C919即将交付,院士曹春晓、王华明抖音开讲,回顾国产大飞机50年历程

距离国产大飞机投入使用,只有一步之遥了。

上海两会期间,上海市政协委员、中国商飞公司总会计师吴永良表示,C919目前处于适航取证阶段,预计将在2022年完成交付。

C919是中国首款完全按照国际先进适航标准所研制的单通道大型客机,拥有完全自主知识产权。其机头、机身、机翼到翼吊发动机等设计均由中国自己的团队完成。在大型客机整体机型设计的关键技术上,C919实现了100多项攻关突破,其背后,是无数中国科学家数十年的心血。

自国务院成立大型飞机重大专项领导小组起,C919等国产大飞机研制已走过15年,距离上世纪的大飞机项目“运10”,更是过去了50年。

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近日,两位参与过国产大飞机研发的院士罕见地参加了同一档科普节目。在抖音与中国科协“科创中国”联合出品的《院士开讲》中,中国科学院院士曹春晓和中国工程院院士王华明科普了应用在C919制造中的钛合金应用和金属3D打印技术,让我们看到了国产大飞机背后技术攻坚的艰辛过程。

 

给国产大飞机换上钛合金

曹春晓跟国产大飞机的渊源可以追溯到50年多前。

上世纪七十年代初期,大型喷气式客机“运-10”研制计划启动。当时曹春晓还不到40岁,在北京航空材料研究院工作,研究航空用钛材料。中国在航空用钛领域比国外落后了12年,但发展很快。1973年,他接到任务,参与研制涡扇8发动机的研制,涉及59种钛合金零件。

经过几年的协同作战,曹春晓等人研制出10台涡扇8发动机,并经受了试车实验。1980年,运-10首航成功,最大起飞重量为110吨,让中国成为世界上第五个研制大型喷气式客机的国家。然而,6年之后,运-10因为种种原因下马,没能投入商用。

这一度让曹春晓遗憾不已。“对于我们这些航空材料人来说,谁不希望能坐上自己设计和制造的大型客运飞机呢?”

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大飞机的梦在26年后重新得以延续。

2006年,国务院批准成立大型飞机方案论证委员会,曹春晓是唯一从事航空材料研究的委员。国产大飞机项目启动后,曹春晓担任专家咨询委员会委员,奔波于全国各地。大飞机项目涵盖民用和军用机型,民用客机代号就是C919。

飞机的自重越少越好,飞机自身的重量占它整个起飞重量的百分数,称为“飞机的结构重量系数”。过去七十年,没有一架飞机的结构重量系数低于27%,就是受制于大型构件的性能和大型构件的制造能力。钛合金材料成为其中的关键。通过钛合金材料和锻造技术的提升,可以减轻飞机的结构重量,提升其竞争力。

如今,对经济性要求更高的C919,钛合金用量达到8%,与美国波音777的7.5%用量相当。大飞机的制造离不开对技术要求极高的大锻件。在《院士开讲》栏目中,曹春晓展示了一个用于C919的钛合金锻件接头,这个名为TC4的接头,重量为600公斤。为了制造类似的锻件,中国建设了世界上压力最大的8万吨液压机。

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来源:抖音《院士开讲》第五期

 

2015年11月,拥有我国自主知识产权的C919在上海总装下线,正式向全球公开亮相。曹春晓在现场激动不已,四十多年的梦想终于成真。

2017年5月5日,C919大型客机在上海成功首飞。2021年3月,C919拿下首单订单。截至2022年初,C919已经拿下815架订单。

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曹春晓院士(左四)在C919下线现场

 

弯道超车的3D打印技术

作为改革开放后走上科研岗位的中坚力量,王华明院士致力于用3D打印技术解决材料锻造难题,对于国产大飞机的研制也发挥了关键作用。他今年50岁,已经在金属3D打印领域钻研22年。

“3D打印”在业界有更学术的名称:增材制造。这项在1980年左右诞生的制造技术,得益于计算机的发明,使制造过程变得数字化。而其原理,就是把零件切分成无穷多的平面,把三维的复杂零件当成二维的平面问题来做。

所谓的“增材”,就是一层一层地往上增加原料来做成新的材料,就像高等数学里的定积分。增材制造,就是把粉和丝这样的原料,通过熔化的过程,完成合金化,完成凝固,完成材料的制备,与此同时,塑膜直接变成零件,材料制备的过程本身就是制造复杂零件的过程,中间不再需要有传统的冶金工业,传统的锻造工业过程。

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来源:抖音《院士开讲》第九期

 

王华明院士团队研发出的激光增材制造技术,为国产大飞机和新型战斗机提供了关键受力大型部件。“我们团队真正瞄准的核心,是如何控制微区冶金这个过程,能做出高品质的材料,能让材料的性质发生质的变革。”王华明说。

在《院士开讲》中,王华明还分享了一次攻坚经历。美国等国外技术团队率先尝试用增材制造的方法制造钛合金构件,结果疲劳性能不够,尝试了很多办法还是未能改善,在2005年左右放弃了这条路。而王华明的团队继续坚持,虽然起步晚于国外,最终却做出了可以用于大飞机的关键构件。

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来源:抖音《院士开讲》第九期

 

从2007年起,王华明团队就已制造出许多非常复杂的构件。“以前我们总师们很头疼,他可以设计出非常好的结构,但我们搞制造的干不出来,现在你就可以把这个约束取消掉,自由地设计,我们想办法去做,当然我们可能永远跟不上设计师的步伐,但是你可以放开,你们至少有很多余地会改善。”王华明院士说。

拿C919来说,机头主风挡窗框就是王华明院士团队研发的。这种部件尺寸大、形状复杂,国内飞机制造厂的传统方法无法制作。欧洲一家公司可以制作,但周期漫长,需要两年时间才能交货,而且价格高昂,仅每件模具费就要50万美元。

2009年,王华明团队利用3D打印技术,耗时55天做出了C919机头钛合金主风挡整体窗框,成本不足欧洲锻造模具费的十分之一。

王华明团队通过和沈阳飞机设计研究所等机构的密切合作,在大型关键构件的制造上,已经取得了质的突破。除了省去模具、传统铸造锻造外,由于把三维问题当成二维来做,零件的大小、形状、尺寸,不再受制约,理论上不再受到制约。

“它将会改变未来装备的结构,也许会改变未来装备性能,也许一个飞机需要3万个零件,自重好几十吨,现在有了3D打印之后,几万个零件,也许变成2000个零件,数量已经大幅度减少。通过打印高品质的材料,强度在提高,自重也在减轻。”王华明说。

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来源:抖音《院士开讲》第九期

 

科普和科研同样重要

除了机身,发动机也是钛合金应用的重要场景。航空发动机被看作是大型运输机和战斗机的“心脏”。在《院士开讲》中,曹春晓透露,“等长江涡扇发动机研制正式成功以后,也会用到我们这个C919上面。” 长江1000涡扇发动机的钛用量已经达到23%。

在《院士开讲》的最后,作为新中国成立后的第一代科学家,曹春晓院士表达了他的愿望:“第一个愿望是希望(使用钛合金材料)的新型国产飞机能够早日投入使用,第二个则是未来还能做出质量更高的国产(航空)发动机。”

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来源:抖音《院士开讲》第五期

 

曹春晓院士表示,国产大飞机之路还很长,需要更多人参与进来。对此,王华明也深有同感。“要做大事情,你一个人是做不成的,要沉下心来,不要想着干每一份事情都要有一个眼前的这种利益,可能你需要合作,需要有个团队,不同的人在一起,干惊天动地事,做隐姓埋名臣,也许就是这么一种结果。”王华明说。

两位院士给出的一个答案是科学知识普及。在他们看来,科普和科研同样重要。王华明院士曾参加央视《开讲啦》等科普节目,这次参加由抖音和中国科协“科创中国”联合出品的《院士开讲》,也是希望与更多年轻网友进行交流。

目前,曹春晓和王华明院士的两期内容已经在抖音、今日头条、西瓜视频上线,并吸引了上千万人次观看。

王华明院士的讲述很生动,将3D打印的过程比作“揉面”。而曹春晓院士很擅长与年轻人进行互动,虽然已是87岁高龄,却依然关注很多年轻人关心的话题,比如科研院系的男女比例,或是熬夜和加班问题。通过这些科普内容,越来越多的年轻网友开始对航天航空行业有了兴趣。

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《院士开讲》抖音主页及部分内容

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