中國大飛機:國產化率從60%邁向100%

說起中國人自己制造的大型民用客機C919,不得不提3個百分比——10%、60%和100%。這是大飛機的“國產化率”。

C919項目啟動之初,考慮到中國人繼國產運十飛機之后再也沒有碰過“大飛機”,中國商用飛機有限責任公司內部保守估計,C919的國產化率大于10%即可;交付下線后,這架一出生就能與波音、空客兩大名牌客機相媲美的中國大飛機,實現了近60%的國產化率,并拿到570架的訂單。

而C919最終要實現100%國產化。中國青年報·中青在線記者了解到,C919飛機在制造時針對一些暫時未能實現國產的部分,選擇了兩條路——一是國外原廠,國內合資;二是原裝進口,到一定程度實現部分國產,最終實現全部國產。

“最終實現全部國產化”是中國商飛購買原裝進口產品時設置的“門檻”,也就是說,一旦某項產品被中國商飛采購,那么它最終都會逐步國產化。這是產品生產廠商與中國商飛之間的基本約定。

“為C919做控制律,難就難在這是第一次”

如果把一架飛機比作一個人,那么發動機就是心臟,液壓系統是血液,而控制律則是靈魂。當中國商飛研制的中短航程支線客機ARJ21-700在進行各種試飛驗證時,國產大飛機C919的設計也爭分奪秒地開始。

“控制律其實是一個算法。”上海飛機設計研究院操穩特性與控制律室副主任鄭曉輝介紹,按照專業的解釋,電傳飛行控制律是電傳飛控系統運行的控制規律。控制律表明了飛行員操縱與飛機運動響應之間的關系,通過反饋控制算法,獲得飛行員期望的飛機操縱特性。

以自動停車技術為例,目前的自動停車技術可以做到操作者按鍵“設定目標”,汽車自己停進指定位置。在這一過程中,算法起到至關重要的作用。“看上去是車自己倒進去的,但其實是車上的傳感器測量了距離、角度等因素,通過數據的計算,控制輪子去完成。”

飛行控制律的算法也是同樣的作用。控制律算法越復雜,飛行員的負擔就越輕,就越容易操控飛機,“通過算法設計,使得飛機智能化程度更高,減少人犯錯誤的可能性。”

2012年,中國商飛組建了一支以上海飛機設計研究院操穩特性與控制律室設計人員為主的攻關隊,為C919設計電傳飛行控制律。4年后,這支主要由80后組成的隊伍初步完成設計。

中國商飛自行研發了C919飛行控制律的算法。ARJ21-700型支線飛機采用了相對簡單的開環控制律,很多操作需要飛行員手動完成;而C919采用的是復雜得多的閉環控制律,飛行員手動操作的內容少了很多。

霍尼韋爾公司是C919飛控系統的供應商,受制于美國法律,它不能向C919項目方提供飛行控制律算法這項技術,只能由中國商飛自主研發。研發過程中,霍尼韋爾公司只負責將中國商飛設計好的算法與方案進行功能的實現。對程序設計是否合適的問題,霍尼韋爾公司只回答“對”或“不對”,故障則由中國商飛自行定位并排除。

“為C919做控制律,難就難在這是第一次。”鄭曉輝說,與國外相比,我國在飛行控制律算法方面的經驗嚴重不足。一旦完成第一次設計,后續型號的設計就會容易許多。比如,空客A320也是第一次搞電傳,到了330、340,只要在320的基礎上調整,很快就能做出新的算法。

中國商飛為算法攻關團隊開設了一趟專門班車,每天晚上10點鐘開往地鐵站。辦公室里常備若干張折疊床,如果下班太晚,年輕人就直接睡在辦公室。這間辦公室有個不成文的“規定”,每個人周一至周五至少要加3天班,周六要加1天班,周一至周五正常下班時間是21點,所有人一視同仁,堅持至少兩年。

每一次,團隊把算法設計好,還要形成系統技術規范,全部翻譯為英文后發給供應商,然后由供應商寫軟件代碼。團隊成員趙晶慧介紹,他們為C919設計的控制律共有4100多條英文需求、前前后后跟供應商開了200多次英語電話會議。

買不到的“瘋狂”材料

在C919身上,先進材料首次得到了大規模應用。

在它的“皮膚”上,第三代鋁鋰合金材料、先進復合材料的用量分別達8.8%和12%,而此前在ARJ客機上的應用量僅有1%。ARJ的新材料,用于非承力結構,而C919使用在機身后段以及平尾等承力部位。對標波音737和空客A320兩種型號的“競爭對手”,C919上先進復合材料的使用量也更多。

因此,C919被認為“在我國材料領域具有里程碑式的意義”。公開資料顯示,新材料使體型較大的C919減重7%以上。

中國商飛公司上海飛機設計研究院標準材料設計研究部副部長袁宇慧告訴記者,飛機上使用的復合材料主要是指碳纖維增強樹脂基復合材料,具有質量輕、耐腐蝕的特點,不僅能降低飛機的自重、增加載客量,而且還能減少后期維護的費用。

用材料科學專家、中南大學材料學院教授鄧運來的話來說,飛機的“皮膚”就是一代飛機的標志,“一代飛機,一代材料”。材料越輕、耐久性越佳,飛機的性能也就能隨之上一個臺階。

而我國材料科學在世界上還處于較為弱勢的地位,30多年前研制的運10民用機采用的就是“全金屬質地”。C919目前使用的復合材料全都來自國外供應商,但在沒有基本材料標準的情況下,即便向老外購買,都是一件極其困難的事。

袁宇慧要做的,就是根據飛機性能需求,制訂出C919每一個部位材料的選用標準。她告訴記者,世界上每一家飛機生產廠商生產的每一種型號飛機,都有一套專屬的材料標準。這些材料標準,就像可口可樂的神秘配方一樣,具有自主知識產權——買不到。

袁宇慧和團隊花了4年時間才把C919材料的標準文字、內容部分基本確定,但具體到每個部位每種材料的纖維量、拉伸長度、樹脂含量、物理性能、化學性能、力學性能等數據,還要重新做實驗,再用統計學算法得出合理值。這個合理值,既要保證符合C919的設計需求,也要具備生產的可能性,還要最終得到適航當局的認可。

這些年來,標準材料團隊幾乎每天都在設計、制造的一線調研。實操工程師會告訴他們,需要哪一種性能的材料,軟一點、拉伸度強一些、質量輕一些……工程師們口中的“一點、一些”,到了材料師那里,就必須量化為具體參數。

這些參數,每一次都是由材料師通過實驗室比對、實操測量等繁瑣又枯燥的方式獲得。

值得一提的是,憑借豐富的材料領域經驗,袁宇慧團隊目前已在指導中航工業下屬的輔助材料生產企業和江蘇一家民營企業進行材料優化和革新,“過去我們只會告訴他們要什么,做不出來就算了;現在我們可以幫助他們分析,問題可能出在哪個環節,可以如何改進。”

C929、C939夢想飛機已在研發

中國人的大飛機夢,絕不會止步于C919。中國青年報·中青在線記者注意到,C929、C939等夢想機型也正在緊鑼密鼓地研發中。

張弛是中國商飛北京民用飛機技術研究中心未來產品與技術研究團隊的副組長。他和他的團隊,負責C919的“未來機型”。他們給自己起了一個特別的名字“夢幻工作室”,負責“靈雀”項目。

“靈雀”項目,說通俗些,就是設計研發縮小版的大飛機。這種“靈雀”飛機更具未來感,無人駕駛,體積極小。這樣一架飛機的成本還不到C919的百分之一,卻承載著中國大飛機夢的未來。

“靈雀”飛機,是一種縮比驗證機型。張弛得意地向記者展示最新款的“靈雀B”飛機,它的機身和機翼融為一體,更加經濟、更加舒適,它的尾翼只有兩片,比一般的3片尾翼飛機阻力更小。

這個由30歲左右的年輕人組成的團隊,正在為解決機票貴、飛機油耗大這樣的世界性難題而進行研發。

張弛團隊最常收到的同行“建議”是:你們這個方案可能不行吧?

在各種討論聲中,夢幻工作室從2012年至今已經做了9架縮比試驗機,也出現過小飛機起飛后失控、地面調度不成功的案例。“沒有失敗,就不是創新,那叫模仿。我們不干那個”。

中國青年報·中青在線記者了解到, 在ARJ21客機試飛取證、航線示范運營,以及C919大型客機設計研發、總裝制造、首飛準備工作中,商飛青年發揮了極大作用——10支青年創新創業團隊,共有超過230名成員,平均年齡不到30歲,卻承擔了C919大型客機控制律攻關等37項民機關鍵技術的攻關任務。

中國青年報·中青在線記者 王燁捷