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张彦仲院士:大飞机核心技术是花钱买不来的,用市场也换不来

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作者|章剑锋

视频剪辑|王络、刘小艺

视频拍摄|网易新闻直播中心团队

出品|网易科技《科学大师》栏目

国产C919飞机今天正式获得中国民航总局颁发的型号合格证,这标志着中国人自己研发的大飞机,可以交付给航空公司投入国内航线运营。

中国人盼望这一天,已经盼了近半个世纪之久。

C919大飞机的研发,究竟有着什么样的幕后攻坚,中国人为什么必须造出自己的大飞机?

网易新闻《科学大师》栏目本期邀请到中国工程院院士张彦仲来为我们做权威解答。

张彦仲是航空系统工程专家,剑桥大学的博士,中国工程院院士。作为我国大飞机和航空发动机专项的倡导发起者、推动者和开拓者,近20年,他主持研究提出了我国大飞机专项I、II期的总体方案;主持制定了我国“两机”(航空发动机及燃气轮机)专项I、II期的实施方案;主持研究提出了“机载系统提升计划”,系统地推动我国大飞机、航空发动机和机载事业的战略发展,是我国航空战略科学家。

张彦仲现任国家大飞机专项专家咨询委主任;国家“两机”(航空发动机及燃气轮机)专项专家咨询委主任;大飞机自主工程总设计师,中国商飞公司专家咨询组组长等职。可以说,C919大飞机就是在张彦仲等核心专家的大力推动和指导下得以诞生的。

“今天接受你们的采访很有意义,因为今年恰好是我从事航空事业60周年的纪念日。”张彦仲院士跟网易新闻《科学大师》这样说。为了更好地展示国产C919大飞机的风采,张彦仲当天还特地把C919的飞机模型带进了我们的拍摄现场。


中国工程院院士、大飞机自主工程总设计师张彦仲 资料图

此前的8月1日,当C919完成取证试飞后,张彦仲特别赋诗一首,表达他的激动心情:

首飞不易适航难,六架雄鹰非等闲。

夏去疆南迎酷暑,冬来漠北盼严寒。

结冰遍向神州觅,风侧单吹嘉峪关。

莫道审查多峻厉,成功取证尽欢颜。

以下是采访实录节选:

一,五年完成3000多项科目试飞,

涉及各种极端恶劣天气条件

《科学大师》:从2008年开始立项上马,到现在我们经历了14年的等待,今年C919完成了全部取证试飞,也取得了适航证,大家非常关心,我们普通人什么时候能够坐上C919大飞机?

张彦仲:C919大飞机2008年开始立项研制,经历了设计、试制、试验阶段 ,历时9年,2017年5月5日首飞,首飞以后,又先后造了6架飞机进行科研试验,从事适航试验和试飞,到现在经过五年,完成了全部的试飞取证工作,今年内是能够交付给航空公司的。

C919大飞机的领先用户是东方航空公司,交给东航以后,他们还要做一些准备,比如对机组、机务、乘务、地勤、维护、机场等人员进行几个月的适应性培训,完成后就可以逐步投入航线运行,排航班飞行,到时候所有的普通人就都可以买票去乘坐这架飞机。

但还不能说所有人马上都能买上票,因为C919现在需求量很大,目前已经有800多架订单,但是中国商飞公司的生产能力需要有一个逐步增加的过程,从每年生产几架、几十架、最后达到年产100架以上。会逐步到各航线上去飞行,我想这也不需要很长的时间。

《科学大师》:C919安全性的问题,是大家比较关心的,这方面请您给我们介绍一下,在安全性上,C919大飞机都做了些什么工作?

张彦仲:民航的适航条例就是一个安全条例。飞机交付给航空公司之前,要做一系列试飞试验,都是为了确保飞机的安全性。C919有3000多项这方面的试飞科目。我们的大飞机现在取得适航证,那就说明它是安全的。我们是用最严格的标准和最严格的考核在做试飞试验,来满足适航条例的要求。

我简要介绍一下C919试飞试验方面的情况:比如强度试验,要确保飞机飞行过程中某些部件不会发生断裂,那么强度试验就要做到100%过关。还有疲劳试验,要防止机体受到疲劳破坏,这要做几年试验。另外,冬天要飞到海拉尔去,在最低的温度下看看它能不能起飞,能不能启动。夏天最热的时候要飞到吐鲁番去做高温飞行试验。还有像空中结冰试验,因为飞机从天上的云层中飞过,机翼结冰会有几公分厚,那会影响到飞机的气动外形。这个情况下,你能不能除冰,能不能正常飞行,这是要真拿飞机去飞过才知道的。过去我们国家结冰气象很少,我们是到加拿大去飞,现在受到疫情影响,没法出国,只能在国内做,所以等了很长时间。

这五年6架飞机不停在做各种各样的飞行试验,这都是以上所说的极端条件下的试验,实际上很多状况可能你飞机是遇不到的,但是也必须做,比如雷击试验,必须用雷去击打这个飞机。可以说是千锤百炼,所有可能遇到的各种最恶劣的条件、最恶劣的环境、最恶劣的状况,可能会造成不安全隐患的这些试验,我们都做了。至于C919在正常航线正常环境下的飞行,那都是很舒服了。当所有这些试验完成后,我们才能够拿到适航证。

《科学大师》:作为我们国家大飞机自主工程总设计师,大飞机领域的著名专家,近距离体验,您眼中的C919是什么样的?

张彦仲:我们的C919大飞机是一款先进的飞机,比如说它的油耗比较低,用的先进材料也比较多,重量相对来说也比较轻,舱内舒适性也比较好,空间比较宽敞,环保性也达到或者超过了国际民航组织规定的标准,应该说在性能上我们是达到了波音737和空客320同等飞机的水平。

我可以这么说,这一次,我们的C919大飞机不可能落到运10同样的命运,我们一定会成功的。

15年前中国开始上马大飞机的时候,国外认为我们造不成。当时美国航空周刊,就嘲讽说中国人要造大飞机,是“虚晃一枪”。现在C919已经造出来了,说明:我们不是虚晃一枪,我们是真正把大飞机干出来了!

以我为主,这次C919大飞机,我们中国人自己从设计、制造、试验、试飞到取证,可以说我们是走完了大飞机研发的全过程。

2017年5月5日C919首飞放飞现场 资料图

二,别抱幻想,大飞机核心技术是买不来的

《科学大师》:您一直强调说中国必须要造出自己的大飞机,改革开放以来,我们知道在好些领域都存在一个问题,就是流行造不如买、买不如租这种理念,大飞机我们如果一直不自主研发不自主创新,一直买人家的东西,会怎么样?

答:首先,中国是一个大国,有14亿人口,大飞机的需求量很大,未来市场增长也很快。 2021年9月23日,波音公司的报告说:中国未来20年需要8700架新飞机,价值达14700亿美元。同年,中国商飞也预测,到2040年中国市场将接受50座以上客机9084架,占全球22%。 中国是个民航大国,不能长期依靠进口国外飞机,受制于人。靠从国外买飞机,也存在受制裁的风险,所以中国一定要发展自己的大飞机。

我们每年几百亿、上千亿花在买飞机上,过去的逻辑是:造不如买、买不如租。我们现在要倒过来! 我们首先要花更多钱来研制、制造自己的飞机,形成独立的、自主的能力。

其次,大飞机是工业之花,是高端装备制造业的代表,是创新型国家的标志性工程,也是制造强国的标志。能不能造大飞机,造不造得出大飞机,这代表一个国家工业化的水平。日本通产省以前做过一个研究:按单位重量的GDP统计:如果船舶为1,那汽车是9,计算机300,大飞机800,航空发动机为1400,就是说如果按照单位重量来算,每公斤可实现GDP增长的价值。从这个比重可以看出,大飞机绝对是高科技产业,可以这么说,如果一个国家只能造摩托车,他们的工业化水平也就是一个中等制造业的水平,而能够造出大飞机、能造出航空发动机,这个国家就是处于高端制造水平,这也是国家整体实力的体现。

第三,大飞机的研发带动相关产业和科技的发展,它的技术80% 都可以转用于其他产业,带动材料冶金、装备制造、电子信息、计算技术、流体力学、固体力学、热力学、材料科学、信息科学等的发展。像3D打印的技术,最早是用在航空上,现在用在汽车上的不少技术,也是从航空上来的。

现在世界上有能力造大飞机的国家和地区,就只有两家,一个是以美国波音为代表,另一个是以欧洲几个国家联合起来的空客为代表,所以我们中国要力争快步赶上去。

从C919目前研制的情况看,全国已经有20多万人、20多个省市 、200多个企业和70多个高等学校参加,可以讲是举全国之力在做这件事情。我们要成为一个强国,就应该把中国的装备制造业水平搞上去,把我们的大飞机搞上去。

《科学大师》:我们一度想以市场换技术,用钱买技术,为什么最后还得自己来造大飞机?

答:我们国家大飞机发展的技术路径,长期就有内外之争,主要焦点是:走自主研制还是走国际合作的途径?

1984年,我们自己设计的运10飞机下马后,有的人认为:中国自己研制和取证大飞机的能力不足,必须与国外合作。后来就与麦道合作。麦道合作项目共总装生产了34架MD-82飞机,由于麦道公司后来被波音公司兼并而终止合作。

90年代初,我们国家决定上马100座民机,中国航空工业总公司先后与韩国、新加坡、法国、意大利等国谈判了几年,寻求合作,于1996年4月11日,在爱丽舍宫与法国宇航签订备忘录,确定与法、意等合作发展AE-100飞机。可是,由于对方缺乏合作诚意,对外合作进展艰难,AE100项目于1998年下马,也夭折了。

这几十年间,可以讲我们在大飞机技术的引进合作方面是走了一条艰难、曲折、坎坷的道路。

后来,国家大飞机重大专项专家委员会认真研究总结经验教训,我们认为:把发展大飞机的技术路径,建立在依靠外国人主导的基础上是行不通的,航空核心技术是用钱买不来的,也是用市场换不来的。只有走自主创新、自力更生为主的道路,才能造出自己的大飞机。因为谁也不可能把大飞机和航空发动机这么高端的技术卖给中国、让给中国,这绝对是走不通的。

大量买国外大飞机,能不能按期交货,拖进度,尤其是非常时期,他可以不卖给你,可以卡我们脖子。飞机买回来之后,还有很多维护工作,还有易损件更换工作,这都需要他们长期供应,如果我们都买国外的飞机,人家不供应人你,不卖给你,那就麻烦了。

所以我们专家委提出,我国发展大型飞机的技术途径必须是:坚持自主创新,自力更生为主,同时也不放弃国际合作。

飞机的研制以自主创新、自立更生为主,主导飞机的总设计、总装制造和总销售服务。采用先进成熟技术,集成世界先进的航空技术;整机先行,带动配套,研制具有自主品牌和市场竞争力的大型客机。

部件采用主制造商—供应商模式,进行专业化研制生产,面向国内、外招标、采购,以确保质量、控制成本、保证进度。这也是世界上大公司研制大型客机的成功经验。

总之,飞机总体自主研制,以我为主;我们没有适航证的发动机、部分机载设备和材料实行全球采购,同时积极开展国际合作和自主研究。实行自主研制为主与国际合作相结合的“内外结合”技术途径。从目前阶段来看,我们认为是可行的,也是科学的做法。

出席C919大飞机研发主体中国商飞公司浦东基地奠基仪式 资料图

三,发动机和其他核心部件是用国外的,

C919的国产化率究竟有多高?

《科学大师》:您刚才也提到我们的大飞机以自主研制为主,但同时也要与国际合作,现在有人说C919我们自己只是造了一个外壳,然后发动机等核心的部件,如果都是用国外的,那它能算是我们中国自己的大飞机吗?

张彦仲:我可以从八个方面来讲一讲,为什么说C919是中国自己的大飞机。

1. 自主设计:自主完成总体设计、气动设计、结构设计、系统设计等。气动设计:完成了先进超临界机翼、机头机尾、翼梢小翼、吊挂等的气动设计。气动阻力比国外现役同类飞机低;结构设计,新材料使用减轻了重量:新材料占结构重量的26.2%,其中:复合材料11.5%;第三代铝锂合金7.4%;钛合金7.3%,比国外现役同类飞机高;系统设计:完成了先进的飞控、航电、电力、环控等系统的设计。

2. 自主制造:C919飞机90%的机体部件都是国内制造的(高于波音、空客),机头:成飞; 机翼:西飞;前机身:洪都;尾段:沈飞等。

3. 自主集成:飞控系统集成:控制率必须自己设计,国外禁运。航电系统集成:电力系统集成;燃油系统集成;环控系统集成。液压系统集成;刹车系统集成等。

4. 自主试验:风洞试验;强度试验;铁鸟试验;铜鸟试验。

5. 自主试飞:首飞:滑行、起飞、着陆。边界包线:最大航程、最大升限、最大速度、最大起飞重量等。风险科目试飞:空中结冰、大侧风、最低速起飞、失速、颤振等。取证试飞:高温、高寒、高原等。

6.自主适航取证:走完了CCAR25部的取证全过程,完成所有科目试验、试飞和审查。

7. 拥有自主知识产权:到2019年底,申请专利:1900项。

8.形成自主品牌:中国C919—全世界都知道是中国的大飞机。知名的品牌。

我需要说明的是,14年前C919大飞机开始研制时,采取了主制造商-供应商的模式。我们自己承担大飞机的总设计、总制造、总集成、总销售等总体任务。部件制造尽量立足全国企业。C919飞机的机体部件都是国内制造的(高于波音、空客)。像波音的客机,它有一多半的机身部件,都是其他国家给他生产的,日本有他们的供应商,我们中国也有,我们C919大飞机,90%以上的机体部件都是中国制造的。

为了取得适航证,我们实施全球招标,选取了一些国内当时没有适航证的国外设备。如:大涵道比涡扇发动机、部分机载设备。在全球化时代,世界各国的民用飞机如波音、空客和俄罗斯、加拿大、巴西的公司,也都是这样做的。

近年来,国际形势发生百年不遇的变化,逆全球化和单边主义抬头,航空工业也面临外国卡脖子的危险。

其实发动机和机载设备的自主研制,在大飞机立项时也作了安排。现在C919研发出来了,我们也一定要加速研制中国自己的航空发动机和机载设备。

《科学大师》:您说到发动机和机载设备的自主研制在大飞机立项时实际上也做了安排,但是这个进度满足不了要求?

答:它的研制规律是这样的,飞机研发一般来讲10-15年。发动机需要的研发时间会更长,得经过15-20年的时间,才有可能研制出来。所以两者之间存在时间滞后效应,全世界也都是这样的。

四,美国的适航证难不到C919,

已与27个国家和地区签署双边适航协议

《科学大师》:适航证这个,我相信大家也很关心,到底我们能不能拿到美国适航证?如果我们的C919要走向国际市场,适航证是不是一个关键?

张彦仲:C919大飞机现在取得我们国家自己的适航证,即将投入国内航线运营,可以讲这是一件很不容易的事情,值得庆贺。

航空器适航证(airworthiness certificate),是由适航当局根据民用航空器产品和零件合格审定的规定,对民用航空器颁发的证明该航空器处于安全可用状态的证件。它的宗旨是:保障民用航空安全,维护公众利益,促进民用航空事业的发展。

飞机制造商的新机型要在全球市场上投放,除了要得到制造国的适航证,还需要获得进口国家相关监管部门的证明。适航认证就像一张安全通行证,只有得到了这张通行证,才可以进入这个地界。

适航认证是主权国家的一种权利,是由主权国家政府部门对在该国飞行的航空器颁发的一种官方文件。这些国家得到了适航技术标准以后,作为法律颁布到自己的国家,就成为了我们所说的适航认证文件。

由于世界上的许多国家暂时不具备检测航空器是否达到飞行安全的技术,所以就默认使用美国联邦航空管理局FAA适航认证标准,长时间演变过程下来,美国的FAA适航认证就变成了“多国认可”的适航技术标准,但我必须强调,它并不是全球性的国际标准。

我国所依据的就是中国民航局CAAC的适航认证,是我国自己推出的标准和体系。其中的一些内容,也借鉴参考了美国FAA和欧洲的EASA适航认证标准,总体上是一致的,甚至更为严格。我可以讲,中国民航的适航标准是世界上最严格的标准之一,中国民航发的适航证是国际上最可靠的适航证之一。

在中国国内市场上,我们的大飞机需要有中国民航局CAAC的适航认证,才能在中国的国境内进行商业运营。美国联邦航空管理局的适航认证,并不是我们国产飞机在自己国内运行的必须条件,除非这款飞机要卖给美国,在他们境内运行,才需要考虑美国联邦航空管理局FAA的适航认证。或者说只要国产飞机不进入美国航线,就不能用美国的适航认证来管中国的飞机。

另外,我国已经与世界上27个国家和地区签署了204份双边适航协议,适航互认,包括加拿大、巴西、新西兰、澳大利亚、俄罗斯等。C919国产大飞机除了在国内运行外,也可以出口到这些与中国签署了双边互认协议的27个国家和地区进行商业运营。

当然,我们最后一定也要走向全世界,要逐步取得国外适航证。由于地缘政治的影响,还要一个过程。我们先在国内飞,再飞到国外去。

2017年12月,在国产CJ1000AX发动机下线仪式上 资料图

五,航空发动机研发太难,但我们一定要把它啃下来

《科学大师》:那讲到发动机,我们C919大飞机目前用的还是国外的产品,大家一直说发动机很难造,为什么这么难造?

张彦仲:航空发动机被称为制造业皇冠上的明珠。它有“四高”的特点,指的是“高温、高转速、高负荷、高推比”。高温,航空发动机内部的温度高达2000开氏度以上,超过了材料的极限。高转速,几万转/分,小发动机可达6万转/分,叶尖的速度接近音速,一次连续工作十几个小时。高负荷,承受本身重量几千倍的离心力,一个叶片承受的负荷,相当于一辆小轿车的重量。高推比,就要求发动机的推力尽可能大,重量尽可能轻。有些航空发动机的推重比达到10、12以上。

民用航空发动机还要求低噪音、低排放、长寿命,要求噪音低于环保标准。低排放,要求排放尽可能低,排放的标准愈来愈高。长寿命,民用发动机的寿命已达几万小时,甚至要求超过汽车发动机的寿命。

这“四高、二低、一长”的要求,压在一个小小的航空发动机身上,带来了设计、制造、材料和试验等一系列难题,也受到科学理论、实践经验、工程基础、工业水平的制约。最后,无不不是反映在这颗皇冠上的明珠很难获取。

目前,世界上只有美欧俄少数几个国家能够掌握航空发动机技术(俄罗斯主要还是在军用发动机方面),所以航空发动机在材料机械制造方面的技术是非常之难,门槛是非常之高。

70年以来,我国航空发动机经历了引进修理、测绘仿制、改进改型的发展历程,正在向自主研制转变,我们自己一共研制生产了80多种型号、6万多台航空发动机。但是,民用飞机如:新舟涡桨飞机、ARJ21支线飞机 、C919客机,还采用国外发动机,成为瓶颈。我们有信心,一定要把中国的航空发动机造出来!

注:文中图片取自《剑桥学子航空人》一书

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