单位文秘网 2022-02-16 08:16:01 点击: 次
1903年12月,萊特兄弟设计了人类首架载人动力飞机“飞行者一号”,在北卡罗来纳州的小鹰镇完成了首次试飞。一百多年后的今天,航空业的发展或许早已超出莱特兄弟所能想象的极限。全透明客舱、超音速飞行、齿轮传动等新概念和新技术令人眼花缭乱。 2016年,随着普惠齿轮传动涡扇发动机的交付运营,民用航空市场已经开始感受到颠覆性技术带来的影响。
2017年,全球航空业将继续探索前沿技术,而安全性和高效性将是研究的重点。3D打印发动机、桨扇发动机、层流验证机、飞行追踪技术、变形机翼等将是值得关注的重点。
3D打印发动机
将金融业务逐步剥离之后,通用电气公司(GE)一直不断扩大在工业领域的业务范畴。其中,3D打印技术是GE公司近几年来关注的重点,用GE公司总裁杰夫·伊梅尔特的话来说,3D打印技术是公司向数字化转型的关键。
自2010年以来,GE在3D打印制造技术上的投入已经超过15亿美元。2016年,GE又收购了两家3D打印公司——德国SLM公司和瑞典Arcam公司,将其应用于发动机零部件的生产。
GE如此重视3D打印技术与近几年来发动机交付量的不断提升有关。过去3年,GE发动机储备订单(包括合资公司)增长48%,达到1540亿美元。2016年公司交付2800台发动机,随着窄体客机交付速度不断提升,传统制造手段已经难以满足需求。
采用3D打印技术能够加快航空零部件的生产速度,缩短产品交付周期。GE预计,到2020年采用3D打印技术生产的航空发动机燃料喷嘴的数量将达到4万个。
2015年,美国联邦航空局(FAA)向GE90-94B发动机高压压缩机上用3D打印技术制造的T25传感器颁发了适航证。此外,GE还在GEnx发动机上试验了3D打印的钛铝合金低压涡轮叶片。
2016年,GE又将3D打印技术拓展到公务机制造领域。10月,GE宣布与捷克政府合作,在布拉格郊外建立一座新的3D打印工厂。这座工厂计划于2022年投产,并将成为GE航空集团的首个发动机总部,为德事隆集团下一代塞斯纳“迪纳利”飞机(Denali)提供发动机。
“迪纳利”是塞斯纳公司最新研制的高端公务机,拥有同类型飞机中最大的客舱,最多可容纳8人。GE将为这款飞机的发动机研发投入4亿美元,其中大部分用于3D打印技术的研发上。
借助3D打印技术,GE研发团队计划把这款发动机的845个部件合并为11个3D打印部件。此举不仅将大大削减成本,而且将明显降低生产的复杂性,缩短生产周期。此外,还使发动机油耗减少20%,功率提高10%。更重要的是,新型发动机将更轻。
除了GE之外,普惠也计划采用3D打印技术生产发动机的压缩机静子组件,这将是业界首次采用3D打印技术生产这一部件。根据设计,采用3D打印技术生产PW1500G发动机试验部件将比用传统工艺制造该部件缩短大量工时,重量也将减轻50%。
另一家发动机巨头罗罗公司则与英国制造技术中心、谢菲尔德大学和Arcam公司合作,利用3D打印技术生产遄达XWB-97发动机的钛合金前轴承。该组件直径达1.5m,是有史以来最大的民用航空发动机单个组件,其中的48个叶片组件将采用3D打印技术生产。
桨扇发动机回归
开式转子发动机是上世纪70年代高油价时代的产物,后来随着油价下跌逐渐退出民用航空市场。如今,为了满足国际民航组织(ICAO)和欧盟对于2050年飞机油耗和排放的指标要求,制造商又开始关注这一概念。其中,赛峰集团旗下的斯奈克玛公司正在“净洁天空”计划框架下与空客公司合作,开展对开式转子发动机的研发。随着验证机总装完成,2017年空客和斯奈克玛公司将对其进行地面试验,从而决定是否要进一步开展飞行测试。
斯奈克玛与空客合作研发的这款开式转子发动机拥有两片半开式反向旋转叶片,与当前的飞机发动机相比,最多可降低30%的油耗。目前,开式转子发动机研制面临的最大挑战是噪音过大的问题。根据国际民航组织的最新要求,从2017年开始,全新大型商用飞机的噪声水平必须至少比现行第4章规定的标准低7EPNdB(有效感知噪声分贝),小型飞机则自2020年起遵守这一规定。
另一个需要攻克的难题是开式转子发动机的机架设计。与传统发动机机架是静止的不同,开式转子发动机的机架不仅要能作为静态机架,还要能随着发动机的叶片转动,这就需要制造商采用新材料和新的制造工艺。
作为这款发动机旋转模块的主要供应商,GKN航空航天公司在发动机机架上使用了镍基合金,该材料可以承受极热气体在表面移动而不受损坏。在制造过程中,采用包括激光焊接(主要应用于静态部件)和电火花加工等制造工艺,提高了材料的利用率。2016年,GKN航空航天公司已经向斯奈克玛交付了验证机的前、后旋转架。
根据“净洁天空”计划2的规划,开式转子发动机将在2030年~2035年投入商业运营,初期可能先在支线飞机上使用。
更“光滑”的飞行
层流流动可以降低空气阻力,提高飞行效率。要实现这种流动,飞机需要拥有一对极为光滑的机翼。为此,欧洲“净洁天空”计划2中提出“突破性层流验证机(BLADE)”项目,用来求证航空界是否已经具备了制造这种机翼的能力。
BLADE项目将A340-300飞机的外翼段替换为一段层流试验短翼进行测试。层流试验短翼的装配工作由西班牙Aerrnova公司负责。罗马尼亚的Romaero公司负责机翼过渡段、整流罩以及翼梢设备舱的制造。
Aerrnova公司表示,裝配层流机翼需要满足加工公差±0.04毫米,并且采用新的紧固工艺。层流机翼蒙皮的加工要求包括:铆钉头的高度需要从±0.1毫米降至±0.04毫米,台阶高度从±0.5毫米降至±0.07毫米;气动型面的精度从1.5毫米降至0.8毫米,表面波纹度从100毫米长度内1毫米降至0.3毫米。
在装配过程中,Aerrnova公司使用数值模拟工具对整个加工过程进行模拟,研究了紧固件外形、材料、扭矩、气密性、整齐度和变形程度等对满足公差要求的影响。钻孔模板采用3D打印技术生产,整个装配过程进行温度监控,以评估温度对不同材料的影响,其中包括紧固件、工装和夹具的材料。目前,由于制造工艺复杂,层流翼段的装配主要以人工为主。未来,Aerrnova公司将在生产过程中采用更多的数控加工技术,如数控钻孔、铆接等,从而降低生产成本。
2016年,Romaero公司已同达索、罗尼亚航宇研究院和Aeromac公司合作完成了气动整流罩、过渡段和翼梢设备舱的制造。空客完成了A340-300机翼外翼段(外侧发动机外)的移除,已经做好安装层流翼段的准备。2017年,这双极为光滑的机翼将在A340-300飞机上开始进行飞行试验。
飞行追踪技术
2009年法航AF447航班和2014年马航MH370航班发生失联事件后,飞行追踪系统成为航空界热议的话题,人们希望通过技术进步让飞机变得更加“可控”。
为此,国际电信联盟已经同意将1087.7~1092.3MHz的频谱分配给卫星和空间站,以便其能够接收来自航空器的广播式自动相关监视信号(ADS-B)。在此之前,航空器只会把这些信号发送给其他航空器和空管站,这使飞机在远距离飞行或跨洋飞行时,往往会有一段时间变得“不可控”。
ADS-B系统几乎能实现飞机位置信息在管制员屏幕上的连续更新,还能对跑道和滑行道上的飞机及车辆进行更精确的跟踪。在山地或水面等特殊区域,这一新系统还能显著提升监视性能。美国联邦航空管理局(FAA)表示,到2020年所有在管制空域内运营的飞机必须配置ADS-B设备。
目前,美国Flight Aware公司和Aireon公司正在合作研发一款名为Global Beacon的系统,这是一套基于空间的ADS-B追踪系统,该系统可以通过铱星提供ADB-S服务。
随着技术升级,国际民航组织(ICAO)已经要求全球所有航空公司,到2018年对所有民航飞机安装相应的设备,并每隔15钟报告飞机的位置。未来,随着技术不断进步,到2021年左右,将实现1分钟间隔飞行追踪的要求。
变形机翼有多炫
变形机翼技术是潜在的颠覆性气动创新技术,可以大大提高飞机的气动性能。在2016年11月的美国公务机展上,翼梢小翼专业制造商航空伙伴公司和柔性系统公司展示了其合作研制的一段变形机翼,吸引众多客户的眼球。目前,两家公司正在同一个未透露名称的客户合作,进行变形机翼技术的商业化应用研究。
柔性系统公司近年开发的“flexfoil”变形机翼已经向客户展示如何通过机翼的柔性变形,实现在较大的迎角、指示空速、马赫数范围内实现最佳的气动性能。在2016美国公务机展上展示的变形机翼样件可提供集成的滚转控制、巡航特性优化、载荷减轻甚至除冰功能。
目前,柔性系统公司正在和美国航空航天局合作,对柔性变形机翼进行飞行测试。双方利用一架湾流III验证机,改装了一段长5.79米的后缘襟翼进行飞行试验,验证其抵抗高动压的能力,在大迎角下单个襟翼承受的气动载荷最高达5216千克,并验证了预计的2%(翻新机)~12%(新飞机)的减阻收益。
除了变形机翼之外,制造商们还在探索如何让机翼能够折叠起来。
为了获得更佳的升力分布和巡航气动效率,波音777X的翼展较上一代777增加了7.3米。考虑到777X与现有机场设施(滑行道、机库等)的相容性,波音采用了折叠翼梢。随着航空公司对节油和减阻的要求越来越高,这种折叠机翼装置或许会成为未来商用飞机的标配。
与波音只是在地面进行机翼折叠不同,NASA正在研究是否可以在飞行过程中让机翼折叠起来。
NASA在新的收敛航空解决方案(CAS)计划下开展的展向自适应机翼(SAW)概念研究,将开展飞行中折叠机翼概念的地面和飞行测试,目标是验证是否可通过上下偏转机翼部分外翼段的角度,增加偏航稳定性和控制力矩以及减小方向舵尺寸、降低尾翼阻力。
根据计划,NASA将在2017年上半年,利用Area-I公司的PTERA无人机研究平台进行SAW概念的小比例飞行试验。PTERA无人机翼展4.47米,两侧机翼外侧各有一段0.381米长的翼段通过铰链与主翼相连,可偏转75度。分析表明,该装置偏转可提供接近40%的偏航控制力矩。由于PTERA无人机研究平台并不是专门为SAW概念研制的,因此NASA还将对其进行进一步改装。理想状态下,经过改装的机翼会采用30度后掠角,折叠翼梢可提供50%的偏航力矩。此外,SAW项目团队还要对机翼折叠的长度进行权衡,并开展全尺寸的SAW机翼结构地面试验,为未来的飞行验证铺平道路。
虽然这些创新技术在短期内还难以投入大规模商业应用,但业界对于这些颠覆性技术的不断探索,将推动商用飞机变得更加智能、环保、高效。第二个航空百年,也将更加精彩纷呈。
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