曹春曉 一代材料 一代飛機(jī)

李娜

一百多年來，材料與飛機(jī)一直在相互推動下不斷發(fā)展，“一代材料，一代飛機(jī)”正是世界航空發(fā)展史的一個真實(shí)寫照。中國自主研制的首款新一代噴氣式干線客機(jī)C919在上海總裝下線，向全球公開亮相，也讓為之成功提供多種金屬材料的有色行業(yè)守望者們備感振奮。

C919中的有色元素

中國科學(xué)院院士、北京航空材料研究院研究員曹春曉是參與我國大飛機(jī)方案論證的19名專家之一，也是中國商飛的重要專家顧問。他認(rèn)為，我國首架C919大飛機(jī)下線具有里程碑式的重要意義，是2016年試航的重要時間節(jié)點(diǎn)，標(biāo)志著我國航空工業(yè)邁上了一個新的高度，也標(biāo)志著我國高端制造工業(yè)邁上了嶄新的臺階，航空強(qiáng)國的夢想又前進(jìn)了一大步。C919大飛機(jī)下線這個階段性成果說明航空人及各行各業(yè)傾力科研、傾力支持的巨大努力富有成效，為大飛機(jī)提供多種金屬材料的有色行業(yè)更是功不可沒。

沒有材料做不成飛機(jī)，發(fā)展大飛機(jī)，材料必須先行，發(fā)展飛機(jī)材料會帶動其他行業(yè)的發(fā)展。曹春曉說：“航空材料的研發(fā)不僅需要航空系統(tǒng)，更需要有色、冶金等系統(tǒng)搞材料的單位共同參與。”

已故兩院院士師昌緒先生在2007年6月18日“大飛機(jī)與新材料”的高層次沙龍上提出材料界要加快大飛機(jī)材料的開發(fā)。他說：“沒有材料是做不成飛機(jī)的，材料占飛機(jī)質(zhì)量的69%，發(fā)展大飛機(jī)，材料要先行，而發(fā)展飛機(jī)材料本身也會帶動其他行業(yè)的發(fā)展，我們要借這次沙龍活動為支持國家大飛機(jī)的發(fā)展做一些探討，出一些預(yù)研課題。”

C919大飛機(jī)從2007年立項起步實(shí)施以來，鋁合金、鋁鋰合金、鎂合金、鈦合金、碳纖維復(fù)合材料等的研制與推進(jìn)躍上了一個全新的臺階。舉全國之力，聚全球之智，打造民機(jī)產(chǎn)業(yè)共同體的大飛機(jī)行動在產(chǎn)業(yè)互動中進(jìn)行。

曹春曉說，“一代材料，一代飛機(jī)”是航空工業(yè)發(fā)展的生動寫照。“從1903年萊特兄弟駕駛的第一架飛機(jī)是用木頭和布做成的到金屬材料成為機(jī)體航空材料的主流。從鋁合金為主到鈦合金已成為飛機(jī)的主要材料，每一次材料的交替與更新都是飛機(jī)發(fā)展的一次革命。我國大飛機(jī)專項的關(guān)鍵技術(shù)包括發(fā)動機(jī)、材料和電子設(shè)備等三項。其實(shí)，發(fā)動機(jī)和電子設(shè)備的發(fā)展基礎(chǔ)依然是材料，即高溫合金材料和電子、微電子材料等，凸顯航空材料在飛機(jī)、發(fā)動機(jī)發(fā)展中的關(guān)鍵作用。如今，復(fù)合材料在飛機(jī)、發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)材料家族中成為一位新成員，這就是碳纖維。碳纖維比鋁還要輕，比鋼還要硬，其比重是鐵的四分之一，強(qiáng)度是鐵的十倍，化學(xué)組成非常穩(wěn)定，具有高抗腐蝕性，適用于航空和航天飛行器。”

C919大型客機(jī)是建設(shè)創(chuàng)新型國家的標(biāo)志性工程，具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)。曹春曉說大飛機(jī)使用的航空材料也是另一個需要重點(diǎn)突破的方向。目前，美國波音和歐洲空客已經(jīng)使用先進(jìn)復(fù)合材料作為航材，中國現(xiàn)在造大飛機(jī)也是如此。據(jù)了解，C919將采用大量的先進(jìn)復(fù)合材料、先進(jìn)的鋁鋰合金等，其中復(fù)合材料使用量達(dá)到20%。由于大量采用復(fù)合材料，較國外一些同類型飛機(jī)80分貝的機(jī)艙噪音，C919機(jī)艙內(nèi)噪音可望降到60分貝以下。先進(jìn)材料首次在國產(chǎn)民機(jī)中大規(guī)模應(yīng)用。第三代鋁鋰合金材料、先進(jìn)復(fù)合材料在C919機(jī)體結(jié)構(gòu)用量分別達(dá)到8.8%和12%。由此可見，隨著我國航空工業(yè)的發(fā)展，各行各業(yè)相互融合，軍民共建，工業(yè)制造逐步步入高端制造行業(yè)，鋁合金、鎂合金、鈦合金、碳纖維復(fù)合材料等各種新型輕量合金材料的涌現(xiàn)，在交相輝映中自然助力C919大飛機(jī)的順利制造。

為C919穿上漂亮“衣裳”

C919的“顏值”相當(dāng)高，視覺沖擊力很強(qiáng)。C919到底穿了件什么樣的衣裳會這么漂亮？曹春曉院士介紹，C919是目前采用先進(jìn)金屬材料最多的一種機(jī)型，所采用的全部是世界上最好的鋁合金。

作為我國首次自主生產(chǎn)的大型客機(jī)，材料的選擇直接決定了其自身的特點(diǎn)。C919的“機(jī)殼”全部由我國自主設(shè)計、制造。“機(jī)殼”中鋁合金材料約占材料總重量的70%。為了減輕自重、降低油耗，飛機(jī)的重量會精確到克，C919實(shí)現(xiàn)比B737、A320等同類機(jī)型輕5%～10%的目標(biāo)，這得益于鋁鋰合金。鋰元素雖然只占鋁合金重量的2%左右，但在同等承載條件下，比常規(guī)鋁合金減輕重量5%以上。

“鋁合金材料既要高強(qiáng)度，又要高韌性，還要抗疲勞、耐損傷、耐腐蝕，這是一個非常復(fù)雜的矛盾統(tǒng)一。”曹春曉說。

目前，國內(nèi)圍繞大飛機(jī)金屬材料的研究已經(jīng)獲得了大約200多項專利，比如強(qiáng)度和韌性、耐腐蝕常常是矛盾的，要同時達(dá)到，并且讓它們保持穩(wěn)定，就要不斷研究，這就是金屬材料的魅力所在。C919所采用的機(jī)翼，是中國人首次自主研制，也是世界民航領(lǐng)域目前流行的先進(jìn)設(shè)計，它有一個很酷的名字，叫做超臨界機(jī)翼。這種機(jī)翼采用的也是鋁鋰合金材料，它可以使飛機(jī)更加輕巧，在音速范圍以內(nèi)實(shí)現(xiàn)盡可能快的飛行。

國產(chǎn)C919不是波音787復(fù)制品

在一些人眼里，國產(chǎn)大飛機(jī)C919與美國的波音787客機(jī)有不少相似之處。然而曹春曉院士指出：“我們并沒有完全走波音787的道路，而是在設(shè)計上體現(xiàn)了自己的思路。”

在飛機(jī)的制造過程中，都需要采用一些特別的材料來減輕機(jī)身重量。例如，波音787就運(yùn)用了約50%的復(fù)合材料來實(shí)現(xiàn)輕量化。但是，目前我國在復(fù)合材料的研發(fā)、生產(chǎn)方面尚不夠成熟，因此轉(zhuǎn)而采用鋁鋰合金和少量鈦合金來彌補(bǔ)復(fù)合材料占比少的不足。

鋁鋰合金是一種較為復(fù)雜的材料，在成分、工藝和性能控制等方面較難掌握。因此，美國生產(chǎn)的飛機(jī)很少用到這種材料。為了將鋁鋰合金較好地應(yīng)用在機(jī)身上，我國科研人員在設(shè)計方面花了不少心思，做了大量性能測試等方面的工作。

“可以說，通過研發(fā)、制造C919大飛機(jī)，我們在應(yīng)用技術(shù)方面積累了很多經(jīng)驗(yàn)。同時，也在國外已有的技術(shù)基礎(chǔ)上，取得了一些創(chuàng)新成就。”曹春曉說。

同時，曹春曉也指出，國產(chǎn)航空材料還面臨著很多有待攻關(guān)的地方。目前，C919大飛機(jī)只是“下線”了，要真正實(shí)現(xiàn)上天，還有許多關(guān)鍵性的問題須經(jīng)過實(shí)驗(yàn)的確認(rèn)。