运十是中国工业史上正向设计的伟大成就

      长期以来，中国工业界的主要设计模式都是“反向设计”，就是买来别人的产品进行拆解，然后对每一个零部件进行仿制测绘，最后进行组装调试。在调试和批量使用的过程中，通过发现问题，对于原始样机一点一点进行局部改型，进行所谓的“优化”，有的还可以形成部分局部的知识产权。相对于这种抄袭仿制的，还有正向设计。

    何谓“正向设计”，就是说从力学原理设计开始，走到总体系统设计，再到局部分系统设计，最后到细节设计和工艺设计，然后是工业验证，这套完整的工业流程。有人说中国汽车工业界，至今没有完成过一套完整的“汽车正向设计”。三一重工，尽管取得了卓越的成就，全部都是依靠奔驰底盘的基础上进行整车设计。

     运十飞机是中国工业史上少有的一次正向设计的伟大成功，在此马凤山总设计师、熊焰总指挥为首的总体设计团队，在中国工业历史和世界工业历史上必将载入史册。中国到今天为止，航空工业界的正向设计的飞机，只有运十飞机这一架。

以下出自当时运十飞机气动设计师赵国强研究员的回忆录：

·       1970月7月29日，三机部召开大型飞机的预备会议。由三机部技术组负责人刘增敏主持，西飞厂郑作棣、赵国强，成都发动机厂姜燮生、殷纪良，三机部技术组袁振孚、六院科研部马承麟等参加了会议。刘增敏介绍了背景情况，并说昨天航空工业领导小组要求很快搞一个方案，以便曹副司令员去上海落实。会议根据部核心组意见，并经过讨论，归纳了8条设计原则，即对大型客机的技术要求：
     1. 载客100人左右；（运十飞机设计师吴苕溪研究员评，按照参考机可以估算出一个空机重量在60吨左右）
     2. 在轰六基础上改，不是重新设计，也不是大改；
     3. 采用美国JT3D─3B或英国罗罗公司斯贝511发动机3到4台；（运十飞机设计师吴苕溪研究员评，从这个数值估算起飞推力60-80kN）
     4. 最大航程5,000公里左右；
     5. 飞行高度在10,000米左右；
     6. 最大飞行速度在900公里/小时左右；（运十飞机设计师吴苕溪研究员评，从这个数值估算起飞决断速度）
     7. 在复杂气候条件下，不论昼间、夜间均能飞行；
     8. 飞机外型要美观。
    1970年7月30日，马凤山、张家顺应部紧急电报要求抵京，根据29日会议的要求，亲自指导连夜突击制定了三个候选方案。

·       1970年9月12日上午，曹副司令在上海大厦13楼听取方案组留沪人员汇报，参加者有航空工业领导小组谢秘书、王秘书、南空石副参谋长、空四军王处长、陆秘书、六院马承麟、袁振孚、张家顺、赵国强、殷纪良等。袁振孚代表方案组汇报方案、考察三叉戟1E飞机及在沪工作的情况。汇报过程中和汇报后，曹提出对该机的四大指标要求：

·       最大航程6000公里；

·       最大飞行速度900公里/小时；

·       升限12000米；

·       最大地面滑跑距离1300米

·       并反复强调：这个飞机一定要有特点，就是腿长，要从乌鲁木齐不着陆飞到欧洲社会主义明灯——地拉那（中途着陆加油不安全，任务油重可以高达几十吨），所以航程要加大到6000公里以上。没有一点特点说服不了上海，有这一条就可以说服人家。这个飞机是中央首长专机，将来要为周总理直飞纽约参加联合国大会用，代表团有四、五十人就够了。当我们说这样飞远程时人太少，经济性不好时，曹副司令明确指示：“我们不考虑经济性”。

·       1970年10月下旬，三机部、六院向航空工业领导小组上报，将上海研制的大型喷气客机正式命名为“运十”，对外称“708工程”，意指该任务是70年8月由国家计委、军委国防工业领导小组正式下达的。1970年11月3日，按三机部、六院指示，熊焰抵沪，11月8日，马凤山返沪，由熊、马负责领导设计组的工作。其中，熊焰任行政领导，马凤山负责技术（郑作棣随后返回172厂）。12月11日，空军派来34师政治部副主任汪克庆、25师副师长李运发参加设计组的领导工作。至此，708工程设计组的第一任正式领导班子形成，其中马凤山任技术负责人即总设计师。

·       轰六改方案的主要缺点就是保留轰六的机翼，其气动设计并不能满足客机对最大飞行速度和航程的要求。（轰六速度是0.85M每秒200多米轰六航程是6000Km）1970年12月，空军13师、34师和民航派出空地勤人员来设计组，实行“设计、制造、使用三结合”。其中熟悉三叉戟1E飞机的34师飞行员屈东本同志曾对运10方案提出过许多意见。1971年1月13日，在北京民族饭店由曹副司令主持的汇报会上，34师副师长潘景寅对运10第一方案提出了八条意见，主要是：重心太靠后；改机翼翼型，提高巡航速度；尾吊发动机有深失速问题（运十飞机设计师吴苕溪研究员评，影响飞行品质）；机翼上加阻尼器、扰流板等。这些意见是使用了三叉戟飞机以后提出来的，自有其合理性，但要在以轰六基础上改的运10上实现，则几乎不可能。

·       在众多的方案中，马凤山拍板选定以徐福荣、赵国强、张家顺等在1970年8月完成，后来吸收了更多意见完善改进，得到大多数赞同的翼吊四台915发动机方案，作为主导方案。（运十飞机设计师吴苕溪研究员评，如果说仅仅翼吊就是抄707，那么美国翼吊飞机早于707的有很多）1971年4月19日，曹副司令听取了马凤山关于翼吊四台915发动机的方案汇报，曹副司令重申了四大指标，并明确将航程指标提高到7000公里，要求飞机安全可靠，舒适大方，具有我国民族风格，载客在100人左右。曹同意这一方案，并指示要用尖峰翼型。

·       1971年12月19日（（运十飞机设计师吴苕溪研究员评，这是运十飞机总体定型8个月之后，巴航707才摔下来，有人总要混淆这个时间，说运十抄袭这架飞机），巴基斯坦一架波音707－320C在新疆昌吉州阿维滩机场失事。设计组赴现场考察了飞机残骸，马凤山及时召开会议，在分析运10方案布局和波音布局优劣的基础上，决定将前缘增升装置更改为内段采用克鲁格襟翼、内外发之间和外发外采用开缝前缘襟翼，平尾改为反弯度翼型，副翼、升降舵改为调整片气动助力操纵（运十飞机设计师吴苕溪研究员评，全是机翼的辅助设计，确切说是“气动优化修型”），并随即在29基地4m×3m风洞进行了“尾翼更改低速风洞试验”来验证这些更改的合理性。

·       1972年6月1日  5703厂根据设计组的意见，上报《关于“708工程”设计工作原则》的请示报告。报告中所提出的技术性能指标、适航条例、强度规范、动力装置、总体布局、破损－安全等一系列重要原则，均是马凤山亲自拟定的总结性意见。

·       1972年8月5日至22日，根据中央军委办公会议的指示，上海市和三机部在上海延安饭店召开了大型客机总体设计方案会审会议。出席会议的有三机部副部长段子俊、科技局局长陈少中、民航华东管理局局长袁桃园、上海市革委会高崇智等领导。会议代表228人，其中有全国著名的航空专家，如北航的王德荣、何庆芝教授，西工大的黄玉珊教授，南航的张阿舟、丁锡宏教授，空军科研部的朱宝鎏总师，六二一所的颜鸣皋总师，623所的冯仲越总师等。马凤山在大会上作了“708工程”总体设计方案论证报告。大会对总体设计方案分总体、气动、强度、结构、特设、系统六个部分进行了长达两个多星期的审查，最终得出结论：“飞机设计的指导思想基本正确，总体设计方案基本可行，结构布置、系统设计和设备的采用基本合理，性能接近世界同类型飞机的水平，具有一定的先进性，经过努力是可以实现的。”同时又指出，设计方案还存在一些问题，主要是：对弹性影响问题还没有开展工作；对调整片操纵的气动规律没有摸透；大迎角安全余度较小等。会后，设计组根据会审的意见，对设计方案作了完善，于1972 年底完成。

·       1973年6月27日, 国务院、中央军委以国发（1973）77号文件，批转上海《关于研制大型客机的请示报告》和国家计委《关于上海研究试制大型客机问题的报告》，按翼吊布局的运10飞机研制正式上马。

    从以上回忆录来看运十飞机总体设计大体有五个阶段：

第一阶段：700729会议围绕“轰六”改

第二阶段：中央提出的需求升级，在吊翼和尾吊之间进行选择

第三阶段：710419会议确定吊翼

第四阶段：72年开始考察新疆坠毁的B707完善气动布局设计

第五阶段：总体布局定义会审通过

    运十飞机在提出要求的总体设计阶段中，曹里怀说“最大地面滑跑距离1300米”，这就是一个对起飞场长的约束指标，来自于对当时战备机场指标，估计是考虑总理专机也要有战时指挥转移的功能；又说“采用美国JT3D─3B或英国罗罗公司斯贝511发动机3到4台；最大飞行速度在900公里/小时左右”，这就是一个推力的约束指标；这就是运十飞机总体设计中起飞场长和机翼参考面积的最初设计来源。

    我们现在再次推算一下运十飞机的某些总体数据来源。

    如果最大飞行速度900公里/小时=15公里/分钟=250米/秒，设想飞机在开动最大起飞推力的时候，飞机在地面上的速度变化范围是0米/秒增加到250米/秒以内。

    飞行速度和机翼升力的关系是升力与速度平方成正比。假定一般大型民机机翼翼型的升力指标，是在飞机速度30米/秒的时候机翼上的升力可以达到30kg/米2，飞机速度50米/秒的时候机翼上的升力可以达到100kg/米2，飞机速度100米/秒的时候可以达到机翼上升力为400kg/米2。再继续加速机翼结构就接近我们假设的损毁边缘指标了（500kg/米2），因此暂时不考虑。

    结论1：忽略空气密度的因素，100吨飞机在起飞速度达到100米/秒的时候，如果机翼升力可以达到400kg/米2（暂时不考虑翼型特征、升力系数），需要的机翼最小参考面积为250米2。这就是运十机翼的最小参考面积。

   结论2：忽略空气密度，10吨飞机在起飞速度达到100米/秒的时候，机翼升力可以达到400kg/米2（暂时不考虑翼型特征、升力系数），需要的机翼最小参考面积为25米2。

    我们查阅运十的数据可以看到，运十的机翼（干净）面积是240米2，如果加上前缘缝翼和后缘襟翼的展开，一般开裂式襟翼可使升力系数提高75％～85％，这样起飞时襟翼张开后整体机翼的投影面积扩展可以按照400米2左右来估算。

    这样（250米2-400米2之间）这个数据，就可以作为运十机翼面积设计过程中第一次估算的粗略参考值。

100吨/400米2=250kg/米2。

    假定大型民机机翼翼型的升力指标，是在约起飞速度（300公里左右/小时）80米/秒的时候如果襟翼全部张开机翼上的升力可以达到250kg/米2。也就是说100吨的大型飞机在加速到约80米/秒就可以起飞了，而这是一般100吨飞机都能达到的。

以下继续推算起飞场长

    4台JT3D─3B发动机推力为80千牛，如果按照一般民用飞机推重比为0.3-0.4估算，这样100吨的起飞重量就是可以达到的。那么安装4台JT3D─3B发动机推力为80千牛的100吨飞机有没有在1300米内加速到80米/秒（300公里左右/小时）能力呢？参考一般大型民机的速度指标可以知道，有很多100吨飞机安装4台JT3D─3B发动机一般在2000米以上起飞。在1300米以内飞机的速度从0米/秒加速达到80米/秒是很难的。

    起飞速度被约束住了，这样需要调整放大机翼面积，才能让升力大幅度提高，把起飞场长限制在1300米内。而放大的机翼面积对于结构重量将带来损失，同时加大摩擦阻力，增加耗油量，对于超长航程的总理专机将大幅增加任务油重。增加的油重可能突破了飞机的商载能力。因此1300米的起飞场长就成了唯一被“牺牲”掉的指标，这是运十飞机原始需求中唯一被修改的指标，“牺牲他一个，保住一大堆”（动力、机翼面积、航程、油耗等一群配套指标）。

    综上推算，可以得到若干项符合曹里怀要求的总体设计粗略数据：

       空机重量：60吨

起飞重量：100吨左右

任务油重：40-50吨

发动机推力：80千牛

起飞场长：>1300米，甚至>2000米

机翼参考面积：400平方米

起飞速度：>80米/秒

飞行速度  900公里/小时

以上配套数据除了起飞场长指标上以外，基本可以满足大体上的所有需求，而用户同意修改。

综上，在总体布局设计已经进行了一个“粗糙的”基本定义：

·         常规布局

·         翼吊

·         四发，发动机是JT3D

·         起飞重量100吨

·         起飞场长>2000米

·         起飞推力80Kn

·         机翼面积（减掉襟翼张开投影面积后）250米2

·         飞行速度900公里/小时

·         任务油重40-50吨

这些数据推算，与设计一架10吨飞机的数据推算没有任何区别。这不就是总体设计的定义结果吗？

波音707飞机

运十飞机

以上设计指标在飞机的试飞当中，可以用“最小起飞速度”科目进行全面验证。

    这就是设计一架飞机的首轮粗略估算，虽然还没有涉及到任何关于飞机结构的设计，纸上的飞机轮廓已经画了出来。虽然这仅仅是总体设计的一部分，但是总体设计当中的布局定义、动力选型、机翼面积、起飞场 长等关键指标已经有了结果，凡是设计过10吨飞机的工程人员，也可以如此设计100吨啊。某位崔姓飞机总师在新华社媒体上说，“大飞机总体设计技术没有突破”的说法完全不成立！

我们再看运十与B707的差别。

    B707与运十起飞推力几乎一样（运十84kN，707为80kN），而起飞重量大41吨，因此起飞加速度的推力能力肯定小于运十，起飞的决断速度将大于运十才可以飞上天，或者是起飞场长大于运十才可以起飞，因此707比运十机翼面积大几乎40米2，这都是707起飞重量大所决定的，起飞场长长度大几乎1000米（3050米-2070米=980米），也是起飞重量决定的。运十与B707的起飞重量、机翼面积、起飞场长的数值差距导致运十的气动特性与B707差距巨大，怎么能说运十是抄袭B707呢？

    运十与B707，翼展长度差距为2.18米，肉眼凡胎的普通人怎么能从图片上看出来呢？而实际上二者的气动效率差距之大难以想象。用一位行家的话来看吧，美国驻华使馆空军武官和波音公司的副总裁，亲自登机观察，那美国驻华使馆的空军武官，曾经是波音707的飞行员，有数千小时波音707的飞行经验，武官一登上舷梯，到机舱门口回头一望，就断言“这架飞机与波音707完全不同，因为我太熟悉波音707了”——美国从机舱门口看见的肯定是机翼形状不同，行家一眼就知道差距不是抄出来的。

    新中国建立以后，我们有了两弹一星的“大国工业奠基”成就，同时还有“一艇一机”少有人提，“一艇”就是核潜艇，“一机”就是运十飞机。而在运十飞机上我们所获得最瞩目的成就，从中国工业历史而言这是完整一次的“正向工业品设计”，这是中华民族走向现代化工业社会的一次“入学考试”，正如那位波音副总裁、资深飞行员所说的“你们毕业了”！

运十飞机的工程下马，带来现代中国的三个巨大损失：

·                               与运十飞机价值几乎等同的涡扇八发动机下马和工业成果遗失；刚刚建立的上海航空发动机厂改做汽车配件，这个推力级别发动机的工业能力直到20年后才恢复。

·                               由于引进麦道组装，刚刚诞生的与运十飞机配套的庞大民族工业链条丧失，直到上马ARJ21 支线飞机后才重建，否则今天启动C919的工业基础都很难建立。

·                               十余年倾国之力建立的国际级飞机设计精英团队任其消散流失，大师级飞机设计师马凤山总师仅61岁抑郁而逝，到九十年代后期用“两所整合”的名义撤销了上海飞机设计研究所的设计团队体系，        其后20多年一直到C919工程上马，都是基本上采取遣散这支大团队的措施。所有的运十精英不给予一个评选科学院士的机会，几乎人人半生“灰头土脸”。（据运十设计师雷世豪研究员回忆，由于当时航空主管领导（某位著名航空院士）要求不得给运十通过任何鉴定，在一位负责噪声单项技术评审主管的大力要求下，运十的减噪技术是唯一获得评审通过的项目。这位评审主管总是后来为此付出的代价是终身没有获得院士成就的评审资格。）

    今天国家虽然在提倡自主创新，中国工业界却习惯于急功近利、四处仿制，在这个到处充斥着低劣工业化的经济时代，我们纪念运十飞机的伟大成就，就是真正用我们的现代思维能力、科技能力、工业能力来说明中华民族只有独立自主，只有“正向工业设计”，才可以具有伟大复兴的可能性！

              写于2014年12月10日晨

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