劉振敏

2019年，被國人寄予厚望的C919大型客機(jī)研制進(jìn)展不時出現(xiàn)在各大媒體的報道中：雷達(dá)罩順利通過靜強(qiáng)度適航驗證試驗、活動翼面自動制孔生產(chǎn)線完成首架機(jī)應(yīng)用驗證、10001架機(jī)全機(jī)靜力試驗順利完成、正式拉開三地試飛序幕……在這些新聞報道的背后，越來越多的人開始意識到，作為國家戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，大飛機(jī)的產(chǎn)業(yè)拉動效應(yīng)開始逐步顯現(xiàn)。隨著項目研制的不斷推進(jìn)，國內(nèi)與之相配套的材料、制造工藝、試驗技術(shù)等都在經(jīng)歷著一場脫胎換骨的轉(zhuǎn)型與發(fā)展。

飛機(jī)裝配不是搭樂高

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

對于飛機(jī)總裝能力，一位業(yè)內(nèi)知名專家曾打過這樣一個比方——“即便是把波音某個型號飛機(jī)所使用的零部件和系統(tǒng)全部采購來，如果沒有總裝能力，也不可能拼出一架波音飛機(jī)，這就是造飛機(jī)與拼樂高的區(qū)別?！币虼?，作為年輕的制造商，在過去的幾年里，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)是我國目前研制過的尺寸最大的商用飛機(jī)。全機(jī)長38.9米，翼展35.8米，高11.95米，飛機(jī)上共有6萬多個零件和上百萬個連接件。對于制造商來說，在裝配上需要攻克很多難關(guān)：

第一，C919全機(jī)共有上萬個零件，零件制造偏差如果向部件、全機(jī)累積，最終會導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量問題。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)裝配需制孔上百萬個，而復(fù)合材料易產(chǎn)生劈裂、毛刺、分層等質(zhì)量問題，鋁鋰合金易產(chǎn)生微裂紋，導(dǎo)致疲勞壽命低，這就對裝配制孔工藝提出了很高的要求。

第三，C919的機(jī)體尺寸大，大部件對接過程中，如何保證跨尺度測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。在國家大型飛機(jī)重大專項、“973計劃”、“863計劃”等支持下，中國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，中國商飛與國內(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)字化測量、智能鉆鉚、智能監(jiān)控等技術(shù)也被陸續(xù)運用于生產(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，意味著我國擁有了第一套中國民航局適航部門認(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)定了裝配過程所采用的設(shè)備、工藝參數(shù)、過程控制方法、質(zhì)量檢測方法、人員資質(zhì)等要求，已成為我國商用飛機(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)雜的國際環(huán)境下，中國正在努力實現(xiàn)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。如果創(chuàng)新型國家戰(zhàn)略需要一個平臺來實現(xiàn)的話，那么商用飛機(jī)項目作為這樣一個平臺應(yīng)該是當(dāng)仁不讓的。如今，隨著C919項目的不斷推進(jìn)，其對中國航空工業(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，這項技術(shù)長期被國外封鎖，是制約我國大型客機(jī)研制的核心技術(shù)之一。在C919項目的帶動下，西飛通過大量的基礎(chǔ)理論研究和系統(tǒng)性試驗，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活動翼面自動制孔生產(chǎn)線加工的C919飛機(jī)4個活動面順利交付客戶，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C919的批產(chǎn)奠定了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。

據(jù)統(tǒng)計，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，隨著自動控制技術(shù)的發(fā)展，在飛機(jī)蒙皮等壁板上采用自動打孔和鉚接等先進(jìn)工藝得到了廣泛應(yīng)用。在國外，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，雖然自動鉆鉚、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打孔。由于復(fù)合材料和金屬材料的性質(zhì)不同，對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項目之前，西飛也沒有對大尺寸復(fù)合材料活動翼面自動制孔的經(jīng)驗。為此，西飛機(jī)翼裝配廠數(shù)字化團(tuán)隊成立了活動翼面自動制孔專項攻堅團(tuán)隊，對機(jī)器人制孔壓緊力、進(jìn)給速度、轉(zhuǎn)速等各項加工參數(shù)不斷進(jìn)行探索和驗證，形成定制化加工方案。經(jīng)過努力，研制團(tuán)隊解決了復(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，并且實現(xiàn)了T800級高強(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踐經(jīng)驗。

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)的樹脂塊鑲嵌件。由于飛機(jī)在起飛、降落過程中主起落架艙門處于開啟狀態(tài)，要承受很大的風(fēng)阻和震動，結(jié)構(gòu)設(shè)計上對強(qiáng)度、載荷要求很高，這是哈飛之前在生產(chǎn)直升機(jī)和小型運輸機(jī)起落架艙門時所沒有遇到過的挑戰(zhàn)。在研制過程中，哈飛研制團(tuán)隊通過技術(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，哈飛通過與國外企業(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，采用了自動鋪帶、熱隔膜成型、數(shù)字化裝配生產(chǎn)線等國際先進(jìn)技術(shù)，在制造工藝上實現(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。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、研發(fā)、測試、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)運載工程與力學(xué)學(xué)部充分發(fā)揮國家重點實驗室計算力學(xué)學(xué)科優(yōu)勢，承擔(dān)了C919尾翼、中央復(fù)合材料壁板等多個部位的實驗項目。自主研發(fā)大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)是一項艱巨而長期的系統(tǒng)工程。大連理工大學(xué)研制團(tuán)隊針對大型復(fù)合材料構(gòu)件實驗需求，進(jìn)行了大噸位、大尺寸加載系統(tǒng)、承力系統(tǒng)和電測系統(tǒng)建設(shè)，開展了材料級、結(jié)構(gòu)級、部件級復(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。該數(shù)據(jù)庫的建立和不斷完善，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)，極大地帶動了我國基礎(chǔ)學(xué)科的發(fā)展，使我國在材料領(lǐng)域取得了諸多突破，基礎(chǔ)設(shè)施、試驗數(shù)據(jù)等得到了初步完善。但是，在看到成績的同時，我們也要清楚地認(rèn)識到，我國真正由國家層面來組織針對大型商用飛機(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，在商用飛機(jī)項目的牽引下，我國將有望進(jìn)一步加快包括材料在內(nèi)的基礎(chǔ)科學(xué)的發(fā)展，從而更好地支撐國家制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。