
C919、波音737、A320的机身截面对比
C919机体的下半截面与A320相似,可以容纳LD3航空集装箱,增加盈利途径。波音737的货舱不管是哪一代都不能容纳LD3,只能运散货,运旅客行李问题不大,还要做兼职货运就难了。这是波音737受时代的拖累,当年在设计中沿用波音707机舱截面的时候,还没有航空集装箱呢。
C919还加强了隔音,设计要求达到60分贝以下的机内噪音,比常规的80分贝明显降低。也就是说,从身边大巴的噪声水平降低到大声对话的噪声水平,这是很大的进步。机舱换气也增加20%,加强空气流通,提高舒适感。
但C919的最终成功还是要靠经济性,说白了,就是要省油。这首先要靠发动机。C919在项目启动时,普拉特-惠特尼提议PW1000G,通用电气提议LEAP。
PW1000G是齿轮驱动的涡扇,便于采用大直径、低转速风扇,双转子达到三转子的效果,节油和降噪效果非常显著。有人在发动机地面运转时站在发动机侧前十几米内测试,依然可以在手机里对话,当然要提高一点嗓门,但双方还是听得见。但PW1000G的技术复杂,饱受成长中的阵痛之苦,后来的研发和投产中出现一系列头痛,庞巴迪尔CS系列、空客A320NEO、巴西飞机E2系列都不同程度受到影响,都在找普拉特-惠特尼要求就推迟交货提供补偿。

PW1000G结构图
通用电气与法国赛峰(原SNECMA)合作研制的LEAP是成功的CFM56的深度发展,采用三维编织碳纤维风扇叶片,不仅重量更轻、强度更高,更加复杂的形状还可以在同样尺寸下达到更高的推进效率;先进燃烧室的燃烧效率更高,改善油耗,降低排污;陶瓷基复材涡轮和三维流动设计进一步提高热效率。最后商飞选择了LEAP,并且在协议中规定LEAP为C919的唯一发动机。更具体地说,是LEAP-1C,推力为124.5-133.4千牛级。

LEAP-1C剖视图
PW1000G和LEAP的对比一言难尽,PW1000G更大的直径(A320NEO上的PW1100G的直径达到81英寸)、更低的风扇转速在理论上更加省油,但LEAP的先进风扇、燃烧室和涡轮补上了差距,较小的风扇直径还减小了迎风阻力。波音737MAX和A320NEO都可由用户任选PW1000G或者LEAP,这提供更大的选择余地,提高竞争力。但中国是新来者,C919在很长一段时间里的竞争态势还是弱势,这样的灵活性还是不必要的奢侈。

C919采用通用电气LEAP-1C涡扇发动机
另外,为了高原要求,C919的发动机需要增加推力。商飞也要求采用更坚固、更可靠、反推力力量更大、作用更加平顺但也重量和复杂性更高的后退折流环形格栅式反推力装置,这可以从C919着陆滑跑时发动机短舱罩后退形成的一道环形“裂缝”看到。这也与中国的高原要求有关,为了适应从空气稀薄的高原机场到低海拔沿海机场的各种条件,C919需要更强大而且调节能力更强的反推力装置。放远了看,C919要在机场条件相对简陋的第三世界机场使用,额外的推力和反推力也是有用的。通用电气以独家供应为条件,单独为C919研制LEAP-1C,也不算霸王条款。要求普拉特-惠特尼将PW1000G也达到商飞的要求当然是做得到的,但谁都不是慈善家,为特殊要求单独研发的成本最后还是羊毛出在羊身上。在商飞起步阶段,同时整合两种新型发动机的技术风险太大,缩小涉及面是明智的做法。


其特点之一是采用后退折流环形格栅式反推力装置,可以从着陆滑跑中打开的缝隙看到,更加适合高原到低海拔的各种条件使用
LEAP家族有A320NEO使用的LEAP-1A,波音737MAX使用的LEAP-1B,和C919使用的LEAP-1C。波音737MAX受到翼下离地高度的限制,只能使用69英寸的风扇直径,推力也相应降低,为100-120千牛级。A320NEO的LEAP-1A的风扇直径与LEAP-1C相同,都是78英寸,推力为109-156千牛级,但LEAP-1A使用简单、轻巧、紧凑但动作粗猛的蚌壳式反推力装置,可靠性也有所损失。这可以从A320NEO发动机短舱尾伸出的上下“舌头”看到,反推力挡板从这里收放。LEAP-1A的推力范围比LEAP-1C更大,这是因为A320NEO实际上是一个完整的家族,从140座的A319NEO、165座的A320NEO到206座的A321NEO,推力要求范围较大是自然的。C919现在只有基本型和增程型,以后有缩短型和加长型(包括加长的增程型)时,有了LEAP-1A的现成经验,LEAP-1C增减推力不难做到。

LEAP-1A的发动机舱
C919的机翼离地高度没有波音737那样的限制,未来有更大直径的LEAP发动机可用的时候,便于改装。C919也像A320一样,起飞后,起落架可收入机腹舱内,减小阻力。波音737由于历史拖累,哪一代都只能把起落架收入暴露于空气流中的机腹凹坑内,阻力较大,但重量较轻。
C919还采用了曲面风挡,使得机头完整、平顺、流线,降低阻力,也更加美观。最早的C919模型还是传统的“海豚鼻子”机头,这是在研发中途改的。另一个与早期模型不同的是翼梢小翼,早期模型上是简单的外倾平直的常规小翼,最后定型时改为大弯度、小上反小翼,但与波音787的折刀形或A350的镰刀形小翼还是不同,没有明显增加的后掠和弯钩,也与A320NEO的简单圆滑过渡的常规小翼不同,既避免了专利冲突,也达到了比常规小翼更好的效果。

C919的承载式风挡
机翼靠下表面与上表面的压力差产生升力,这个压力差在翼尖也形成绕翼尖的横向涡卷,前飞的飞机在翼尖拉出涡流,形成阻力。常规小翼用竖起来的翼面阻断涡卷,但小翼本身也形成涡卷。另外,小翼的重量和向内的压力使得小翼翼根的应力较大,翼尖结果必须相应加强,带来相应的增重。常规小翼的减阻和增重是一对矛盾,设计不当的话,甚至可能得不偿失,变成装饰性的摆设。新型大弯度、小上反、大后掠的小翼有一定的阻断涡卷的作用,但更重要的是通过逐渐收尖的翼尖,逐步消除上下翼面的压力差,阻止涡卷产生。增大翼尖后掠则进一步强化效果。当然,没有压力差了,也就没有升力了,不产生升力的翼尖结构最终是死重,所以压力差也不能全部消除了,残余的一点就靠小幅度的上反来阻断残余涡卷了,这是一个优化问题。弯曲翼尖在概念上谈不上多少复杂,但在设计上需要大量计算和优化,这就是中国方兴未艾的超级计算机大显身手的地方了。顺便说一句,战斗机蚌式进气口也是复杂三维流动的计算流体力学问题,也是得益于超级计算机。
