篤志逐夢 義鶻凌云
——記航空工業沈陽飛機設計研究所項目總設計師王向明

吳應清

“沒有什么是一成不變的”

“飛機結構設計是一項創造性工作，沒有什么是一成不變的”，這是沈陽飛機設計研究所（以下簡稱“沈陽所”）項目總設計師王向明經常掛在嘴邊的一句話。他從事飛機結構設計已經30多年，主持和參與了多個型號戰機結構的設計工作。

在國際社會高度競爭發展的今天，無論是國家安全，還是經濟建設，都要依靠強大的國防力量作為后盾。有實力，才有底氣。先進戰機作為航空武器裝備克敵制勝的重要因素，更是我國廣闊海空疆域安全保障的重要支撐。

迄今為止，戰機已經發展至第四代（國外稱第五代），例如美國F-22、F-35，俄羅斯蘇-57等。但王向明指出，無論哪一代戰機，都離不開機體結構。機體結構構成了飛行和裝載平臺，是影響飛機戰技性能和飛行安全的關鍵因素。機體結構通常占飛機空機重量的45%以上，比例高、影響大。現代戰機結構普遍存在著兩類棘手的問題——新機研制普遍超重、服役型號頻繁開裂。超重通常達8%以上，這樣算下來，輕則數百公斤，重則甚至上噸，而疲勞開裂約占外場損傷總量的80%。這兩類問題影響極大，其中結構超重會降低飛機戰術、技術指標，使飛機變得笨重、航程變短、掛載武器減少；疲勞開裂則會直接影響飛行安全，降低服役戰機的完好率、出勤率。

王向明介紹，結構設計通常采用先進技術手段來挖掘潛力，例如優化、數字化等精益設計，復合材料、鈦合金等先進材料替換，高效數控加工、焊接、超塑成形、3D打印等先進制造工藝應用等，但他同時感嘆，重量和壽命指標已達極致，觸及“天花板”，甚至發展至沒有飛機不超重、沒有型號不開裂的境地。即便航空技術先進的西方發達國家，同樣也面臨著如此窘境。

傳統結構伴隨四代戰機已走過70多年，經歷了經驗設計（繼承設計）、等代設計、精益設計。半個多世紀以來，結構設計/分析方法、計算機/數字化技術、先進材料/制造技術發展迅猛，但結構自身發展較慢，相對滯后，超重、開裂仍是設計師們最為頭疼的問題。

王向明在國家科學技術獎勵大會現場

戰機傳統結構的弊端長期難以突破源自于飛機結構的異常復雜。王向明為記者一一分析，傳統結構零件多、重量大、危險部位多、連接異常復雜。結構型式單一，零部件離散，以接頭連接、鉚接/螺接為主，涉及十余個大部件、上百種工藝、數萬個零件、數十萬個標準件，連接過多導致結構超重、疲勞薄弱環節增多。

審閱文件

“飛機結構設計是個老專業，結構形式多年不變，可以說‘耳熟能詳’，非?！浀洹Ｎ覀円酝龅慕Y構設計除了畫圖、CAD建模，沒有更多事情可做，諸如強度、壽命、隱身功能、可制造性、可維護性等屬性主要依賴其他專業。久而久之，結構設計就只以結構畫圖/建模示人，以至于很多同行、領導都誤認為結構設計的核心工作只是畫圖、建模。評價結構設計師的標準也就成了看誰把圖畫得漂亮，畫得快，畫得準?！蓖跸蛎鞯脑捳Z中充滿了無奈。

“畫圖、建模僅僅是設計思想的表達，而逐一準確地定義零部件各方面的屬性才是真正意義上的飛機結構設計，結構技術必須要創新發展，才能支撐新一代戰機研制！”盡管不被外界所了解，但這是王向明經常告誡自己團隊成員的一句話，也是他在30多年職業生涯中執著追求的技術方向。

王向明曾在原總裝先進制造技術專業組做專家20余年，多年研究工作的積累使他深刻認識到，飛機結構的研制長期采用串行“孤島”模式，設計與制造脫節，閉門造“圖”，設計技術發展沒有原動力，被迫借鑒、繼承老舊結構，超重、開裂周而復始。所謂“一代飛機、一代技術”，新一代戰機研制需要與之相稱的結構技術支撐?！拔也幌嘈牛美吓f飛機結構能搞出新一代戰機！”王向明如是感慨。

先進制造技術的迅猛發展為飛機結構創新提供了契機，何不利用這些先進制造工藝來發展自己的設計技術呢？王向明無時無刻不在思索著。飛機結構創新設計/制造一體化的技術方向應運而生，他由此提出基于先進制造量身定做“四化”創新結構，即新概念結構——大型整體化、構型拓撲化、梯度復合化和功能結構一體化，以實現高減重、長壽命、多功能、低成本、敏捷制造，進而支撐新一代戰機型號研制。

不難看出，傳統結構以畫圖/建模為主的串行設計模式已無法支撐“四化”新概念結構設計。為此，王向明早在2003年就提出了建立結構實驗室的設想，試圖以實驗室作為載體，打通設計制造一體化的全技術鏈條，同時為激發設計員創新靈感提供研發平臺。他積極宣傳，四處呼吁，克服重重困難，歷時10年堅持不懈，不斷用重要研究進展和標志性成果打破“偽命題說”，終于創建了“飛行器新概念結構航空科技重點實驗室”“遼寧省增材制造共性技術創新中心”等研發平臺，這是國內首家用于飛行器結構創新設計/制造一體化的研發平臺，專門用以孵化飛機新概念結構，先后成功申請立項了飛行器結構領域唯一的國防原“973”項目、創新結構探索項目、先進制造技術集成驗證項目等，為沈陽所乃至全行業結構技術的發展貢獻力量。

不走尋常路，突破“天花板”

從一個奇思妙想的產生，到技術驗證，再到技術成果的取得和應用，王向明的研究之路并非一帆風順。在新概念結構研究過程中，就必須要面對“既要設計得出，也能造得出，并保障使用安全”等重重問題的挑戰。

飛機傳統結構設計主要采用串行模式，類似流水線，分別以“孤島”形式存在，無法適應“四化”新概念結構技術帶來的挑戰。為此，王向明提出多約束協同設計方法，即將強度/剛度、壽命、功能、維護、材料、制造、周期等屬性約束均前移至設計源頭，用其設計許用值構建多約束設計域，搭建創新結構設計的“舞臺”，以增強工程可實現性。

王向明基于多約束協同設計方法，發明了無接頭連接的翼-身整體大部件。傳統機翼與機身是分開的，采用很強的接頭和大規格螺栓進行連接。該連接區域是全機關鍵部位，重量大、應力集中嚴重，多采用高強度鈦合金或高強鋼來保障安全。另外，傳統機翼-機身組合接頭占用空間大，凸出理論外形，必須“鼓包”，直接否定先進氣動/隱身布局。通過弱化應力集中、使參與區最小化（參與區是非承載的“偷懶區”）、消除接頭連接，建立了翼-身整體大部件。這種大部件的零件數量少、結構完整性好，采用鋁合金即可滿足要求，而且能大幅度減輕結構重量，增加裝載燃油，但存在可制造性、裂紋擴展抑制和可維護性等難點。

針對可制造性，王向明提出了鋁合金加強框-翼梁整體件設計/制造一體化方法。選用鋁合金預拉伸厚板，通過殘余應力對稱釋放、優化機加工藝路徑，實現大長細比框-梁整體件機加翹曲變形有效控制。同比傳統鈦合金框梁組合結構，零件減少一半，減重超過1/3。

針對確保壽命安全的裂紋擴展抑制，王向明提出長壽命金屬層合結構設計方法。鈦合金是現代戰機結構的骨干材料，多為主承力結構。但是，鈦合金也存在著相應的弱點，當應力水平高于某臨界值時，裂紋失穩擴展現象普遍，即擴展過程極短，會毫無跡象地瞬間斷裂，導致結構壽命安全存在較大隱患！美國的Ti-6Al-4V ELI超低間隙元素鈦合金、國內TC4-DT損傷容限型鈦合金等就是針對這類問題研制的，雖然有所緩解，但問題仍然存在。而王向明則另辟蹊徑，基于擴散連接制造技術提出了鈦合金層合結構設計方法，即將鈦合金板材逐層累積疊加擴散焊為一個整體，通過適當布置非焊合區，迫使裂紋擴展路徑“拐彎”，以此延長裂紋擴展壽命。他在研究過程中發現了裂紋擴展“平臺”特征，據此發明了鈦合金層合結構，使裂紋擴展壽命顯著延長。另外王向明還提出了基于特種加工的金屬梯度結構設計方法，使好鋼用在刀刃上，并發現了裂紋擴展“拐點”特征。據此發明鈦合金梯度梁肋結構，使減重和壽命取得顯著收益。

在航空論壇上發言

無接頭連接的翼-身整體大部件在帶來顯著收益的同時，也面臨內部系統維護安裝通道所需的開口較多進而破壞整體性的矛盾。例如，機身整體油箱需要在上表面開設數十個維護開口/口蓋進行例行維護。開設眾多開口/口蓋，使整體大部件的優勢蕩然無存。為此，王向明基于黏彈性材料界面庫倫摩擦最大、臨界比壓最小、橡膠板與密封劑嚙合匹配，提出嚙合密封結構設計方法。發明的整體油箱干態嚙合密封結構壁板可反復拆裝，整體開閉，關閉時密封，開啟時維護，使口蓋數量銳減2/3。傳統密封采用的是一次性密封“死結構”。嚙合密封結構規避了大量開口破壞結構整體性的矛盾，同時減少了縫隙階差，改善了氣動和隱身。有趣的是，王向明最初的原理驗證是用家里的鋁質飯盆完成的，至今仍存放在他的書柜里，雖歷經26年之久，但里面的水仍然默默地守候著，訴說著曾經的故事。這個簡陋的原理件雖然其貌不揚，但在王向明的心里卻貴如千金。

此外，通過多約束設計創新研制的翼-身整體大部件實現減重1/4以上、疲勞危險部位減少3/4，機翼燃油增加100多公斤。

王向明還提出了高顫振速度鉸鏈式平尾機構/結構一體化設計方法。平尾是飛機飛行平衡配平的核心部件，一旦顫振發散到釀成墜機后果不堪設想，所以要盡量提高顫振速度。傳統平尾顫振由多種因素耦合交織在一起，提高顫振速度困難而復雜，甚至不得不增加配重進行調節。另外，傳統平尾的轉軸尺寸較大，很難布置在機體尾部狹小空間內，必須“鼓包”，由此導致氣動和隱身性能惡化?；诮怦詈喕o舵機并聯一套平衡桿來平衡驅動載荷，傳給機身的載荷僅剩5%，即剝離機身支持剛度耦合作用。用鉸鏈軸代替大直徑轉軸，它只傳剪，即剝離傳統大直徑轉軸彎/扭耦合作用。只需調節平衡桿參數，即可獲得顫振速度目標值，使抗顫振設計實現解耦簡化。揭示了該平尾顫振速度響應規律，研制的鉸鏈式平尾部件顫振速度提高1/3，平尾減重1/5，轉軸直徑減少2/3。

王向明率領團隊將上述研究內容進行了充分技術驗證，成功實現了工程應用，突破了傳統結構重量和壽命的極限束縛，打破了傳統結構“天花板”，“新型戰機新概念結構與快速試制技術”項目一舉獲得國家技術發明獎二等獎。

敢為人先，打印奇思妙想

同傳統機加減材、鍛鑄與鈑金成形等工藝相比，增材制造（俗稱3D打?。┑摹吧L”特性為結構設計拓寬了自由空間，可作為飛機結構創新的孵化器，因此受到國內外工業界高度重視。工業發達國家均將其視為國防現代化和作戰能力提升的重要支撐。

王向明介紹說，飛機結構增材制造的應用研究迄今已開展30多年，但應用范圍、數量規模仍受局限，國內外僅有幾種型號飛機在少量應用，且以次承力件為主，例如波音787、空客A350等。盡管增材制造在控形、控性和工藝裝備等方面已取得重大突破，但由于缺少創新設計方法引領，單純套用鍛鑄件優勢不大，即想用但不太會用；另一方面，缺少性能評定/驗證方法支撐，壽命安全說不清，即想用但不太敢用。二者被美國聯邦航空局列為增材制造應用技術的主要難點之一。

在工作現場

早在2003年，王向明就與北京航空航天大學的王華明教授（2015年當選中國工程院院士）開展密切合作，共同為飛機結構件“量身定做”，即常說的設計/制造一體化。那段時間，二人幾乎每周都要湊在一起研究討論各種各樣的技術問題，心無旁騖、全神貫注。甚至發生過兩人中午到餐廳吃飯，由于討論問題過于投入，直到下午兩點，竟然忘記了點午餐的趣事。

王華明教授率先在鈦合金大型復雜主承力件激光熔化沉積控形、控性、裝備、標準等方面取得重大突破，而王向明考慮更多的則是如何實現創新設計、確保使用安全，著重解決3D打印面臨的“會用、敢用”的問題。

王向明借助在原總裝先進制造專業組擔任增材制造責任專家的機遇，規劃出基于增材制造的大型整體化、構型拓撲化、梯度復合化和功能結構一體化等飛機新概念結構領域，主導系統級技術開發與工程化驗證，做前人不敢做的事，開始走上打印奇思妙想的逐夢之旅。

他基于發明的增材熔合連接方法，提出多種增材主承力結構設計方法，即通過增材熔化沉積填充，一邊成形、一邊連接，將兩個構件合并為一個整體，使構件做得更大、更復雜。其中具體包括殘余應力臨界值仿真預測、離散分區成形、去除殘余應力、增材熔合連接，涵蓋創新設計、性能評定、工程驗證等。與焊接的區別是，突破厚度限制，力學性能與母材相當，近似“無痕”連接。研制出框-梁等多種整體主承力結構，拓展法向復雜承載維度。

針對熔合連接區疲勞特性評定，王向明提出當量應力集中系數法。將熔合連接區內部細觀缺陷打包，與母材宏觀應力集中當量等效，利用名義應力法確定當量應力集中系數值和壽命算法，以此作為疲勞和工藝質量評價判據。針對疲勞壽命安全，王向明建立工程化驗證專用模式，與傳統積木式驗證不同的是，力學性能考核與工藝過程循環迭代，這樣可及時暴露性能缺陷，加快改進，使增材制造主承力結構件的壽命安全保障有了技術支撐，進而解決壽命安全風險控制難題。

接受媒體采訪

拓撲結構是公認的輕量化結構，減重效率可近一半，具有極大應用潛力，受到工程界的普遍關注。王向明認為，拓撲結構屬靜定結構范疇，任一分支失效都將導致總體破壞。壽命安全如何保障？為此，他提出按壽命設計和穩定性設計所產生的強度裕度等效面積作為裂紋擴展容限區域，分不同情況建立拓撲結構局域損傷容限設計準則。針對拓撲結構機加難點，他還提出了增材快速成坯加表面熔凝精整的低成本工藝方法，機加量減少70%，制造成本也得到降低。

上述研究解決了增材主承力結構創新設計難題，成效顯著，零件數量減少2/3、結構減重1/5、疲勞壽命增加1/3?！帮w機鈦合金大型復雜整體構件激光成形技術”獲得了國家技術發明獎一等獎的殊榮，這一項目由沈陽飛機設計研究所負責設計驗證，北京航空航天大學負責制造。

王向明介紹，選區熔化增材制造技術可打印出內部形狀復雜的輕質功能件，但常規點陣結構的節點承載能力大都不滿足飛機功能結構要求。為此，王向明將點陣結構的節點半徑作為設計變量，通過形狀優化降低應力集中和重量，由此建立多種拉壓承載型節點強拘束微桁架單胞。他提出節點剪切強度計算方法，發現敏感設計參數（微桿半徑），并據此建立有效設計手段；打印出散熱器、格柵等多種高效功能件，解決了增材高承載功能結構創新設計難題。功效實現質的飛越，功能效率提高一倍、減重近2/5、零件減少95%。

另外，據王向明介紹，飛機戰損/戰傷比為1∶20，結構戰傷占近90%，若無法及時搶修即相當于戰損。對此，他提出了補強幾何應力集中/填充復合應力集中最小的修理設計方法、浪涌偏差修正方法，建立“四快”修復流程與數據庫——設計、評定、制造、修復。主持完成了3類材料、9類構件的地面靜態、搖擺動態環境下的工程驗證，為保持艦載機完好率提供技術途徑。

上述成果應用于多個型號項目，單機用量達復合材料用量的1/7，含5種工藝、9種材料。開辟了增材構件在飛機上工程化應用先河，實現了質的飛越，應用進程保持領先，使我國成為唯一實現增材制造構件在飛機上規?；瘧玫膰摇Ｍ跸蛎黝I銜的“基于增材制造的飛機結構創新設計與工程應用”項目由此獲得了國防科技進步獎一等獎。

厚積薄發，只為一飛沖天

航空工業集團審時度勢，決策研發第四代中型戰機——“鶻鷹”?？傇O計師孫聰（2015年當選中國工程院院士）慧眼識人、甘當伯樂，將該型號常務副總設計師的重擔壓在王向明肩上。任務重大、使命光榮。王向明絲毫不敢懈怠，雙管齊下，一手帶領團隊全力以赴開展設計工作，一手研究如何“好、快、廉”把飛機造出來。他深入系統地研究了有關新機研制的特點，規劃出獨具特色的新機快速試制模式與技術體系，并得到總設計師和項目總指揮的鼎力支持。

新機研制通常分為驗證機與工程發展型兩個階段，其中驗證機階段需要多次迭代、快速驗證、快速完善。而國內沒有新機快速試制機制，主要采用串行批產模式，傳統結構為主、工裝模具較多，不適合快速響應和頻繁設計更改，急需建立快速響應研制新模式，但對其技術和方法缺乏認知。

王向明提出了“協同設計/制造前移”的快速試制模式，貫穿全流程。即多專業協同建模以統一數據源；集中參數優化以提高計算精度；聯合產品定義以提高設計效率；制造技術前移，邊設計、邊制造，來縮短研制周期。

同時，王向明基于多年預研成果積累，通過優化組合/剪裁、補充完善，建立設計/制造一體化的快速試制技術體系。包括創新結構支撐、三維/優化設計、無模/敏捷制造、通用/柔性裝配、隱身表面高精度控制等技術。

為了化解潛在風險，王向明一邊積極組織進行模擬驗證，另一邊全力推進飛機快速試制。所采取的邊設計、邊制造的并行協同模式使得某時段內的工作量倍增，超負荷的工作壓力幾乎將王向明的身體壓垮，最緊張的時候，他曾經在早八點到凌晨兩點之間，先后8次往返設計所和工廠！因長時間在試制現場，王向明甚至被工藝員戲稱為（快速試制中心的）“更夫”。

這期間還有一次更加驚心動魄的險情。2012年10月3日下午，王向明從工廠返回家中后不久，感覺到腹部劇痛難忍，一下子暈倒在衛生間，失去了知覺。幸虧國慶節長假期間，妻子和女兒都在家中，發現異常急忙施救。王向明的妻子是從事藥品檢驗工作的，有一點醫護常識，及時采取了有效施救措施，不然后果難以預料。

艱苦的付出終于獲得了豐碩回報，換來“鶻鷹”成功首飛！當飛機平穩著陸的那一瞬間，王向明和他的團隊成員激動相擁，眼里噙滿淚水，內心深處迸發出一個聲音——“義鶻沖天伴夢飛！”

“鶻鷹”快速試制創造并保持了多項紀錄：全機重量控制精度提高一個數量級；危險部位減少一半；結構件/工裝減少一半，設計制造縮短1/4。航空工業集團評價：該快速試制模式取得一系列技術創新的突破。為后續型號裝備立項研制夯實了基礎，并憑借“新型戰機新概念結構與快速試制技術”項目獲得了國家技術發明獎二等獎。

航空報國的夢想讓王向明一路披荊斬棘，用技術創新推動著我國航空事業的發展，實踐著科技強軍的使命。王向明與團隊所取得的研究成果改變了飛機結構設計與研制的傳統模式，突破傳統極限束縛，為我國成為世界唯一實現增材制造構件在飛機上規?；瘧玫膰易龀隽酥匾暙I。多年的堅持，也讓他和團隊贏得了眾多的榮譽，先后榮獲了國家技術發明獎一等獎和二等獎、國防科技進步獎一等獎、航空航天月桂獎、航空報國金獎、遼寧省先進工作者、遼寧省五一勞動獎章、遼寧省十大創新能手、沈陽市勞動模范等一系列獎勵與榮譽。以他的名字命名的“王向明勞模創新工作室”先后成為遼寧省級、航空工業集團級勞模創新工作室。面對榮譽和稱號的接踵而來，王向明將其視為組織上的鼓勵和繼續前進的動力，而在他心中排在第一位的永遠是黨和國家賦予他在飛行器結構技術發展路上不斷突破的崇高事業。

日復一日，年復一年。就是這種在外人看起來清苦而又艱辛的科研之路，王向明走在其間卻并不覺得寂寞和辛苦。“在工作中尋求樂趣”一直是王向明奉行的工作理念。他始終將此視為國家使命，一刻不曾懈怠?！白龅脮r間久了，生活、興趣、專業、家庭全都注入在這里面了。對于飛行器結構設計的探索已經融入了我的一生，這輩子只想做好這一件事。如果有下輩子，我還會選擇飛機結構設計！”王向明飽含深情地說。