中国大飞机:国产化率从60%迈向100%

说起中国人自己制造的大型民用客机C919,不得不提3个百分比——10%、60%和100%。这是大飞机的“国产化率”。

C919项目启动之初,考虑到中国人继国产运十飞机之后再也没有碰过“大飞机”,中国商用飞机有限责任公司内部保守估计,C919的国产化率大于10%即可;交付下线后,这架一出生就能与波音、空客两大名牌客机相媲美的中国大飞机,实现了近60%的国产化率,并拿到570架的订单。

而C919最终要实现100%国产化。中国青年报·中青在线记者了解到,C919飞机在制造时针对一些暂时未能实现国产的部分,选择了两条路——一是国外原厂,国内合资;二是原装进口,到一定程度实现部分国产,最终实现全部国产。

“最终实现全部国产化”是中国商飞购买原装进口产品时设置的“门槛”,也就是说,一旦某项产品被中国商飞采购,那么它最终都会逐步国产化。这是产品生产厂商与中国商飞之间的基本约定。

“为C919做控制律,难就难在这是第一次”

如果把一架飞机比作一个人,那么发动机就是心脏,液压系统是血液,而控制律则是灵魂。当中国商飞研制的中短航程支线客机ARJ21-700在进行各种试飞验证时,国产大飞机C919的设计也争分夺秒地开始。

“控制律其实是一个算法。”上海飞机设计研究院操稳特性与控制律室副主任郑晓辉介绍,按照专业的解释,电传飞行控制律是电传飞控系统运行的控制规律。控制律表明了飞行员操纵与飞机运动响应之间的关系,通过反馈控制算法,获得飞行员期望的飞机操纵特性。

以自动停车技术为例,目前的自动停车技术可以做到操作者按键“设定目标”,汽车自己停进指定位置。在这一过程中,算法起到至关重要的作用。“看上去是车自己倒进去的,但其实是车上的传感器测量了距离、角度等因素,通过数据的计算,控制轮子去完成。”

飞行控制律的算法也是同样的作用。控制律算法越复杂,飞行员的负担就越轻,就越容易操控飞机,“通过算法设计,使得飞机智能化程度更高,减少人犯错误的可能性。”

2012年,中国商飞组建了一支以上海飞机设计研究院操稳特性与控制律室设计人员为主的攻关队,为C919设计电传飞行控制律。4年后,这支主要由80后组成的队伍初步完成设计。

中国商飞自行研发了C919飞行控制律的算法。ARJ21-700型支线飞机采用了相对简单的开环控制律,很多操作需要飞行员手动完成;而C919采用的是复杂得多的闭环控制律,飞行员手动操作的内容少了很多。

霍尼韦尔公司是C919飞控系统的供应商,受制于美国法律,它不能向C919项目方提供飞行控制律算法这项技术,只能由中国商飞自主研发。研发过程中,霍尼韦尔公司只负责将中国商飞设计好的算法与方案进行功能的实现。对程序设计是否合适的问题,霍尼韦尔公司只回答“对”或“不对”,故障则由中国商飞自行定位并排除。

“为C919做控制律,难就难在这是第一次。”郑晓辉说,与国外相比,我国在飞行控制律算法方面的经验严重不足。一旦完成第一次设计,后续型号的设计就会容易许多。比如,空客A320也是第一次搞电传,到了330、340,只要在320的基础上调整,很快就能做出新的算法。

中国商飞为算法攻关团队开设了一趟专门班车,每天晚上10点钟开往地铁站。办公室里常备若干张折叠床,如果下班太晚,年轻人就直接睡在办公室。这间办公室有个不成文的“规定”,每个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时间是21点,所有人一视同仁,坚持至少两年。

每一次,团队把算法设计好,还要形成系统技术规范,全部翻译为英文后发给供应商,然后由供应商写软件代码。团队成员赵晶慧介绍,他们为C919设计的控制律共有4100多条英文需求、前前后后跟供应商开了200多次英语电话会议。

买不到的“疯狂”材料

在C919身上,先进材料首次得到了大规模应用。

在它的“皮肤”上,第三代铝锂合金材料、先进复合材料的用量分别达8.8%和12%,而此前在ARJ客机上的应用量仅有1%。ARJ的新材料,用于非承力结构,而C919使用在机身后段以及平尾等承力部位。对标波音737和空客A320两种型号的“竞争对手”,C919上先进复合材料的使用量也更多。

因此,C919被认为“在我国材料领域具有里程碑式的意义”。公开资料显示,新材料使体型较大的C919减重7%以上。

中国商飞公司上海飞机设计研究院标准材料设计研究部副部长袁宇慧告诉记者,飞机上使用的复合材料主要是指碳纤维增强树脂基复合材料,具有质量轻、耐腐蚀的特点,不仅能降低飞机的自重、增加载客量,而且还能减少后期维护的费用。

用材料科学专家、中南大学材料学院教授邓运来的话来说,飞机的“皮肤”就是一代飞机的标志,“一代飞机,一代材料”。材料越轻、耐久性越佳,飞机的性能也就能随之上一个台阶。

而我国材料科学在世界上还处于较为弱势的地位,30多年前研制的运10民用机采用的就是“全金属质地”。C919目前使用的复合材料全都来自国外供应商,但在没有基本材料标准的情况下,即便向老外购买,都是一件极其困难的事。

袁宇慧要做的,就是根据飞机性能需求,制订出C919每一个部位材料的选用标准。她告诉记者,世界上每一家飞机生产厂商生产的每一种型号飞机,都有一套专属的材料标准。这些材料标准,就像可口可乐的神秘配方一样,具有自主知识产权——买不到。

袁宇慧和团队花了4年时间才把C919材料的标准文字、内容部分基本确定,但具体到每个部位每种材料的纤维量、拉伸长度、树脂含量、物理性能、化学性能、力学性能等数据,还要重新做实验,再用统计学算法得出合理值。这个合理值,既要保证符合C919的设计需求,也要具备生产的可能性,还要最终得到适航当局的认可。

这些年来,标准材料团队几乎每天都在设计、制造的一线调研。实操工程师会告诉他们,需要哪一种性能的材料,软一点、拉伸度强一些、质量轻一些……工程师们口中的“一点、一些”,到了材料师那里,就必须量化为具体参数。

这些参数,每一次都是由材料师通过实验室比对、实操测量等繁琐又枯燥的方式获得。

值得一提的是,凭借丰富的材料领域经验,袁宇慧团队目前已在指导中航工业下属的辅助材料生产企业和江苏一家民营企业进行材料优化和革新,“过去我们只会告诉他们要什么,做不出来就算了;现在我们可以帮助他们分析,问题可能出在哪个环节,可以如何改进。”

C929、C939梦想飞机已在研发

中国人的大飞机梦,绝不会止步于C919。中国青年报·中青在线记者注意到,C929、C939等梦想机型也正在紧锣密鼓地研发中。

张弛是中国商飞北京民用飞机技术研究中心未来产品与技术研究团队的副组长。他和他的团队,负责C919的“未来机型”。他们给自己起了一个特别的名字“梦幻工作室”,负责“灵雀”项目。

“灵雀”项目,说通俗些,就是设计研发缩小版的大飞机。这种“灵雀”飞机更具未来感,无人驾驶,体积极小。这样一架飞机的成本还不到C919的百分之一,却承载着中国大飞机梦的未来。

“灵雀”飞机,是一种缩比验证机型。张弛得意地向记者展示最新款的“灵雀B”飞机,它的机身和机翼融为一体,更加经济、更加舒适,它的尾翼只有两片,比一般的3片尾翼飞机阻力更小。

这个由30岁左右的年轻人组成的团队,正在为解决机票贵、飞机油耗大这样的世界性难题而进行研发。

张弛团队最常收到的同行“建议”是:你们这个方案可能不行吧?

在各种讨论声中,梦幻工作室从2012年至今已经做了9架缩比试验机,也出现过小飞机起飞后失控、地面调度不成功的案例。“没有失败,就不是创新,那叫模仿。我们不干那个”。

中国青年报·中青在线记者了解到, 在ARJ21客机试飞取证、航线示范运营,以及C919大型客机设计研发、总装制造、首飞准备工作中,商飞青年发挥了极大作用——10支青年创新创业团队,共有超过230名成员,平均年龄不到30岁,却承担了C919大型客机控制律攻关等37项民机关键技术的攻关任务。

中国青年报·中青在线记者 王烨捷