■整理 解放日?qǐng)?bào)記者 徐蓓

昨天,中國(guó)人自己研發(fā)、擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)產(chǎn)大型商用飛機(jī)C919順利完成了第二次試飛。

國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)的一飛沖天,背后究竟經(jīng)歷了怎樣的艱難歷程?在不久前舉行的“上海科協(xié)大講壇暨科技前沿大師談”活動(dòng)中,C919常務(wù)副總設(shè)計(jì)師陳迎春、發(fā)動(dòng)機(jī)專家劉大響院士、材料學(xué)專家曹春曉院士為大家講述了國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)的“進(jìn)化史”。

大國(guó)的名片、富國(guó)的專利、強(qiáng)國(guó)的象征

■陳迎春

大飛機(jī)為什么叫C919?C是中國(guó)China的縮寫(xiě),表明這個(gè)飛機(jī)是中國(guó)人自己的飛機(jī)。我們以前在上海組裝麥道飛機(jī)時(shí)要叫麥道,在天津組裝320要叫320;國(guó)內(nèi)這么多汽車(chē),上海大眾、北京奔馳都要加上別人的品牌,而我們自己的孩子才能姓自己的姓,所以C就是中國(guó)人自己的飛機(jī)。919,第一個(gè)“9”的寓意是天長(zhǎng)地久,“19”代表的是中國(guó)首型中型客機(jī)最大載客量為190座,中間的“1”也代表這是中國(guó)商飛研發(fā)的第一款大型客機(jī),以后研發(fā)的會(huì)陸續(xù)叫929、939……

經(jīng)過(guò)100多年的發(fā)展,飛機(jī)已經(jīng)成為人類社會(huì)的主要交通工具。中國(guó)是目前全世界第二大民用航空市場(chǎng),每天有300多萬(wàn)人在空中飛行,未來(lái)20年,中國(guó)需要增加六七千架飛機(jī)。

商用飛機(jī)也就是大飛機(jī),是科技的巔峰。世界上目前能夠造大型商用飛機(jī)(150座以上)的,只有美國(guó)的波音公司和歐洲聯(lián)合起來(lái)的空客公司,它是大國(guó)的名片、富國(guó)的專利、強(qiáng)國(guó)的象征。像美國(guó)總統(tǒng)到世界各地出席活動(dòng),都是坐自己國(guó)家造的專機(jī)波音747,歐洲領(lǐng)導(dǎo)人都是坐歐洲自己造的空客飛機(jī)出訪,將來(lái)我們國(guó)家的領(lǐng)導(dǎo)人出國(guó),也要坐上自己的專機(jī)。

中國(guó)商用飛機(jī)的發(fā)展大致分為以下四個(gè)階段。

第一階段是上世紀(jì)50年代到1978年改革開(kāi)放之前,主要是測(cè)繪仿制蘇聯(lián)的飛機(jī);第二階段是1978年至2002年,是低頭彎腰向西方學(xué)習(xí)的國(guó)際合作階段。但我們向人家學(xué),人家并不愿意教,關(guān)鍵技術(shù)不肯教給你;第三階段是2002年至2015年,中央下決心自主研發(fā)商用飛機(jī),中國(guó)人自己干,從2002年ARJ21支線客機(jī)立項(xiàng),到2008年在上海成立中國(guó)商飛。第四階段是從2015年至今,我們開(kāi)始昂首挺胸搞國(guó)際合作,比如中俄合作的C929、中美合作的B737完工中心,都是平起平坐跟國(guó)外合作。

曾經(jīng)在歷史上,我們多次想搞商用飛機(jī),但是限于國(guó)家的經(jīng)濟(jì)實(shí)力,加上工業(yè)基礎(chǔ)不具備條件,所以當(dāng)時(shí)都沒(méi)有搞成功。到了21世紀(jì)以后,國(guó)家方方面面都發(fā)展了,我們終于有這個(gè)實(shí)力和能力發(fā)展大飛機(jī)。

2008年5月11日,中國(guó)商飛在上海成立。2014年5月23日,習(xí)近平總書(shū)記來(lái)到商飛公司視察,他說(shuō),我們要成為一個(gè)強(qiáng)國(guó),就一定要把裝備制造業(yè)搞上去,把大飛機(jī)搞上去,起帶動(dòng)作用、標(biāo)志性作用。

C919大型客機(jī)從2008年啟動(dòng),到2017年5月5日?qǐng)A滿首飛,用了整整9年時(shí)間。它是150座飛機(jī),航程5550公里,C919目前是全世界單通道飛機(jī)中最先進(jìn)的。

C919首飛以后,黨中央國(guó)務(wù)院發(fā)來(lái)賀電,指出要“努力把大型客機(jī)項(xiàng)目打造成為新時(shí)期改革開(kāi)放的標(biāo)志性工程、建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家和制造強(qiáng)國(guó)的標(biāo)志性工程”。十八大以來(lái)黨中央國(guó)務(wù)院發(fā)賀電的科技成就一共只有8項(xiàng),說(shuō)明大飛機(jī)首飛在我們國(guó)家歷史上特別是航空史上具有劃時(shí)代的意義。

目前,中國(guó)商飛又啟動(dòng)了300座級(jí)雙通道飛機(jī)C929項(xiàng)目,這是我們和俄羅斯聯(lián)合研制的,航程要達(dá)到12000公里。C929寬體客機(jī)的研制,將實(shí)現(xiàn)我們國(guó)家大飛機(jī)領(lǐng)域的四大跨越:一是窄體單通道向?qū)掦w雙通道跨越,二是中短程內(nèi)陸飛行到遠(yuǎn)程跨洋飛行,三是金屬材料為主到復(fù)合材料為主,四是從后起之秀向國(guó)際商用飛機(jī)強(qiáng)國(guó)跨越。

未來(lái),商用飛機(jī)在技術(shù)發(fā)展上面臨的趨勢(shì)是“四性四減”?！八男浴本褪前踩?、經(jīng)濟(jì)性、舒適性、環(huán)保性;“四減”,就是減阻力、減重量、減噪音、減排放。我們還將研制新一代超聲速商用飛機(jī),可在常規(guī)機(jī)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)水平起降,實(shí)現(xiàn)低噪音、零排放,到那時(shí)從中國(guó)飛到美國(guó)只需3至4個(gè)小時(shí),這是我們的夢(mèng)想。

建造中國(guó)人自己的大飛機(jī),這是民族夢(mèng)想、人民期盼、歷史責(zé)任,我們一定會(huì)承擔(dān)好這樣的責(zé)任,把這個(gè)事情做好。

飛機(jī)的“心臟”,為何被稱為國(guó)之重器

■劉大響

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)的“心臟”,“皇冠上的珠寶”,國(guó)之重器,是國(guó)家重要的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。

從20世紀(jì)40年代末以來(lái),世界上的戰(zhàn)斗機(jī)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)發(fā)展了四代,美國(guó)的F22用的就是第四代發(fā)動(dòng)機(jī)。民用發(fā)動(dòng)機(jī)也發(fā)展了四代,目前國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)C919用的是由美國(guó)和法國(guó)合作生產(chǎn)的最新一代發(fā)動(dòng)機(jī)。我們正在上海加緊研究國(guó)產(chǎn)的先進(jìn)大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī),可能還需要一段時(shí)間才能夠完成,最終用它來(lái)替換美法合作研制的發(fā)動(dòng)機(jī)。

發(fā)動(dòng)機(jī)的研制難度比較大。據(jù)國(guó)外統(tǒng)計(jì),一般發(fā)動(dòng)機(jī)的研制周期要比飛機(jī)多一倍,甚至兩倍。C919的發(fā)動(dòng)機(jī)和飛機(jī)是同時(shí)立項(xiàng)的,所以,我們國(guó)產(chǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)要趕上飛機(jī)的研制進(jìn)度,這是不可能的。

雖然商用發(fā)動(dòng)機(jī)公司比中國(guó)商用飛機(jī)公司晚兩年多才建立,但是我們堅(jiān)信,要搞大飛機(jī),一定要搞自己的發(fā)動(dòng)機(jī),如果沒(méi)有自己的“心臟”,大飛機(jī)也是不可能真正自主研制成功的。

民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)是一種十分復(fù)雜的熱力機(jī)械,需要在高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速和交變負(fù)荷等極端惡劣條件下可靠地工作,并滿足推力大、油耗低、重量輕、壽命長(zhǎng)、噪聲小、排污少、可靠性高、安全性好、研制和維護(hù)成本低等眾多十分苛刻而又相互矛盾的要求。

下面我來(lái)說(shuō)說(shuō)發(fā)動(dòng)機(jī)研制的特點(diǎn)和難點(diǎn)。

第一,要有高安全性和高可靠性。適航條例規(guī)定:發(fā)動(dòng)機(jī)每飛行1000小時(shí)的空中停車(chē)率只允許0.002-0.005次。為了使發(fā)動(dòng)機(jī)在空中不出大的事故,我們必須做大量的地面實(shí)驗(yàn),排除故障,消除隱患。第二,壓力比很高。民用發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部薄薄的機(jī)匣要承受50到60個(gè)大氣壓,相當(dāng)于2個(gè)半長(zhǎng)江三峽大壩所承受的壓力,而不能出現(xiàn)變形和損壞。第三,轉(zhuǎn)速很高。大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速一般要達(dá)到15000-20000轉(zhuǎn)/分鐘。小小的葉片要承受它自身重量2萬(wàn)倍左右的離心載荷,而不能出現(xiàn)裂紋或斷裂。第四,溫度很高。現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪前的燃?xì)鉁囟?軍用發(fā)動(dòng)機(jī)要達(dá)到2100K,民用發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到1900K左右。在這么高的溫度下,所有金屬都融化了。我們必須從設(shè)計(jì)、材料、工藝和試驗(yàn)上采取許多措施來(lái)克服這些困難。第五,發(fā)動(dòng)機(jī)中的流速很高,相當(dāng)于8到10級(jí)大風(fēng)。燃燒室在這種條件下必須可靠點(diǎn)火,且火焰要很穩(wěn)定。

正因?yàn)槿绱?在航空發(fā)動(dòng)機(jī)定型并裝機(jī)飛行之前,必須要做大量的試驗(yàn)研究工作。據(jù)統(tǒng)計(jì),國(guó)外一般要做近20萬(wàn)小時(shí)的零部件試驗(yàn),2到3萬(wàn)小時(shí)的地面整機(jī)試驗(yàn),3000到6000小時(shí)的高空臺(tái)試驗(yàn),5000到10000小時(shí)的飛行試驗(yàn)。為什么發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)周期那么長(zhǎng)?這就是其中的重要原因之一。

長(zhǎng)期以來(lái),美、俄、英、法等少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家一直把優(yōu)先發(fā)展航空發(fā)動(dòng)機(jī)作為基本國(guó)策,將航空發(fā)動(dòng)機(jī)工業(yè)發(fā)展成高附加值的國(guó)家高科技戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè),把航空動(dòng)力技術(shù)列為嚴(yán)密封鎖、嚴(yán)禁出口轉(zhuǎn)讓的關(guān)鍵技術(shù),并逐步形成對(duì)航空動(dòng)力技術(shù)和全球市場(chǎng)的壟斷地位。

在黨的十八屆五中全會(huì)上,習(xí)近平總書(shū)記提出,在原來(lái)16個(gè)重大科技專項(xiàng)的基礎(chǔ)上,要再選擇一批體現(xiàn)國(guó)家戰(zhàn)略意志的重大科技項(xiàng)目,力爭(zhēng)有所突破。其中明確將航空發(fā)動(dòng)機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)列為國(guó)家重大科技專項(xiàng)之一,并于2016年8月28日單獨(dú)成立了中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)公司。這是黨中央、國(guó)務(wù)院在新時(shí)期做出的重大戰(zhàn)略決策!

我們希望通過(guò)航空發(fā)動(dòng)機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)重大科技專項(xiàng)的實(shí)施,堅(jiān)定不移地走自主發(fā)展的道路,進(jìn)一步夯實(shí)基礎(chǔ),突破和掌握關(guān)鍵技術(shù),全面提升自主創(chuàng)新能力,實(shí)現(xiàn)第三、第四代主戰(zhàn)飛機(jī)和C919干線客機(jī)動(dòng)力的自主保障,完成從跟蹤到自主研制的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)變,從而躋身于世界航空動(dòng)力強(qiáng)國(guó)之列。

我們堅(jiān)信,中國(guó)自主研制的高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī),在不久的將來(lái)一定會(huì)被裝在自己的飛機(jī)上,翱翔藍(lán)天,一個(gè)航空動(dòng)力強(qiáng)國(guó)必將屹立在世界的東方!

一代材料,一代飛機(jī)

■曹春曉

“一代材料,一代飛機(jī)”,這是世界航空發(fā)展史的真實(shí)寫(xiě)照。100多年來(lái),材料與飛機(jī)一直在相互依賴、相互推動(dòng)下不斷發(fā)展。

航空結(jié)構(gòu)材料通常處于材料領(lǐng)域的最前沿,其技術(shù)含量之高和技術(shù)難度之大,無(wú)愧于材料世界的“天之驕子”。

航空結(jié)構(gòu)材料100多年來(lái)經(jīng)歷了五個(gè)發(fā)展階段。第一個(gè)階段從1903年美國(guó)萊特兄弟發(fā)明飛機(jī)開(kāi)始,直到20世紀(jì)10年代。飛機(jī)機(jī)體上的結(jié)構(gòu)主要是木、布結(jié)構(gòu),那時(shí)候飛機(jī)飛得不快,勉強(qiáng)可以頂?shù)米?。第二個(gè)階段是上世紀(jì)20年代到40年代,飛機(jī)的結(jié)構(gòu)材料以鋁和鋼為主。第三個(gè)階段是上世紀(jì)五六十年代,鈦合金作為新的金屬材料出現(xiàn)了,鋁、鈦、鋼三位一體組成了飛機(jī)的主要結(jié)構(gòu)材料。第四個(gè)階段是上世紀(jì)70年代到21世紀(jì)初,出現(xiàn)了復(fù)合材料,并被逐漸加入到飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料中。第五個(gè)階段是本世紀(jì)初至今,進(jìn)入到了以復(fù)合材料為主的時(shí)代。

為什么飛機(jī)的結(jié)構(gòu)材料會(huì)發(fā)生這些變化?很重要的原因是材料的比強(qiáng)度要求不斷提高。所謂比強(qiáng)度,是指單位密度的強(qiáng)度,也就是材料的抗拉強(qiáng)度與材料密度之比。一般來(lái)說(shuō),比強(qiáng)度越高,表明達(dá)到相應(yīng)強(qiáng)度所用的材料質(zhì)量越輕;而且,隨著溫度的變化,不同材料的比強(qiáng)度也不同。當(dāng)溫度達(dá)到350~600攝氏度左右時(shí),鈦合金的比強(qiáng)度最高,所以溫度高的地方,就必須要用鈦合金。

近年來(lái),無(wú)論是大型運(yùn)輸機(jī)還是民用客機(jī),鈦合金在航空結(jié)構(gòu)中的用量越來(lái)越大,不斷創(chuàng)新高。我們的大飛機(jī)C919的鈦合金用量達(dá)到了7.3%到9.3%,和波音777相當(dāng),算是比較先進(jìn)的;但是和波音787、空客A350相比仍有差距,它們的用量達(dá)到了14%到15%。目前鈦合金用量的紀(jì)錄是由俄羅斯MS21創(chuàng)造的,它達(dá)到了25%。

鈦合金最大的缺點(diǎn)是昂貴,所以在民用飛機(jī)上,出于經(jīng)濟(jì)性的考慮,不可能用太多,要用在刀口上。

那么鈦合金主要用在哪些飛機(jī)零件上呢?有很多,我今天講一個(gè)典型的零件——起落架。起落架下面有一個(gè)轉(zhuǎn)向架,6個(gè)輪子加一根橫梁,這根橫梁要承受很大的力量,所以美國(guó)的波音777上,這根梁用的是鈦合金,這是一個(gè)很大的鍛件,是在美國(guó)的45000噸模鍛液壓機(jī)上鍛出來(lái)的。隨著飛機(jī)越來(lái)越大,起落架的零件也越來(lái)越大。比如空客A380飛機(jī)上的這根橫梁,它的鍛件重量達(dá)3210千克,是迄今為止最重的鈦合金航空大型鍛件。為了鍛造這個(gè)鍛件,不得不委托俄羅斯加工,因?yàn)槎砹_斯有75000噸的液壓機(jī)。

而我們?cè)谒拇ǖ玛?yáng)有一座8萬(wàn)噸的液壓機(jī),可以自主研制生產(chǎn)大的鍛件。8萬(wàn)噸的液壓機(jī)是如今世界上最大的液壓機(jī),此前世界上擁有4萬(wàn)噸級(jí)以上大型模鍛液壓機(jī)的國(guó)家只有美、俄、法三國(guó)。

下面再講一講復(fù)合材料。

這幾年復(fù)合材料發(fā)展非常快,在大型飛機(jī)上的應(yīng)用越來(lái)越多。波音787上的復(fù)合材料占到50%,空客A350原來(lái)的復(fù)合材料只占40%,但是波音787用了那么多復(fù)合材料后,減少了燃料,更受歡迎,于是A350改進(jìn)了設(shè)計(jì),所使用的復(fù)合材料達(dá)到53%。

為什么機(jī)體的材料結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)以復(fù)合材料為主的新格局呢?因?yàn)槭褂脧?fù)合材料,一是價(jià)格比過(guò)去便宜,二是性能比過(guò)去更好。飛機(jī)上的零件有幾十萬(wàn)、上百萬(wàn)個(gè),設(shè)計(jì)師們當(dāng)然希望零件越少越好,這樣可以大量節(jié)省出結(jié)構(gòu)重量。復(fù)合材料不僅比強(qiáng)度高,而且特別容易整體化,幾十個(gè)小零件能變成一個(gè)大零件,就解決問(wèn)題了。

我們國(guó)家目前使用復(fù)合材料的情況,還需要不斷發(fā)展。軍用運(yùn)輸機(jī)Y20目前所用的復(fù)合材料達(dá)到8%,商用飛機(jī)ARJ21為1%,C919現(xiàn)在仍在不斷改進(jìn),力爭(zhēng)達(dá)到12%。

最后說(shuō)說(shuō)鋁合金和鋼。鋁合金和鋼仍有不可或缺的地位,至少在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間里飛機(jī)材料仍離不開(kāi)鋁合金和鋼,因?yàn)樗鼈儽容^便宜,而且性能不斷在改進(jìn),因此不少地方還得選用它們,比如C919的起落架就使用了300M鋼。

我今年83歲了,在航空領(lǐng)域和材料領(lǐng)域已經(jīng)奔波了61年。我這一生最大的感悟是什么呢?材料世界真的很精彩,航空世界真的很精彩,整個(gè)科技世界真的很精彩。

當(dāng)然,這個(gè)世界也有不少事讓我們很無(wú)奈,有不少難題讓我們真的很棘手,但這不能阻止我們?nèi)プ非笫澜绲木?。一個(gè)人如果不能為這個(gè)世界的精彩奉獻(xiàn)些什么的話,就沒(méi)有什么精彩人生可言了。