C919的探索與創新之路

劉振敏

2019年，被國人寄予厚望的C919大型客機研制進展不時出現在各大媒體的報道中：雷達罩順利通過靜強度適航驗證試驗、活動翼面自動制孔生產線完成首架機應用驗證、10001架機全機靜力試驗順利完成、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，作為國家戰略產業，大飛機的產業拉動效應開始逐步顯現。隨著項目研制的不斷推進，國內與之相配套的材料、制造工藝、試驗技術等都在經歷著一場脫胎換骨的轉型與發展。

飛機裝配不是搭樂高

C919到底是不是“中國制造”，曾經是媒體與社會熱議的焦點。但事實上，在全球商用飛機市場，無論哪一家公司都沒有完全意義上的“國產化”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，即知道造一架飛機到底有沒有人買；二是大規模集成與總體設計能力；三是飛機總裝能力。

對于飛機總裝能力，一位業內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所使用的零部件和系統全部采購來，如果沒有總裝能力，也不可能拼出一架波音飛機，這就是造飛機與拼樂高的區別。”因此，作為年輕的制造商，在過去的幾年里，如何培養自己的飛機裝配生產能力是中國商飛公司總裝制造中心的核心任務之一。

C919大型客機是我國目前研制過的尺寸最大的商用飛機。全機長38.9米，翼展35.8米，高11.95米，飛機上共有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：

第一，C919全機共有上萬個零件，零件制造偏差如果向部件、全機累積，最終會導致產品質量問題。為此，公差的合理分配、偏差控制就變得非常困難。

第二，C919采用了復合材料和鋁鋰合金等新型輕質材料，飛機裝配需制孔上百萬個，而復合材料易產生劈裂、毛刺、分層等質量問題，鋁鋰合金易產生微裂紋，導致疲勞壽命低，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。

盡管通用設備可以進口，但裝配工藝和集成技術是無法引進的，因此關鍵技術的自主研發是唯一的出路。在國家大型飛機重大專項、“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、南京航空航天大學合作，開展了一系列機體裝配工藝方面的基礎研究和應用基礎研究，初步摸索出一套適合C919大型客機裝配的生產工藝和裝配流程。

例如，C919飛機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合在一起，中國商飛與國內的高校、科研院所一起提出了剛柔混合結構裝配偏差分析方法，開發了數字化裝配偏差仿真分析系統，有效降低了裝配誤差。此外，包括數字化測量、智能鉆鉚、智能監控等技術也被陸續運用于生產線，有效提高了裝配效率。

值得一提的是，C919大型客機裝配生產線完工之后，意味著我國擁有了第一套中國民航局適航部門認可的商用飛機裝配工藝規范，這套規范詳細規定了裝配過程所采用的設備、工藝參數、過程控制方法、質量檢測方法、人員資質等要求，已成為我國商用飛機機體裝配的制造依據。

集智攻關不是一句空話

在紛繁復雜的國際環境下，中國正在努力實現制造業的轉型升級。如果創新型國家戰略需要一個平臺來實現的話，那么商用飛機項目作為這樣一個平臺應該是當仁不讓的。如今，隨著C919項目的不斷推進，其對中國航空工業乃至其他基礎工業生產和研制能力的促進作用已經開始顯現。

以中航工業西飛為例，其承擔了C919大型客機中機身、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，中機身（含中央翼）和外翼翼盒大部件是整個飛機結構中的主要承載部件，也是技術最為復雜、制造難度最大的部件。

以飛機機翼制造的關鍵技術之一——整體壁板數控噴丸成型技術為例，這項技術長期被國外封鎖，是制約我國大型客機研制的核心技術之一。在C919項目的帶動下，西飛通過大量的基礎理論研究和系統性試驗，先后攻克了復雜外形結構整體壁板預應力噴丸成型等一系列超臨界機翼壁板數控噴丸成形工藝的關鍵核心技術，打破了國外技術封鎖和壟斷，西飛也成為世界上掌握機翼壁板數控噴丸成形技術的少數幾家企業之一。

近期，西飛宣布其首次采用C919活動翼面自動制孔生產線加工的C919飛機4個活動面順利交付客戶，標志著該生產線正式具備產品加工能力。西飛公司表示，新的生產線相較之前效率提升3倍，為未來C919的批產奠定了堅實的技術基礎。

據統計，70%的飛機機體疲勞失效事故源于結構連接部件的疲勞失效，其中又有80%的疲勞裂紋發生于連接孔處。過去，傳統的手工制孔質量一致性差，效率低，制孔精度難以保證，鉚接連接件的質量受鉚接方法、鉚接干涉量及鉚釘種類等多種因素的影響。因此，隨著自動控制技術的發展，在飛機蒙皮等壁板上采用自動打孔和鉚接等先進工藝得到了廣泛應用。在國外，進入批產階段的飛機在生產中已經鮮有采用手工制孔的部位。但在我國，雖然自動鉆鉚、復合材料壁板鉆孔等技術在軍用飛機的研制中已經有所涉及，但生產質量不夠穩定，廢品率較高，無法滿足商用飛機零部件的生產要求。

C919大型客機活動翼面的復合材料用量較多，且還有復合材料零件和金屬零件的機械連接，這就要求在復合材料和金屬壁板上同時打孔。由于復合材料和金屬材料的性質不同，對打孔的工藝要求也有所不同。

其中，復合材料結構制孔易出現分層和偏心，要求切削速度高、進給量小，從而避免復合材料壁板的鉆孔出口后產生分層和毛刺。因此，要把復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完成層疊板的鉆孔。

在C919項目之前，西飛也沒有對大尺寸復合材料活動翼面自動制孔的經驗。為此，西飛機翼裝配廠數字化團隊成立了活動翼面自動制孔專項攻堅團隊，對機器人制孔壓緊力、進給速度、轉速等各項加工參數不斷進行探索和驗證，形成定制化加工方案。經過努力，研制團隊解決了復合材料易分層、劈裂以及進給速度慢導致加工效率低等問題。

補修材料領域的學分

C919大型客機在雷達罩、機翼前后緣、活動翼面、翼梢小翼、翼身整流罩、后機身、尾翼等主承力和次承力結構上使用了復合材料，復合材料結構占全機結構總重的比例達到11.5%。這是我國商用飛機制造領域第一次在主承力結構、高溫區、增壓區使用復合材料，并且實現了T800級高強碳纖維增韌復合材料的應用，為復合材料在商用飛機制造領域的應用積累了寶貴的工程實踐經驗。

作為C919大型客機機體結構主要制造商之一，中航工業哈飛主要承擔機身復合材料部件的制造，負責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，哈飛在產品制造工藝上取得了一系列突破。

C919起落架艙門主要為復合材料結構件，門體為預浸布、蜂窩夾層結構，內部裝有增強的樹脂塊鑲嵌件。由于飛機在起飛、降落過程中主起落架艙門處于開啟狀態，要承受很大的風阻和震動，結構設計上對強度、載荷要求很高，這是哈飛之前在生產直升機和小型運輸機起落架艙門時所沒有遇到過的挑戰。在研制過程中，哈飛研制團隊通過技術攻關，先后突破了超厚度（54mm）紙蜂窩預成型技術、數控加工技術、泡沫和蜂窩拼接技術，最終滿足了制造規范和適航驗證的要求。

此外，在現有復合材料制造技術、飛機裝配技術方面，哈飛通過與國外企業聯合研發，在大尺寸復合材料結構件和垂直尾翼部件的生產中，采用了自動鋪帶、熱隔膜成型、數字化裝配生產線等國際先進技術，在制造工藝上實現了質的飛躍。

C919機輪剎車系統涉及碳/碳復合材料及高溫合金的生產與制造。碳/碳復合材料具有低密度、高強度、高比模量、高導熱性、低膨脹系數、摩擦性能好、抗熱沖擊性能好、尺寸穩定性高等優點。用碳/碳復合材料制造的機輪剎車系統耐高溫，使用壽命是金屬材料的2～4倍，質量只有其1/4。

為滿足C919機輪剎車系統需求，博云新材股份有限公司與霍尼韋爾公司于2012年聯合成立了霍尼韋爾博云航空系統有限公司，專門從事飛機機輪剎車系統的設計、研發、測試、部件制造及系統總裝。博云新材利用所掌握的碳/碳航空制動材料制備技術，與霍尼韋爾聯合研制了C919機輪剎車系統，為國產大飛機的騰飛作出了積極貢獻。

大連理工大學運載工程與力學學部充分發揮國家重點實驗室計算力學學科優勢，承擔了C919尾翼、中央復合材料壁板等多個部位的實驗項目。自主研發大型復合材料結構是一項艱巨而長期的系統工程。大連理工大學研制團隊針對大型復合材料構件實驗需求，進行了大噸位、大尺寸加載系統、承力系統和電測系統建設，開展了材料級、結構級、部件級復合材料結構破壞機理研究，建立了飛機典型復合材料結構的破壞行為數據庫。該數據庫的建立和不斷完善，為C919大型客機中復合材料的使用奠定了科學基礎。

從上述案例中不難發現，C919大型客機的研制與生產，極大地帶動了我國基礎學科的發展，使我國在材料領域取得了諸多突破，基礎設施、試驗數據等得到了初步完善。但是，在看到成績的同時，我們也要清楚地認識到，我國真正由國家層面來組織針對大型商用飛機的基礎材料研究只有短短十年，與先進國家相比，在材料基礎研究、工程化應用研究和工業化批量生產方面還存在不小的差距。未來，在商用飛機項目的牽引下，我國將有望進一步加快包括材料在內的基礎科學的發展，從而更好地支撐國家制造業的轉型升級。