中國的大飛機產業發展之路（二）

■ 仰山

三、持續推進的中國大飛機發展

目前中國大飛機的發展正在穩扎穩打地向前推進。

2017 年5 月5 日，C919 飛機完成了首飛。2019 年開始，C919 的六架試飛機已經在上海、閻良、東營、南昌、錫林浩特、吐魯番、敦煌等地進行密集的飛行試驗。2020 年11 月，C919 獲得了型號檢查核準書，進入“局方審定試飛階段”。

所謂“局方審定試飛”就是由國家民航局而非飛機制造商來審核C919 的試飛性能，意味著C919 已經要離開母廠，準備進入適航取證的環節了。

不過，從行業分析的角度說來：盡管目前國產大飛機正在穩步推進，但從供應鏈上來看，中國航空工業還有很多需要補齊的短板。事實上，從大飛機五大系統的發展程度上，就能夠大約感知到中國大飛機的發展水平了。

C919 命名頗具深意

“C”——中國商飛英文縮寫“COMAC”的第一個字母，也代表“China”，也恰好與“空中客車（Airbus）”和“波音（Boeing）”的字頭構成順序排列。

“9”——代表“長久。

“19”——代表最大載客可達190 座。

看完了C919 名字的來歷，下面我們來了解下他的基本參數：

在《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006-2020 年）》當中，C919被確定為16 個重大科技專項之一。這是因為，研發大型民航客機，不僅是提高國家自主創新能力、增強核心競爭力的重大戰略舉措，也是國家工業、科技水平和綜合實力的集中體現。

需求管理體系為大飛機作保

在研制之初，C919 就將競爭國際市場作為目標，為國產大型客機“飛出國門”鋪路。因此，它是中國首款按照最新國際標準研制的干線民用飛機。目前，國際上重要的標準之一，便是ARP 4754A《民用飛機與系統研制指南》。

什么是“ARP 4754A”

這一文件由美國自動工程協會（SAE）根據美國聯邦航空局（FAA）的要求于2010 年編寫發布，用以證明高度綜合與復雜航電系統對適航規章的符合性，是關于飛機系統研制的頂層規范。可以說，從頂層設計開始就嚴格按照ARP 4754A 規定的方法和流程研制民航客機，是獲得美國與歐洲適航許可的重要基礎，也是飛機走向市場的重要保證。

飛機研制的核心工作是自上而下需求分解分配和自下而上集成驗證的結合。因此，對這兩者的管理，便是ARP 4754A 的核心，業界稱之為“雙V”管理流程。對于民航客機來說，“需求”從上而下被劃分為市場需求、飛機級需求、系統級需求、分系統級需求、設備級需求等需求。

C919 的研發工作，便是遵循ARP 4754A 的要求展開，依據市場需求、飛機設計等頂層需求出發，捕獲、分析并定義了飛機級需求，包含一般需求、結構需求、可靠性/維修性需求、安全性需求、功能性需求及附加適航審定需求等；分解分配到系統級、設備級并形成相應具體的需求文件，由此構建完整的全機需求管理體系。這個過程，確保了C919 飛機研制先進性和科學性的需求予以落實、實現。

“超臨界機翼”大大提高氣動效率

由于民用飛機更強調經濟性和安全性，科研人員除了考慮大飛機的先進性和科學性，也在努力提升飛機的經濟性能。飛機的耗油量與飛機的升阻比（升力和阻力的比值）有直接的關系，升阻比越高，飛機的氣動效率越高，耗油量就越少。而飛機的升力主要來源于機翼，全機70%左右的阻力也來源于機翼。因此，為了保證飛機的座級，避免“油老虎”的出現，在飛機機翼上動腦筋，便成了提高飛機氣動效率的關鍵。

噴氣式民航客機通常以略低于音速的高亞音速飛行。當飛行速度接近音速時，機翼上表面某些區域的氣流速度可能已經達到音速，令飛行阻力急劇增加。

這一時刻飛機飛行速度與音速的比值，被稱為飛機的“臨界馬赫數”。第一、二代噴氣式客機采用的多是傳統的古典翼型，古典翼型適合于低速及亞音速飛行，在這種速度范圍內，它們具有較高的氣動效率。

但是，隨著飛行速度的進一步提高，古典翼型的設計已不可能適應高速巡航飛行的要求，因此，只能尋求一種既能適應高速巡航飛行，又能保持較高氣動效率的翼型，這就是超臨界翼型。

C919 的機翼設計就是運用了這一超臨界翼型。相對于古典翼型，超臨界翼型可使巡航氣動效率提高20%以上，巡航速度提高將近100 多千米/小時；如果用同一厚度的標準來設計古典翼型和超臨界翼型，超臨界翼型的整體阻力比古典翼型要小8%左右，因而，超臨界翼型具有較大的機翼相對厚度，而這可以減輕飛機的結構重量，增大結構空間及燃油容積。

在C919 飛機的設計上，超臨界機翼與發動機、機身和吊掛之間還采用了性能更為優化的局部融合設計，這些設計進一步提高了C919 飛機的經濟性和安全性。

通常飛機發動機的安裝位置與機翼較近，兩者之間難免產生阻力干擾。設計人員經過反復論證研究，采取了局部融合設計，使發動機與機翼之間達到了有利干擾，也就是“1+1 ＜2”的設計效果，讓兩者一起的阻力小于兩者的阻力之和。對于機翼和機身之間過渡區的局部設計，不僅沒有帶來機翼的升力損失，還提高了一部分機翼升力系數，也讓兩臺全新的LEAP-1C 高函道比發動機能發揮出更佳的性能。

吊掛是發動機和機翼之間的一個狹窄通道，C919 飛機采用的是IPS 吊掛。在吊掛設計的過程中，既不能讓它破壞機翼下表面的壓力分布，又不能破壞發動機短艙上的壓力分布。設計人員利用IPS 吊掛寬度較大的特點，在機翼前緣進行了融合設計，在不破壞壓力分布的情況下，能讓機翼晚些到達失速安全邊界，提高了飛機的安全性。

國內首次應用第三代鋁鋰合金材料

在中國武術界，有著“內練一身氣，外練筋骨皮”的說法。C919 大型客機的研發，也詮釋了這一思想。它的結構設計完全由中國商飛自主完成，并實現生產制造全國產化。在機體主結構上，設計人員大量使用了世界先進的第三代鋁鋰合金材料，這在國內尚屬首次，大大帶動了國內航空材料和制造的發展。

鋁鋰合金材料被認為是目前航空航天業首選的理想輕質高耐損傷金屬材料。相比于普通鋁合金，鋁鋰合金在同等重量下強度更大，在同等強度下重量更輕，這一性能對飛機而言非常重要。同時，鋁鋰合金的損傷容限性能和抗腐蝕性能也更強，使用鋁鋰合金可以實現結構減重并大大提高飛機壽命。

由于第三代鋁鋰合金此前沒有在國內民用飛機上使用過，因此拉伸性能、疲勞性能和斷裂性能等關系到飛機設計的重要參數，在國內基本沒有，需要進行大量試驗，方能獲得其各項性能指標。為此，攻關團隊先后進行了三大塊試驗，獲得了大量設計用有效數據，建立了第三代鋁鋰合金的材料規范體系、設計許用值體系和制造工藝規范體系，為將來鋁鋰合金在國內民機產業的廣泛使用奠定了堅實的基礎。

C919 由復材制成的零件中，有大尺寸復合材料壁板結構（水平尾翼、垂直尾翼）、蜂窩三明治夾層結構（活動面）、大曲率變截面（后機身）等復雜結構，加之尺寸很大，使得制造難度增加。

先進材料得到了大規模應用

C919 為雙發渦扇中型機，長38.9米，連翼展35.8 米，高12 米，最大可容納190 人之多。在它的“皮膚”上，第三代鋁鋰合金材料、先進復合材料的用量分別達8.8%和12%，而此前在ARJ客機上的應用量僅有1%。ARJ 的新材料，用于非承力結構，而C919 使用在機身后段以及平尾等承力部位。對標波音737 和空客A320 兩種型號的“競爭對手”，C919 上先進復合材料的使用量也更多。

因此，C919 被認為“在我國材料領域具有里程碑式的意義”。公開資料顯示，新材料使體型較大的C919 減重7%以上。飛機上使用的復合材料主要是指碳纖維增強樹脂基復合材料，具有質量輕、耐腐蝕的特點，不僅能降低飛機的自重、增加載客量，而且減少了后期維護的費用。此外，還有玻璃纖維復合材料及芳綸蜂窩材料的使用。

①后機身和平垂尾等使用了T800級碳纖維復合材料

C919 大型客機是國內首個使用T800 級高強碳纖維復合材料的民機型號。相比T300 級材料，T800 級材料強度、模量更高，韌性更強，具備更好的抗沖擊性，C919 上受力較大的部件，如后機身和平垂尾等都使用了T800 級碳纖維復合材料。

C919 上使用的T800 材料采用增韌環氧樹脂基體，增強纖維為T800 碳纖維，拉伸強度和拉伸模量較T300 提高50%左右，也是目前國際上民機主承力結構應用最為廣泛的復合材料。

②雷達罩使用了玻璃纖維復合材料

相比碳纖維復合材料，玻璃纖維復合材料的力學性能稍低，但由于碳纖維介電常數較高，會影響雷達工作，C919 大型客機的雷達罩使用了玻璃纖維復合材料。另外一些受力較小的部件，如襟翼也使用了玻璃纖維復合材料。因為玻璃纖維復合材料成本比碳纖維復合材料低，在受力較小的部件上應用，既可以達到設計要求，又可以降低制造成本。

③艙門和客貨艙地板使用了芳綸蜂窩材料

C919 大型客機艙門和客貨艙地板使用了芳綸蜂窩材料，這是一種采用酚醛樹脂浸漬的芳綸紙制成的輕質高強非金屬仿生芯材制品。它模仿蜜蜂的蜂巢設計，具有穩定、輕質的結構和很高的比強度，與泡沫芯材相比，它具有更高的剪切強度，與金屬蜂窩相比，它更加耐腐蝕。同時，芳綸蜂窩材料還具有高韌性、良好的抗疲勞性能和防火性能，是一種比較理想的民機復合材料。值得一提的是，近期，C919 飛機確定了首家國內芳綸蜂窩材料供應商，這也是C919飛機首次“牽手”國產復合材料供應商。

④“心臟”使用了碳纖維復材及陶瓷基復材

航空發動機作為“航空之花”，可以說是航空技術和工業積累的完整體驗。C919 的發動機為LEAP-X1C 發動機。它采用了18 片賽峰公司研制的碳纖維復合材料風扇葉片以及美國通用電氣公司研制的陶瓷基復合材料渦輪部件。

民用客機中的復合材料

復合材料最早應用于軍用飛機上。上世紀90 年代開始，國外率先將復合材料應用在戰機機身、主翼、尾翼及蒙皮等部位，起到了明顯的減重作用，大大提高了抗疲勞、耐腐蝕等性能，甚至在一些輕型飛機和無人駕駛飛機上，已實現了結構的復合材料化。

然而，與軍用飛機更加注重性能優越不同，民用飛機更加注重的是生產的穩定性。適航要求飛機每飛行小時發生一次災難性事故的概率在10-9 以內，這個要求分解到材料上，就要求供應商保證生產出來的材料在大概率上能夠達到平均性能。

復合材料飛機應用的兩個劃時代意義的里程碑當數空客公司的A380 飛機和波音公司的“夢幻飛機”波音787 飛機——在A380 上高性能復合材料用量達到飛機結構用量的25%，而波音787復合材料整體機身段成為新一代大型飛機材料技術的第一亮點，由于減少了1500 個零件和4 萬～5 萬個連接件，故顯著減輕了結構重量，大幅降低了制造、裝配、運營和維護成本。

復合材料零件生產對操作人員、操作工藝、操作環境等有著十分嚴格的要求，甚至不同的人按照同樣的工藝生產，產出的零件性能卻可能有較大差異，這對民機復合材料結構零部件生產的質量控制而言是個巨大挑戰。

新生事物在初始階段總是帶著這樣那樣的問題，國外民機在復合材料應用方面也走過了從手工鋪貼到自動化、從生產不穩定到穩定、從次要結構到主要承力結構的探索過程。因此，C919 復合材料應用在民機領域的探索作用可能遠大于型號收益本身。

苦練內功，航電核心處理系統達到國際先進水平

正如武學人才內外兼修一樣，C919也在“內功”上狠下功夫。在民用飛機產業有個形象的說法：航電系統是“大腦”，飛控系統是“四肢”，EWIS 系統是“經絡”。就像人一樣，一架先進的飛機應該擁有聰敏的大腦、靈活的四肢、通暢的經絡。

C919 航電系統的核心——IMA，使用的是目前最先進的高度集成數據處理和網絡傳輸技術。飛機搭載的IMA，由兩臺核心處理計算機柜負責處理全機各系統的數據，承擔全機信息交換中心的職能。

遍布全機的多個遠程數據接口裝置（RDIU）和遠程交換機，為全機各系統數據傳輸、交換提供了通路，形成了強大的數據傳輸網絡。這種網絡化數據處理方式，相較之前一對一的數據傳輸處理方式，是巨大的變革，因為它不僅提高了數據傳輸的處理效率，也大大減少了全機電纜的長度，從而實現了有效的減重。比如說，飛行速度、高度這些數據，以前要由大氣數據計算機分別建立通路，傳輸給顯示系統、發動機、環境控制等系統；現在，只需“把工作都交給網絡”。

這些優點，要歸功于C919 使用的目前最先進的ARINC664網絡集成技術。簡單來說，ARINC664 網絡是一種航空總線通信協議。相比于之前被廣泛應用但帶寬有限的老版本網絡，ARINC664 最大的好處就是帶寬高且資源共享，這意味著，原來需要通過若干根線纜傳輸的信號，現在可以由一根線纜傳輸。這就好比我們從A 地到B 地，需要開行10 列火車，但并不需要修筑10 條鐵軌，只需要一組雙軌鐵路，再配上可靠的信號系統便可完成，而且這樣做，顯然比修10 條鐵軌更節約資源。

系統更先進了，帶來的技術難點也不少。以ARINC664 總線為數據主干道的航電核心處理系統，是應用在飛機航電系統中的先進信息處理系統。目前，國際上只有B787、A380 等較新機型采用這種技術。由于ARINC664 網絡的高度共享性和邏輯復雜性，提高了設計難度，也給中國商飛提出了很高的設計集成能力要求。

如今，大型客機對數據傳輸的需求，以及未來在客機上搭載娛樂系統等商業化的需求正不斷增多，而C919 直接攻關新版本航空數據交換網絡的策略，已經讓它在數字化和擴展潛力方面，達到了目前民航國際先進機型的水平。

機體材料

對高速飛行的民航客機來說，機體材料是基礎中的基礎，重點中的重點。各國的工程設計人員都在追求更輕、更強、更堅固的新材料。

目前國際通用的主流航空材料主要是鋁合金、鋼材、鈦合金以及碳纖維為代表的復合材料。尤其是復合材料，隨著飛機性能越來越強，現在已經被越來越多地使用在各種型號的飛機上——1969 年首飛的波音747 飛機，鋁合金用量占了總用量的81%，復合材只占1%，但到了1994 年首飛的波音777，鋁合金的比重則下降到了70%，復合材料的用量卻高達11%。

中國C919 的機身重量大約為42.1噸，鋁合金占了65%。相較于同級別的波音737 和空客A320，C919 的鋁合金用量更少，復合材料使用更多——這表明C919 的設計理念是頗為先進的。

但問題是，設計理念雖然先進，但中國材料和冶金的發展卻慢了半拍——航空鋁材的供應權長期以來牢牢地掌握在美國鋁業、加拿大鋁業、愛勵、凱撒等企業手中——不論從技術還是市場，中外之間的差距都很大。

特別是技術領域，由于基礎科研上的投入較少，中國廠商在新型合金研發上劣勢明顯。中國現在有數千家鋁加工企業，但卻又陷入了“大而不強”的境地——低端鋁產品的市場早已飽和，產能嚴重過剩，企業紛紛內卷。

而像航空鋁這樣的高端產品卻依賴于進口——莫說是C919，哪怕是早已服役多年的ARJ 系列支線飛機也依舊在使用進口的航空鋁。C919 大量核心鋁部件都是美國鋁業公司的產品，只有少數為國產產品——說白了，國產航空鋁目前還不能滿足民航大飛機的需要。

事實上，很多材料我們不是造不出來，而是不能“很便宜地造出來”——軍用飛機不考慮市場競爭，也就不用太糾結成本控制，因此可以放心大膽地使用先進材料。而民航飛機是商品，錙銖必較，材料的成本是繞不開的問題。

此外，考慮到作戰帶來的強度需求，軍用飛機上的鋁合金材料用量本就低于民航飛機。以美國的F22 為例，其機身結構中41%的成分為鈦合金，鋁合金只有區區15%。我們的J20 上面的情況也類似，鈦合金和復合材料加起來也接近總重量的一半，鋁合金比重遠遠小于民航飛機。

大飛機上的另一種必備材料則是航空鈦合金——鈦合金質地輕盈但異常堅韌、又極耐腐蝕且導熱率低，因此不僅僅被用在了機身結構上，甚至在飛機發動機的葉片、外殼、噴管也都有使用。

在中國大飛機領域，鈦合金的發展情況稍好一些，起碼已經能夠保證自主供應——西工大利用3D 打印技術成功解決了C919 大型鈦合金結構件的制造問題，成本和國外鍛壓制造的成本差不多。

但遺憾的是，中國鈦合金產業整體水平目前和國際先進水平之間還有較大的差距，雖然暫時可以滿足C919 的任務，但長期來看還是“道阻且長”。

以碳纖維為代表的復合材料也是目前主流的航空材料，低密度、高強度、耐高溫、抗腐蝕的復合材料特別能滿足飛機設計師們對于“減重”的需要。中國自2010 年開始大規模投資發展碳纖維行業。根據《中國制造2025》的要求，2020 年國產碳纖維復合材料就要能夠滿足國產大飛機的需求，2025 年就要實現自主保障。

在師昌緒院士和其他科研人員的努力下，我們目前已經僅次于美日兩國，成為了世界第三大碳纖維生產國。2019年，中科院山西煤炭化學研究所已經實現了“干噴濕仿T-1000 級超強碳纖維的核心技術突破”，代表中國在高端碳纖維領域已經完成了重大的技術攻關——但距離量產還有距離。

動力系統

航空發動機為代表的動力系統是中國最弱勢的領域。目前的國際航發市場依舊是歐美企業的天下——美國CFM 國際公司占了44.1%的市場份額，美國通用電氣占了22%的份額，IAE、羅羅、普惠公司又占了另外的28%。如果這些企業只是“圈地自治”便也罷了，這些企業之間甚至還互相持股，使得彼此之間抱成了一個牢固的“利益共同體”。

長期以來，中國航發的發展重心都在軍用領域，民用發動機市場基本空白。未來計劃裝備國產大飛機的“長江1000A”發動機還在研制之中，民用航發市場基本已經被國外廠商壟斷——不論大小，我國的民航飛機基本都只能選擇外國進口的發動機。

機身結構

由機翼、機身、尾翼、起落架組成的機身結構是中國廠商的強項——研制出J20、運20 的中國航空工業在機身結構設計上的實力不俗，能夠滿足民航大飛機的需求。并且，機身結構部分占了整架飛機總價值的三成，如果中國廠商全數拿下了C919 的機身結構訂單，那么就等于我們在大飛機價值鏈上占據了重要的地位。根據已掌握的資料，航空工業集團下屬的公司承擔了C919 飛機機身結構的絕大多數工作。

可以說，機身結構設計和制造環節，已經基本實現了自給自足。

不過，自給自足的機身結構并不代表完全的安全——粗略來看，機身材料的價值=材料+設計+制造。

中國廠商在設計、制造上的確可以做到自給自足，但在材料領域卻不甚理想——正如前文所說，航空鋁合金、鈦合金、復合材料，依舊是國外廠商占據了主導地位。

機電系統

飛機機電系統是一個較為冷門的領域。談及大飛機，絕大多數人想到的都是機身、發動機、航電，往往會忽視機電系統。所謂機電系統包括了飛機的燃油系統、剎車系統和救生防護等多個功能，可以說，飛機上除了發動機和航電，都是機電系統的范疇。

中國機電系統企業在這方面吃了起步晚的虧。和其他系統一樣，由于缺乏大飛機項目，中國機電企業在這一塊缺乏經驗，也就自然沒辦法和外商競爭。目前，全球大飛機的機電系統供應權仍然都掌握在歐美廠商手中。

多虧了中國最近幾年在航空工業的投資，隨著一系列國產飛機的投入使用，中國機電企業也漸漸開始構造自己的配套體系。

航電系統

飛機航電系統主要包括的是通信、導航、飛控、氣象和管理等系統，如果是軍用航電，還會包括和戰斗相關的聲納、預警、火控等功能。大飛機航電的主要意義是為了保證飛機安全、減輕飛行員的工作負擔。

在航電系統上，中國廠商的表現比較令人滿意。客艙核心控制系統和信息系統是C919 航電系統中僅有的兩個國產研發的子系統，可以說打破了西方企業在此領域的壟斷地位——這只是我們萬里長征的第一步。

從以上五大系統的發展情況看，我們會得到一個結論：中國的C919 大飛機項目的國產化率恐怕不算高，目前絕大多數材料和零部件都需要進口。

這種情況看似有些糟糕，但實則正常。不論從中國航空工業的水平還是從世界大飛機產業的游戲規則來看，C919的這種情況都是“正常且合理”的——說到底，民航客機是商品，民航大飛機的制造是生意，而生意是要用生意的思維來解決的。

對于民航飛機的生意，最重要的因素只有兩個，一個叫“安全”，一個叫“經濟”——為了安全，飛機廠商一定會選擇最成熟可靠的產品；為了經濟，飛機廠商則一定會選擇最先進的材料和技術。

民航飛機的難度遠高于軍用飛機，而對中國來說，研制“大飛機”又是一項非常緊迫的任務——因此，中國大飛機最終選擇的是“主制造商-供應商”的道路，即中國商飛公司作為大飛機的主制造商，負責設計、集成、管理、總裝、營銷，而其他部分，如發動機、航電設備、材料等則統統外包采購。而外包采購，則必然意味著國產化率下降、對外依賴提高，以及我們都熟悉的“卡脖子”風險。

綜上所述，C919 雖然已經穩扎穩打進入了“局方審定試飛階段”，但中國大飛機事業目前仍然處于發展早期——我們雖然已經有了整機，但五大系統上的表現卻幾乎全面落后于國外廠商，國產化率偏低。

在民用大飛機工業上，全球只有美國和法國兩個國家具有獨立開發和制造100 座以上大型民用客機的能力且能夠正常大規模銷售。俄羅斯、中國、日本雖然已經開始研發自主的大型客機，但是在核心技術突破和實際市場占有率方面，依然和美國、法國相比有巨大的差距。

對此，有關專家指出，如果我們不能啃下像“大飛機”這樣的“硬骨頭”，幾十年后，我們是否也會被踢下牌桌？

大飛機項目，往小了說是關于產業經濟和技術進步，往大了說足以和“國運”“地位”掛鉤——我們必須清楚地認識到：大飛機，是一場我們“不能輸”也“輸不起”的戰爭。