中国大飞机研发历程与技术突破

发布时间2015-05-14 16:38    来源：admin

　　大飞机一般是指起飞总重量超过100吨的运输类飞机，包括军用大型运输机和民用大型运输机，也包括一次航程达到3000公里的军用或100座位以上的民用客机。国际航运体系习惯上把300座位以上的客机称作“大型客机”，在我国，一般把150座以上客机称为“大型客机”。大飞机是一个国家综合实力和航空工业水平的体现。

　　曲折研发历程

　　中国大飞机项目的研发走过了一条坎坷曲折的道路。2001年4月，两院院士王大珩等20多位院士向中央建言，希望国家重视对大飞机的研制。2003年春，王大珩再次上书温家宝总理，恳切陈词，提出“中国要有自己的大飞机”。2003年6月，国家正式启动“中长期科技发展规划纲要”的编制工作，并陆续成立了国家重大专项论证组。“大飞机专项”是第一个也是论证最为艰苦的一个“重大专项”。“大飞机专项”论证组赴上海、西安等地考察后，经过近8个月论证，最终向国务院提交了一份报告，建议上马大飞机。

　　在这份报告的推动下，在国务院2006年2月9日颁布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006～2020年)》中，大飞机被确定为“未来15年力争取得突破的16个重大科技专项”之一。在随后召开的第十届全国人大四次会议上，国务院总理温家宝郑重宣布，中国将启动大飞机研制项目。为此，国务院成立了大型飞机重大专项领导小组，组织了专家论证委员会独立开展论证，经过6个月的工作，形成了《大型飞机方案论证报告》。2007年2月26日，温家宝总理主持召开国务院常务会议，原则批准大型飞机研制重大科技专项正式立项。至此，争论多年的“大飞机项目”终于尘埃落定。2008年5月，中国商用飞机有限责任公司在上海揭牌成立，标志着中国的“大飞机”研制工作开始实质性启动。事实上，这并不是中国第一次启动大飞机项目。

　　自新中国成立以来，我国民用飞机产业的发展可谓一路坎坷，为后续大飞机项目的研发积累了大量历史数据和经验教训。

　　最早的尝试可以追溯到参照苏联安-24研制生产的运-7飞机。1966年4月，西安飞机工业公司正式启动逆向仿制安-24的任务，并于1970年实现首飞，1984年取得中国民用航空总局正式颁发的适航证。作为50座级的支线飞机，运-7的出现结束了中国民航全部使用外国飞机的历史。

　　20世纪70年代，国家正式下达文件，启动“708工程”，来自全国航空工业300多个单位的各路精英被调集，参与被命名为“运-10”的飞机研制任务。“运-10”客舱按经济舱178座、混合级124座布置，最大起飞重量为110吨，达到“大飞机”标准。1980年9月26日，首架“运-10”成功首飞，并先后7次飞抵起降难度最大的西藏拉萨贡嘎机场。它是中国飞机设计首次从十吨级向百吨级冲刺，这种量级的放大对飞机结构、系统甚至概念和方法都提出了许多新挑战。“运-10”机体完全国产化，除发动机向国外采购配套外，航电和机械系统的国产化率超过96%，是我国第一款拥有完全自主知识产权的大飞机。同时，“运-10”的研制突破了苏联飞机的设计规范，是我国第一架参照美国适航条例FAR-25部标准研制的大型喷气式干线飞机。“708工程”的实施给我国民用航空设计带来了质的飞跃，使中国成为继美、苏和欧盟之后第4个能自己造出100吨级飞机的国家。然而由于综合国力等种种因素，1985年“运-10”宣布下马。

　　20世纪80年代中期，为了从国外学习先进管理和研制经验，中国的飞机研制走上了国际合作道路。随后，中国提出飞机工业发展“三步走”计划：第一步是装配和部分制造支干线飞机;第二步是与国外合作，联合设计研制100座级飞机;第三步是2010年实现自行设计、制造180座级干线飞机。作为“三步走”计划的第一步，1985年，上海飞机制造厂与美国麦道公司合作组装生产MD82客机。1992年起，双方又启动了新型号MD90的组装。在与麦道合作的同时，1996年，中国和空客公司开始联合研制AE-100型客机。这段经历大大提升了我国在大飞机现代化装配上的技术水平。但是，在知识产权和关键核心技术问题上，包括麦道公司在内的所有外国飞机制造商绝不肯做丝毫的让步。随着1997年麦道公司被波音公司并购，以及随后空客AE-100项目的终止，“三步走”计划停滞。

　　“三步走”计划的停滞让中国人意识到，中国制造不等于中国创造，用市场换技术，特别是核心的航空技术是不可行的。中国必须自行发展具有自主知识产权的新型涡扇飞机，并确定了先发展大型支线飞机，再进一步发展干线飞机的路线图。2000年2月，国务院总理办公会议决定，支持研制和发展中国新型涡扇支线飞机。2002年9月，国务院批准ARJ项目正式立项。2007年12月21日，首架ARJ-700下线，并于2008年11月28日首飞成功。从立项到首飞，ARJ21走完了从项目立项到预发展、工程发展、详细设计、全面试制再到飞机总装各阶段的全过程。2014年12月30日，国产新支线飞机ARJ21完成适航取证，迈出投入商业运营前的最后一步，为我国民机的适航管理打下坚实基础。ARJ21的研制为中国设计制造大飞机提供了全面的技术支持和市场营销经验。

　　近年来，随着民用航空快速发展，中国对大型飞机的需求日益紧迫。中国航空工业经过多年的探索和实践，已形成了专业较为齐全的人才队伍，具备了主要关键技术的设计、试验和制造能力，具有发展大型飞机的技术和物质基础。为实现从经济大国向经济强国转变，大飞机项目再次被提上了日程。

　　中国发展大飞机势在必行

　　保障民航运输业发展

　　中国经济发展对航空运输业、航空制造业提出了新的需求。今天的中国已经成为世界第二大航空运输国，航空客运和货运增长率都远高于世界经济平均水平。国内2012年一份调查报告显示，未来20年中国大陆地区大型客机需求将达到4273架。面对国内民航运输快速发展的大好形势，我国使用的大中型客机却全部依赖进口，导致民航运营成本居高不下，竞争力降低。特别是由于受到国外的制约，我国民航运输业还存在着安全隐患。在这种情况下，我国自行研制大型客机，既能保证民航运输业的安全，同时可降低购机成本，增加航空公司的赢利空间，激励国内民航运输业的发展。

　　国家高科技战略性产业

　　大飞机作为现代制造业的一颗明珠，是现代高新技术的大规模集成。大飞机的研发制造，可以拉动众多高技术产业发展，带动新材料、先进动力、电子信息、自动控制、计算机等领域关键技术研究的突破，其技术扩散率高达60%。发展大飞机，还将推动流体力学、固体力学、计算数学、热物理、信息科学、环境科学等诸多基础学科的重大进展。大飞机的意义不仅在于项目本身，更重要的是能够促使中国形成自己的民机产业体系，带动整个产业链的同步大发展。这对处于转型阶段的中国经济来说，是一个非常重要的发展机遇。

　　大飞机作为保障国家利益、捍卫大国地位、带动国民经济发展、保证国家安全、促进科技发展的重大战略装备，已经成为世界主要大国争夺的焦点。随着我国综合国力的不断增强和航空工业能力的不断提升，发展大型飞机已成为我国现阶段国家政治、经济、军事和科技发展的必然选择，它符合我国社会经济发展的客观规律，是实现中华民族伟大复兴的重要标志。

　　C919首飞在即

　　如果说“运-10”是中国大飞机的前世，那么即将诞生的C919就是中国大飞机的今生。2007年8月，胡锦涛总书记主持召开中央政治局常委会，同意成立大型客机项目筹备组。2008年3月，国务院通过了组建方案，批准组建中国商用飞机有限责任公司。大飞机项目立项以来，中国有序推进大飞机研发，布局大飞机产业链，启动国内供应商招标。到2009年12月，“C919大型客机总体基本技术方案”经评审获得通过，C919大型客机转入初步设计阶段。2011年12月，工信部组织专家对初步设计方案进行评审，C919大型客机项目转入详细设计阶段。目前各项工作稳步推进，已于2014年9月开始结构总装工作，计划于2015年底实现首飞。

　　总结过去几十年民机研制的经验教训，中国商飞突破传统的航空科研模式，在具有完全知识产权的前提下，按照“主制造商-供应商”模式，深化国际国内合作。作为大飞机主制造商，定位于设计集成、管理体系、总装制造、市场营销、客户服务、适航取证等方面，发动机、机载设备、材料等主要依靠外包，风险共担、利益共享，形成大型客机的国际国内供应商体系。

　　截至目前，除中国外，世界上仅有俄、美、欧盟3家能够独立研制大飞机，而这3家在飞机研制过程中均需要以大国国力相支撑，甚至有时要组织动员全国相关力量才能完成。大飞机作为一种高科技汇集的特殊商品，需要经受市场的残酷考验。而当下世界大飞机市场形成了由波音公司和空客公司两个寡头垄断竞争的局面，中国要想在未来跻身世界大飞机俱乐部绝非易事。

　　大飞机制造凝聚了时代顶尖的高新科技，涉及到材料学、空气动力学、结构强度、电子信息、自动控制、发动机等各专业领域知识。根据波音公司专业人士的估计，要把50到100个精挑细选过的工程师的知识综合到一起，才知道设计一架大型商用飞机需要些什么。因此，大飞机研发是一项极其复杂、多学科交叉的系统工程。

　　C919飞机在总体设计、气动外形、机体结构以及系统集成上基本达到了自主研制的标准，且设计理念已经达到国际先进水平。受国内部分技术水平和飞机研发周期限制，发动机、飞控、航电等关键系统和设备暂时以全球招标的形式，向外国供应商采购。我国在这些领域的技术基础和积累较西方发达国家还存在很大差距。目前，国产发动机的研制正在如火如荼地开展，希望在不久的将来，在大飞机项目的带动下，中国能用上自主研制的发动机和机载设备。

　　中国大飞机的技术突破

　　大飞机的研制是一项庞大而复杂的系统工程，涉及了气动、结构强度、材料、电子、控制、发动机以及制造技术等工程领域的诸多技术问题。大飞机项目从立项之初到C919首飞在即，各个科研团队在无数次的失败中总结经验，攻克技术难关，完成了一次又一次的突破。

　　总体设计

　　现代大型客机追求“四性”，即安全性、经济性、舒适性和环保性。从大型客机的发展历史来看，客机刚刚诞生时，这4项指标的重要性依次减弱，环保性几乎被忽略。但是，随着人类科技进步以及可持续发展思想的提出，后几项指标变得越来越重要，已经成为当今飞机制造商的重点攻克对象。C919的自主设计方向可概括为“三减”，即减重、减阻、减排。计划减重14%、减阻5%、减噪10分贝、污染排放物减少50%、油耗下降12%-15%。

　　气动总体技术在飞机总体设计中扮演着“顶层总体”的重要角色，能够为性能计算、结构载荷计算和飞行控制设计提供重要依据，在保证飞行速度、航程、载重量、安全、经济与舒适性等方面，也起着不可替代的作用。C919气动设计从机头、机翼到机尾、发动机都费尽心思，尽量减小阻力，降低油耗。在机头设计上，C919采用四面式风挡，该项技术采用国际先进工艺，使机头更具流线型，能减少阻力，同时驾驶舱的视野也更加开阔。飞机采用了新一代超临界机翼等先进气动力设计技术，达到比现役同类飞机更好的巡航气动效率，并与10年后市场中的竞争机型具有相当的巡航气动效率。在飞行动力上，选定了国际先进的航空发动机，具有更高效率、更低排放的优势。

　　机载设备包括飞行控制、航空电子和航空机电三大系统。机载设备对改善飞机性能有很大影响，也是现代飞机高科技含量和先进性的重要体现。C919采用了先进的电传操纵技术和主动控制技术，可以大大提高飞机综合性能，改善人为因素和驾驶舒适性。综合航电技术的应用可以减轻飞行员负担、提高导航性能、改善人机界面。

　　舒适性是C919机舱设计的首要目标，“先进客舱综合设计技术”的使用大大提高了客舱的舒适性。机舱座位布局将采用单通道，两边各3座，其中，中间的座位空间将加宽，有效地缓解以往坐中间座位乘客的拥挤感。C919采用先进的环控、照明设计，提供给旅客更大观察窗、更好的客舱空间，提供给旅客更佳的舒适性。同时，降低剖面周长0.326%，降低剖面面积0.711%，机身结构重量降低26.7kg。

　　CFD技术的应用

　　计算流体力学(CFD)技术在飞机设计中的大量使用，显著缩减了飞机研发的周期，目前的CFD技术在气动分析和噪声评估领域扮演了重要的角色。20世纪90年代美国的20项关键技术中，CFD技术位列第八，属最优先技术领域，至今对我国严格禁运。在今天美国航空航天领域，CFD约占气动设计工作量的70%，而风洞试验的工作量只占30%。随着CFD技术的进一步发展，未来飞行器性能的确定，将依赖于在“虚拟数值风洞”数据基础上产生的“虚拟飞行”之上。

　　先进的CFD技术需要先进硬件条件的支持，我国的CFD硬件资源比较匮乏，在计算能力和计算精度上与国外的差距较大，而在软件方面也缺乏高层次的脱体涡模型和转捩模型。大飞机项目在很大程度上带动了我国CFD技术的进步，大飞机设计中的机翼多点优化综合设计技术、机翼-机身-挂架/短舱一体化综合设计技术、高效增升装置的设计和气动噪声预测，以及大规模并行计算技术和网格计算技术等技术难题，对我国研究实用湍流模型和开发适于工程设计的复杂高精度CFD软件有很大的促进作用。

　　先进航空发动机

　　航空发动机在所有动力装置中技术含量最高、制造难度最大。经过30多年的发展，民用大型飞机使用的大涵道比涡扇发动机的工作性能、经济性、安全性、可靠性和环保水平都有了很大的提高。我国由于早期对航空发动机研制的长期性、艰巨性和大投入认识不够明确，长期处于航空发动机仿制生产状态。对于航空发动机研制的客观规律掌握不足，使得我国航空发动机研制投资强度远远低于研制实际需要。

　　目前，C919采用的首款发动机是CFM国际公司研发的LEAP-X发动机。而作为大飞机的动力装置，大涵道比涡扇发动机制造是大飞机关键技术中的核心，由中国自主研发的用于C919的商用发动机分为2款：SF-A和SF-B。SF-A发动机由隶属于中国航空工业集团公司的中航商发设计、研制，是一款推力范围为117.6kN～127.4kN的大涵道比涡扇发动机，可满足大型客机的动力需求。根据规划中初定的时间表，预计SF-A发动机将于2016年取证。可以说，只有等大涵道比涡扇发动机自主研发取得成功，我们的大飞机项目才算真正功德圆满。

　　新材料的应用

　　在航空制造业有句话颇为流行：“一代材料，一代飞机”。航空材料的性能对飞机性能的影响可谓举足轻重。目前，大型客机机体材料主要包括铝合金、钛合金和树脂基复合材料等，而发展重点则集中在低成本、高性能的树脂基复合材料技术。尽管复合材料较铝合金昂贵，但是可以使飞机减重10%～30%，所带来的经济效益远远抵偿了其成本高的负面影响。

　　C919在材料使用上，采用了大量的先进复合材料和先进的第三代铝锂合金等，其中复合材料使用量将达到20%，使得飞机在保证设计强度的前提下大大减小了结构重量。世界先进的第三代铝锂合金在国内民机上使用尚属首次，铝锂合金的使用比例甚至超过了空客A380。另外，C919使用了占全机结构重量20%～30%的国产铝合金、钛合金以及钢等材料，充分体现了C919大型客机带动国内基础工业的能力与未来趋势。

　　制造与装配

　　先进的设计需要强大坚实的制造工业作为支撑。C919采用了大量先进的设计理念，使用了更多的先进材料，这样的创新与突破对于我国的航空制造业是一种前所未有的挑战。中航工业洪都作为C919项目前机身、中后机身唯一供应商，通过全体技术人员努力攻坚，克服了对于全新材料加工经验缺乏的困难，铝锂合金型材的报废率由20.8%降低到3.81%，大型双曲度蒙皮零件拉伸成形关键技术问题顺利解决，为后续制造提供了工艺技术保障。实现了飞机蒙皮的精确制造，使我国航空制造技术迈入了飞机蒙皮精确一体化制造领域。

　　作为“第三次工业革命”的重要标志之一，增材制造技术(即“3D打印”)由于能够快速制造复杂、高质量产品，也加入到国产大飞机制造的技术行列中。北京航空航天大学使用激光增材制造技术，成功生产出了目前国内飞机尺寸最大、结构最为复杂的钛合金主承力关键构件，相关构件的综合力学结构已经达到或超过锻件指标。西北工业大学凝固技术国家重点实验室为C919制造出了长达3米的中央翼缘条。这不光是我国在大飞机制造上的技术突破，也体现了我国在增材制造技术领域的世界领先地位。

　　从MD82/MD83/MD90到ARJ21，再到C919，上海的大飞机装配技术有显著提高。C919大型客机装配的最大特点是，在深入采用并行工程、数字化制造和管理的同时，引进了具有世界先进水平的5条自动化装配生产线，集自动化钻铆、自动化对接、数字化测量、自动转载、自动化系统测试等数字化、自动化设备于一体，是我国大飞机装配技术的重大突破。

　　大飞机是高科技战略性产业，是发达国家竞相争夺的技术制高点。自主研制大飞机，形成具有国际竞争力的航空产业链，对满足我国迅速扩展的航空市场需求，改变航空运输装备长期依赖国外的局面，提高国防实力，拉动经济增长，提升国家核心竞争力，增强民族自信心，都将具有非常重大的意义。大飞机在未来的研制过程中仍将面临诸多困难和挑战，可能还会面对来自欧美垄断集团的技术和产品封锁。我们相信，坚持技术创新和体制创新，努力完成大飞机的研发，一定能构建起可持续发展、有市场竞争力的中国航空产业。