距離國產(chǎn)大飛機(jī)投入使用,只有一步之遙了。
上海兩會期間,上海市政協(xié)委員、中國商飛公司總會計師吳永良表示,C919目前處于適航取證階段,預(yù)計將在2022年完成交付。
C919是中國首款完全按照國際先進(jìn)適航標(biāo)準(zhǔn)所研制的單通道大型客機(jī),擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)。其機(jī)頭、機(jī)身、機(jī)翼到翼吊發(fā)動機(jī)等設(shè)計均由中國自己的團(tuán)隊完成。在大型客機(jī)整體機(jī)型設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)上,C919實現(xiàn)了100多項攻關(guān)突破,其背后,是無數(shù)中國科學(xué)家數(shù)十年的心血。
自國務(wù)院成立大型飛機(jī)重大專項領(lǐng)導(dǎo)小組起,C919等國產(chǎn)大飛機(jī)研制已走過15年,距離上世紀(jì)的大飛機(jī)項目“運(yùn)10”,更是過去了50年。
近日,兩位參與過國產(chǎn)大飛機(jī)研發(fā)的院士罕見地參加了同一檔科普節(jié)目。在抖音與中國科協(xié)“科創(chuàng)中國”聯(lián)合出品的《院士開講》中,中國科學(xué)院院士曹春曉和中國工程院院士王華明科普了應(yīng)用在C919制造中的鈦合金應(yīng)用和金屬3D打印技術(shù),讓我們看到了國產(chǎn)大飛機(jī)背后技術(shù)攻堅的艱辛過程。
給國產(chǎn)大飛機(jī)換上鈦合金
2006年,國務(wù)院批準(zhǔn)成立大型飛機(jī)方案論證委員會,曹春曉是唯一從事航空材料研究的委員。國產(chǎn)大飛機(jī)項目啟動后,曹春曉擔(dān)任專家咨詢委員會委員,奔波于全國各地。大飛機(jī)項目涵蓋民用和軍用機(jī)型,民用客機(jī)代號就是C919。
飛機(jī)的自重越少越好,飛機(jī)自身的重量占它整個起飛重量的百分?jǐn)?shù),稱為“飛機(jī)的結(jié)構(gòu)重量系數(shù)”。過去七十年,沒有一架飛機(jī)的結(jié)構(gòu)重量系數(shù)低于27%,就是受制于大型構(gòu)件的性能和大型構(gòu)件的制造能力。鈦合金材料成為其中的關(guān)鍵。通過鈦合金材料和鍛造技術(shù)的提升,可以減輕飛機(jī)的結(jié)構(gòu)重量,提升其競爭力。
如今,對經(jīng)濟(jì)性要求更高的C919,鈦合金用量達(dá)到8%,與美國波音777的7.5%用量相當(dāng)。大飛機(jī)的制造離不開對技術(shù)要求極高的大鍛件。在《院士開講》欄目中,曹春曉展示了一個用于C919的鈦合金鍛件接頭,這個名為TC4的接頭,重量為600公斤。為了制造類似的鍛件,中國建設(shè)了世界上壓力最大的8萬噸液壓機(jī)。
來源:抖音《院士開講》第五期
2015年11月,擁有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的C919在上海總裝下線,正式向全球公開亮相。曹春曉在現(xiàn)場激動不已,四十多年的夢想終于成真。
2017年5月5日,C919大型客機(jī)在上海成功首飛。2021年3月,C919拿下首單訂單。截至2022年初,C919已經(jīng)拿下815架訂單。
曹春曉院士(左四)在C919下線現(xiàn)場
彎道超車的3D打印技術(shù)
作為改革開放后走上科研崗位的中堅力量,王華明院士致力于用3D打印技術(shù)解決材料鍛造難題,對于國產(chǎn)大飛機(jī)的研制也發(fā)揮了關(guān)鍵作用。他今年50歲,已經(jīng)在金屬3D打印領(lǐng)域鉆研22年。
“3D打印”在業(yè)界有更學(xué)術(shù)的名稱:增材制造。這項在1980年左右誕生的制造技術(shù),得益于計算機(jī)的發(fā)明,使制造過程變得數(shù)字化。而其原理,就是把零件切分成無窮多的平面,把三維的復(fù)雜零件當(dāng)成二維的平面問題來做。
所謂的“增材”,就是一層一層地往上增加原料來做成新的材料,就像高等數(shù)學(xué)里的定積分。增材制造,就是把粉和絲這樣的原料,通過熔化的過程,完成合金化,完成凝固,完成材料的制備,與此同時,塑膜直接變成零件,材料制備的過程本身就是制造復(fù)雜零件的過程,中間不再需要有傳統(tǒng)的冶金工業(yè),傳統(tǒng)的鍛造工業(yè)過程。
來源:抖音《院士開講》第九期
王華明院士團(tuán)隊研發(fā)出的激光增材制造技術(shù),為國產(chǎn)大飛機(jī)和新型戰(zhàn)斗機(jī)提供了關(guān)鍵受力大型部件?!拔覀儓F(tuán)隊真正瞄準(zhǔn)的核心,是如何控制微區(qū)冶金這個過程,能做出高品質(zhì)的材料,能讓材料的性質(zhì)發(fā)生質(zhì)的變革?!蓖跞A明說。
在《院士開講》中,王華明還分享了一次攻堅經(jīng)歷。美國等國外技術(shù)團(tuán)隊率先嘗試用增材制造的方法制造鈦合金構(gòu)件,結(jié)果疲勞性能不夠,嘗試了很多辦法還是未能改善,在2005年左右放棄了這條路。而王華明的團(tuán)隊繼續(xù)堅持,雖然起步晚于國外,最終卻做出了可以用于大飛機(jī)的關(guān)鍵構(gòu)件。
來源:抖音《院士開講》第九期
從2007年起,王華明團(tuán)隊就已制造出許多非常復(fù)雜的構(gòu)件?!耙郧拔覀兛値焸兒茴^疼,他可以設(shè)計出非常好的結(jié)構(gòu),但我們搞制造的干不出來,現(xiàn)在你就可以把這個約束取消掉,自由地設(shè)計,我們想辦法去做,當(dāng)然我們可能永遠(yuǎn)跟不上設(shè)計師的步伐,但是你可以放開,你們至少有很多余地會改善?!蓖跞A明院士說。
拿C919來說,機(jī)頭主風(fēng)擋窗框就是王華明院士團(tuán)隊研發(fā)的。這種部件尺寸大、形狀復(fù)雜,國內(nèi)飛機(jī)制造廠的傳統(tǒng)方法無法制作。歐洲一家公司可以制作,但周期漫長,需要兩年時間才能交貨,而且價格高昂,僅每件模具費(fèi)就要50萬美元。
2009年,王華明團(tuán)隊利用3D打印技術(shù),耗時55天做出了C919機(jī)頭鈦合金主風(fēng)擋整體窗框,成本不足歐洲鍛造模具費(fèi)的十分之一。
王華明團(tuán)隊通過和沈陽飛機(jī)設(shè)計研究所等機(jī)構(gòu)的密切合作,在大型關(guān)鍵構(gòu)件的制造上,已經(jīng)取得了質(zhì)的突破。除了省去模具、傳統(tǒng)鑄造鍛造外,由于把三維問題當(dāng)成二維來做,零件的大小、形狀、尺寸,不再受制約,理論上不再受到制約。
“它將會改變未來裝備的結(jié)構(gòu),也許會改變未來裝備性能,也許一個飛機(jī)需要3萬個零件,自重好幾十噸,現(xiàn)在有了3D打印之后,幾萬個零件,也許變成2000個零件,數(shù)量已經(jīng)大幅度減少。通過打印高品質(zhì)的材料,強(qiáng)度在提高,自重也在減輕?!蓖跞A明說。
來源:抖音《院士開講》第九期
科普和科研同樣重要
除了機(jī)身,發(fā)動機(jī)也是鈦合金應(yīng)用的重要場景。航空發(fā)動機(jī)被看作是大型運(yùn)輸機(jī)和戰(zhàn)斗機(jī)的“心臟”。在《院士開講》中,曹春曉透露,“等長江渦扇發(fā)動機(jī)研制正式成功以后,也會用到我們這個C919上面?!?長江1000渦扇發(fā)動機(jī)的鈦用量已經(jīng)達(dá)到23%。
在《院士開講》的最后,作為新中國成立后的第一代科學(xué)家,曹春曉院士表達(dá)了他的愿望:“第一個愿望是希望(使用鈦合金材料)的新型國產(chǎn)飛機(jī)能夠早日投入使用,第二個則是未來還能做出質(zhì)量更高的國產(chǎn)(航空)發(fā)動機(jī)?!?/p>
來源:抖音《院士開講》第五期
曹春曉院士表示,國產(chǎn)大飛機(jī)之路還很長,需要更多人參與進(jìn)來。對此,王華明也深有同感?!耙龃笫虑椋阋粋€人是做不成的,要沉下心來,不要想著干每一份事情都要有一個眼前的這種利益,可能你需要合作,需要有個團(tuán)隊,不同的人在一起,干驚天動地事,做隱姓埋名臣,也許就是這么一種結(jié)果。”王華明說。
在他們看來,科普和科研同樣重要。王華明院士曾參加央視《開講啦》等科普節(jié)目,這次參加由抖音和中國科協(xié)“科創(chuàng)中國”聯(lián)合出品的《院士開講》,也是希望與更多年輕網(wǎng)友進(jìn)行交流。
目前,曹春曉和王華明院士的兩期內(nèi)容已經(jīng)在抖音、今日頭條、西瓜視頻上線,并吸引了上千萬人次觀看。
王華明院士的講述很生動,將3D打印的過程比作“揉面”。而曹春曉院士很擅長與年輕人進(jìn)行互動,雖然已是87歲高齡,卻依然關(guān)注很多年輕人關(guān)心的話題,比如科研院系的男女比例,或是熬夜和加班問題。通過這些科普內(nèi)容,越來越多的年輕網(wǎng)友開始對航天航空行業(yè)有了興趣。
《院士開講》抖音主頁及部分內(nèi)容
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