从重量与空间的博弈,预判CR929的全寿命规划

从最大起飞重量谈起,CR929的定位和航发选择

重点讲述了对CR929最大起飞重量的估测,和对航发所需推力进行了分析。很多读者也发来了私信询问最大起飞重量对929航发的影响?最大起飞重量为何是个如此重要的指标?如何能像文中所举的空客A330那样不断通过局部改进来提升最大起飞重量?以及为什么不再继续增加起飞重量等等问题。简单来说这就是重量与空间的博弈,本篇就重点从产品全寿命规划角度来分析这个无法绕过的博弈

  • 最大起飞重量的意义

简单的再把最大起飞重量指标细分一下好方便读者理解。飞行器的最大起飞重量(MTOW)亦可理解为最大离地重量,这个是所允许的起飞重量极限值。这个是由飞机的各个结构件的设计极限(ADL Allowable Design Limit)与飞行性能相结合后设定的,通常这是一个保守值,但由于安全的需要所有的用户在运营中必须严格遵循此指标

最大起飞重量是由飞行器运营空重(OEW Operating Emypty Weight),有效载荷重量(Payload),和燃油重量(Fuel Weight)三部分组成

的,这里可以继续用A330neo-900型举例说明。330-900型的最大起飞重量在2020年提升到了251吨,总油箱容积为36750加仑,假如加满燃油那么燃油重量为近112吨,可得出在满油最大起飞重量状态下飞机空重和载荷瓜分剩下的139吨。

从重量与空间的博弈,预判CR929的全寿命规划

最大起飞重量不断提升的A330以及赋予了不亚于787的性能

接下里看看330-900的运营空重,这个OEW并不是一个定值,但根据航司的座位安排来看基本分布于126吨到136吨之间,极个别超过136吨。假设按照130吨的运营空重来计算,会惊讶的发现在满油最大起飞重量状态下载荷只有9吨。9吨载荷是个什么概念,拿达美航空的330-900的三舱布局(公务,豪华经济,经济)281座来算。假设每个旅客重90公斤,并且每人带有30公斤的行李(23公斤托运+7公斤随身),281人的总重量就高达33.72吨。突然哪里不对?是的,即使A330的最大起飞重量已经提升到了251吨,依旧无法在携带满油满员状态下起飞,更别说运输额外的货物。这种情况也不是个例,很多机型子型号都会因为最大起飞重量的限制而无法满血运营(马丁福斯:这也是为何由A330拓展出以空中加油为主的MRTT军用型时没有加装任何舱内油箱的原因,因为自身现有油箱空间以足够大)。

重量与空间的博弈

任何客机乃至任何交通工具以及军事装备都会面临一个设计死循环:放大体积进而增加载重能力,为了在扩大载重量后维持原有性能进而扩大动力系统,随之带来了更多增重,导致整个产品进入一个无限增重的死循环。

很多读者对军事装备也有了解,举几个典型例子,曾经各个海军列强军备竞赛时期耗巨资建造的战列舰也是进入一个“放大放大再放大”的死循环。二战纳粹德国末期设计的鼠式坦克更是进入一种极端,造一款基本没有机动能力的坦克还不如修个碉堡。重量和空间一直是许多工程产品设计中无法绕过的左右互搏,也是导致无数PRD与MRD分歧的导火索。

回到主话题,客机的机身以及最重要的机翼设计是属于密集型工程设计,客机取证之后会进入一段较平稳的设计冻结期。在投入商业运营之后,主机厂会不断的收集运营资料来统筹准备批次的设计更新(PIP)。而每一次提升最大起飞重量可以理解为重大设计更新,首先机身的部分结构件需要进行设计改进,很多更改设计的结构件是无法通过外观识别的。当结构件的设计极限(ADL)提升之后,还要考虑飞机的作业性能(Field Performance)是否依旧满足产品设计要求(PRD),这时有可能需要考虑进一步提升航发推力。整个过程还需要对改进的结构件等进行适航认证,这里就不一一细解了(马丁福斯:认证是个比较冷门的话题但如果读者们有足够兴趣以后可以专门写一篇关于AB两家结构件的分类和取证过程)。

通过之前讲到的A330从最早的212吨经过近30年时间几次改进以及换发提升到251吨,这期间空客并没有对第二代A330的机身继续拉长延展(马丁福斯:换发可算为第二代也就是A330neo,要求试飞取证主因是机翼重新设计,机身延长看似简单其实不易,甚至会走入困境)。所以原始设计的A330尤其是-300机型已经提供了够用的空间,真正限制它发挥的一直是最大起飞重量这个指标。由此可见,机身空间的基准设计时尽量一步到位,而后期可以通过不断的设计更新来提升设计极限,减重,换发,来提升整个产品全寿命的最大起飞重量。

全寿命规划

全寿命规划(Program Lifecycle*)顾名思义是对产品全寿命期的长期规划,多用在航空航天领域。纵观短短百年的航空史,不少成功的航空产品全寿命规划超过30年甚至50年,例如747系列,但许许多多的产品全寿命生产规划不到20年甚至只有10年及面临停产退出历史舞台。从工程设计角度考虑, 很多都是非常优秀的产品,甚至有自己的独到之处。可惜面临市场的变化以及对设计思路的误判,导致产品寿命期缩短从而早早步入停产。

(马丁福斯:*对于Progam这个英文单词,中文一直没有准确的翻译,这也导致很多人分不清Program Manager和Project Manager的区别)

波音747和空客A330可以算作宽体客机里最成功的两个全寿命规划案例。747的生产全寿命周期超过半个世纪,而且在投入商业运营初期也可算是多灾多难,性能指标也远没有达到预期的设想,只能算够用。但由于无以伦比的基准设计的前瞻性带来的巨大优势,747得以在不断改进演变进而延续生产周期超越半个世纪,熬死了几代的竞争对手。可事实是747规划早期的人员也没有意识到这个基准设计的巨大优势,甚至一度认为飞机造的太大太重了。747的成功再次证明了机身的基准设计尽量一步到位的重要性。关于A330的细节就不再讲了,它也算是空客意外中的收获,原本的规划也只是作为A300的替代品,最初的重心可是它的姊妹机拥有4航发的A340。结果大家都知道,340早早停产而330在换发之后换来第二春。

从重量与空间的博弈,预判CR929的全寿命规划

747计划全寿命规划的成功保证了超越半个世纪的生产延续

以上的两个宽体机成功案例可以给929一些启示,如何来完成一个全寿命规划来保证产品寿命得以延续20年甚至30年,甚至更久。929最早投入商业运营时间点应该是在2030年,搭配前文假设中的航发配备CR929会获得不亚于当前787和A330neo的性能和效率。由于新冠的影响,波音预计会推迟到2027年才开始推出787X(787的换发周期原本计划为2024/2025年,可理解为neo版或787第二代),预计在换发的同时带来机翼更新,预计2030年投入商运。由此看来CR929的性能预期应该不敌同时期投入商运的787X。在全寿命生涯前期不如竞争对手并不是很大的问题,拥有良好的机身基准设计和全寿命规划,会让929在迎来自己第一次换发周期时,有机会通过前瞻性的基准设计基础上换发改进机翼来完成压制对手的任务,或许会让对手重新进入换发vs.重头设计的囧境。

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