILURE）而产生“严重”（CATASTROPHIC）的后果。为什么这样做，是有原因的。这当中有很深远的背景，考虑到本文的篇幅，我们就不扯远了。简单来说，FAA和EASA只是对设计提出要求，具体怎么设计，FAA和EASA并不想捆住设计厂家的手脚，而影响对新设计和新材料的引入。也就是说他们对于孙猴子们怎么翻跟头并不感兴趣，因为这样一来会限制创新。但对于孙猴子不能翻出他们的手心，他们可是看得非常非常的紧的。很多人说FAA/EASA会卡中国人的脖子，其实他们不光是卡中国人的，他们卡所有人的。但这是后话，我先按下不表。民用航空发展到现在，可以说有了非常详细和大规模的样本空间。对于飞机的结构来说，一般民用飞机的飞行包线都是约定俗成的。所以25部会有具体的设计要求。比如大家熟悉的全机静力，起落架落震，环境，寿命等等。但对于飞机的系统，就不一样了。我这里重点讨论一下系统的设计。统计显示，对一个新设计的飞机来说，一般在一千万个飞行小时左右，会出现一次“灾难性”事故，（比如波音777在伦敦的那次事故，虽然没有死人，但飞机毁了，没死人只是运气，所以算是一次CATASTROPHIC的事故），或者说，一架新设计的整机，平均来说，不管是否经过FAR25/CS25认证过的，它出现严重飞行事故的几率是在10-7左右。因此，FAR25/CS25部的对于系统的最终要求，也可以说是唯一的要示，就是看你新设计的飞机系统，是不是能达到这个“灾难性故障”率的要求。这个要求分到各个系统，也就因此会更苛刻。为了简单起见，25部中，假设一架飞机会有一百个系统（实际上要少得多），因此各个系统的设计，也就是要求出现“灾难性”故障的几率在10-9以下。具体到各个厂家，他们都有一套和这个25部相对应的设计规范策略，以确保他们设计的飞机能够通过认证。而这个内部的设计规范，则是各个厂家经验的集成，可以说在各方面又会比25部的要求来得苛刻和具体。根据故障后果的不同，故障也分为几级，“灾难性”以下，还有“有害HAZADUS”，“严重MAJOR”，“轻微MINOR”有及“无安全隐患NOSAFETYEFFECT”四级，他们可以发生的几率也以100为单位上升，分别是10-7，10-5，10-3，和10-1。但这样问题就来了。怎么验证一个系统或是整机设计在出现“灾难性”故障的几率能符合这个要求呢？简单的想法就是实验，用实验的数据证明这一点。有些系统，因为在设计上的继承性，在现役的飞机上已经服役多年，用实际应用的具体统计数字是最有说服力的。但这里有一个鸡和蛋的问题。对于中国商飞，以及中国的系统供应商来说，他们旗下没有任何的已通过认证装机的例子可言，所以这个办法行不通。（题外话，这也是为什么ARJ和C919一开始会选用国外成熟供应商的产品的一个主要原因，如果全用中国自己的供应商，先不说能否提供两机所需要性能的系统，就算可以，他们因为没有任何已经认证产品，在系统认证方面，他们就不得不花很大的精力和金钱来补这个不足。问题是即使它们有时间和财力补上这个不足，ARJ也好，C919也好，他们可能都到了退役的时代了。所以先不说有没有必要全用中国的产品，就是你想要这样，也是有很长的一个过程的。）而另一个方法，就是对于一个新设计的飞机来说，他们的系统，在设计之初，就进行安全分析，以理论的形式，证明这个设计能达到这个要求。任何机械电子系统，他们如何运作都是可以推断的。同时如果他们失效，失效的后果也在绝大多数情况下是可以预料的。（为什么说绝大多数？因为总有误判的时候。但如果真的出现了，代价是巨大的，比如丰田的刹车系统。这是后话）这就引出了一个DAMAGE-TOLERANCE（损伤容限）或是FAIL-SAFE（破损安全）的设计方法。25部的一个首要要求，就是不能因为一个系统，或是一个系统内的某个设备的单一故障，而直接或连带影响其它设备故障并最终导致飞机出现“灾难性”故障。所以当今新设计的飞机，在系统是有备份的，根据系统重要性的不同有的甚至是多重备份的，比如飞机的操控系统。因为系统出故障在所难免，要的是出了故障，飞机还能安全落地。（比如澳航的发动机出了那么大的故障，这在以前几乎肯定是机毁人亡，但就是因为有备份，加上好的RP，安全着陆，无人伤亡）。具体到实施这样的设计，就是在系统，以及系统内的每一个设备，在他们正常工作的条件下，他们的故障率都是经过分析研究甚至实验过，以至于FAA和EASA有足够的信心这些设计是能达到要求的。这种分析的细致达到什么程度？就是飞机每一根导线，接头的针脚，铆钉，螺丝，连杆，以及逐层向上组成的所有系统，全部有故障分析和后果分析以及他们可能发生的几率。为了在整机这一级能达到10-7，在设计之初，各个系统在各种飞行状态下可能发生的故障，都会有分级，以至于当把这些故障综合考虑以后的飞机总的出现“灾难性”的后果的故障几率在10-7以下。10-7，或者说一千万飞行小时是什么概念？对于一架飞机，那是一千一百四十一年半。如果一架飞机的产量和保有量是一千多架以上，一年可能才能摊上一次“灾难性”的后果。这是对所有的经过认证飞机而言。特殊案例安全分析上面我们谈到了飞机的系统安全分析。这种分析虽然已经非常的细致，但还不全面。航空安全分析，一般都是基于一个常用的模型。是什么呢，就是这几十年的客运经验下来，一般的系统会出什么问题，在多大的程度上会出问题，这些东西业内的人都是非常的清楚了。所以在做安全分析的时候，会有一些基本的假设，那就是一个系统内，一般只会同时出现一个故障，个别情况两个或是三个。这个很好理解，因为如果假设所有的故障全是同时出来，那也就不用搞设计了，因为这是不可能。可以说，这个假设虽然看上去过于乐观，但实际上和实际飞行中曾经出过故障的故障率还是非常吻合的。（懂行的人可能这时候会想到MEL或是MMEL，这个我们暂时不表，容我以后再说。）所以说这个假设还是科学的，但有一些特殊（有的其实还相当的常见）的情况下，这个假设不成立。对于这些“特殊”的案例，设计部门还要进行所谓的特殊案例安全分析。一般案例主要有如下几种：1．鸟撞，也有称是“鸟袭”2．非包容性主发动机故障3．非包容性辅发动机故障4．高压容器破裂5．螺浆破裂故障6．个别起落架为收起状态时降落7．擦尾8．系统生存9．后承压壁穿孔等等。这九个是比较常见的，但肯定不止这些。有些可能还不能公开。当这些特殊事件发生时，因为受到损坏而不能工作的系统设备可能就不只是一两个了。这时候就要以最坏的情况估计可能的故障，让飞机在这种情况下还能安全降落。非包容性发动机故障因为最近还真出了几件大事，所以我们不妨从头条新闻的澳航事故说起。也就是第二条，非包容性主发动机故障。（第三条其实和这个很相似，但一般APU所在的位置比较敏感，所以要单独分析。）这种事故发生的频率并不高，远小于1还有6和7出现的可能性。但在所有的特殊案例中，这种事故是最难分析和预测的。因为发动机内部件的动能和压力巨大，一旦转子部件破裂，以现在的材料和技术，尚不具备在商业上可行的方案有可能包住破片。风扇做为转速最低的转子，在应用新材料和新的制造工艺以后，已经做到可以包容了。但核心机还不行。忘了在哪里看过了，大推力转子发动机的破片的最大能量，和刚出炮口的三十多毫米的加农炮弹相当。大家可以想一下，民用飞机上有什么地方能抗住这样的冲击。所以在分析这种故障的时候，都把破片当成是无限能量，所经之处，一率被毁。所以在飞机上的设备，一般都不会放在转子盘破片路径上的。如果不考虑操控的影响，飞机的发动机甚至都不应该对称分布（当然这是不可能的了）。另外布线设计，有专门避开这种故障的设计，避不开的地方，系统和备份系统的线路要保证不被同一块碎片击中。被击中的线束中也不能有相同系统，相同设备的线路。线束间也要有足够的间隔。能看到飞机布线图的，有时可能会不明白为什么在对重量非常敏感的飞机上，有些线路却是绕着圈走。不用问，就是防着这个的。所以这次A380出了这样的事，还能安全的降落，并不奇怪。这次损坏的系统包括一套液压系统，前缘襟翼驱动轴和控制电路，两个油箱穿孔，后缘襟翼穿孔，同边另一发动机的部份操控电路，燃油横向输送阀的操控等等。未经证实的消息还有声称另一套液压系统也有部分损坏。这些故障加起来，这在以前是足够让飞机摔下来的。但经过当年那些血的教训，FAR都陆续在25部内有针对性地提出设计要求，让飞机在这些情况下还能安全降落。比如当年DC10的事件，虽然有四套液压系统，但不幸都通过同一个区域而同时失效，酿成惨剐。那以后FAR引入了“相同模式分析”“非相似性设计”等等，以图解决这个问题。同时工业界也发明了液压“保险丝”，以及现在最新的电液伺服系统，彻底把这种危险减到了最低限度。但是能做到所有成员没有伤亡，还是需要一点人品的。网上有的一些这方面的照片，可以看出这个事故可能造成的影响。鸟撞这个案例非常的常见。前年也出过一个这样的事故，而且是双发失效。但飞行员以非凡的技术和胆识，把飞行安全地降在了水面上。这件事当然让飞行员出了名，但当事的飞机制造商也没有闲着，在各种场合也多方面展示飞机在这件事中的表现，比如飞控的AUTOTRIM，应急电源系统，还机体的强度等等。另外大家非常熟悉的就是飞机发动机在认证以前，都要做吞鸟试验等等。但大家可能不知道的是，在设计一架新客机的时候，所有可能被鸟撞上的地方（系统），都要做分析，确保没有系统的损失会导致飞机无法安全降落。网上也有不少这样方面的照片。特别要提到的是，鸟撞到飞机的发动机，也是有可能造成前面所说的发动机非包容性故障的。所以在这次A380事故初期，权威机构并不排除有可能是鸟撞的原因。鸟撞对于飞机的机头，风挡，前缘襟翼，发动机，发动机吊架，尾翼前缘，起落架等等，都提出了专门的要求。这方面25部都有相应的要求。而且鸟撞也不局限于低空的起飞降落阶段，有在万米高空撞上过老鹰的。有