■整理 解放日報記者 徐蓓

昨天,中國人自己研發、擁有自主知識產權的國產大型商用飛機C919順利完成了第二次試飛。

國產大飛機的一飛沖天,背后究竟經歷了怎樣的艱難歷程?在不久前舉行的“上海科協大講壇暨科技前沿大師談”活動中,C919常務副總設計師陳迎春、發動機專家劉大響院士、材料學專家曹春曉院士為大家講述了國產大飛機的“進化史”。

大國的名片、富國的專利、強國的象征

■陳迎春

大飛機為什么叫C919?C是中國China的縮寫,表明這個飛機是中國人自己的飛機。我們以前在上海組裝麥道飛機時要叫麥道,在天津組裝320要叫320;國內這么多汽車,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就是中國人自己的飛機。919,第一個“9”的寓意是天長地久,“19”代表的是中國首型中型客機最大載客量為190座,中間的“1”也代表這是中國商飛研發的第一款大型客機,以后研發的會陸續叫929、939……

經過100多年的發展,飛機已經成為人類社會的主要交通工具。中國是目前全世界第二大民用航空市場,每天有300多萬人在空中飛行,未來20年,中國需要增加六七千架飛機。

商用飛機也就是大飛機,是科技的巔峰。世界上目前能夠造大型商用飛機(150座以上)的,只有美國的波音公司和歐洲聯合起來的空客公司,它是大國的名片、富國的專利、強國的象征。像美國總統到世界各地出席活動,都是坐自己國家造的專機波音747,歐洲領導人都是坐歐洲自己造的空客飛機出訪,將來我們國家的領導人出國,也要坐上自己的專機。

中國商用飛機的發展大致分為以下四個階段。

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

曾經在歷史上,我們多次想搞商用飛機,但是限于國家的經濟實力,加上工業基礎不具備條件,所以當時都沒有搞成功。到了21世紀以后,國家方方面面都發展了,我們終于有這個實力和能力發展大飛機。

2008年5月11日,中國商飛在上海成立。2014年5月23日,習近平總書記來到商飛公司視察,他說,我們要成為一個強國,就一定要把裝備制造業搞上去,把大飛機搞上去,起帶動作用、標志性作用。

C919大型客機從2008年啟動,到2017年5月5日圓滿首飛,用了整整9年時間。它是150座飛機,航程5550公里,C919目前是全世界單通道飛機中最先進的。

C919首飛以后,黨中央國務院發來賀電,指出要“努力把大型客機項目打造成為新時期改革開放的標志性工程、建設創新型國家和制造強國的標志性工程”。十八大以來黨中央國務院發賀電的科技成就一共只有8項,說明大飛機首飛在我們國家歷史上特別是航空史上具有劃時代的意義。

目前,中國商飛又啟動了300座級雙通道飛機C929項目,這是我們和俄羅斯聯合研制的,航程要達到12000公里。C929寬體客機的研制,將實現我們國家大飛機領域的四大跨越:一是窄體單通道向寬體雙通道跨越,二是中短程內陸飛行到遠程跨洋飛行,三是金屬材料為主到復合材料為主,四是從后起之秀向國際商用飛機強國跨越。

未來,商用飛機在技術發展上面臨的趨勢是“四性四減”。“四性”就是安全性、經濟性、舒適性、環保性;“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,可在常規機場實現水平起降,實現低噪音、零排放,到那時從中國飛到美國只需3至4個小時,這是我們的夢想。

建造中國人自己的大飛機,這是民族夢想、人民期盼、歷史責任,我們一定會承擔好這樣的責任,把這個事情做好。

飛機的“心臟”,為何被稱為國之重器

■劉大響

航空發動機是飛機的“心臟”,“皇冠上的珠寶”,國之重器,是國家重要的戰略性新興產業。

從20世紀40年代末以來,世界上的戰斗機噴氣發動機已經發展了四代,美國的F22用的就是第四代發動機。民用發動機也發展了四代,目前國產大飛機C919用的是由美國和法國合作生產的最新一代發動機。我們正在上海加緊研究國產的先進大涵道比渦扇發動機,可能還需要一段時間才能夠完成,最終用它來替換美法合作研制的發動機。

發動機的研制難度比較大。據國外統計,一般發動機的研制周期要比飛機多一倍,甚至兩倍。C919的發動機和飛機是同時立項的,所以,我們國產的發動機要趕上飛機的研制進度,這是不可能的。

雖然商用發動機公司比中國商用飛機公司晚兩年多才建立,但是我們堅信,要搞大飛機,一定要搞自己的發動機,如果沒有自己的“心臟”,大飛機也是不可能真正自主研制成功的。

民用航空發動機是一種十分復雜的熱力機械,需要在高溫、高壓、高轉速和交變負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、噪聲小、排污少、可靠性高、安全性好、研制和維護成本低等眾多十分苛刻而又相互矛盾的要求。

下面我來說說發動機研制的特點和難點。

第一,要有高安全性和高可靠性。適航條例規定:發動機每飛行1000小時的空中停車率只允許0.002-0.005次。為了使發動機在空中不出大的事故,我們必須做大量的地面實驗,排除故障,消除隱患。第二,壓力比很高。民用發動機內部薄薄的機匣要承受50到60個大氣壓,相當于2個半長江三峽大壩所承受的壓力,而不能出現變形和損壞。第三,轉速很高。大涵道比渦扇發動機高壓轉子轉速一般要達到15000-20000轉/分鐘。小小的葉片要承受它自身重量2萬倍左右的離心載荷,而不能出現裂紋或斷裂。第四,溫度很高。現代發動機渦輪前的燃氣溫度,軍用發動機要達到2100K,民用發動機達到1900K左右。在這么高的溫度下,所有金屬都融化了。我們必須從設計、材料、工藝和試驗上采取許多措施來克服這些困難。第五,發動機中的流速很高,相當于8到10級大風。燃燒室在這種條件下必須可靠點火,且火焰要很穩定。

正因為如此,在航空發動機定型并裝機飛行之前,必須要做大量的試驗研究工作。據統計,國外一般要做近20萬小時的零部件試驗,2到3萬小時的地面整機試驗,3000到6000小時的高空臺試驗,5000到10000小時的飛行試驗。為什么發動機研發周期那么長?這就是其中的重要原因之一。

長期以來,美、俄、英、法等少數發達國家一直把優先發展航空發動機作為基本國策,將航空發動機工業發展成高附加值的國家高科技戰略性產業,把航空動力技術列為嚴密封鎖、嚴禁出口轉讓的關鍵技術,并逐步形成對航空動力技術和全球市場的壟斷地位。

在黨的十八屆五中全會上,習近平總書記提出,在原來16個重大科技專項的基礎上,要再選擇一批體現國家戰略意志的重大科技項目,力爭有所突破。其中明確將航空發動機及燃氣輪機列為國家重大科技專項之一,并于2016年8月28日單獨成立了中國航空發動機集團公司。這是黨中央、國務院在新時期做出的重大戰略決策!

我們希望通過航空發動機及燃氣輪機重大科技專項的實施,堅定不移地走自主發展的道路,進一步夯實基礎,突破和掌握關鍵技術,全面提升自主創新能力,實現第三、第四代主戰飛機和C919干線客機動力的自主保障,完成從跟蹤到自主研制的戰略轉變,從而躋身于世界航空動力強國之列。

我們堅信,中國自主研制的高性能航空發動機,在不久的將來一定會被裝在自己的飛機上,翱翔藍天,一個航空動力強國必將屹立在世界的東方!

一代材料,一代飛機

■曹春曉

“一代材料,一代飛機”,這是世界航空發展史的真實寫照。100多年來,材料與飛機一直在相互依賴、相互推動下不斷發展。

航空結構材料通常處于材料領域的最前沿,其技術含量之高和技術難度之大,無愧于材料世界的“天之驕子”。

航空結構材料100多年來經歷了五個發展階段。第一個階段從1903年美國萊特兄弟發明飛機開始,直到20世紀10年代。飛機機體上的結構主要是木、布結構,那時候飛機飛得不快,勉強可以頂得住。第二個階段是上世紀20年代到40年代,飛機的結構材料以鋁和鋼為主。第三個階段是上世紀五六十年代,鈦合金作為新的金屬材料出現了,鋁、鈦、鋼三位一體組成了飛機的主要結構材料。第四個階段是上世紀70年代到21世紀初,出現了復合材料,并被逐漸加入到飛機結構材料中。第五個階段是本世紀初至今,進入到了以復合材料為主的時代。

為什么飛機的結構材料會發生這些變化?很重要的原因是材料的比強度要求不斷提高。所謂比強度,是指單位密度的強度,也就是材料的抗拉強度與材料密度之比。一般來說,比強度越高,表明達到相應強度所用的材料質量越輕;而且,隨著溫度的變化,不同材料的比強度也不同。當溫度達到350~600攝氏度左右時,鈦合金的比強度最高,所以溫度高的地方,就必須要用鈦合金。

近年來,無論是大型運輸機還是民用客機,鈦合金在航空結構中的用量越來越大,不斷創新高。我們的大飛機C919的鈦合金用量達到了7.3%到9.3%,和波音777相當,算是比較先進的;但是和波音787、空客A350相比仍有差距,它們的用量達到了14%到15%。目前鈦合金用量的紀錄是由俄羅斯MS21創造的,它達到了25%。

鈦合金最大的缺點是昂貴,所以在民用飛機上,出于經濟性的考慮,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零件上呢?有很多,我今天講一個典型的零件——起落架。起落架下面有一個轉向架,6個輪子加一根橫梁,這根橫梁要承受很大的力量,所以美國的波音777上,這根梁用的是鈦合金,這是一個很大的鍛件,是在美國的45000噸模鍛液壓機上鍛出來的。隨著飛機越來越大,起落架的零件也越來越大。比如空客A380飛機上的這根橫梁,它的鍛件重量達3210千克,是迄今為止最重的鈦合金航空大型鍛件。為了鍛造這個鍛件,不得不委托俄羅斯加工,因為俄羅斯有75000噸的液壓機。

而我們在四川德陽有一座8萬噸的液壓機,可以自主研制生產大的鍛件。8萬噸的液壓機是如今世界上最大的液壓機,此前世界上擁有4萬噸級以上大型模鍛液壓機的國家只有美、俄、法三國。

下面再講一講復合材料。

這幾年復合材料發展非常快,在大型飛機上的應用越來越多。波音787上的復合材料占到50%,空客A350原來的復合材料只占40%,但是波音787用了那么多復合材料后,減少了燃料,更受歡迎,于是A350改進了設計,所使用的復合材料達到53%。

為什么機體的材料結構會出現以復合材料為主的新格局呢?因為使用復合材料,一是價格比過去便宜,二是性能比過去更好。飛機上的零件有幾十萬、上百萬個,設計師們當然希望零件越少越好,這樣可以大量節省出結構重量。復合材料不僅比強度高,而且特別容易整體化,幾十個小零件能變成一個大零件,就解決問題了。

我們國家目前使用復合材料的情況,還需要不斷發展。軍用運輸機Y20目前所用的復合材料達到8%,商用飛機ARJ21為1%,C919現在仍在不斷改進,力爭達到12%。

最后說說鋁合金和鋼。鋁合金和鋼仍有不可或缺的地位,至少在相當長的時間里飛機材料仍離不開鋁合金和鋼,因為它們比較便宜,而且性能不斷在改進,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,在航空領域和材料領域已經奔波了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,整個科技世界真的很精彩。

當然,這個世界也有不少事讓我們很無奈,有不少難題讓我們真的很棘手,但這不能阻止我們去追求世界的精彩。一個人如果不能為這個世界的精彩奉獻些什么的話,就沒有什么精彩人生可言了。