航空航天裝備的輕量化：挑戰與未來

張衛紅，唐長紅

1.西北工業大學 陜西省空天結構技術重點實驗室，西安 710072

2.航空工業第一飛機設計研究院，西安 710089

航空航天裝備的研發和生產制造能力是衡量一個國家綜合實力的重要標準。為了在國際競爭中占據優勢，國家必須掌握核心技術，并從根本上保障經濟、國防和其他方面的安全。當前，大型軍民用飛機、大型運載火箭、航空航天發動機等航空航天裝備已成為國家戰略運輸、區域控制、進入太空和戰略威懾的核心力量，其重要性日益凸顯。因此，提高重裝運載、遠程航行、高速機動、智能感知和環境適應等綜合能力與性能已成為新一代航空航天裝備研發的緊迫任務［1-2］。

作為提高飛行器性能、降低能耗、提升有效載荷的重要手段，輕量化技術是航空航天領域的永恒主題。中國航天事業奠基人錢學森先生曾說過：“航天器一個零件減少一克重量都是貢獻。”這句話充分體現了輕量化技術在航空航天裝備研發中的重要性。

輕量化在促進航天經濟、實現大規模進入太空方面具有巨大的價值。據統計，2021 年全球共進行145 次火箭發射，入軌重量769.6 噸，而航天器每減重1 kg，按照近地軌道到月球軌道不同高度將節省5 萬到50 萬元發射費用。輕量化對民用航空具有巨大的經濟和綠色低碳效益。如果大型航空公司每架飛機減重100 kg，每年將減少油耗近5 000 噸，減少二氧化碳排放近15 000 噸，每年帶來過億元凈收入。在軍用航空航天領域，輕量化具有重要的戰略價值和國家安全意義。軍用航空航天裝備的輕量化直接關系到戰技指標乃至型號研制的成敗。例如，通過運載火箭發射的彈道導彈和高超聲速飛行器每減重1 kg，可使射程提升16 km 至22 km；新一代戰斗機重量減輕15%，可增加航程20%，提高電子裝備、武器掛載等有效載荷30%；軍用航空發動機每減重1 kg，可以使戰斗機減重近5 kg。美國JSF 飛機競標過程中，波音X-32 飛機因超重問題而競爭失敗，洛克希德馬丁F-35 雖然競爭勝利，但也因超重問題而長期受到機動性不足的困擾。

綜上所述，航空航天裝備的輕量化可以顯著提升運載能力、機動性、航程等關鍵指標。然而，輕量化設計制造必須同時兼顧裝備的服役可靠性、壽命、隱身性、智能感知、環境響應等性能，這構成了一個異常復雜的系統工程。因此，輕量化技術的持續發展和廣泛應用對于高性能航空航天裝備的研發至關重要。

1 航空航天裝備快速發展對輕量化提出了日益嚴酷的要求

自新世紀以來，全球各大航空航天機構都將輕量化技術視為至關重要的研究課題，全面應用于裝備的研發過程中［3-5］。NASA 將其作為十二項顛覆性技術之一，重點支持加快研發輕質高強的復合材料與結構、功能材料與結構，以及更有效的輕量化設計與制造技術［6-7］。同時，NASA 與波音合作，綜合總體氣動外形設計、材料與結構、制造與裝配等學科，建立了下一代民用飛機輕量化和低油耗設計規范。DARPA 則重點布局了輕量化智能傳感器集成項目，以提高飛機的全空域感知能力和智能化水平［8］。

在蘇霍伊設計局，Su-57 飛機在研制過程中全面采用了輕量化材料、結構優化設計與高性能制造技術。在最新的Su-75 五代機研制中，輕量化技術得到了進一步系統化和規范化的應用［9］。

空客A350 飛機在總體設計中采用了超臨界翼型構型布局，提高了5%的氣動效率，20%的燃油效率。此外，對機翼蒙皮和長桁進行結構優化設計，并基于先進的復合材料制造技術，應用了30 米級的大型整體復合材料壁板代替傳統的分塊式金屬壁板，使結構減重25%，且制造精度提高至0.2 毫米［10］。此外，全機集成布置了光纖等智能傳感器，實現了結構變形的全域智能感知。上述輕量化設計制造技術使A350 的結構重量系數由A330 的30%下降到28%［11］。

中國航空航天裝備自新中國成立以來取得了從無到有的突破，近年來更是涌現出一批具有世界先進水平的軍民用飛機和發動機、運載火箭等裝備，充分展示了中國航空航天技術實力的快速提升［12-14］。

然而，中國航空航天科研機構雖然長期高度重視型號研制中的輕量化相關問題和工作，但由于前期理論研究、工程技術以及軟硬件工具研發的積累不夠，通常只能零散運用總體布局經驗式調整、局部結構優化、反復試錯和修正等手段，人工協調設計制造各環節，以輕量化為主題的系統化設計制造理論方法和技術規范還不夠完善。因此，在航空航天裝備的關鍵指標上，中國與世界先進水平相比依然存在較大差距。如美國C-17 載重達到78 噸，最大航程已接近12 000 公里；美國德爾塔IV 型重型火箭起飛重量733.4 噸，近地軌道運載能力達到29 噸；美俄現役航空發動機推重比已超過10，為下一代飛機研制的新型航空發動機推重比將接近15。上述指標仍然是一段時間內中國同類型裝備努力達到并趕超的目標。

新時代以來，國家戰略需求賦予了航空航天裝備更重要的戰略使命要求。一批關鍵重大型號裝備的核心指標需要全面快速的跨越提升，更大的有效載荷與功重比、更遠的航程和射程、更強的機動靈活性、更多的探測感知和隱身等功能需求，使得裝備輕量化需求空前重要和緊迫，這是保障中國航空航天裝備達到世界一流水平、建設航空強國和航天強國必須解決的核心問題。

2 輕量化是未來航空航天裝備研制的重大科技問題

為了攻克新一代高性能航空航天裝備輕量化的難題，需要深入理解輕量化技術必須貫穿裝備研制的整個過程，并系統地將總體布局、結構設計、制造工藝等環節相互連通，以實現各環節高性能與輕量化目標的協同，見圖1。此外，需要綜合運用新材料、新結構、新工藝等手段，發展多學科耦合、多因素集成的輕量化設計理論與高性能制造技術。

圖1 高性能空天裝備輕量化研制的重大科技問題Fig.1 Key issues in the lightweight development of high-performance aerospace and aeronautical equipment

在未來，以下研究工作值得重點關注：

2.1 總體布局的輕量化

在裝備總體概念布局設計階段充分考慮輕量化設計要求，是在頂層設計層面高效協調高性能與輕量化矛盾的核心基礎［15］。現有總體布局設計方法大多依賴已有經驗，通過協商調整總體方案，在需要決策分系統間的緊湊布局與功能相互兼容、多學科性能與系統輕量化目標協同時往往效率低、效果差。亟需發展系統的航空航天裝備總體布局輕量化理論方法與工程技術，其關鍵難題在于總體設計環節中多學科功能和性能的快速估算和多目標協同優化。

因此，未來需要從概念方案設計階段出發，建立面向任務的裝備系統、子系統及結構重量的智能化快速估算技術，構建系統總體布局-整體性能指標-裝備重量的多學科映射模型與綜合優化方法，建立航空航天裝備服役全壽命載荷譜分析模型并開展面向任務的載荷優化，并創新開展模塊化系統布局、多任務載荷功能化集成等新概念總體布局技術以及其中的輕量化技術研究。

2.2 高性能機電系統的輕量化

航空航天裝備的機電系統是執行飛行保障各項功能的系統的總稱，對飛行性能、安全和可靠性都有著至關重要的影響。如電源系統作用是保證可靠地向用電設備，尤其是與飛行安全直接相關的關鍵設備提供符合要求的電能；航電系統是飛行器上所有電子系統的總和，負責飛行器平臺實現信息獲取、傳輸、處理和應用的核心系統。機電系統作為航空航天裝備的重要組成部分，整體重量占飛行器重量的較大比例，而且服役于多物理場環境、受載異常復雜，一直是空天裝備實現輕量化的重要堵點。

未來需要著重研究多物理場復雜環境下機電系統的輕量化、小型化、緊湊化設計技術，裝備全系統布局與機電系統布局的功能和性能匹配技術，以及高輸出低損耗執行器件的輕量化設計技術、機電系統力-熱-流-電-磁多場耦合作用機制等；開展適用于航空航天裝備的高性能微機電系統傳感器、執行器的架構設計、跨尺度行為特性分析以及結構功能共形一體化設計技術、微細尺度上功能結構與器件跨尺度復合制造技術、復雜型面共形-共性-共功能微機電系統的柔性原位制造技術研究，見圖2［16］。

圖2 多尺度結構功能一體化共形設計［16］Fig.2 Conformal design of function-integrated multiscale structures［16］

2.3 材料與結構的輕量化

結構是航空航天裝備的骨架，長期以來構成了系統輕量化的主要對象。材料結構的輕量化需要充分并合理運用高性能輕質材料（如輕質合金、復合材料、泡沫/蜂窩/點陣材料等）、新的結構優化設計手段（拓撲優化、整體優化等）以及新工藝技術（增材制造、復合制造等），通過材料在結構空間的合理拓撲布局和參數優化實現多種承載性能最優化與輕量化［17-21］，見圖3。其中，需要充分考慮結構在多物理場環境下多種性能之間的相互制約關系、系統多學科功能以及多種制造工藝對結構構造和承載性能的制約關系，其關鍵難題在于材料-結構-工藝-功能等多因素的協調。

圖3 輕量化材料與結構Fig.3 Lightweight materials and structures

未來需要重點面向高性能輕量化，研究新概念復合材料結構、多尺度梯度材料結構、超大規模多尺度混雜材料結構的高效高精度仿真、試驗與設計成型一體化技術；研究結構空間拓撲與設備布局總體協同設計技術、結構系統整體傳力路徑與局部傳載協同的精確調控技術，以及復雜靜、動、熱等載荷環境下多構件變形協調與精確調控設計技術；面向新興高性能制造工藝，研究工藝與功能特征驅動的材料-結構-工藝一體化設計理論，開展增/等/減材工藝的金屬結構-工藝參數協同設計、面向全壽命周期管理的抗疲勞結構優化設計理論、纖維增強熱固性復材結構-鋪層/編織參數-固化工藝參數協同設計、纖維增強熱塑性復材結構-纖維分布-鋪絲/打印路徑協同設計技術研究。

2.4 以高性能制造與裝配提升裝備輕量化水平

航空航天輕量化結構最終大多體現為復雜薄壁結構系統，其精準制造與裝配是實現航空航天裝備輕量化目標的最終環節。由于大量應用新型輕合金、復合材料等新材料以及異形曲面、鏤空、整體等大尺寸復雜薄壁結構形式，其弱剛度特點與高性能要求之間的突出矛盾，不斷挑戰現有制造工藝能力。為此，在航空航天裝備的制造過程中，如何有效利用多種能場的時空有序施加或復合控制材料應力狀態，是保障結構輕量化、復雜形狀的精確制造及其高性能有效集成、使其“形神兼備”的核心所在［22-25］，關鍵難題在于制造多能場耦合下材料結構精度和性能的調控，見圖4。

圖4 增減材復合制造某機匣零件Fig.4 Hybrid additive and substractive manufacturing of a casing component

未來需要重點開展金屬/復合/功能材料的復雜結構復合加工能場作用下形性時空演化機制和協同調控原理的研究，突破異質異形輕質結構高性能增材制造、輕質高強薄壁曲面構件和高性能復雜承力構件多能場精確成形、結構功能一體化制造等關鍵難題；開展輕質復雜構件切/磨削機械能場及其與超聲/激光/電磁等能場復合作用下的力-熱-結構耦合作用機制、成形與成性協同優化、極限壽命抗疲勞加工等新理論，突破表面形性創成與控制、自適應形性協同精密加工、抗疲勞表面層設計與重構、制造過程數字孿生與智能調控等關鍵技術，形成多能場復合精密切削、精密光整、高能復合表面強化等系列專用工藝及其智能化裝備。開展幾何-物理場耦合的高性能裝配集成理論研究，突破復雜外形薄壁結構應力均衡定位方法、異質疊層結構高質高效制孔與連接技術、裝配性能模塊化在線測試技術等研究，研發面向復雜薄壁結構的定位、制孔、連接、測試等工藝裝備與系統。

3 結論

綜上所述，航空航天裝備的輕量化是一個貫穿于設計、制造全過程的系統工程。一方面必須站在全系統頂層高度，發展高性能數值仿真、多學科優化和智能化技術，深化裝備總體布局、機電系統、材料與結構、制造與裝配等環節中的輕量化技術研究，特別是發掘設計制造環節、裝備構成各子系統以及多種學科之間交叉與協調中的輕量化潛力，補齊裝備研發各個環節中仍然存在的輕量化短板，建立系統的航空航天裝備輕量化設計制造規范體系；另一方面，更加注重技術集成和創新，充分運用基礎研究中不斷涌現的新概念布局、新動力模式、新材料、新概念結構、新制造工藝等最新成果，特別是可能引發變革性高性能輕量化的新概念設計制造技術，為加快中國航空航天強國建設做出新的貢獻。