COMACs great leap

中国商飞(COMAC)的巨大飞跃

当中国的第一架大型喷气式飞机在跑道上收起轮子,两个新的LEAP发动机为它的空中飞行提供动力。但是在飞机获得飞行认证之前,中国商飞(以下简称COMAC)需要描绘出LEAP的声能如何影响结构——远在它的实际飞行之前。

开发商用的喷气式民航飞机是很复杂的项目,以至于只有少数几家公司可以完成。但是往往挑战与机遇并存,只是因为他们还没有做过并不意味着他们不能做。COMAC的中程C919喷气式客机进入了这个有利可图的狭窄市场,这个市场基本涵盖了超过一半的运营飞机,且由Boeing和Airbus长期垄断。

 

“巡航期间发动机的噪声影响是很难预测的,并且方法也没有得到很好的证明。所以仅仅一个简单的任务例如满足规格都是很难的。”
Cyrille Breard, C919噪声和排放经理,COMAC

需要大量的资源:据行业分析师分析,100亿美元只是大约的数字。设计师团队提炼出新的飞机概念例如C919之后,还要进行更深入的风洞内航空动力学研究。新的减重材料和施工技术也需要测试和证明。然后,还要把成千上百个物理零部件和数百万行的软件代码进行整合。

COMAC必须证明飞机已毫无疑问地准备好,通过一个必须的测试计划,首先是地面振动测试(GVT),然后是工程飞行测试和噪声认证。将整个项目按照时间表进行,在几个月内这些就会花费数百万。

COMACs great leap 

“自找麻烦”
在飞机需要应对的许多物理因素当中,仅是声音的影响就需要特别的测试。由于内部噪声对飞机买方来说越来越重要,所以制造商们在乘客舒适度方面展开竞争。但是也许更重要的是,制造商们必须证明他们的飞机可以抵抗声能的危害。

“声疲劳”是由飞机发动机的高能声波拍打结构的组件和屈曲材料之间的关节所产生。在飞机60,000+飞行周期的寿命当中,任何微小的、渐变的裂纹都会损害飞机的结构,最终将会产生灾难性损害。由于大多数时间是在空中巡航,然而在这个平静阶段,声疲劳和内部噪声是至关重要的。 

信念的飞跃
COMAC为此设计了C919,将噪声传播和结构建设建立在巡航期间发动机排放预测基础上。但是COMAC不仅建立了一个全新的飞机,他们也有一个全新的发动机:LEAP-1C。这就意味着他们不得不基于对发动机声学的预测来设计新的飞机——在发动机制造出来之前。  

然而,预测建模不是容易的挑战。COMAC  C919噪声和排放经理Cyrille Breard说:“巡航期间发动机的噪声影响很难预测,并且方法也没有得到很好的证实。尽管占据飞行任务过程中最长的时间,巡航评估方法也没有被很好的记录或验证。他们还没有被普遍发表甚至理解。所以仅仅一个简单的任务例如满足规格也很困难。”不仅如此,COMAC没有数十年的历史数据来建立和定义他们的预测模型,但是它的竞争者们有。 
COMACs great leapLEAP-1C是专为C919设计的LEAP的变体,由CFM国际设计,它是通用电气航空和斯奈克玛公司的联合公司

飞行测试台上的一程
自然地,COMAC热衷于在现实世界中检查发动机的排放,所以只要一有机会,他们立马抓住它。发动机制造商已经安排了一场LEAP-1C的电池飞行测试。为此,通用电气航空公司在他们的飞行测试台上安装了发动机:一架特殊的检测新技术的波音747。COMAC新的飞行测试部门在机身上安装了表面传声器以描述发动机对结构的声辐射特征。

“在声疲劳测试中,取样测试可能持续一年。我们能更早预测飞行期间的声负载,我们就可以更早定义测试周期。”
Cyrille Breard, C919噪声和排放经理,COMAC

COMACs great leap

飞机外面的表面传声器通过一个盲窗将数据输入到LAN-XI 数据采集系统中。这样在供电时获得的记录数据,可以避免飞机系统的干扰。加入到声学数据中的IRIG-B时间码使得它可以准确地与飞机的记录数据同步,便于与飞行工况相关联,例如发动机速度。

在一组测试计划中,COMAC只能对一个航班进行工作。“我们需要首次使用它就能搞定,” Cyrille说。他们还有新的设备要操作,测试员也没有经验。“对于我们的测试工程师而言,这只是前期测试中的其中一个测试而已,” Cyrille说,“我们在上海还有Brüel & Kjær培训,但是我们还想要一个Brüel & Kjær专家留在现场。我们得到了两个!在飞行前检查阶段,专家细致地解释了表面传声器的校准和安装。他们也解决了一个连接器问题;好像任何设备都可以连接到LAN-XI上。所以我们感觉成竹在胸。”

COMACs great leapCOMAC的Liu Peng和Pang Mingbao在粘贴表面传声器,其设计用于承受范围的运行极限:0.8马赫,40,000英里,和–55°C,还有除冰喷雾

移除这台747
这个测试成功地评估了LEAP-1C巡航期间的初始噪声级。然而,为了将飞行测试数据带回中国,并将其应用到C919上,Cyrille的团队需要在数据中将声学现象分离出来。“机身暴露于两种类型的噪声:发动机噪声和湍流边界层噪声,” Cyrille说。由于测试是在波音747上进行,所以他们需要排除飞机湍流边界层噪声。“对于合规和评估舱室内的传递率来说,将这两种类型噪声分离出来很重要,” Cyrille继续说道,“这样的任务十分依赖于预测工具,可以通过这样的飞行测试进行验证,以使对每个组件贡献水平的了解更有信心。”

除了验证他们对C919声负载的估计,COMAC也可以确认残余风险等级,制定缓解计划。他们也可以开始测试飞机材料对于声疲劳的抵抗性和噪声传播影响。“在声疲劳测试中,取样(材料样本)测试可能持续一年。我们能更早预测飞行期间的声负载,我们就可以更早定义测试周期。” Cyrille说。“对于开发项目来说,尽早获得代表性飞行测试数据至关重要。”

 

“我们大部分的飞行测试工程师刚刚毕业,而实际经验对于测试活动的成功非常重要。”
Cyrille Breard, C919噪声和排放经理,COMAC

认证体验
测试对飞机的飞行认证很重要,它标志着COMAC开始为监管机构CAAC收集证据,来证明飞机结构在预期的生命周期内可以抵抗声疲劳的能力。“我们需要一个关于声负载的好的映射图,” Cyrille说。

他们成功完成了飞行测试之后,COMAC新的飞行测试部门现在更加有经验了。“我们大部分的飞行测试工程师刚刚毕业,而实际经验对于测试活动的成功非常重要,” Cyrille说。“Brüel & Kjær在所有阶段都和我们在一起,从手把手的培训,到在美国的校准和安装,再到飞行前的检查,还有飞行后的总结和反馈。我们得到了巨大的支持。”

COMACs great leap有了Brüel & Kjær的指导,高风险测试期间COMAC对他们的设备也感觉放心。左起:Cyrille Breard (COMAC), Sun Yifeng (COMAC), Helene Orsi (CFM/Snecma), Tony Spica (Brüel & Kjær), Huang Chunxin (COMAC)

关于COMAC

  • 中国商用飞机有限公司(COMAC)成立于2008年,是一家飞机供应商,专注于飞机设计,总组装和生产,市场营销和客户服务,还有获得认证
  • COMAC已获得准备建设的ARJ21喷气式支线客机的成功认证,并且正在扩充对C919的研究
  • 2015年,COMAC开始在山东省东营机场附近建立飞行测试中心
  • 通过与国际专业供应商合作,COMAC正积累经验来生产和测试他们自己的大型客机

中国的喷气式客机市场

  • 中国目前是世界上第二大航空市场,并且在快速增长—自2000年增长速度超过400%
  • 20年以后,在这个行业中,中国国内航空市场将会赶上美国国内市场
  • 各种预测都显示在接下来20年里,还需要大约30,000架新的商用飞机——大概是当前17,500的两倍00
  • 大部分都是像C919一样的短/中型喷气式飞机
  • 大约4,700架预期的新飞机,估价5000亿美元,很有可能投放给中国航空公司,预计到那时会达到全世界总体飞行的15%,现在只是9%(华尔街日报)

新进入者的认证挑战
比起成熟的竞争对手,飞机市场的新进入者面临更严峻的认证道路。根据FAA 14CFR 25.271部分的安全标准,所有的制造商必须证明他们的飞机在整个寿命周期内都可以安全地承受声疲劳影响。成熟的飞机制造商可以通过展示类似的飞机已经完成了未有疲劳现象的飞行周期来证明。但是COMAC必须展示——用完整的疲劳测试证据——在60,000飞行周期的设计服务目标期间不会发生广泛的疲劳损害。