距離國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)投入使用，只有一步之遙了。
中國(guó)商飛公司總會(huì)計(jì)師吳永良表示，C919目前處于適航取證階段，預(yù)計(jì)將在2022年完成交付。
C919是中國(guó)首款完全按照國(guó)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(shí)產(chǎn)權(quán)。其機(jī)頭、機(jī)身、機(jī)翼到翼吊發(fā)動(dòng)機(jī)等設(shè)計(jì)均由中國(guó)自己的團(tuán)隊(duì)完成。在大型客機(jī)整體機(jī)型設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)上，C919實(shí)現(xiàn)了100多項(xiàng)攻關(guān)突破，其背后，是無(wú)數(shù)中國(guó)科學(xué)家數(shù)十年的心血。
自國(guó)務(wù)院成立大型飛機(jī)重大專項(xiàng)領(lǐng)導(dǎo)小組起，C919等國(guó)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(xiàng)目“運(yùn)10”，更是過去了50年。
近日，兩位參與過國(guó)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(guó)科協(xié)“科創(chuàng)中國(guó)”聯(lián)合出品的《院士開講》中，中國(guó)科學(xué)院院士曹春曉和中國(guó)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(guó)產(chǎn)大飛機(jī)背后技術(shù)攻堅(jiān)的艱辛過程。
給國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)換上鈦合金
曹春曉跟國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)的淵源可以追溯到50年多前。
上世紀(jì)七十年代初期，大型噴氣式客機(jī)“運(yùn)-10”研制計(jì)劃啟動(dòng)。當(dāng)時(shí)曹春曉還不到40歲，在北京航空材料研究院工作，研究航空用鈦材料。中國(guó)在航空用鈦領(lǐng)域比國(guó)外落后了12年，但發(fā)展很快。1973年，他接到任務(wù)，參與研制渦扇8發(fā)動(dòng)機(jī)的研制，涉及59種鈦合金零件。
經(jīng)過幾年的協(xié)同作戰(zhàn)，曹春曉等人研制出10臺(tái)渦扇8發(fā)動(dòng)機(jī)，并經(jīng)受了試車實(shí)驗(yàn)。1980年，運(yùn)-10首航成功，最大起飛重量為110噸，讓中國(guó)成為世界上第五個(gè)研制大型噴氣式客機(jī)的國(guó)家。然而，6年之后，運(yùn)-10因?yàn)榉N種原因下馬，沒能投入商用。
這一度讓曹春曉遺憾不已。“對(duì)于我們這些航空材料人來說，誰(shuí)不希望能坐上自己設(shè)計(jì)和制造的大型客運(yùn)飛機(jī)呢?”
大飛機(jī)的夢(mèng)在26年后重新得以延續(xù)。
2006年，國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)成立大型飛機(jī)方案論證委員會(huì)，曹春曉是唯 一從事航空材料研究的委員。國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)項(xiàng)目啟動(dòng)后，曹春曉擔(dān)任專家咨詢委員會(huì)委員，奔波于全國(guó)各地。大飛機(jī)項(xiàng)目涵蓋民用和軍用機(jī)型，民用客機(jī)代號(hào)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(gè)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(jìng)爭(zhēng)力。
如今，對(duì)經(jīng)濟(jì)性要求更高的C919，鈦合金用量達(dá)到8%，與美國(guó)波音777的7.5%用量相當(dāng)。大飛機(jī)的制造離不開對(duì)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(gè)用于C919的鈦合金鍛件接頭，這個(gè)名為TC4的接頭，重量為600公斤。為了制造類似的鍛件，中國(guó)建設(shè)了世界上壓力最大的8萬(wàn)噸液壓機(jī)。
來源：抖音《院士開講》第五期
2015年11月，擁有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的C919在上?？傃b下線，正式向全球公開亮相。曹春曉在現(xiàn)場(chǎng)激動(dòng)不已，四十多年的夢(mèng)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(chǎng)
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(jiān)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(duì)于國(guó)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(xiàng)在1980年左右誕生的制造技術(shù)，得益于計(jì)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(wú)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(shí)，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(duì)研發(fā)出的激光增材制造技術(shù)，為國(guó)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。“我們團(tuán)隊(duì)真正瞄準(zhǔn)的核心，是如何控制微區(qū)冶金這個(gè)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。”王華明說。
在《院士開講》中，王華明還分享了一次攻堅(jiān)經(jīng)歷。美國(guó)等國(guó)外技術(shù)團(tuán)隊(duì)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(duì)繼續(xù)堅(jiān)持，雖然起步晚于國(guó)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(duì)就已制造出許多非常復(fù)雜的構(gòu)件。“以前我們總師們很頭疼，他可以設(shè)計(jì)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(gè)約束取消掉，自由地設(shè)計(jì)，我們想辦法去做，當(dāng)然我們可能永遠(yuǎn)跟不上設(shè)計(jì)師的步伐，但是你可以放開，你們至少有很多余地會(huì)改善。”王華明院士說。
拿C919來說，機(jī)頭主風(fēng)擋窗框就是王華明院士團(tuán)隊(duì)研發(fā)的。這種部件尺寸大、形狀復(fù)雜，國(guó)內(nèi)飛機(jī)制造廠的傳統(tǒng)方法無(wú)法制作。歐洲一家公司可以制作，但周期漫長(zhǎng)，需要兩年時(shí)間才能交貨，而且價(jià)格高昂，僅每件模具費(fèi)就要50萬(wàn)美元。
2009年，王華明團(tuán)隊(duì)利用3D打印技術(shù)，耗時(shí)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(duì)通過和沈陽(yáng)飛機(jī)設(shè)計(jì)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(huì)改變未來裝備的結(jié)構(gòu)，也許會(huì)改變未來裝備性能，也許一個(gè)飛機(jī)需要3萬(wàn)個(gè)零件，自重好幾十噸，現(xiàn)在有了3D打印之后，幾萬(wàn)個(gè)零件，也許變成2000個(gè)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。”王華明說。
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(dòng)機(jī)也是鈦合金應(yīng)用的重要場(chǎng)景。航空發(fā)動(dòng)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(zhǎng)江渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)研制正式成功以后，也會(huì)用到我們這個(gè)C919上面。”長(zhǎng)江1000渦扇發(fā)動(dòng)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(guó)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(gè)愿望是希望(使用鈦合金材料)的新型國(guó)產(chǎn)飛機(jī)能夠早日投入使用，第二個(gè)則是未來還能做出質(zhì)量更高的國(guó)產(chǎn)(航空)發(fā)動(dòng)機(jī)。”
來源：抖音《院士開講》第五期
曹春曉院士表示，國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)之路還很長(zhǎng)，需要更多人參與進(jìn)來。對(duì)此，王華明也深有同感。“要做大事情，你一個(gè)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(gè)眼前的這種利益，可能你需要合作，需要有個(gè)團(tuán)隊(duì)，不同的人在一起，干驚天動(dòng)地事，做隱姓埋名臣，也許就是這么一種結(jié)果。”王華明說。
兩位院士給出的一個(gè)答案是科學(xué)知識(shí)普及。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(guó)科協(xié)“科創(chuàng)中國(guó)”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(wàn)人次觀看。
王華明院士的講述很生動(dòng)，將3D打印的過程比作“揉面”。而曹春曉院士很擅長(zhǎng)與年輕人進(jìn)行互動(dòng)，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(duì)航天航空行業(yè)有了興趣。
《院士開講》抖音主頁(yè)及部分內(nèi)容
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