西工大博士揭秘如何让国产大飞机巡航更经济

11月2日，我国自主研发的C919大型客机首架机在上海总装下线。远在一千公里外的古城西安，一群师生为此而欢呼。他们就是西北工业大学航空学院的师生，人民网陕西频道记者走进这群参与研制大飞机的师生团队，跟博士男一起聊聊大飞机的故事。

孙智伟所在的西北工业大学航空学院飞行器先进设计理论与技术创新团队是主要负责C919飞机的气动外形设计的一支青年骨干队伍，由学院白俊强教授带领四十余位在校师生组成，大飞机的机翼气动外形与气动力设计是他们团队主攻项目之一。

31岁的孙智伟博士从2007年读硕士的时候开始接触国产大飞机，“搞民用大飞机和军用飞机完全是两码事。”孙智伟开门见山的就告诉记者，有些网友认为我国自主研发和生产的军用飞机早已飞上蓝天了，难道还不能生产民用大飞机吗?“其实，民用飞机更注重的是它的商业用途和市场前景。在保证飞机安全性的条件下，最大限度的减少运营成本，提高经济性。”孙智伟表示，虽然之前国内研制过运10等民用运输类机，但是由于时代不同，所采用的设计技术也有了质的飞跃，此次国产大飞机的研制几乎是从头开始。

C919直接使用成本较现役同类客机降低10%，具有“更安全、更经济、更舒适、更环保”等特性，机翼作为飞机提供升力的主要部件，对飞机的经济性、安全性和飞行品质有着至关重要的影响。孙智伟指了指记者面前的几位平均年龄二十多岁的小伙子们说：“我们几位博士生和白俊强教授一起主要负责大飞机机翼的气动外形设计。”他继续说道，在飞行速度一定的情况下，飞机巡航效率的高低，是飞机经济性的一项重要影响因素，主要由飞机的气动外形决定。而飞机的气动外形，决定了飞机能够提供多大的升力、产生多少阻力。“一架飞机机翼设计的好坏，直接体现了这个国家民用客机的气动力设计能力，更进一步反映了这个国家的整体工业能力。”

在国产大飞机的研制中，由于缺少足够的设计经验和技术储备，像所有从事开创性事业的工作者一样，这些博士们在大飞机的气动设计上也走了很多弯路，克服了很多困难。

孙智伟告诉记者，困难之一就是国家没有研制现代先进大型民用飞机的经验，他们几乎是从零起步，好在他们所在的课题组主要是以研究飞机气动设计为主，在研制过程中比较容易上手。“民航飞机讲究的是经济实用，我们设计的气动外形决定了飞机的巡航效率，从翼型到机翼，从简到繁，有时候需要把之前所有的设计全部推翻重新做;有时候把设计好的翼型放到飞机上后发现跟原来想象的不一样;有时候三维和二维的设计效果又产生出了矛盾。总之，我们一步步走到最后发现，把一架飞机设计好需要全盘考虑飞机的布局形式、结构约束、重量重心和飞行品质等的要求。”

据了解，中国商用飞机有限责任公司上海飞机设计研究院的技术人员们不仅要负责C919的设计工作，还要负责本次大飞机研制的统筹工作，大飞机的气动外形一体化设计工作分为数个阶段，尝试和论证了多个布局形式，每隔两个月，孙智伟所在的团队与上海飞机设计研究院的相关技术人员汇报交流一次工作进展和心得。

由于民用客机采用发动机翼吊布局，孙智伟所在的团队在发动机未定型前共做了四五个发动机短舱外形的论证计算，每个发动机都要进行数十次甚至上百次的空间流场仿真计算。发动机定型后，又对短舱的安装参数进行多轮迭代优化设计。

“飞机的气动设计非常重要，我们修改机翼的某个部分，都会影响到整个飞机在低速和高速飞行中的性能。”孙智伟说，每次实验都让自己印象深刻，许多细节到现在都能记住。特别是在设计翼梢小翼的时候，这个部件的气动外形当时在国内还很少有人研究过，他们尝试了很多种方法，开始以为很简单，到最后发现，要设计好翼梢小翼需要非常精细化的设计和计算，而且还要将翼梢小翼放到整个大飞机的设计中去对比和调整。“当时已经是深秋，我们每天晚上攻关到凌晨才离开实验室。通过数月的努力，终于找到了最经济、性价比最高的设计方案。这个也为我们以后研制其他大型客机积累了经验。”孙智伟高兴地告诉记者。

参与项目的另一位27岁的小伙叫陈颂，也是一名工科博士。陈颂在团队内主要负责全机的气动优化设计。“本科上学的时候，我们从书本上学到的知识就是飞机的气动载荷分布由翼根到翼稍是椭圆的时候，它能产生的诱导阻力是最小的，但这个载荷分布究竟是单纯机翼的?还是综合全机的?书本中并没有这样的经验。所以，我们分别尝试不同的方案，再进行全机流场和全机气动力的计算机仿真进行验证和研究。通过这个项目，我们把许多以前根据理论推导出来但没有经过实验的原理，现在通过C919的设计从工程应用的角度重新检验了一遍。”陈颂表示，这种方法让他们对自己的专业了解的更加透彻。

国产大飞机的气动力设计是一项非常艰巨的任务。气动外形决定飞机能够飞多高、飞多远、巡航速度等一系列指标。如果飞机气动外形设计的不好，通俗的讲为了将乘客送到目的地，飞机就只能消耗更多的燃油，那么航空公司的运营成本就会提高，如果设计的好，航空公司就具有更大的利润空间和更强的市场竞争力。而设计的工具之一就是能够对流场进行数值仿真并计算得到飞机气动升力、阻力和力矩特性的计算流体力学软件。为了能够开发并得到一套好的计算流体力学程序，这些团队中的博士也是蛮拼的。

“风洞实验费钱费时，为了能够快速计算出整机的气动特性，目前波音、空客等国际上知名厂商在大型客机的设计过程中都普遍采用计算机数值仿真的方法，尽量减少风洞试验的次数。这要求数值仿真软件既能快速计算又能仿真的精确。其实，在美国的相关科研机构开发过很多这种计算软件，但是这些计算软件是不对中国开放的。即使是美国的教授要使用这种软件，也要经过严格的审查。国内在以前的研究中开发了一些类似的软件，但能与国外的能力比肩的凤毛麟角，而国内几乎很少能找到讲述这种程序开发关键技术的论文和文献资料，国外的资料根本查不到，只能自己摸着石头过河。”曾经在美国留学的陈颂继续告诉记者：“当时迫切需要自主研发一款软件，我们成立了攻关小组做软件研发，终于经过两年的时间，终于逐步形成了一套可以应用于飞机设计过程中且拥有自主知识产权的计算流体力学软件。”

C919的下线，并不代表国产大飞机的终结。博士生杨体浩告诉记者，他们将目光放到了更大型号的飞机上，他现在的主要任务就是研究更大更安全更经济的国产客机。

“勇猛精进、敢为人先”这是西工大的校训。这群年轻的博士团队为突破国产大飞机关键技术所付出的艰辛努力，连他们自己也始料未及，伴随着C919大飞机的顺利下线，博士团队多年的付出终于得到了最好的回报。