从1980年到2022年,从运10到C919,国产大飞机经历了40多年风风雨雨,如今终于迎来新的转折点。2022年2月8日,中国商飞宣布国产大飞机C919预计在今年就能交付,届时它的商用表现就要交给人民群众来评判了!

国产大飞机首单(出的国产大飞机)(1)

一个月前笔者也写过一篇关于C919的文章,提到了对美国发动机的担忧和对“组装机”的澄清,近几天由中国科协“科创中国”举办,抖音、西瓜视频联合出品的《院士开讲》栏目中,正好邀请到了国内知名院士王华明和曹春晓讲授科学知识,于是,今天就顺着栏目再来说说C919中的3D打印技术和材料轻量化问题。

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万物皆可打,飞机也不例外

3D打印又叫增材制造技术,由于能把复杂的三维问题平面化为二维,所以俗称“打印”。

但它的本质和打印可是完全不同,思路是把零件拆分成无穷个平面,通过材料的叠加“从下到上”来制造实体零件,从而跳过传统的锻造、切削手段,节省工艺时间和成本。

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王华明院士一开场抛出的观点就引起了各方的注意,他提到,当今想要制造大型构件,会受到传统冶金/成型技术的原理性制约,因此尺寸很难突破极限的大小。而C919的零件正好满足“受制约”的两个特性:性能高、尺寸大。

大尺寸的零件反而难造?这似乎有点反常识了,但是不妨想想看,一个零件之所以有一个规定尺寸,正是因为是这个大小才能发挥它最高的性能。以机器人为例,我们现在的仿人形机器人几乎都和人类一般大小,并没有国家异想天开,像电视里那样,造出一个酷帅拽的巨大机器人用于战争。

原因很简单:就算把小机器人内部的组件等比例放大,只会让那些精密的零件变得粗笨,无法使用,你能想象一个电视屏幕大小的芯片正常运作吗?

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如果要让大机器人像人一样活动,那么内部空间也必须像原来一样细小、均匀才行,为此,必须要额外添加很多的零件,“致密”内部空间。这样一来,设计的难度、技术的难度和成本都呈指数级上升,就算画得出设计图,以人类目前的科技水准也很难造得出来,也根本没这个必要去造。

这就叫“成型的原理性制约”,是一个正常的物理法则,像一堵高墙一般阻挡着人类发展巨大装备的道路。

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话题重新回到C919上来。王明华院士介绍道:C919的机头主风挡窗框正是这么一个结构复杂,尺寸巨大的家伙,当时在全世界仅仅有一家欧洲公司能造,但欧美一开口,光是模具费的要价就高达1300万元人民币,还需要2年才能出货。

如果依赖这家欧洲公司,必定会造成C919的成本费大型膨胀,成本费一膨胀,C919的性价比和竞争力可就完全比不了空客和波音了,何况,国产大飞机的研发紧赶慢赶,哪里可能在一个窗框上耗2年呢?

于是,中国人自己想办法。2009年,王华明院士及其科研团队耗时仅55天交出了成果,这个窗框从大小到结构都和设计图纸一模一样,而总费用甚至还不到200万元!这堪称奇迹的成绩,正是刚才所说的3D打印做出来的。

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王院士还介绍了3D打印的具体过程:通过计算机控制激光,将合金粉末熔化为液态,接着激光控制着这些液态合金使其在基底材料上游走,像膜一样逐层堆积,“生长”成一个完整、精密的三维零件。

看似简单的过程,却是王院士及其团队早从2000年开始就潜心研究,寻求突破,直到现在才摸索出来的一条与传统截然不同的道路。

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经《院士开讲》介绍,当时美国在这个领域的起步比我们还早很多,然而在疲劳性能等方面突破失败,最终在2005年左右得出结论:这条路走不通。

然而就是这条美国放弃了的路,中国团队走出来了,它性能高、成本低、周期短,而且泛用性广,以前我们能设计出来却造不出来的零件,也可以使用3D打印技术一并完成,除了C919也可以在其他领域应用,前景可期。

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在栏目中,王院士感慨做创新注定是一条坎坷的路,要做好隐姓埋名、终生磨不出一剑的心理准备。好在总算是功夫不负有心人,2013年,这项名叫“飞机钛合金大型复杂整体构建激光成形”的技术被评为了国家技术发明奖一等奖,目前已经有了比较成熟的工业化制造流程,我国也成为了世界上唯一一个掌握该项技术并实现工程应用的国家。

C919的轻量化:爱国心中的钛合金

讲完了C919中的3D技术,再来讲讲栏目中的另一个“重磅”,3D技术的原材料——钛合金。

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钛合金是在上世纪50年代发展起来的一种新型结构金属,强度高、耐腐蚀、耐热,航天、航母舰载机都离不开它的运用。这次在C919上,钛合金使用的比例远比以前的大多数飞机和战斗机都要高。它让C919在保证“大”的同时,还保证了轻量化,极大水准降低了燃料成本。

但要说起中国的钛合金,不仅起步晚,还被当年的锻造技术拖了后腿,发展得可谓相当坎坷。

在冷战时期,美苏早早就将钛合金运用在军事核潜艇当中,而钛合金的这些技术传入中国,则要等到美苏都玩了12年以后了。那时,中国甚至没几个人听说过这种东西,但当时有一位22岁刚毕业于上海交通大学,参加研究工作的研究员对此很好奇,开始投入对钛合金的研究,这一投入,就是一辈子。

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钛合金固然好用,却是一块难啃的“硬骨头”,其熔点达到了1668℃,比同条件下的金足足高了600多℃,也因此,要将钛合金锻造为精密、大型的构件异常困难。

1979年,我国空军需要筹备一架新的歼击机,为此需要用到一个1分钟需要转动10000多次的大型钛合金底盘。但由于当时的锻造技术怎么都达不到精度水准,国家无奈之下打算进口国外产品。

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这件事情让那位研究员得知后,心潮难平,决心好好为民族争口气。之后,他研制出一种名叫“高低温交替锻造”的新方法,不仅一举破解了钛合金难以精准锻造的难题,甚至还降低了锻造难度和锻造水准,也正是在这个时期,钛合金不仅仅用于军用,民用用途大量激增,在假牙、关节修复、保温杯、炒菜锅……里随处可见。

如今,中国成为了世界上最大的钛合金国家之一,昔日的无名小卒已经成为了现在的中国钛合金之父——曹春晓院士,他在栏目中说起上述经历时,毫无自负和吹嘘,有的只是温和平静的讲述。

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作为中国航空材料研究的先驱,他和他的同事让中国的钛合金从0起步,到如今多达18种处理工艺,包括熔炼、锻造、热处理,以及之前提到的3D打印工艺,为我国如今的C919做出了卓越的贡献。

曹院士介绍道,在这次C919当中,钛合金的用量达到了8%,胜过波音777的7.5%一筹,略逊于美国最先进运输机C-17的10.3%,但由于C919是我国第一架大型民用客机,要讲究经济性,所以比军用机用得少一些。

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除了飞机,钛合金在我国中航专为C919自主研发的长江1000发动机里面也有大量运用,达到了23%,约占整体四分之一的质量,完成了轻量化。虽然长江1000从装机测试到上市或许还要一些时间,但至少我们在“去美国化”的路上已经踏出了重要一步。

现在,曹春晓院士已有87岁高龄,在他的心脏起搏器里也有着钛合金的存在,他笑谈道:“我终生研究的东西,提高了我的生活质量。”如此一看,钛合金已经成为了曹春晓院士赤诚爱国之心的一部分,永远不可分割。

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尾声

87岁的曹春晓先生是第一代科学家,他研究出了钛合金新材料的锻造手法,降低了使用门槛;50岁的王华明先生则是改革开放后成长起来的科学家,他研究出3D打印的新路线,让钛合金变得更加可用、有用。

正是这样的他们代代接力,才让中国的科技建设越来越宏伟。而现在,又轮到新的年轻人们参与进来了,这是《院士开讲》举办科普活动的意义,也是两位院士共同的愿望。

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C919也象征着我国高端制造工业登上新的台阶、距离航空强国的梦想又前进了一大步。当然,运用了多种新技术的它是否做到了尽善尽美,那还要等待时间来判断。目前,已有可靠第三方预估C919的售价在0.8亿美元左右,年销售额有望达到80亿美元,未来也或将为我国航空产业带来约68%的增量。

现在,万事俱备,只欠东风!至于它何时能正式使用,带着民众飞上天空,仅仅只缺你我的等待了。

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#国产大飞机背后的中国黑科技#

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