中航工業張慧：中國C919客機的俄羅斯競爭對手MS-21新技術分析

作者|張慧，中國航空工業發展研究中心

來源|空天防務觀察授權《首席戰略官》發布

導讀：2016年12月28日，中國商用飛機公司研製的C919窄體幹線客機首架原型機開始低速滑行試驗，再次點燃了國人對它未來的期待。在未來的這片最為激烈的市場競爭中，它的直接對手不僅包括寶刀未老的波音737和A320系列最新改型（分別是波音727MAX和A320neo），還需要面對來自北方的另外一個「AB」（空客、波音）挑戰者MS-21。與C919類似，MS-21也承載著一個世界大國躋身產品安全性和經濟性要求最高、所處市場競爭最激烈的先進高端航空產品製造者之夢。

2016年6月8日，俄羅斯自主研製的MS-21中短程窄體幹線飛機首架機正式下線，標誌著研製工作達到一個重要里程碑。與2014年調整後的計劃相比，飛機下線時間推遲了大約6個月，相應地首飛時間被調整到2016年年底，預計首架飛機將於2018年交付。MS-21是俄聯邦政府當前重點支持發展的民用航空產品，主承研單位是俄聯合飛機製造集團（OAK）旗下的伊爾庫特科研生產聯合體股份公司。與俄已投入航線運營的SSJ-100支線飛機瞄準市場空缺不同，MS-21項目除明確要發展圖-154和波音737、A320的替換機外，還提出了「與A320neo和波音737MAX相比要具備更優越的經濟性」這一競爭性要求，是蘇聯解體後俄最具雄心的民用航空產品項目。

2016年6月8日，俄聯合飛機製造集團舉行了首架MS-21（俄語МС-21）出廠儀式。如上圖所示。該機為MS-21-300型，採用標準2級客艙布局時為163座，在採用全經濟艙布局時可載客211名。根據2016年12月初的最新信息，該機的首飛時間被定在2016年12月至2017年2月之間。在此之前的2015年11月2日，中國商用飛機公司已經舉行了首架C919飛機的出廠儀式（聯合飛機製造集團圖片）

總體來說，MS-21在材料、發動機、機電、航電和飛控等領域引入了多項新技術，其綜合性能基本達到A320neo和波音737MAX的水平。此外，MS-21也具有一些自身的特點，如其座艙寬度達3.82米，超過了A320（3.70米）和波音737（3.54米），保證了良好的空間舒適性；與CFM56-5B等在役發動機相比，俄為該機新研的PD-14發動機耗油率可減少10%～15%；採用了大量的複合材料及新工藝，降低了製造和維修成本。MS-21對俄航空工業發展意義重大，許多新技術在民機上的應用尚屬世界首次。

一、材料工藝進步催生「黑色」機翼

飛機機體結構大量應用複合材料是MS-21在技術上最重要的亮點之一。首先，該機的複合材料重量佔全機結構重量的40%左右，在全球幹線飛機中處於最先進行列；更重要的是，該機在世界幹線飛機產品中，首次採用了以非熱壓罐成形工藝製造的複合材料主承力結構。

1．「黑色」機翼帶來更高的氣動性能

MS-21應用複合材料最多的部件是機翼，其中央翼、機翼翼盒、垂尾翼盒和平尾翼盒均採用複合材料，由於其顏色為黑色，故機翼被稱為「黑色」機翼。在同類飛機中，金屬材料機翼的展弦比可達到10.5，而MS-21機翼展弦比達到了11.5，使其巡航狀態升阻比提高了5%～6%，燃油消耗可降低6%～8%。

MS-21機翼的翼盒在俄羅斯聯合飛機製造公司進行靜力試驗（聯合飛機製造集團圖片）

2．碳纖維鋪層設備提高了生產效率

在為MS-21研製生產複合材料部件的過程中，俄OAK旗下的航空複合材料公司優化了製造工藝，引入了用於碳纖維鋪層的機器人設備，可在2小時內完成以往傳統工藝20人日的工作量。儘管複合材料價格昂貴、生產複雜，但由於極大地提高了勞動生產率，MS-21採用大量的複合材料部件仍經濟可行。

俄航空複合材料公司採用機器人設備進行MS-21機翼下部面板碳纖維鋪層（俄《航空新聞網》圖片）

3．首次應用非熱壓罐成形工藝製造主承力結構件

波音、空客民機大型複合材料主承力部件採用傳統的熱壓罐固化工藝，而MS-21採用了非熱壓罐成形工藝，且零件最大尺寸可達20米×4米。由於取消了熱壓罐，該工藝可降低零件製造人工成本，減少能源消耗、提高生產效率。該工藝以往存在的問題是是質量控制較難，零件孔隙率控制難，但俄聯合歐、美企業解決了這些技術難題，MS-21成為世界首型採用非熱壓罐成形工藝製造複合材料主承力結構的幹線飛機。

中國航空工業集團公司旗下奧地利未來先進複合材料公司（FACC）為MS-21製造的複合材料翼盒。（奧地利FACC公司圖片）

二、國產發動機採用多項新材料、新工藝

俄在民用航空發動機領域一直落後於美歐。為保證佔領市場，伊爾庫特公司為MS-21選擇了美國普惠公司的PW1400G-JM發動機，並將配裝它首飛。該發動機已於2016年5月在美國完成取證，計劃2017年4月開始批產。

PW1400G-JM發動機（上圖）是普惠公司「齒輪傳動渦扇」（Geared Turbofan，GTF）系列發動機中的一種型號，2016年5月9日宣布美國聯邦航空局（FAA）頒發的型號合格證。2016年12月21日，CFM國際公司（美國通用電氣公司與法國賽峰集團的合資公司）為C919研製的LEAP-1C發動機同時被歐洲航空安全局（EASA）和FAA授予了型號合格證（美國普惠公司圖片）

同時，俄也為MS-21研製了PD-14發動機供用戶選配。該發動機有8級壓氣機和2級渦輪，涵道比8.5，推力14噸，正開展地面試驗。俄工貿部已為該發動機的研製撥款544.92億盧布（按2016年9月匯率約合8.5億美元），雖少於其他國家研製同等發動機的投入，但已超過對SaM-146發動機（用於SSJ-100支線飛機）的投入，主要原因是法國斯奈克瑪公司為SaM-146提供了比較成熟的核心機，而PD-14是全新研製，應用了許多新技術。例如，全俄航空材料研究院為PD-14研製了20多種新材料，包括發動機及其短艙應用的複合材料、用於製造葉片的鈦合金等；巴拉諾夫中央航空發動機研究院為發動機開發了16項新技術，包括具有先進冷卻系統的高壓渦輪單晶葉片（燃氣工作溫度可達2000K）、鈦合金製造的寬弦風扇葉片、利用金屬間化合物合金製造的低輻射燃燒室、用複合材料製造的吸聲結構、熱端部件採用陶瓷基塗層、空心低壓渦輪葉片等。

俄展示的PD-14發動機。該發動機從2015年開始進行第一階段試驗，2016年12月初宣布開始進行第二階段試驗，試驗內容包括在俄伊爾-76LL飛行試驗台上開展試飛（俄聯合發動機製造集團圖片）

三、俄多電飛機從概念走向實用

依託MS-21項目，俄在多電飛機技術領域的多項研究成果也走嚮應用，成為提升該機市場競爭力的重要因素。該機的機電技術主要由俄「技術發展」集團開發，該集團按「多電飛機」理念為MS-21發展的發動機部件及其他設備主要包括電作動反推裝置、電動機輪等。

1．PD-14發動機的電作動反推裝置

該裝置由「技術發展」集團旗下的「電力驅動」公司研製，裝配該裝置後的PD-14試驗發動機將在伊爾-76LL空中試驗台上進行試驗。此前，俄是利用液壓系統驅動反推裝置，使用電作動裝置後不僅能減輕發動機重量，還可以使航空公司降低大約4%的燃油消耗，並可提高使用和維護性。此類系統在俄尚屬首次研製，其他國家也剛應用不久。

PD-14發動機及其短艙（左側翼下內側）已被安裝在伊爾-76LL空中試驗台上進行試驗，同時開展試驗的還有該發動機的電作動反推裝置（「俄羅斯飛機」網站圖片）

2．電動機輪

在2015年的莫斯科航展上，「技術發展」集團展示了可在無輔助動力的情況下使飛機在機場移動的電動機輪。根據歐洲民航法規的規定，機場的飛機禁止在滑行移動時起動發動機，因此要求用「電動機輪」代替傳統的起落架機輪驅動方式，提高發電機和輔助動力裝置的功率，使之能夠在地面發動機停車情況下讓電動滑行系統和空調系統等都處於工作狀態。

2．其他設備

俄「技術發展」集團還為MS-21研製用於燃油系統的電動裝置、新的發電系統、電作動的機翼增升系統以及起落架支架所需的其他電動部件。因此，MS-21項目拉動俄向「多電飛機」方向邁出了新的一步，對於提升飛機的市場競爭力、帶動俄多電飛機技術的發展起到重要作用。

四、新一代綜合航電和主動側桿技術

MS-21引入的其他新技術包括俄研製的新一代綜合航電系統，以及來自美國的主動側桿控制技術。

1．新一代綜合航電系統

航電技術一直是俄民機的短板，此前的SSJ-100支線飛機配裝的幾乎全是國外產品。為了推動本國民機航電技術的發展，俄為MS-21研製了國產化新一代綜合航電系統，採用了國際上通用的開放式架構，性能和功能基本與國際先進水平接近，該系統已在2014－2015年進行了地面和飛行試驗。

MS-21飛機現代化的駕駛艙（伊爾庫特公司圖片）

2．主動側桿控制技術

在飛控系統方面，MS-21的最大亮點是在電傳飛控系統中採用了主動側桿控制系統，該系統在降低重量的同時，還可提高駕駛安全性。該主動側桿控制系統由美國聯合技術航空航天系統公司研製。在MS-21上，該系統使用兩個控制器，可為飛行員提供有效的跟蹤互動與必要的修正，使飛行更加安全。目前，用於MS-21的主動側桿控制系統已在法國菲雅克的模擬器上完成地面試驗檢測。預計未來該系統將與MS-21同時得到歐洲航空安全局的認證。如一切順利，MS-21將成為世界上首型採用主動側桿控制技術的大型商用飛機。

五、小結

俄在MS-21項目中引入了多項新技術，展示了其在民用航空領域較強的系統集成和工程化能力，彰顯出通過發展世界先進水平大型民機產品、爭奪本國及全球民用航空市場的雄心。但是，基於俄民機整體技術水平與歐美仍有差距，MS-21未來的前景仍具有不確定性，既面臨發展機遇也將會遇到較大挑戰。

首先，新技術的應用為MS-21帶來了一定的技術和性能優勢，提高了國際市場競爭力，但任何技術的成熟都需要過程，新技術的過多應用或為飛機的安全可靠運營帶來一定風險。

其次，MS-21雖在一定程度上實現了國產化，但仍有半數以上系統要面向全球採購，由此可能會帶來成本增加，削弱競爭能力，需要由政府通過不同方式進行補償，在俄現有經濟條件下，補償能力有限。

最後，鑒於SSJ-100已取得歐洲航空安全局型號合格證，配裝PW1400-JM的MS-21將有望獲得該局的適航認證，並走向國際市場，而配裝PD-14的飛機要取得該局的適航認證可能會面臨諸多困難，較長時期內僅能在俄國內運營。

國旗背景映襯之下的C919機頭頗具現代感。在未來的市場上，它的直接競爭對手除了「AB」（空客、波音）各自的核心民機產品，還有來自北方的MS-21。它能在窄體幹線飛機這塊最具挑戰性和含金量的市場上站穩腳跟嗎？（中國商用飛機公司圖片）