深度解读 | A321XLR的后部中央油箱(RCT:Rear Center Tank)
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2021年12月6日,空客宣布,首架A321XLR即将在汉堡工厂九号厂房的二号总装线完成结构装配,并将按计划于2023年进入市场服役。生产序列号为11000的该架A321XLR,其机身部分、尾翼部分与机翼部分已完成对接,起落架也已完成安装。
其中,前机身段与后机身段在汉堡工厂第41工位对接而组成机身段后,吊至第40工位,以安装机翼和起落架,再被移至第35工位,以安装垂尾部分(包含垂直安定面和方向舵)、水平安定面以及燃油系统改进部分。
此后,机身及垂尾将在第25工位测试液压动力,进行增压检查,检测内部配件、航电和其他系统。包括试飞员座椅在内的客舱设备,将于装配的最后阶段安装。MSN11000在安装Leap-1A发动机及飞行测试设备后,会进行起落架收起试验及其他检查,并在完成喷漆后,送至空客飞行测试部门。
空客表示,与A321的其他子型号相比,A321XLR在总装阶段没有太多差异。主要变化发生在总装前的机身对接上。在那里,A321XLR独有的后部中央油箱(RCT:Rear Center Tank),将随着前后机身段的对接,在第41工位一并完成装配。而燃油系统改进,也是为了配合使用RCT。
航空产业网观点
2019年6月,空客在巴黎航展上宣布启动A321XLR项目。由于机翼和机身得到加强,该机型的最大起飞重量达到101吨,相较于A321LR高出4吨。为此,空客增强了起落架、更新了刹车组件。此外,如航空产业网之前的解读,该机型还采用了A320ceo的内侧单缝襟翼,而非A321ceo使用的双缝襟翼,使其起降性能和发动机推力要求,能够达到A321LR的水平。这种设计还减轻了机翼重量,降低了阻力,减少了可动部件数量,降低了维修成本。该机型还配备了更大的废水箱。
但是,A321XLR的最大不同,在于其超长航程。空客宣称,在两舱布局下,A321XLR的航程可达4,700海里(约8,700公里)。而RCT正是实现这一目标的关键构件。航空产业网推测,当只使用RCT时,预计A321XLR的航程接近4,140海里(约7,670公里)。当RCT与一个前部辅助中央油箱(Forward ACT:Additional Centre Tank)一起使用时,连同其他改进改型,就可以帮助A321XLR成为航程最长的在产窄体飞机。2019年12月,Premium AEROTEC(PAG)公司开始着手生产RCT。
RCT及其法兰组件位于A321XLR中后机身的前部,被集成于机身17段,紧挨着主起落架舱,自身不可拆卸。根据空客官网在2021年5月的报道,RCT最多可提供燃油13,100升。其设计容量与四个A321LR使用的ACT相当,但仅占用两个ACT的空间,仅相当于一个可拆卸ACT的重量。
2020年6月,首个RCT开始切割,8月,首个RCT开始部件生产和结构装配。
2021年2月,A321XLR的首个前、中、后机身段以及机翼的部件装配准备工作开启。4月, 空客使用样机与虚拟验证机,提前分析装配过程中可能出现的瑕疵及衍生问题,为实际装配做准备。
为分析首个A321XLR的装配所使用的样机
同样是在4月,经过十六个月的生产,A321XLR的首个中央翼盒完工(位于机身15段)。为了适应A321XLR的需要,中央翼盒进行了200多项改进。5月,首个RCT完成制造,空客正式开始组装首架A321XLR。12月,MSN11000开始地面测试。
下图是航空产业网分析得出的RCT的安装位置。其中,左上图为RCT所在位置的示意图。右上图为MSN11000在汉堡的地面测试图。左下图和右下图为此前PAG公司发布的首个RCT图片。航空产业网综合判断,左下图显示的是RCT的前端,右下图显示的是RCT的后端。航空产业网还在右上图中标识出了RCT所在位置(白线范围)。
实际上,这并非空客第一次使用包括ACT和RCT在内的辅助油箱为A321飞机增程。
A321项目于1989年11月正式启动。1994年1月,A321-100交付予汉莎航空公司,最大起飞重量为83吨,航程2,300海里(约4,260公里)。两年后,A321-200交付。该机使用了一个ACT,最大起飞重量增至89吨,航程增至2,700海里(约5,000公里)。该ACT形如一个LD-6腹舱集装箱,可装载接近3,121升燃油。2000年,A321-200改用两个ACT,最大起飞重量提高到93.5吨,航程可达3,000海里(约5,550公里)。
进入NEO时代,A321neo(A321-200NX)因受益于新发动机油耗下降至巡航阶段的约每小时2,500升等有利因素,在最大起飞重量未发生变化的情况下,航程最远增加至3,700海里(6,850公里)。2018年,空客推出A321neoACF,即采用“空客灵活客舱”构型使得典型两舱布局下载客数增至220人的同时,使用了三个ACT(一个前机身ACT,两个后机身ACT),使得可装载燃油达到32,800升,最大起飞重量增加到97吨,航程增加到4000海里(约7,400公里)。因此,A321neoACF也被称为A321LR。
A321“空客灵活客舱”构型包含应急舱门的更新
为了满足市场需求,空客又单独设计了一个RCT,称之为A321XLR(A321-200NY)。如航空产业网在前文所述,其最大起飞重量增加到101吨,当再增加一个前机身ACT时,其航程可达到4700海里(约8,700公里)。
航空产业网发现,这也并非空客第一次使用RCT来为飞机增程。
2002年,空客曾在四发宽体飞机A340-500上同样使用过一款RCT,设计容量达到19,930升。该RCT位于A340-500中央主起落架舱之后的非增压段机身内,同样不可拆卸。空客直接使用机身蒙皮作为该RCT的壁面,并于2002年12月获得了欧洲联合航空局的认可。然而,这种RCT没有通过FAA的耐撞性审查。为此,空客为该RCT使用了凯夫拉衬垫,并重新设计了紧急放油装置,使得该RCT在紧急情况下可首先抛油。
那么,航空界对A321XLR的RCT又有什么看法?这款RCT是否能顺利通过适航当局的认可?
从PAG公司发布的RCT照片来看,该款RCT至少部分壁面直接使用了后机身下部蒙皮。但实际上,该款RCT为独立油箱,拥有自身的油箱蒙皮以及内外部结构,包括内部的框架和长桁以承担燃油负载,以及外部结构以与机身相接。因此,其下部并不直接使用机身蒙皮,上部也不直接使用客舱地板。只不过在生产时,该RCT与其所在的机身17段一体成型、不可拆卸,而不像ACT那样被安装在机身腹舱内。由于这样的设计,该RCT的截面相较ACT更接近于机身下半部的半圆形,上表面更靠近客舱地板,自身也更长,因此可以承载更多燃油。
航空产业网认为,A321XLR的RCT不直接使用机身蒙皮,还有一个好处。也即通过将RCT与机身蒙皮隔离,降低飞机巡航时机内燃油因外界极低的大气温度而产生冻结的可能性。航空燃油的冻结温度本身较低,以Jet A-1为例,其冻结温度为-47摄氏度(-53华氏度)。即便如此,制造商在制造飞机时,还采用多种方法降低燃油冻结可能性。除将油箱与机身蒙皮隔离外,还可以使用绝缘材料。RCT内燃油体积较大,也能减缓燃油冻结速度。通过将液压管道安置在油箱附近,也是降低燃油冻结的方法之一。
但是,由于RCT与客舱甲板距离较近,较低的燃油温度依然会使坐于其上的旅客感到双腿寒冷。在EASA于2021年1月发布的《咨询文件特别条款》中,这一点被首先提及。
EASA认为,需要在RCT和客舱甲板之间安装一层符合烧穿特性的绝缘板,满足EASA《大型飞机审定规范》CS 25.856(b)的规定,以保证RCT不对客舱产生影响。CS 25.856(b)规定,安装在旅客数为20人或以上飞机机身下半部的隔温层/隔音层材料,应通过CS 25相关的耐火穿测试或与之相当的测试。这些要求在CS 25附件F的第VII章有详细描述。
问题在于,RCT自身与客舱甲板之间的空间,可能不足以安置绝缘板。此外,满足烧穿特性的绝缘板虽然可以保护客舱甲板,却难以保护位于机身两侧的释压板。最后,满足烧穿特性的材料,还可能会损害RCT周边用以降低火灾、爆炸和烟气风险的通风装置。
解决这一问题的方法,要么是使用其他材料的绝缘板,要么是向旅客提供舱内保暖软鞋。航空产业网认为,如果RCT的燃油可以被首先使用,也许不失为一种妥协方法。在飞机到达巡航高度前,RCT内部分燃油已经被消耗,其对客舱旅客的影响,也会有所降低。此外,使用可调节防高温的加热甲板衬垫或许是另一解决之道。
EASA还认为,在主起落架舱之后、增压客舱之下的整体式RCT,还有可能带来火穿风险。在RCT自身暴露于火灾中时,如没有恰当保护,有可能会降低旅客逃逸时间。虽然RCT所使用的铝制材料具有一定耐火性,但程度如何还需研究,因此为保障客舱安全,上述绝缘板颇为重要。
上述《咨询文件特别条款》获得三个反馈。来自波音公司全球法规战略总监Mildred Troegeler的有两个。Mildred首先认为,被集成于机身内的油箱,其冗余度相较结构独立的油箱要小。在暴露于外部较为集中的火灾中时,这种油箱会带来更多有害物。此外,在缺少绝缘板隔离机身蒙皮以及如燃油与机身蒙皮直接接触的情况下,外部火灾还有可能引起此类油箱内部灼热,进而引起高温蒸汽的爆炸或着火。Mildred还认为,在飞机冲出跑道或起落架失效时,集成于机身内的油箱还存在结构破坏可能。这两点反馈都获得了EASA同意,但《特别条款》并不因此发生改变。换句话说,EASA认为Mildred的反馈,已在其考虑之中。
在窄体飞机上使用大型RCT,在为航空运输带来更远航程的同时,确实也为航空制造带来崭新课题。从空客为A321增设RCT这个案例看,要想在现有飞机尺寸下实现增程,需要解决的远远不是造出一个油箱那么简单。
在为A321XLR生产RCT之前,PAG公司曾拥有为欧洲台风战斗机生产整体式中央油箱的丰富经验。该公司曾隶属于空客前身EADS。2007年,为了应对美元指数持续走弱和对新机型投资不断增加的困境,EADS将非核心业务剥离。三个制造厂被整合为PAG公司,作为EADS的全资子公司运营。2009年,PAG公司开始为其他客户生产非空客产品。2012年,PAG公司开始为波音生产波纹翼樑。主业为机身、舱门和结构制造的法国拉泰科雷集团( Latécoère Group)和主业为结构件、系统和服务的美国凯旋集团(Triumph Croup)均为其客户(参考: AERO100连载 | PAG公司)。
航空产业网认为,空客通过包括RCT和ACT在内的辅助油箱为飞机增程,从而占据更广阔的市场,无论是对于中国的C919还是俄罗斯的MC-21-300,都有着良好的借鉴意义。这正是新晋者将具备的后发优势。而在其向领先制造商追赶的过程中,必将孕育着大量商业机会。航空产业网愿与行业一起,不断挖掘和创造中国航空产业商业价值。