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【总师风采】C919大型客机副总设计师章骏:闯出民机材料应用的新路子

2017-09-27 11:02 来源:大飞机报

  民机技术的发展主要表现在以下三个方面:一是航空发动机技术的进步,二是飞机主要系统的进步,三是材料技术的进步。“对于搞飞机的人来说,尤其是搞飞机总体的人来说,经常说一代飞机一代材料。搞材料的人则经常说一代材料一代飞机。这两种说法有不同的出发点,但不管怎么说,我们都不难看出材料在飞机发展过程中所起的特殊作用。”在接受采访时,长期从事材料和标准件应用研究,参加过多型飞机的材料选用和材料国产化研究工作的C919大型客机副总设计师章骏首先为记者进行了一次科普。

  C919是如何选材的

  章骏告诉记者:“从飞机结构材料的发展来说,以金属材料为代表的飞机,到波音777的时候,我个人认为是发展到了一个顶峰。近年来,复合材料开始兴起,它在解决飞机结构轻质化和长寿命问题上有一定优势。”

  C919应该选用哪些材料?相关专家为此进行了多次论证,提出了不同方案。“前期论证时,有一个方案是整机使用大约20%的复合材料,涵盖中央翼和机翼。随着型号研制工作的深入,在综合考虑各方面情况之后,最终确定使用11.5%的复合材料,主要集中在机翼上的活动面,如襟翼、副翼、后机身、平尾和垂尾等。这11.5%的复合材料当中,主要选择了三大类:T800级碳纤维复合材料、T300级碳纤维复合材料以及玻璃纤维复合材料。我们常说的先进复合材料特指T800级复合材料。在C919大型客机之前,中国航空制造业从未在批产型号中使用过这类材料。”

  复合材料既然具有明显的优点,为什么要降低使用率呢?对此,章骏解释说:“复合材料确实是一个很不错的实现飞机结构减重的路径,但并不代表复合材料可以完全替代金属材料实现飞机结构轻量化的目标,用什么材料仅仅是手段,最关键的是要实现飞机结构轻量化这一核心目标。通过对金属材料的纯化和改进,或者发展新型合金也能实现同样的减重目标。”

  “另外,相比金属材料,复合材料制造工艺更为复杂,更加难以控制,装备体系和适航审定方法都要重新建立,成本巨大,周期漫长,需要较长时间的积累和投入。从我国的实际情况出发,复合材料应用应该一步一步来做。”

  “2009年前后,铝锂合金进入我们的视野。简单来说,铝锂合金的优势在于添加了锂元素之后,在材料总体性能提高的同时,密度降低了,因此能有效实现结构减重这一目标。目前,C919使用的铝锂合金主要包括两大类三个牌号,一类是薄板,主要用来制造飞机蒙皮,还有一类叫做型材,主要用来制造长桁和地板支撑结构件。”

  在飞机材料的选择上,中国商飞公司坚持两条腿走路,在充分运用复合材料的基础上又加入铝锂合金这一新材料,这一做法得到专家评审组的高度肯定。专家组认为,新材料的使用既实现了减重收益,又确保风险可控,走出了国内民机材料应用的一条新路子。

  从规范和标准做起

  如果把飞机设计研发的全过程比作一个金字塔,那么材料设计在整个环节中,尤其是结构强度设计环节中就处于第一层或第二层的基础位置。材料设计要通过大量的基础性研发试验,为整个结构设计和强度校核给出许用值。

  “在C919研发过程中,我们遇到了很大的挑战。以前,我们在材料方面缺乏一套规范的体系,通过C919这个型号,我们探索建立了自己的材料规范体系。该体系得到国内外主流材料供应商的支持、配合和认同。”章骏如是说。

  说起来简单,实际上,这样一套完整规范的建立需要大量的试验验证来支撑。在章骏看来,材料试验非常琐碎,但要求却十分严格。举个例子,光第一期的复合材料许用值工作就涉及21000多项试验件的制造和试验。每个试验件尺寸的测试值超过20处,可以想象制造的精细程度有多高,试验件检测的工作量有多大。而这仅仅是许用值工作的起步阶段,后续还有更大的工作量。

  供应商产品制造过程控制是另外一项庞大而复杂的工作。目前,材料与标准件专业共有国内外供应商100多家。“在材料供应商管控上,我们采用的模式是多元化,充分竞争,尽可能杜绝唯一供应商,引入充分竞争,一个材料规范下面一定有不只一个合格供应商。我们通过深入产品生产过程控制来保证材料的质量、合理的经济性以及科学的供货周期,事实证明这样的策略还是卓有成效的。”章骏介绍说。

  “材料和标准件这个行业,虽然是一个基础行业,但对于整个飞机供应链的合理建立是有帮助的,甚至对控制飞机成本也相当重要。引入充分竞争,材料成本可以有效降低。另外一个成本控制手段就是和供应商签订长期协议。目前,在复合材料、钛合金和常规铝合金这三大类材料方面,我们都和主流供应商签订了长期协议。可以这么说,我们实现了C919飞机的材料成本基本可以预测,这是民机制造和管理方面的一个巨大进步。知道了材料成本,我们才能更加有效地进行调控与管理成本。”

  提高民机材料国产化水平

  回首往昔,章骏感慨良多:“研制C919这些年,在民机材料和标准件领域,我想我的收获比以前任何时候都要多。在民机研制中,由于面临严格的适航审定要求,我们必须从正向设计的角度去考虑每一个技术决定,为什么是这个指标,为什么要求这个指标,怎么获得输入,怎么评价获得的输入是安全可靠的。经过C919项目的探索和实践,在材料和标准件专业领域,我们基本通过了考试。”

  如今,随着C919大型客机项目的深入发展,章骏的另外一个愿望也越来越强烈,那就是不断提高民机材料的国产化水平——“经过ARJ21和C919两个型号,最大的收获就是知道了材料标准件该怎么管。接下来的一件事情就顺理成章了,那就是我们怎么帮助发展国产材料和标准件”。(林喆 文/上飞院供图)

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