中國大飛機研發歷程與技術突破

發布時間2015-05-14 16:38    來源：admin

　　大飛機一般是指起飛總重量超過100噸的運輸類飛機，包括軍用大型運輸機和民用大型運輸機，也包括一次航程達到3000公里的軍用或100座位以上的民用客機。國際航運體系習慣上把300座位以上的客機稱作“大型客機”，在我國，一般把150座以上客機稱為“大型客機”。大飛機是一個國家綜合實力和航空工業水平的體現。

　　曲折研發歷程

　　中國大飛機項目的研發走過了一條坎坷曲折的道路。2001年4月，兩院院士王大珩等20多位院士向中央建言，希望國家重視對大飛機的研制。2003年春，王大珩再次上書溫家寶總理，懇切陳詞，提出“中國要有自己的大飛機”。2003年6月，國家正式啟動“中長期科技發展規劃綱要”的編制工作，并陸續成立了國家重大專項論證組。“大飛機專項”是第一個也是論證最為艱苦的一個“重大專項”。“大飛機專項”論證組赴上海、西安等地考察后，經過近8個月論證，最終向國務院提交了一份報告，建議上馬大飛機。

　　在這份報告的推動下，在國務院2006年2月9日頒布的《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006～2020年)》中，大飛機被確定為“未來15年力爭取得突破的16個重大科技專項”之一。在隨后召開的第十屆全國人大四次會議上，國務院總理溫家寶鄭重宣布，中國將啟動大飛機研制項目。為此，國務院成立了大型飛機重大專項領導小組，組織了專家論證委員會獨立開展論證，經過6個月的工作，形成了《大型飛機方案論證報告》。2007年2月26日，溫家寶總理主持召開國務院常務會議，原則批準大型飛機研制重大科技專項正式立項。至此，爭論多年的“大飛機項目”終于塵埃落定。2008年5月，中國商用飛機有限責任公司在上海揭牌成立，標志著中國的“大飛機”研制工作開始實質性啟動。事實上，這并不是中國第一次啟動大飛機項目。

　　自新中國成立以來，我國民用飛機產業的發展可謂一路坎坷，為后續大飛機項目的研發積累了大量歷史數據和經驗教訓。

　　最早的嘗試可以追溯到參照蘇聯安-24研制生產的運-7飛機。1966年4月，西安飛機工業公司正式啟動逆向仿制安-24的任務，并于1970年實現首飛，1984年取得中國民用航空總局正式頒發的適航證。作為50座級的支線飛機，運-7的出現結束了中國民航全部使用外國飛機的歷史。

　　20世紀70年代，國家正式下達文件，啟動“708工程”，來自全國航空工業300多個單位的各路精英被調集，參與被命名為“運-10”的飛機研制任務。“運-10”客艙按經濟艙178座、混合級124座布置，最大起飛重量為110噸，達到“大飛機”標準。1980年9月26日，首架“運-10”成功首飛，并先后7次飛抵起降難度最大的西藏拉薩貢嘎機場。它是中國飛機設計首次從十噸級向百噸級沖刺，這種量級的放大對飛機結構、系統甚至概念和方法都提出了許多新挑戰。“運-10”機體完全國產化，除發動機向國外采購配套外，航電和機械系統的國產化率超過96%，是我國第一款擁有完全自主知識產權的大飛機。同時，“運-10”的研制突破了蘇聯飛機的設計規范，是我國第一架參照美國適航條例FAR-25部標準研制的大型噴氣式干線飛機。“708工程”的實施給我國民用航空設計帶來了質的飛躍，使中國成為繼美、蘇和歐盟之后第4個能自己造出100噸級飛機的國家。然而由于綜合國力等種種因素，1985年“運-10”宣布下馬。

　　20世紀80年代中期，為了從國外學習先進管理和研制經驗，中國的飛機研制走上了國際合作道路。隨后，中國提出飛機工業發展“三步走”計劃：第一步是裝配和部分制造支干線飛機;第二步是與國外合作，聯合設計研制100座級飛機;第三步是2010年實現自行設計、制造180座級干線飛機。作為“三步走”計劃的第一步，1985年，上海飛機制造廠與美國麥道公司合作組裝生產MD82客機。1992年起，雙方又啟動了新型號MD90的組裝。在與麥道合作的同時，1996年，中國和空客公司開始聯合研制AE-100型客機。這段經歷大大提升了我國在大飛機現代化裝配上的技術水平。但是，在知識產權和關鍵核心技術問題上，包括麥道公司在內的所有外國飛機制造商絕不肯做絲毫的讓步。隨著1997年麥道公司被波音公司并購，以及隨后空客AE-100項目的終止，“三步走”計劃停滯。

　　“三步走”計劃的停滯讓中國人意識到，中國制造不等于中國創造，用市場換技術，特別是核心的航空技術是不可行的。中國必須自行發展具有自主知識產權的新型渦扇飛機，并確定了先發展大型支線飛機，再進一步發展干線飛機的路線圖。2000年2月，國務院總理辦公會議決定，支持研制和發展中國新型渦扇支線飛機。2002年9月，國務院批準ARJ項目正式立項。2007年12月21日，首架ARJ-700下線，并于2008年11月28日首飛成功。從立項到首飛，ARJ21走完了從項目立項到預發展、工程發展、詳細設計、全面試制再到飛機總裝各階段的全過程。2014年12月30日，國產新支線飛機ARJ21完成適航取證，邁出投入商業運營前的最后一步，為我國民機的適航管理打下堅實基礎。ARJ21的研制為中國設計制造大飛機提供了全面的技術支持和市場營銷經驗。

　　近年來，隨著民用航空快速發展，中國對大型飛機的需求日益緊迫。中國航空工業經過多年的探索和實踐，已形成了專業較為齊全的人才隊伍，具備了主要關鍵技術的設計、試驗和制造能力，具有發展大型飛機的技術和物質基礎。為實現從經濟大國向經濟強國轉變，大飛機項目再次被提上了日程。

　　中國發展大飛機勢在必行

　　保障民航運輸業發展

　　中國經濟發展對航空運輸業、航空制造業提出了新的需求。今天的中國已經成為世界第二大航空運輸國，航空客運和貨運增長率都遠高于世界經濟平均水平。國內2012年一份調查報告顯示，未來20年中國大陸地區大型客機需求將達到4273架。面對國內民航運輸快速發展的大好形勢，我國使用的大中型客機卻全部依賴進口，導致民航運營成本居高不下，競爭力降低。特別是由于受到國外的制約，我國民航運輸業還存在著安全隱患。在這種情況下，我國自行研制大型客機，既能保證民航運輸業的安全，同時可降低購機成本，增加航空公司的贏利空間，激勵國內民航運輸業的發展。

　　國家高科技戰略性產業

　　大飛機作為現代制造業的一顆明珠，是現代高新技術的大規模集成。大飛機的研發制造，可以拉動眾多高技術產業發展，帶動新材料、先進動力、電子信息、自動控制、計算機等領域關鍵技術研究的突破，其技術擴散率高達60%。發展大飛機，還將推動流體力學、固體力學、計算數學、熱物理、信息科學、環境科學等諸多基礎學科的重大進展。大飛機的意義不僅在于項目本身，更重要的是能夠促使中國形成自己的民機產業體系，帶動整個產業鏈的同步大發展。這對處于轉型階段的中國經濟來說，是一個非常重要的發展機遇。

　　大飛機作為保障國家利益、捍衛大國地位、帶動國民經濟發展、保證國家安全、促進科技發展的重大戰略裝備，已經成為世界主要大國爭奪的焦點。隨著我國綜合國力的不斷增強和航空工業能力的不斷提升，發展大型飛機已成為我國現階段國家政治、經濟、軍事和科技發展的必然選擇，它符合我國社會經濟發展的客觀規律，是實現中華民族偉大復興的重要標志。

　　C919首飛在即

　　如果說“運-10”是中國大飛機的前世，那么即將誕生的C919就是中國大飛機的今生。2007年8月，胡錦濤總書記主持召開中央政治局常委會，同意成立大型客機項目籌備組。2008年3月，國務院通過了組建方案，批準組建中國商用飛機有限責任公司。大飛機項目立項以來，中國有序推進大飛機研發，布局大飛機產業鏈，啟動國內供應商招標。到2009年12月，“C919大型客機總體基本技術方案”經評審獲得通過，C919大型客機轉入初步設計階段。2011年12月，工信部組織專家對初步設計方案進行評審，C919大型客機項目轉入詳細設計階段。目前各項工作穩步推進，已于2014年9月開始結構總裝工作，計劃于2015年底實現首飛。

　　總結過去幾十年民機研制的經驗教訓，中國商飛突破傳統的航空科研模式，在具有完全知識產權的前提下，按照“主制造商-供應商”模式，深化國際國內合作。作為大飛機主制造商，定位于設計集成、管理體系、總裝制造、市場營銷、客戶服務、適航取證等方面，發動機、機載設備、材料等主要依靠外包，風險共擔、利益共享，形成大型客機的國際國內供應商體系。

　　截至目前，除中國外，世界上僅有俄、美、歐盟3家能夠獨立研制大飛機，而這3家在飛機研制過程中均需要以大國國力相支撐，甚至有時要組織動員全國相關力量才能完成。大飛機作為一種高科技匯集的特殊商品，需要經受市場的殘酷考驗。而當下世界大飛機市場形成了由波音公司和空客公司兩個寡頭壟斷競爭的局面，中國要想在未來躋身世界大飛機俱樂部絕非易事。

　　大飛機制造凝聚了時代頂尖的高新科技，涉及到材料學、空氣動力學、結構強度、電子信息、自動控制、發動機等各專業領域知識。根據波音公司專業人士的估計，要把50到100個精挑細選過的工程師的知識綜合到一起，才知道設計一架大型商用飛機需要些什么。因此，大飛機研發是一項極其復雜、多學科交叉的系統工程。

　　C919飛機在總體設計、氣動外形、機體結構以及系統集成上基本達到了自主研制的標準，且設計理念已經達到國際先進水平。受國內部分技術水平和飛機研發周期限制，發動機、飛控、航電等關鍵系統和設備暫時以全球招標的形式，向外國供應商采購。我國在這些領域的技術基礎和積累較西方發達國家還存在很大差距。目前，國產發動機的研制正在如火如荼地開展，希望在不久的將來，在大飛機項目的帶動下，中國能用上自主研制的發動機和機載設備。

　　中國大飛機的技術突破

　　大飛機的研制是一項龐大而復雜的系統工程，涉及了氣動、結構強度、材料、電子、控制、發動機以及制造技術等工程領域的諸多技術問題。大飛機項目從立項之初到C919首飛在即，各個科研團隊在無數次的失敗中總結經驗，攻克技術難關，完成了一次又一次的突破。

　　總體設計

　　現代大型客機追求“四性”，即安全性、經濟性、舒適性和環保性。從大型客機的發展歷史來看，客機剛剛誕生時，這4項指標的重要性依次減弱，環保性幾乎被忽略。但是，隨著人類科技進步以及可持續發展思想的提出，后幾項指標變得越來越重要，已經成為當今飛機制造商的重點攻克對象。C919的自主設計方向可概括為“三減”，即減重、減阻、減排。計劃減重14%、減阻5%、減噪10分貝、污染排放物減少50%、油耗下降12%-15%。

　　氣動總體技術在飛機總體設計中扮演著“頂層總體”的重要角色，能夠為性能計算、結構載荷計算和飛行控制設計提供重要依據，在保證飛行速度、航程、載重量、安全、經濟與舒適性等方面，也起著不可替代的作用。C919氣動設計從機頭、機翼到機尾、發動機都費盡心思，盡量減小阻力，降低油耗。在機頭設計上，C919采用四面式風擋，該項技術采用國際先進工藝，使機頭更具流線型，能減少阻力，同時駕駛艙的視野也更加開闊。飛機采用了新一代超臨界機翼等先進氣動力設計技術，達到比現役同類飛機更好的巡航氣動效率，并與10年后市場中的競爭機型具有相當的巡航氣動效率。在飛行動力上，選定了國際先進的航空發動機，具有更高效率、更低排放的優勢。

　　機載設備包括飛行控制、航空電子和航空機電三大系統。機載設備對改善飛機性能有很大影響，也是現代飛機高科技含量和先進性的重要體現。C919采用了先進的電傳操縱技術和主動控制技術，可以大大提高飛機綜合性能，改善人為因素和駕駛舒適性。綜合航電技術的應用可以減輕飛行員負擔、提高導航性能、改善人機界面。

　　舒適性是C919機艙設計的首要目標，“先進客艙綜合設計技術”的使用大大提高了客艙的舒適性。機艙座位布局將采用單通道，兩邊各3座，其中，中間的座位空間將加寬，有效地緩解以往坐中間座位乘客的擁擠感。C919采用先進的環控、照明設計，提供給旅客更大觀察窗、更好的客艙空間，提供給旅客更佳的舒適性。同時，降低剖面周長0.326%，降低剖面面積0.711%，機身結構重量降低26.7kg。

　　CFD技術的應用

　　計算流體力學(CFD)技術在飛機設計中的大量使用，顯著縮減了飛機研發的周期，目前的CFD技術在氣動分析和噪聲評估領域扮演了重要的角色。20世紀90年代美國的20項關鍵技術中，CFD技術位列第八，屬最優先技術領域，至今對我國嚴格禁運。在今天美國航空航天領域，CFD約占氣動設計工作量的70%，而風洞試驗的工作量只占30%。隨著CFD技術的進一步發展，未來飛行器性能的確定，將依賴于在“虛擬數值風洞”數據基礎上產生的“虛擬飛行”之上。

　　先進的CFD技術需要先進硬件條件的支持，我國的CFD硬件資源比較匱乏，在計算能力和計算精度上與國外的差距較大，而在軟件方面也缺乏高層次的脫體渦模型和轉捩模型。大飛機項目在很大程度上帶動了我國CFD技術的進步，大飛機設計中的機翼多點優化綜合設計技術、機翼-機身-掛架/短艙一體化綜合設計技術、高效增升裝置的設計和氣動噪聲預測，以及大規模并行計算技術和網格計算技術等技術難題，對我國研究實用湍流模型和開發適于工程設計的復雜高精度CFD軟件有很大的促進作用。

　　先進航空發動機

　　航空發動機在所有動力裝置中技術含量最高、制造難度最大。經過30多年的發展，民用大型飛機使用的大涵道比渦扇發動機的工作性能、經濟性、安全性、可靠性和環保水平都有了很大的提高。我國由于早期對航空發動機研制的長期性、艱巨性和大投入認識不夠明確，長期處于航空發動機仿制生產狀態。對于航空發動機研制的客觀規律掌握不足，使得我國航空發動機研制投資強度遠遠低于研制實際需要。

　　目前，C919采用的首款發動機是CFM國際公司研發的LEAP-X發動機。而作為大飛機的動力裝置，大涵道比渦扇發動機制造是大飛機關鍵技術中的核心，由中國自主研發的用于C919的商用發動機分為2款：SF-A和SF-B。SF-A發動機由隸屬于中國航空工業集團公司的中航商發設計、研制，是一款推力范圍為117.6kN～127.4kN的大涵道比渦扇發動機，可滿足大型客機的動力需求。根據規劃中初定的時間表，預計SF-A發動機將于2016年取證。可以說，只有等大涵道比渦扇發動機自主研發取得成功，我們的大飛機項目才算真正功德圓滿。

　　新材料的應用

　　在航空制造業有句話頗為流行：“一代材料，一代飛機”。航空材料的性能對飛機性能的影響可謂舉足輕重。目前，大型客機機體材料主要包括鋁合金、鈦合金和樹脂基復合材料等，而發展重點則集中在低成本、高性能的樹脂基復合材料技術。盡管復合材料較鋁合金昂貴，但是可以使飛機減重10%～30%，所帶來的經濟效益遠遠抵償了其成本高的負面影響。

　　C919在材料使用上，采用了大量的先進復合材料和先進的第三代鋁鋰合金等，其中復合材料使用量將達到20%，使得飛機在保證設計強度的前提下大大減小了結構重量。世界先進的第三代鋁鋰合金在國內民機上使用尚屬首次，鋁鋰合金的使用比例甚至超過了空客A380。另外，C919使用了占全機結構重量20%～30%的國產鋁合金、鈦合金以及鋼等材料，充分體現了C919大型客機帶動國內基礎工業的能力與未來趨勢。

　　制造與裝配

　　先進的設計需要強大堅實的制造工業作為支撐。C919采用了大量先進的設計理念，使用了更多的先進材料，這樣的創新與突破對于我國的航空制造業是一種前所未有的挑戰。中航工業洪都作為C919項目前機身、中后機身唯一供應商，通過全體技術人員努力攻堅，克服了對于全新材料加工經驗缺乏的困難，鋁鋰合金型材的報廢率由20.8%降低到3.81%，大型雙曲度蒙皮零件拉伸成形關鍵技術問題順利解決，為后續制造提供了工藝技術保障。實現了飛機蒙皮的精確制造，使我國航空制造技術邁入了飛機蒙皮精確一體化制造領域。

　　作為“第三次工業革命”的重要標志之一，增材制造技術(即“3D打印”)由于能夠快速制造復雜、高質量產品，也加入到國產大飛機制造的技術行列中。北京航空航天大學使用激光增材制造技術，成功生產出了目前國內飛機尺寸最大、結構最為復雜的鈦合金主承力關鍵構件，相關構件的綜合力學結構已經達到或超過鍛件指標。西北工業大學凝固技術國家重點實驗室為C919制造出了長達3米的中央翼緣條。這不光是我國在大飛機制造上的技術突破，也體現了我國在增材制造技術領域的世界領先地位。

　　從MD82/MD83/MD90到ARJ21，再到C919，上海的大飛機裝配技術有顯著提高。C919大型客機裝配的最大特點是，在深入采用并行工程、數字化制造和管理的同時，引進了具有世界先進水平的5條自動化裝配生產線，集自動化鉆鉚、自動化對接、數字化測量、自動轉載、自動化系統測試等數字化、自動化設備于一體，是我國大飛機裝配技術的重大突破。

　　大飛機是高科技戰略性產業，是發達國家競相爭奪的技術制高點。自主研制大飛機，形成具有國際競爭力的航空產業鏈，對滿足我國迅速擴展的航空市場需求，改變航空運輸裝備長期依賴國外的局面，提高國防實力，拉動經濟增長，提升國家核心競爭力，增強民族自信心，都將具有非常重大的意義。大飛機在未來的研制過程中仍將面臨諸多困難和挑戰，可能還會面對來自歐美壟斷集團的技術和產品封鎖。我們相信，堅持技術創新和體制創新，努力完成大飛機的研發，一定能構建起可持續發展、有市場競爭力的中國航空產業。