■整理 解放日报记者 徐蓓

昨天,中国人自己研发、拥有自主知识产权的国产大型商用飞机C919顺利完成了第二次试飞。

国产大飞机的一飞冲天,背后究竟经历了怎样的艰难历程?在不久前举行的“上?？菩蠼蔡臭呖萍记把卮笫μ浮被疃?C919常务副总设计师陈迎春、发动机专家刘大响院士、材料学专家曹春晓院士为大家讲述了国产大飞机的“进化史”。

大国的名片、富国的专利、强国的象征

■陈迎春

大飞机为什么叫C919?C是中国China的缩写,表明这个飞机是中国人自己的飞机。我们以前在上海组装麦道飞机时要叫麦道,在天津组装320要叫320;国内这么多汽车,上海大众、北京奔驰都要加上别人的品牌,而我们自己的孩子才能姓自己的姓,所以C就是中国人自己的飞机。919,第一个“9”的寓意是天长地久,“19”代表的是中国首型中型客机最大载客量为190座,中间的“1”也代表这是中国商飞研发的第一款大型客机,以后研发的会陆续叫929、939……

经过100多年的发展,飞机已经成为人类社会的主要交通工具。中国是目前全世界第二大民用航空市场,每天有300多万人在空中飞行,未来20年,中国需要增加六七千架飞机。

商用飞机也就是大飞机,是科技的巅峰。世界上目前能够造大型商用飞机(150座以上)的,只有美国的波音公司和欧洲联合起来的空客公司,它是大国的名片、富国的专利、强国的象征。像美国总统到世界各地出席活动,都是坐自己国家造的专机波音747,欧洲领导人都是坐欧洲自己造的空客飞机出访,将来我们国家的领导人出国,也要坐上自己的专机。

中国商用飞机的发展大致分为以下四个阶段。

第一阶段是上世纪50年代到1978年改革开放之前,主要是测绘仿制苏联的飞机;第二阶段是1978年至2002年,是低头弯腰向西方学习的国际合作阶段。但我们向人家学,人家并不愿意教,关键技术不肯教给你;第三阶段是2002年至2015年,中央下决心自主研发商用飞机,中国人自己干,从2002年ARJ21支线客机立项,到2008年在上海成立中国商飞。第四阶段是从2015年至今,我们开始昂首挺胸搞国际合作,比如中俄合作的C929、中美合作的B737完工中心,都是平起平坐跟国外合作。

曾经在历史上,我们多次想搞商用飞机,但是限于国家的经济实力,加上工业基础不具备条件,所以当时都没有搞成功。到了21世纪以后,国家方方面面都发展了,我们终于有这个实力和能力发展大飞机。

2008年5月11日,中国商飞在上海成立。2014年5月23日,习近平总书记来到商飞公司视察,他说,我们要成为一个强国,就一定要把装备制造业搞上去,把大飞机搞上去,起带动作用、标志性作用。

C919大型客机从2008年启动,到2017年5月5日圆满首飞,用了整整9年时间。它是150座飞机,航程5550公里,C919目前是全世界单通道飞机中最先进的。

C919首飞以后,党中央国务院发来贺电,指出要“努力把大型客机项目打造成为新时期改革开放的标志性工程、建设创新型国家和制造强国的标志性工程”。十八大以来党中央国务院发贺电的科技成就一共只有8项,说明大飞机首飞在我们国家历史上特别是航空史上具有划时代的意义。

目前,中国商飞又启动了300座级双通道飞机C929项目,这是我们和俄罗斯联合研制的,航程要达到12000公里。C929宽体客机的研制,将实现我们国家大飞机领域的四大跨越:一是窄体单通道向宽体双通道跨越,二是中短程内陆飞行到远程跨洋飞行,三是金属材料为主到复合材料为主,四是从后起之秀向国际商用飞机强国跨越。

未来,商用飞机在技术发展上面临的趋势是“四性四减”?！八男浴本褪前踩浴⒕眯?、舒适性、环保性;“四减”,就是减阻力、减重量、减噪音、减排放。我们还将研制新一代超声速商用飞机,可在常规机场实现水平起降,实现低噪音、零排放,到那时从中国飞到美国只需3至4个小时,这是我们的梦想。

建造中国人自己的大飞机,这是民族梦想、人民期盼、历史责任,我们一定会承担好这样的责任,把这个事情做好。

飞机的“心脏”,为何被称为国之重器

■刘大响

航空发动机是飞机的“心脏”,“皇冠上的珠宝”,国之重器,是国家重要的战略性新兴产业。

从20世纪40年代末以来,世界上的战斗机喷气发动机已经发展了四代,美国的F22用的就是第四代发动机。民用发动机也发展了四代,目前国产大飞机C919用的是由美国和法国合作生产的最新一代发动机。我们正在上海加紧研究国产的先进大涵道比涡扇发动机,可能还需要一段时间才能够完成,最终用它来替换美法合作研制的发动机。

发动机的研制难度比较大。据国外统计,一般发动机的研制周期要比飞机多一倍,甚至两倍。C919的发动机和飞机是同时立项的,所以,我们国产的发动机要赶上飞机的研制进度,这是不可能的。

虽然商用发动机公司比中国商用飞机公司晚两年多才建立,但是我们坚信,要搞大飞机,一定要搞自己的发动机,如果没有自己的“心脏”,大飞机也是不可能真正自主研制成功的。

民用航空发动机是一种十分复杂的热力机械,需要在高温、高压、高转速和交变负荷等极端恶劣条件下可靠地工作,并满足推力大、油耗低、重量轻、寿命长、噪声小、排污少、可靠性高、安全性好、研制和维护成本低等众多十分苛刻而又相互矛盾的要求。

下面我来说说发动机研制的特点和难点。

第一,要有高安全性和高可靠性。适航条例规定:发动机每飞行1000小时的空中停车率只允许0.002-0.005次。为了使发动机在空中不出大的事故,我们必须做大量的地面实验,排除故障,消除隐患。第二,压力比很高。民用发动机内部薄薄的机匣要承受50到60个大气压,相当于2个半长江三峡大坝所承受的压力,而不能出现变形和损坏。第三,转速很高。大涵道比涡扇发动机高压转子转速一般要达到15000-20000转/分钟。小小的叶片要承受它自身重量2万倍左右的离心载荷,而不能出现裂纹或断裂。第四,温度很高。现代发动机涡轮前的燃气温度,军用发动机要达到2100K,民用发动机达到1900K左右。在这么高的温度下,所有金属都融化了。我们必须从设计、材料、工艺和试验上采取许多措施来克服这些困难。第五,发动机中的流速很高,相当于8到10级大风。燃烧室在这种条件下必须可靠点火,且火焰要很稳定。

正因为如此,在航空发动机定型并装机飞行之前,必须要做大量的试验研究工作。据统计,国外一般要做近20万小时的零部件试验,2到3万小时的地面整机试验,3000到6000小时的高空台试验,5000到10000小时的飞行试验。为什么发动机研发周期那么长?这就是其中的重要原因之一。

长期以来,美、俄、英、法等少数发达国家一直把优先发展航空发动机作为基本国策,将航空发动机工业发展成高附加值的国家高科技战略性产业,把航空动力技术列为严密封锁、严禁出口转让的关键技术,并逐步形成对航空动力技术和全球市场的垄断地位。

在党的十八届五中全会上,习近平总书记提出,在原来16个重大科技专项的基础上,要再选择一批体现国家战略意志的重大科技项目,力争有所突破。其中明确将航空发动机及燃气轮机列为国家重大科技专项之一,并于2016年8月28日单独成立了中国航空发动机集团公司。这是党中央、国务院在新时期做出的重大战略决策!

我们希望通过航空发动机及燃气轮机重大科技专项的实施,坚定不移地走自主发展的道路,进一步夯实基础,突破和掌握关键技术,全面提升自主创新能力,实现第三、第四代主战飞机和C919干线客机动力的自主保障,完成从跟踪到自主研制的战略转变,从而跻身于世界航空动力强国之列。

我们坚信,中国自主研制的高性能航空发动机,在不久的将来一定会被装在自己的飞机上,翱翔蓝天,一个航空动力强国必将屹立在世界的东方!

一代材料,一代飞机

■曹春晓

“一代材料,一代飞机”,这是世界航空发展史的真实写照。100多年来,材料与飞机一直在相互依赖、相互推动下不断发展。

航空结构材料通常处于材料领域的最前沿,其技术含量之高和技术难度之大,无愧于材料世界的“天之骄子”。

航空结构材料100多年来经历了五个发展阶段。第一个阶段从1903年美国莱特兄弟发明飞机开始,直到20世纪10年代。飞机机体上的结构主要是木、布结构,那时候飞机飞得不快,勉强可以顶得住。第二个阶段是上世纪20年代到40年代,飞机的结构材料以铝和钢为主。第三个阶段是上世纪五六十年代,钛合金作为新的金属材料出现了,铝、钛、钢三位一体组成了飞机的主要结构材料。第四个阶段是上世纪70年代到21世纪初,出现了复合材料,并被逐渐加入到飞机结构材料中。第五个阶段是本世纪初至今,进入到了以复合材料为主的时代。

为什么飞机的结构材料会发生这些变化?很重要的原因是材料的比强度要求不断提高。所谓比强度,是指单位密度的强度,也就是材料的抗拉强度与材料密度之比。一般来说,比强度越高,表明达到相应强度所用的材料质量越轻;而且,随着温度的变化,不同材料的比强度也不同。当温度达到350~600摄氏度左右时,钛合金的比强度最高,所以温度高的地方,就必须要用钛合金。

近年来,无论是大型运输机还是民用客机,钛合金在航空结构中的用量越来越大,不断创新高。我们的大飞机C919的钛合金用量达到了7.3%到9.3%,和波音777相当,算是比较先进的;但是和波音787、空客A350相比仍有差距,它们的用量达到了14%到15%。目前钛合金用量的纪录是由俄罗斯MS21创造的,它达到了25%。

钛合金最大的缺点是昂贵,所以在民用飞机上,出于经济性的考虑,不可能用太多,要用在刀口上。

那么钛合金主要用在哪些飞机零件上呢?有很多,我今天讲一个典型的零件——起落架。起落架下面有一个转向架,6个轮子加一根横梁,这根横梁要承受很大的力量,所以美国的波音777上,这根梁用的是钛合金,这是一个很大的锻件,是在美国的45000吨模锻液压机上锻出来的。随着飞机越来越大,起落架的零件也越来越大。比如空客A380飞机上的这根横梁,它的锻件重量达3210千克,是迄今为止最重的钛合金航空大型锻件。为了锻造这个锻件,不得不委托俄罗斯加工,因为俄罗斯有75000吨的液压机。

而我们在四川德阳有一座8万吨的液压机,可以自主研制生产大的锻件。8万吨的液压机是如今世界上最大的液压机,此前世界上拥有4万吨级以上大型模锻液压机的国家只有美、俄、法三国。

下面再讲一讲复合材料。

这几年复合材料发展非?？?在大型飞机上的应用越来越多。波音787上的复合材料占到50%,空客A350原来的复合材料只占40%,但是波音787用了那么多复合材料后,减少了燃料,更受欢迎,于是A350改进了设计,所使用的复合材料达到53%。

为什么机体的材料结构会出现以复合材料为主的新格局呢?因为使用复合材料,一是价格比过去便宜,二是性能比过去更好。飞机上的零件有几十万、上百万个,设计师们当然希望零件越少越好,这样可以大量节省出结构重量。复合材料不仅比强度高,而且特别容易整体化,几十个小零件能变成一个大零件,就解决问题了。

我们国家目前使用复合材料的情况,还需要不断发展。军用运输机Y20目前所用的复合材料达到8%,商用飞机ARJ21为1%,C919现在仍在不断改进,力争达到12%。

最后说说铝合金和钢。铝合金和钢仍有不可或缺的地位,至少在相当长的时间里飞机材料仍离不开铝合金和钢,因为它们比较便宜,而且性能不断在改进,因此不少地方还得选用它们,比如C919的起落架就使用了300M钢。

我今年83岁了,在航空领域和材料领域已经奔波了61年。我这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,整个科技世界真的很精彩。

当然,这个世界也有不少事让我们很无奈,有不少难题让我们真的很棘手,但这不能阻止我们去追求世界的精彩。一个人如果不能为这个世界的精彩奉献些什么的话,就没有什么精彩人生可言了。