C919的探索与创新之路

刘振敏

2019年，被国人寄予厚望的C919大型客机研制进展不时出现在各大媒体的报道中：雷达罩顺利通过静强度适航验证试验、活动翼面自动制孔生产线完成首架机应用验证、10001架机全机静力试验顺利完成、正式拉开三地试飞序幕……在这些新闻报道的背后，越来越多的人开始意识到，作为国家战略产业，大飞机的产业拉动效应开始逐步显现。随着项目研制的不断推进，国内与之相配套的材料、制造工艺、试验技术等都在经历着一场脱胎换骨的转型与发展。

飞机装配不是搭乐高

C919到底是不是“中国制造”，曾经是媒体与社会热议的焦点。但事实上，在全球商用飞机市场，无论哪一家公司都没有完全意义上的“国产化”一说。以波音为例，其曾明确表示，波音只要保留三项核心能力：一是明确的客户意识，即知道造一架飞机到底有没有人买；二是大规模集成与总体设计能力；三是飞机总装能力。

对于飞机总装能力，一位业内知名专家曾打过这样一个比方——“即便是把波音某个型号飞机所使用的零部件和系统全部采购来，如果没有总装能力，也不可能拼出一架波音飞机，这就是造飞机与拼乐高的区别。”因此，作为年轻的制造商，在过去的几年里，如何培养自己的飞机装配生产能力是中国商飞公司总装制造中心的核心任务之一。

C919大型客机是我国目前研制过的尺寸最大的商用飞机。全机长38.9米，翼展35.8米，高11.95米，飞机上共有6万多个零件和上百万个连接件。对于制造商来说，在装配上需要攻克很多难关：

第一，C919全机共有上万个零件，零件制造偏差如果向部件、全机累积，最终会导致产品质量问题。为此，公差的合理分配、偏差控制就变得非常困难。

第二，C919采用了复合材料和铝锂合金等新型轻质材料，飞机装配需制孔上百万个，而复合材料易产生劈裂、毛刺、分层等质量问题，铝锂合金易产生微裂纹，导致疲劳寿命低，这就对装配制孔工艺提出了很高的要求。

第三，C919的机体尺寸大，大部件对接过程中，如何保证跨尺度测量精度也是一道难题。此外，飞机外壳蒙皮厚度薄，装配易变形，大尺寸部件对接也十分困难。

尽管通用设备可以进口，但装配工艺和集成技术是无法引进的，因此关键技术的自主研发是唯一的出路。在国家大型飞机重大专项、“973计劃”、“863计划”等支持下，中国商飞总装制造中心与上海交通大学、南京航空航天大学合作，开展了一系列机体装配工艺方面的基础研究和应用基础研究，初步摸索出一套适合C919大型客机装配的生产工艺和装配流程。

例如，C919飞机外壳的蒙皮厚度仅为2毫米，手指用力按一下就会变形。为了将这种柔性材料与刚性材料安全地结合在一起，中国商飞与国内的高校、科研院所一起提出了刚柔混合结构装配偏差分析方法，开发了数字化装配偏差仿真分析系统，有效降低了装配误差。此外，包括数字化测量、智能钻铆、智能监控等技术也被陆续运用于生产线，有效提高了装配效率。

值得一提的是，C919大型客机装配生产线完工之后，意味着我国拥有了第一套中国民航局适航部门认可的商用飞机装配工艺规范，这套规范详细规定了装配过程所采用的设备、工艺参数、过程控制方法、质量检测方法、人员资质等要求，已成为我国商用飞机机体装配的制造依据。

集智攻关不是一句空话

在纷繁复杂的国际环境下，中国正在努力实现制造业的转型升级。如果创新型国家战略需要一个平台来实现的话，那么商用飞机项目作为这样一个平台应该是当仁不让的。如今，随着C919项目的不断推进，其对中国航空工业乃至其他基础工业生产和研制能力的促进作用已经开始显现。

以中航工业西飞为例，其承担了C919大型客机中机身、中央翼、外翼翼盒及前缘缝翼、后缘襟翼、副翼等6个工作包的研制。其中，中机身（含中央翼）和外翼翼盒大部件是整个飞机结构中的主要承载部件，也是技术最为复杂、制造难度最大的部件。

以飞机机翼制造的关键技术之一——整体壁板数控喷丸成型技术为例，这项技术长期被国外封锁，是制约我国大型客机研制的核心技术之一。在C919项目的带动下，西飞通过大量的基础理论研究和系统性试验，先后攻克了复杂外形结构整体壁板预应力喷丸成型等一系列超临界机翼壁板数控喷丸成形工艺的关键核心技术，打破了国外技术封锁和垄断，西飞也成为世界上掌握机翼壁板数控喷丸成形技术的少数几家企业之一。

近期，西飞宣布其首次采用C919活动翼面自动制孔生产线加工的C919飞机4个活动面顺利交付客户，标志着该生产线正式具备产品加工能力。西飞公司表示，新的生产线相较之前效率提升3倍，为未来C919的批产奠定了坚实的技术基础。

据统计，70%的飞机机体疲劳失效事故源于结构连接部件的疲劳失效，其中又有80%的疲劳裂纹发生于连接孔处。过去，传统的手工制孔质量一致性差，效率低，制孔精度难以保证，铆接连接件的质量受铆接方法、铆接干涉量及铆钉种类等多种因素的影响。因此，随着自动控制技术的发展，在飞机蒙皮等壁板上采用自动打孔和铆接等先进工艺得到了广泛应用。在国外，进入批产阶段的飞机在生产中已经鲜有采用手工制孔的部位。但在我国，虽然自动钻铆、复合材料壁板钻孔等技术在军用飞机的研制中已经有所涉及，但生产质量不够稳定，废品率较高，无法满足商用飞机零部件的生产要求。

C919大型客机活动翼面的复合材料用量较多，且还有复合材料零件和金属零件的机械连接，这就要求在复合材料和金属壁板上同时打孔。由于复合材料和金属材料的性质不同，对打孔的工艺要求也有所不同。

其中，复合材料结构制孔易出现分层和偏心，要求切削速度高、进给量小，从而避免复合材料壁板的钻孔出口后产生分层和毛刺。因此，要把复合材料壁板铆接到金属隔框上的话，很难采用同一种工艺参数完成层叠板的钻孔。

在C919项目之前，西飞也没有对大尺寸复合材料活动翼面自动制孔的经验。为此，西飞机翼装配厂数字化团队成立了活动翼面自动制孔专项攻坚团队，对机器人制孔压紧力、进给速度、转速等各项加工参数不断进行探索和验证，形成定制化加工方案。经过努力，研制团队解决了复合材料易分层、劈裂以及进给速度慢导致加工效率低等问题。

补修材料领域的学分

C919大型客机在雷达罩、机翼前后缘、活动翼面、翼梢小翼、翼身整流罩、后机身、尾翼等主承力和次承力结构上使用了复合材料，复合材料结构占全机结构总重的比例达到11.5%。这是我国商用飞机制造领域第一次在主承力结构、高温区、增压区使用复合材料，并且实现了T800级高强碳纤维增韧复合材料的应用，为复合材料在商用飞机制造领域的应用积累了宝贵的工程实践经验。

作为C919大型客机机体结构主要制造商之一，中航工业哈飞主要承担机身复合材料部件的制造，负责主起落架舱门工作包、前起落架舱门工作包、翼身整流罩工作包和垂直尾翼工作包（103架起）4个大部件的制造。为满足C919前起落架舱门的制造要求，哈飞在产品制造工艺上取得了一系列突破。

C919起落架舱门主要为复合材料结构件，门体为预浸布、蜂窝夹层结构，内部装有增强的树脂块镶嵌件。由于飞机在起飞、降落过程中主起落架舱门处于开启状态，要承受很大的风阻和震动，结构设计上对强度、载荷要求很高，这是哈飞之前在生产直升机和小型运输机起落架舱门时所没有遇到过的挑战。在研制过程中，哈飛研制团队通过技术攻关，先后突破了超厚度（54mm）纸蜂窝预成型技术、数控加工技术、泡沫和蜂窝拼接技术，最终满足了制造规范和适航验证的要求。

此外，在现有复合材料制造技术、飞机装配技术方面，哈飞通过与国外企业联合研发，在大尺寸复合材料结构件和垂直尾翼部件的生产中，采用了自动铺带、热隔膜成型、数字化装配生产线等国际先进技术，在制造工艺上实现了质的飞跃。

C919机轮刹车系统涉及碳/碳复合材料及高温合金的生产与制造。碳/碳复合材料具有低密度、高强度、高比模量、高导热性、低膨胀系数、摩擦性能好、抗热冲击性能好、尺寸稳定性高等优点。用碳/碳复合材料制造的机轮刹车系统耐高温，使用寿命是金属材料的2～4倍，质量只有其1/4。

为满足C919机轮刹车系统需求，博云新材股份有限公司与霍尼韦尔公司于2012年联合成立了霍尼韦尔博云航空系统有限公司，专门从事飞机机轮刹车系统的设计、研发、测试、部件制造及系统总装。博云新材利用所掌握的碳/碳航空制动材料制备技术，与霍尼韦尔联合研制了C919机轮刹车系统，为国产大飞机的腾飞作出了积极贡献。

大连理工大学运载工程与力学学部充分发挥国家重点实验室计算力学学科优势，承担了C919尾翼、中央复合材料壁板等多个部位的实验项目。自主研发大型复合材料结构是一项艰巨而长期的系统工程。大连理工大学研制团队针对大型复合材料构件实验需求，进行了大吨位、大尺寸加载系统、承力系统和电测系统建设，开展了材料级、结构级、部件级复合材料结构破坏机理研究，建立了飞机典型复合材料结构的破坏行为数据库。该数据库的建立和不断完善，为C919大型客机中复合材料的使用奠定了科学基础。

从上述案例中不难发现，C919大型客机的研制与生产，极大地带动了我国基础学科的发展，使我国在材料领域取得了诸多突破，基础设施、试验数据等得到了初步完善。但是，在看到成绩的同时，我们也要清楚地认识到，我国真正由国家层面来组织针对大型商用飞机的基础材料研究只有短短十年，与先进国家相比，在材料基础研究、工程化应用研究和工业化批量生产方面还存在不小的差距。未来，在商用飞机项目的牵引下，我国将有望进一步加快包括材料在内的基础科学的发展，从而更好地支撑国家制造业的转型升级。