国产大飞机背后的中国黑科技(盼了50年的国产大飞机)

距离国产大飞机投入使用只有一步之遥了。近期,中国商飞召开2022年干部大会,在会议上表示,“2022年,大飞机由研制阶段逐步转入产业化阶段。”。而在近日的一档科普节目中,研究了一辈子航空材料的中科院院士曹春晓也透露了一个信息:不仅C919快来了,以后还将换上国产航空发动机!

这是中国人梦想了50年,半个世纪的飞机梦,然而从几年前频频发布准备交付,到现在多次跳票,依然没有面世,C919到底怎么了?是谁在其中下绊子?我们的飞机在全世界是个什么水平?这里面又有多少人为之付出了一生?

多次跳票,盼了50年的国产大飞机还要多久?院士:连发动机一起来

以身许国曹春晓

为什么我们要造大飞机?

民航使用的大飞机是人类工业的顶端产品之一,一架波音747一共拥有超过600万个零件,要设计它们的组合方式,还要保证绝对安全运行,可以想象这是多么复杂的事情,也正是因为如此,小国家别说制造了,连想都不敢想,只有经济大国和技术强国才有胆子在这个行业里面做点什么。

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小国:要不起!

所以,全世界民航飞机市场目前基本被美国波音和法国空客联手垄断,中国现在拥有民航飞机数量超过3700多架,但基本都是向这两家公司购买的,而且按照预计,我们未来20年一共需要购买约8600架新飞机,价值1.4万亿美元,同时需要1.7万亿美元的民用航空服务,总计3.1万亿美元!这是什么概念?去年全球gdp排名第5的英国也才2.76万亿美元,也就是仅买飞机我们就要给欧美超过一个英国全国GDP的美元,如何甘心?所以C919来了,然而中国人做了半个世纪50年的大飞机梦为什么还没有成功?

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C919

做了半个世纪梦的中国人

1971年,一道召集令发遍了当时的中国大地,要求全中国各学校工厂,有飞机设计制造相关方面能力的人齐聚上海,一项国家任务需要大家来完成。而当来自全国各地的人才们到达以后,才知道这个任务是:中国要开始研究国产大飞机和发动机。而那架飞机的名字叫做“运十”,发动机的名字叫涡扇8。

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古老的运十飞机控制仓

运十设计航程不小于7000公里,巡航速度850~900公里/小时,起飞滑跑距离不大于1300米,飞行升限1.2万米,载人100~120名。这是个极其艰巨的任务。不仅仅是飞机本身,连发动机我们都要从头研究起来,不仅是发动机,连最基础的材料都要从头研究起来,但就是这样的一穷二白,居然创造了一个又一个的奇迹。

尤其是在材料上,飞机发动机使用的材料需要大量的钛合金,但当时的中国并没有,是航材院等多家单位联合组成的课题组,由现在的中科院院士、钛合金专家曹春晓等人直接参与,居然在几年时间就研制出了超过59种不同的钛合金零件,研发出了10台涡扇8发动机,并在1982的时候装在波音707上试飞成功。也就在这样的一群人手中,经过9年时间奋战,1980年9月“运十”终于试飞成功。

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运十使用的涡扇8发动机

然而正当所有人受到鼓舞,打算继续前进时,项目却缺少经费,慢慢地被搁置起来,1986年,“运十”项目彻底终止!当时经过千辛万苦研发出涡扇8发动机,但却不得不接受项目停止的曹春晓翻着自己研发的几十种特合金材料感慨道:“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?”,没有人想这样,然而薄弱的工业基础,稀少的航空人才和百废待兴的经济让这个项目终究无力维持,所有人解散回原厂,项目停止。而解散的时候,他们立了一个碑在那里,上面写着四个大字:永不放弃!

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永不放弃

国产大飞机C919是个什么水平?

当年的“运十”项目停止了,但是并不是一无所获,我们走了一遍从设计到制造的整个过程,我们对飞机制造有了一定的认识,我们也对它的制造难度有了认识,所以我们又重新来了,2006年,时隔20年后,国产大飞机项目再次上线,这一次我们直接就要造出一台先进到可以和上百年历史的空客和波音直接竞争的飞机,它的名字就叫做C919。

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大飞机C919

C919,首字母C代表中国(china),也是商飞的英文首字母;第一个9表示天长地久,表达我们对这架飞机的期望,19代表这架飞机的载客量是190人,标准航程4075公里,最大航程5555公里,设计经济寿命80000飞行小时,最大航程18900千克。这与国际航空市场上最为常见的空客320、波音737相当,所以也很明显我们的竞争对手就是这两个全世界最畅销的飞机,直接挑他们的王牌来竞争!

那我们的飞机比起这两个竞争对手水平如何呢?必须说:比他们的好!因为技术在发展,后来制造的产品在技术上一般都会比之前的要更加的先进,比如著名的波音737系列因为推出时间太早了,所以设计理念上就存在问题,而空客320因为比波音系列晚了20年,所以设计理念上就更加的成熟,而我们的C919又比空客晚了几十年,设计理念就更加的先进了!

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C919的先进设计

如果具体说来,C919比竞争对手座位间距宽一些,坐起来要舒适一些。这点相比坐过飞机的朋友都很有感触,那种腿都不能怎么伸直的感觉不好受吧?当然如果您坐的是头等舱就当我没说。而且不仅间距宽,我们的座位更大,飞机内部灯管氛围更好,空气更加的新鲜,两边的悬窗更大,甚至娱乐系统这些都会更加的先进,说不定到时候你可以在飞机配置的显示屏上玩王者也说不定哦。

如果说这些都只是一些小地方的话,那么我们还有真正领先它们的地方:我们的飞机更安静,国外同类型飞机机舱内噪音约80分贝,而C919的噪音降到了60分贝以下。我们更节能,二氧化碳排放低12%至15%,氮氧化物排放比相关规定的排放水平低50%以上,直接运营成本降低10%。我们更轻,C919采用先进炭纤维复合材料,占机体12%左右。整体减重7%左右。

一句话总结:国产大飞机C919和对标的国外产品,虽然载客数量一样,但是这就如同面包车和mpv一样,在各个方面都领先对手,无论是开起来还是乘坐,各项体验都超过对方。那么我们是怎么做到的呢?两方面:“一代材料一代飞机”、“3D打印全球第一”。

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能认出下面的车吗?

“一代材料一代飞机”

先给大家看一张图片:

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飞机材料变化

在飞机制造行业有一句话叫做一代材料一代飞机,从上面的图也可以看得出来,其实飞机不断发展的历史就是材料不断进步和更换的历史。飞机发展100多年到了现在,可以说这些飞机制造师们把人类所有能够批量生产的材料都试完了,还用大量的合成和人工材料一个一个的来试,目的就是为了获得密度更小强度更高的金属。

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美国最早在1954年就使用了钛合金

强度就不用说了,这个重要性大家都理解。而密度则几乎是仅次于强度的第二大因素,密度小了飞机就变轻了,更轻的飞机意味着更快的速度,更高的升限,更远的航程,更经济的效益,甚至于是更大的载客量。可以说这是飞机的核心指标。所以才有了“为减轻每一克重量而奋斗”的标语。而我们的C919中,最先进的复合材料使用就超过了20%,其中钛合金比例达到了8%,超过了波音747的用量。几十年之后,曹春晓的钛合金材料终于再次出现在了国产大飞机上。

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曹春晓

在抖音、西瓜视频和今日头条上线的《科创中国·院士开讲》第五期里面,曹春晓受邀进行了“中国航空有‘钛’度”的主题演讲,当时有一段话深深得感动了我:“现在我已经87岁了,如果还有下辈子的话,我还愿意再一次与钛合金、与航空结下终身的不解之缘;耕耘钛业、献身航空、报效祖国,这十二个字成为了我一生的信念和支柱。这位从22岁开始研究钛合金,已经干了65年的院士用它的学问一生报效祖国。

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C919总设计师吴光辉(左三)、中国科学院院士曹春晓(左四)

其中两件大事情,一件就是上面说的C919机身,还有一件则是发动机的材料,众所周知,对于飞机而言,发动机几乎就是它的心脏,而我们的C919采用的是LEAP-1航空发动机,这是美国和法国联合研发的飞机发动机,因为性能先进,各方面较为完善被我国采用,然而在2021年1月14日,美国国防部(DOD)宣布,将中国商用飞机有限责任公司列入“中国涉军企业”清单。发动机自然也在限制名单以内,这可能也是C919跳票的一个重大原因,那我们怎么办呢?留一手!

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发动机内部

其实很久之前,我们就已经做了二手的准备,我们虽然买了国外的发动机,但并不甘心一直买,所以自己也在制造。也就是中国航空发动机公司研发的国产长江发动机CJ-1000。2018年的时候就在上海点火成功。目前这台发动机完美的达到了C919的需求,已经在通过了测试,预计可能2023年就能够正式的交付使用了,而其中这个发动机最关键的叶片材料就使用的是钛合金。整个发动机的钛用量达到了23%左右。

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国产发动机的钛合金用量一直在上升

没错,曹院士在内的团队用了10年的时间,经过无数次的实验,研制成功了钛铝合金叶片,取代了目前主流的镍基高温合金,这种涡轮叶片采用钛铝单晶合金材料,将用于国产大飞机C919的长江发动机上,这种新型的涡轮叶片将实现发动机的涡轮盘和涡轮叶片大幅度减重,大大提高发动机的效率。一旦国产发动机成熟装上了我们自己的飞机,那么就没有什么可以阻挡我们自行飞向蓝天的梦想了!

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发动机

只有两个零件的飞机你敢想吗?

除了钛合金材料以外,中国在C919飞机的制造上还使用了一项非常顶尖的技术,那就是3D打印!当然我这里说的不是大家可以几十块钱买到的那种3D打印玩具笔或者自己在家玩的3D打印,而是真正走在世界前沿的,可以制造航空材料的激光3D打印技术!中国工程院院士王华明在抖音和科创中国联合出品的《院士开讲》里面更是说:未来的飞机可能只有两个零件,从600万个到两个,你敢信吗?

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王华明在《院士开讲》里的发言

我们用实际例子说明,C919机头主风挡窗框就是王院士团队通过3D打印技术直接打印出来的,如果是传统的制造,你需要冶金工业去炼出合金的这种铸锭,这个铸锭由于不质密,所以后面你需要去锻造,锻造你需要用大的锻造机,你需要做大的模具,锻完以后还需要进行大量的加工。

这种操作模式下,一个飞机的机头主风挡窗框最开始需要用昂贵的钛合金打造一个重达3吨的锻件。而经过一层层的加工,也许95%以上的材料要被加工掉,不仅要花很长的时间,而且成本极其的高昂,关键锻造出来的性能还不一定好,实际上,就这个机头主风挡窗框就要耗时2年,光打造模具费用就达到1300万,而在“金属3D打印”的加持下,制作周期被缩短至55天,总费用不到200万元。关键性能还更好,这就是我们领先全世界的3D激光打造技术!

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美国被迫放弃3D打印,而我们成功了

因为3D打印技术的特点,你不需要设计磨具,而且因为是一层一层打印的,你完全可以像切苹果一样,将飞机切成一层一层,然后按照要求,使用材料直接开始打印,飞机的整体就可以被打印出来了,根本不需要设计那么多复杂结构的零件,所以,未来的飞机可能真的就只有两个零件也说不定了。

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将三维变成平面的3D打印

梦必定成真,未来属于我们

从当年“运十”开始的雄心壮志到停止时的绝望痛苦,从看着别人飞机飞行时的羡慕,到今天C919即将交付。这其中有无数的像曹春晓、王华明这样的人在不断奉献。

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飞机参与机构

但毕竟飞机的核心发动机还没有得到彻底解决,目前搭载的还是国外的,那怎么办呢?只有靠中国人自己才行,而这需要的就是更多的人投入到科研中来,这也是曹院士如此高龄还要坚持来《院士开讲》开讲栏目来做科普的原因,希望有人来继续完成他的两个愿望:我希望C919能够更快地在航线上正式使用,我希望我自己能够坐上国产的大飞机!

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曹院士的两个梦想

50年的梦想要实现我们付出了太多,而他们都老了,未来的飞机应该有更多的年轻人参与进来,投入科学的研究,我也觉得像《院士开讲》这样的科普节目应该更多一些,科普文章视频也更多一些,从平时开始影响一代一代的年轻人,未来为我们的岁月静好不断努力。您说呢?#国产大飞机背后的中国黑科技#

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C919开发大事记


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