劉振敏

2019年，被國(guó)人寄予厚望的C919大型客機(jī)研制進(jìn)展不時(shí)出現(xiàn)在各大媒體的報(bào)道中：雷達(dá)罩順利通過(guò)靜強(qiáng)度適航驗(yàn)證試驗(yàn)、活動(dòng)翼面自動(dòng)制孔生產(chǎn)線完成首架機(jī)應(yīng)用驗(yàn)證、10001架機(jī)全機(jī)靜力試驗(yàn)順利完成、正式拉開(kāi)三地試飛序幕……在這些新聞報(bào)道的背后，越來(lái)越多的人開(kāi)始意識(shí)到，作為國(guó)家戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，大飛機(jī)的產(chǎn)業(yè)拉動(dòng)效應(yīng)開(kāi)始逐步顯現(xiàn)。隨著項(xiàng)目研制的不斷推進(jìn)，國(guó)內(nèi)與之相配套的材料、制造工藝、試驗(yàn)技術(shù)等都在經(jīng)歷著一場(chǎng)脫胎換骨的轉(zhuǎn)型與發(fā)展。

飛機(jī)裝配不是搭樂(lè)高

C919到底是不是“中國(guó)制造”，曾經(jīng)是媒體與社會(huì)熱議的焦點(diǎn)。但事實(shí)上，在全球商用飛機(jī)市場(chǎng)，無(wú)論哪一家公司都沒(méi)有完全意義上的“國(guó)產(chǎn)化”一說(shuō)。以波音為例，其曾明確表示，波音只要保留三項(xiàng)核心能力：一是明確的客戶意識(shí)，即知道造一架飛機(jī)到底有沒(méi)有人買；二是大規(guī)模集成與總體設(shè)計(jì)能力；三是飛機(jī)總裝能力。

對(duì)于飛機(jī)總裝能力，一位業(yè)內(nèi)知名專家曾打過(guò)這樣一個(gè)比方——“即便是把波音某個(gè)型號(hào)飛機(jī)所使用的零部件和系統(tǒng)全部采購(gòu)來(lái)，如果沒(méi)有總裝能力，也不可能拼出一架波音飛機(jī)，這就是造飛機(jī)與拼樂(lè)高的區(qū)別?！币虼耍鳛槟贻p的制造商，在過(guò)去的幾年里，如何培養(yǎng)自己的飛機(jī)裝配生產(chǎn)能力是中國(guó)商飛公司總裝制造中心的核心任務(wù)之一。

C919大型客機(jī)是我國(guó)目前研制過(guò)的尺寸最大的商用飛機(jī)。全機(jī)長(zhǎng)38.9米，翼展35.8米，高11.95米，飛機(jī)上共有6萬(wàn)多個(gè)零件和上百萬(wàn)個(gè)連接件。對(duì)于制造商來(lái)說(shuō)，在裝配上需要攻克很多難關(guān)：

第一，C919全機(jī)共有上萬(wàn)個(gè)零件，零件制造偏差如果向部件、全機(jī)累積，最終會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題。為此，公差的合理分配、偏差控制就變得非常困難。

第二，C919采用了復(fù)合材料和鋁鋰合金等新型輕質(zhì)材料，飛機(jī)裝配需制孔上百萬(wàn)個(gè)，而復(fù)合材料易產(chǎn)生劈裂、毛刺、分層等質(zhì)量問(wèn)題，鋁鋰合金易產(chǎn)生微裂紋，導(dǎo)致疲勞壽命低，這就對(duì)裝配制孔工藝提出了很高的要求。

第三，C919的機(jī)體尺寸大，大部件對(duì)接過(guò)程中，如何保證跨尺度測(cè)量精度也是一道難題。此外，飛機(jī)外殼蒙皮厚度薄，裝配易變形，大尺寸部件對(duì)接也十分困難。

盡管通用設(shè)備可以進(jìn)口，但裝配工藝和集成技術(shù)是無(wú)法引進(jìn)的，因此關(guān)鍵技術(shù)的自主研發(fā)是唯一的出路。在國(guó)家大型飛機(jī)重大專項(xiàng)、“973計(jì)劃”、“863計(jì)劃”等支持下，中國(guó)商飛總裝制造中心與上海交通大學(xué)、南京航空航天大學(xué)合作，開(kāi)展了一系列機(jī)體裝配工藝方面的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究，初步摸索出一套適合C919大型客機(jī)裝配的生產(chǎn)工藝和裝配流程。

例如，C919飛機(jī)外殼的蒙皮厚度僅為2毫米，手指用力按一下就會(huì)變形。為了將這種柔性材料與剛性材料安全地結(jié)合在一起，中國(guó)商飛與國(guó)內(nèi)的高校、科研院所一起提出了剛?cè)峄旌辖Y(jié)構(gòu)裝配偏差分析方法，開(kāi)發(fā)了數(shù)字化裝配偏差仿真分析系統(tǒng)，有效降低了裝配誤差。此外，包括數(shù)字化測(cè)量、智能鉆鉚、智能監(jiān)控等技術(shù)也被陸續(xù)運(yùn)用于生產(chǎn)線，有效提高了裝配效率。

值得一提的是，C919大型客機(jī)裝配生產(chǎn)線完工之后，意味著我國(guó)擁有了第一套中國(guó)民航局適航部門認(rèn)可的商用飛機(jī)裝配工藝規(guī)范，這套規(guī)范詳細(xì)規(guī)定了裝配過(guò)程所采用的設(shè)備、工藝參數(shù)、過(guò)程控制方法、質(zhì)量檢測(cè)方法、人員資質(zhì)等要求，已成為我國(guó)商用飛機(jī)機(jī)體裝配的制造依據(jù)。

集智攻關(guān)不是一句空話

在紛繁復(fù)雜的國(guó)際環(huán)境下，中國(guó)正在努力實(shí)現(xiàn)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)。如果創(chuàng)新型國(guó)家戰(zhàn)略需要一個(gè)平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)的話，那么商用飛機(jī)項(xiàng)目作為這樣一個(gè)平臺(tái)應(yīng)該是當(dāng)仁不讓的。如今，隨著C919項(xiàng)目的不斷推進(jìn)，其對(duì)中國(guó)航空工業(yè)乃至其他基礎(chǔ)工業(yè)生產(chǎn)和研制能力的促進(jìn)作用已經(jīng)開(kāi)始顯現(xiàn)。

以中航工業(yè)西飛為例，其承擔(dān)了C919大型客機(jī)中機(jī)身、中央翼、外翼翼盒及前緣縫翼、后緣襟翼、副翼等6個(gè)工作包的研制。其中，中機(jī)身（含中央翼）和外翼翼盒大部件是整個(gè)飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的主要承載部件，也是技術(shù)最為復(fù)雜、制造難度最大的部件。

以飛機(jī)機(jī)翼制造的關(guān)鍵技術(shù)之一——整體壁板數(shù)控噴丸成型技術(shù)為例，這項(xiàng)技術(shù)長(zhǎng)期被國(guó)外封鎖，是制約我國(guó)大型客機(jī)研制的核心技術(shù)之一。在C919項(xiàng)目的帶動(dòng)下，西飛通過(guò)大量的基礎(chǔ)理論研究和系統(tǒng)性試驗(yàn)，先后攻克了復(fù)雜外形結(jié)構(gòu)整體壁板預(yù)應(yīng)力噴丸成型等一系列超臨界機(jī)翼壁板數(shù)控噴丸成形工藝的關(guān)鍵核心技術(shù)，打破了國(guó)外技術(shù)封鎖和壟斷，西飛也成為世界上掌握機(jī)翼壁板數(shù)控噴丸成形技術(shù)的少數(shù)幾家企業(yè)之一。

近期，西飛宣布其首次采用C919活動(dòng)翼面自動(dòng)制孔生產(chǎn)線加工的C919飛機(jī)4個(gè)活動(dòng)面順利交付客戶，標(biāo)志著該生產(chǎn)線正式具備產(chǎn)品加工能力。西飛公司表示，新的生產(chǎn)線相較之前效率提升3倍，為未來(lái)C919的批產(chǎn)奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，70%的飛機(jī)機(jī)體疲勞失效事故源于結(jié)構(gòu)連接部件的疲勞失效，其中又有80%的疲勞裂紋發(fā)生于連接孔處。過(guò)去，傳統(tǒng)的手工制孔質(zhì)量一致性差，效率低，制孔精度難以保證，鉚接連接件的質(zhì)量受鉚接方法、鉚接干涉量及鉚釘種類等多種因素的影響。因此，隨著自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，在飛機(jī)蒙皮等壁板上采用自動(dòng)打孔和鉚接等先進(jìn)工藝得到了廣泛應(yīng)用。在國(guó)外，進(jìn)入批產(chǎn)階段的飛機(jī)在生產(chǎn)中已經(jīng)鮮有采用手工制孔的部位。但在我國(guó)，雖然自動(dòng)鉆鉚、復(fù)合材料壁板鉆孔等技術(shù)在軍用飛機(jī)的研制中已經(jīng)有所涉及，但生產(chǎn)質(zhì)量不夠穩(wěn)定，廢品率較高，無(wú)法滿足商用飛機(jī)零部件的生產(chǎn)要求。

C919大型客機(jī)活動(dòng)翼面的復(fù)合材料用量較多，且還有復(fù)合材料零件和金屬零件的機(jī)械連接，這就要求在復(fù)合材料和金屬壁板上同時(shí)打孔。由于復(fù)合材料和金屬材料的性質(zhì)不同，對(duì)打孔的工藝要求也有所不同。

其中，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制孔易出現(xiàn)分層和偏心，要求切削速度高、進(jìn)給量小，從而避免復(fù)合材料壁板的鉆孔出口后產(chǎn)生分層和毛刺。因此，要把復(fù)合材料壁板鉚接到金屬隔框上的話，很難采用同一種工藝參數(shù)完成層疊板的鉆孔。

在C919項(xiàng)目之前，西飛也沒(méi)有對(duì)大尺寸復(fù)合材料活動(dòng)翼面自動(dòng)制孔的經(jīng)驗(yàn)。為此，西飛機(jī)翼裝配廠數(shù)字化團(tuán)隊(duì)成立了活動(dòng)翼面自動(dòng)制孔專項(xiàng)攻堅(jiān)團(tuán)隊(duì)，對(duì)機(jī)器人制孔壓緊力、進(jìn)給速度、轉(zhuǎn)速等各項(xiàng)加工參數(shù)不斷進(jìn)行探索和驗(yàn)證，形成定制化加工方案。經(jīng)過(guò)努力，研制團(tuán)隊(duì)解決了復(fù)合材料易分層、劈裂以及進(jìn)給速度慢導(dǎo)致加工效率低等問(wèn)題。

補(bǔ)修材料領(lǐng)域的學(xué)分

C919大型客機(jī)在雷達(dá)罩、機(jī)翼前后緣、活動(dòng)翼面、翼梢小翼、翼身整流罩、后機(jī)身、尾翼等主承力和次承力結(jié)構(gòu)上使用了復(fù)合材料，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)占全機(jī)結(jié)構(gòu)總重的比例達(dá)到11.5%。這是我國(guó)商用飛機(jī)制造領(lǐng)域第一次在主承力結(jié)構(gòu)、高溫區(qū)、增壓區(qū)使用復(fù)合材料，并且實(shí)現(xiàn)了T800級(jí)高強(qiáng)碳纖維增韌復(fù)合材料的應(yīng)用，為復(fù)合材料在商用飛機(jī)制造領(lǐng)域的應(yīng)用積累了寶貴的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

作為C919大型客機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)主要制造商之一，中航工業(yè)哈飛主要承擔(dān)機(jī)身復(fù)合材料部件的制造，負(fù)責(zé)主起落架艙門工作包、前起落架艙門工作包、翼身整流罩工作包和垂直尾翼工作包（103架起）4個(gè)大部件的制造。為滿足C919前起落架艙門的制造要求，哈飛在產(chǎn)品制造工藝上取得了一系列突破。

C919起落架艙門主要為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件，門體為預(yù)浸布、蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，內(nèi)部裝有增強(qiáng)的樹(shù)脂塊鑲嵌件。由于飛機(jī)在起飛、降落過(guò)程中主起落架艙門處于開(kāi)啟狀態(tài)，要承受很大的風(fēng)阻和震動(dòng)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上對(duì)強(qiáng)度、載荷要求很高，這是哈飛之前在生產(chǎn)直升機(jī)和小型運(yùn)輸機(jī)起落架艙門時(shí)所沒(méi)有遇到過(guò)的挑戰(zhàn)。在研制過(guò)程中，哈飛研制團(tuán)隊(duì)通過(guò)技術(shù)攻關(guān)，先后突破了超厚度（54mm）紙蜂窩預(yù)成型技術(shù)、數(shù)控加工技術(shù)、泡沫和蜂窩拼接技術(shù)，最終滿足了制造規(guī)范和適航驗(yàn)證的要求。

此外，在現(xiàn)有復(fù)合材料制造技術(shù)、飛機(jī)裝配技術(shù)方面，哈飛通過(guò)與國(guó)外企業(yè)聯(lián)合研發(fā)，在大尺寸復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件和垂直尾翼部件的生產(chǎn)中，采用了自動(dòng)鋪帶、熱隔膜成型、數(shù)字化裝配生產(chǎn)線等國(guó)際先進(jìn)技術(shù)，在制造工藝上實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。

C919機(jī)輪剎車系統(tǒng)涉及碳/碳復(fù)合材料及高溫合金的生產(chǎn)與制造。碳/碳復(fù)合材料具有低密度、高強(qiáng)度、高比模量、高導(dǎo)熱性、低膨脹系數(shù)、摩擦性能好、抗熱沖擊性能好、尺寸穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。用碳/碳復(fù)合材料制造的機(jī)輪剎車系統(tǒng)耐高溫，使用壽命是金屬材料的2～4倍，質(zhì)量只有其1/4。

為滿足C919機(jī)輪剎車系統(tǒng)需求，博云新材股份有限公司與霍尼韋爾公司于2012年聯(lián)合成立了霍尼韋爾博云航空系統(tǒng)有限公司，專門從事飛機(jī)機(jī)輪剎車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、研發(fā)、測(cè)試、部件制造及系統(tǒng)總裝。博云新材利用所掌握的碳/碳航空制動(dòng)材料制備技術(shù)，與霍尼韋爾聯(lián)合研制了C919機(jī)輪剎車系統(tǒng)，為國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)的騰飛作出了積極貢獻(xiàn)。

大連理工大學(xué)運(yùn)載工程與力學(xué)學(xué)部充分發(fā)揮國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室計(jì)算力學(xué)學(xué)科優(yōu)勢(shì)，承擔(dān)了C919尾翼、中央復(fù)合材料壁板等多個(gè)部位的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。自主研發(fā)大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)是一項(xiàng)艱巨而長(zhǎng)期的系統(tǒng)工程。大連理工大學(xué)研制團(tuán)隊(duì)針對(duì)大型復(fù)合材料構(gòu)件實(shí)驗(yàn)需求，進(jìn)行了大噸位、大尺寸加載系統(tǒng)、承力系統(tǒng)和電測(cè)系統(tǒng)建設(shè)，開(kāi)展了材料級(jí)、結(jié)構(gòu)級(jí)、部件級(jí)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理研究，建立了飛機(jī)典型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的破壞行為數(shù)據(jù)庫(kù)。該數(shù)據(jù)庫(kù)的建立和不斷完善，為C919大型客機(jī)中復(fù)合材料的使用奠定了科學(xué)基礎(chǔ)。

從上述案例中不難發(fā)現(xiàn)，C919大型客機(jī)的研制與生產(chǎn)，極大地帶動(dòng)了我國(guó)基礎(chǔ)學(xué)科的發(fā)展，使我國(guó)在材料領(lǐng)域取得了諸多突破，基礎(chǔ)設(shè)施、試驗(yàn)數(shù)據(jù)等得到了初步完善。但是，在看到成績(jī)的同時(shí)，我們也要清楚地認(rèn)識(shí)到，我國(guó)真正由國(guó)家層面來(lái)組織針對(duì)大型商用飛機(jī)的基礎(chǔ)材料研究只有短短十年，與先進(jìn)國(guó)家相比，在材料基礎(chǔ)研究、工程化應(yīng)用研究和工業(yè)化批量生產(chǎn)方面還存在不小的差距。未來(lái)，在商用飛機(jī)項(xiàng)目的牽引下，我國(guó)將有望進(jìn)一步加快包括材料在內(nèi)的基礎(chǔ)科學(xué)的發(fā)展，從而更好地支撐國(guó)家制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)。