飛機(jī)制造是典型的知識密集、技術(shù)密集和資本密集的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，并且具有高技術(shù)、高風(fēng)險、高附加值的特點，是一個國家工業(yè)化水平和經(jīng)濟(jì)實力的重要標(biāo)志。中國的大飛機(jī)設(shè)計制造項目是創(chuàng)新型國家的標(biāo)志性工程，采用了大量前沿的設(shè)計理念，引入了先進(jìn)的制造技術(shù)。本文結(jié)合中國民用飛機(jī)的發(fā)展歷程介紹大飛機(jī)研制過程中的部分設(shè)計制造關(guān)鍵技術(shù)。

    中國民用飛機(jī)發(fā)展簡介

    （1）發(fā)展初期以仿制前蘇聯(lián)的飛機(jī)為主，也相應(yīng)地采用蘇制技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

    1957年借鑒前蘇聯(lián)某機(jī)型，成功制造出農(nóng)林機(jī)運(yùn)5 飛機(jī)。

    1965年計劃借鑒前蘇聯(lián)的相關(guān)機(jī)型制造運(yùn)6 飛機(jī)，其技術(shù)水平大致與DC-3 相當(dāng)，最終項目停止。

    1966年開始以前蘇聯(lián)某型號為原型研制運(yùn)7，1970 年12 月首次試飛，1982 年設(shè)計定型，1984 年改裝，并于1986 年投入中國航線，最大載客60 人，包括改型機(jī)共交付100 余架。

    1969年起研制了運(yùn)8 軍用運(yùn)輸機(jī)，幾經(jīng)改型出口多個國家。同年還開始了運(yùn)9 的研制，項目于1971 年終止。

    （2）從運(yùn)10 開始，民用飛機(jī)的技術(shù)路線開始轉(zhuǎn)向歐美。

    1970年以波音707 為原準(zhǔn)機(jī)開始研制的運(yùn)10 飛機(jī)，1980年9 月26日試飛成功，1984 年完成了拉薩、哈爾濱、昆明、廣州、新疆等多個機(jī)場、107 個起落、155h 的試飛，后因各種原因項目終止。運(yùn)10 項目的終止，使中國民用飛機(jī)錯失了發(fā)展良機(jī)，逐漸與世界民用飛機(jī)設(shè)計制造先進(jìn)水平拉開了差距，并造成了技術(shù)人才的斷層。

    1974年開始研制、1977 年設(shè)計定型的運(yùn)11 飛機(jī)，主要用于農(nóng)林服務(wù)。其渦槳改進(jìn)型運(yùn)12 于1982 年試飛成功，并先后取得英、美適航證。客機(jī)型可載17 人，先后出口100 余架。

    （3）20世紀(jì)八九十年代主要是開展國際合作研制飛機(jī)，但大多以失敗告終，雖然也獲得了一定的技術(shù)積累，但并未獲得關(guān)鍵技術(shù)，形成自己的核心技術(shù)積累。這段時間，中國民用飛機(jī)設(shè)計制造技術(shù)與國際先進(jìn)技術(shù)相比差距逐漸拉大。

    1995年中美合作生產(chǎn)民用飛機(jī)，1998 年合作研制其100 座級后續(xù)機(jī)型。結(jié)果因訂單問題該機(jī)型只生產(chǎn)2 架，該100 座級飛機(jī)的合同也在兩年后被外方終止。

    （4）中國人從未停止過自主研發(fā)民用飛機(jī)的夢想。

    西飛公司研制的新舟60，于1988年立項，經(jīng)歷改型，歷時10 年取得中國適航證。1999 年，開始在長安航空公司投入運(yùn)營，并先后出口多個國家。

    ARJ21-700 渦扇支線客機(jī)2000年立項，2008 年首飛，適航取證工作順利開展，已累計獲得200架訂單。（2016年6月28日，ARJ21-700已投入商業(yè)運(yùn)營。）

    （5）中國民機(jī)研制的技術(shù)現(xiàn)狀。

    目前中國已經(jīng)具備了研發(fā)民機(jī)的技術(shù)能力，但在新材料、機(jī)載系統(tǒng)、發(fā)動機(jī)等關(guān)鍵領(lǐng)域還需要依賴進(jìn)口，在設(shè)計細(xì)節(jié)、制造質(zhì)量、裝配工藝、適航驗證、控制等各領(lǐng)域，還存在一定的差距。

    但是通過自主創(chuàng)新與國際合作，目前國內(nèi)的航空工業(yè)也形成了大量的技術(shù)積累，在研在制的飛機(jī)都大量采用了這些先進(jìn)技術(shù)。

    大飛機(jī)設(shè)計制造關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

    作為國家意志的大飛機(jī)項目，舉全國之力、聚全國之智，充分利用國內(nèi)外的一切資源，在機(jī)體設(shè)計制造中應(yīng)用了大量新技術(shù)及關(guān)鍵技術(shù)，保證了大飛機(jī)的競爭力。

    1 三維緊固件系統(tǒng)CAFE

    全三維無紙化設(shè)計在國外早已應(yīng)用廣泛，但在我國很長一段時間還是同時采用三維數(shù)模和二維圖紙來共同表達(dá)設(shè)計數(shù)據(jù)，這其中一個重要的原因就是裝配信息的三維表達(dá)較為困難。

    中國商飛公司利用自身在MBD和工程技術(shù)方面的知識積累，自主開發(fā)出了基于CATIA 軟件的CAFE 系統(tǒng)，成功實現(xiàn)了工程知識和商業(yè)軟件的完美結(jié)合，不僅有效地解決了三維標(biāo)注、緊固件信息表達(dá)等技術(shù)難題，還大大地簡化了制造工人的裝配操作。CAFE 系統(tǒng)中緊固件的實例化如圖1 所示。

    2先進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)

    大飛機(jī)采用了先進(jìn)復(fù)合材料，探索出了從設(shè)計到制造的一整套新思路、新方法。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的制造工藝對結(jié)構(gòu)的性能有很大的影響，所以采用了面向工藝的設(shè)計方法。在結(jié)構(gòu)設(shè)計之初，就考慮到復(fù)合材料零件成型工藝。

    大飛機(jī)復(fù)合材料零部件的設(shè)計制造使用FiberSIM 軟件，該軟件可準(zhǔn)確地將單層厚度、鋪層角度、鋪層順序、鋪層區(qū)域等鋪層信息表達(dá)清楚，同時還可以做可鋪敷性檢查，并根據(jù)檢查結(jié)果采取增加剪口、調(diào)整剔層邊界等方法，提高鋪敷性。該系統(tǒng)與制造部門的相關(guān)系統(tǒng)無縫接合，實現(xiàn)了從設(shè)計到制造的數(shù)據(jù)的唯一性，避免了因數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的錯誤，保證了鋪層信息的準(zhǔn)確傳遞。

    采用自動鋪帶工藝設(shè)計制造大尺寸復(fù)合材料壁板，提高了鋪貼效率和質(zhì)量，同時還保證了產(chǎn)品鋪貼質(zhì)量的穩(wěn)定性。大尺寸復(fù)合材料壁板的Fibersim 鋪層如圖2、圖3 所示。

    在復(fù)合材料制孔、無損檢測等領(lǐng)域取得了很大的突破。完成了復(fù)合材料制孔的刀具、轉(zhuǎn)速等關(guān)鍵參數(shù)的選定，并形成了成了初步的無損檢測規(guī)范。

    3大尺寸復(fù)雜鈦合金零件制造

    出于強(qiáng)度和異電位腐蝕考慮，1號肋、吊掛等關(guān)鍵部位采用鈦合金材料。這些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鈦合金零件成型困難，概括來講，一般有自由鍛、模鍛、激光成型等方法。3 種方法各有利弊，自由鍛材料利用率低、加工周期長；模鍛成型成本高；激光成型在加工周期、材料利用率、成本方面都有優(yōu)勢，但激光成型件的力學(xué)性能沒有鍛件穩(wěn)定。大飛機(jī)設(shè)計綜合考慮強(qiáng)度、適航取證、制造周期、成本等因素，成功地為不同部位選定了不同的成型方法（自由鍛、模鍛、激光成型），圖4 為零件的激光成型。

    4 數(shù)字化裝配技術(shù)

    飛機(jī)的裝配是極其復(fù)雜的，傳統(tǒng)的方式是通過縮比模型進(jìn)行研究驗證，而大飛機(jī)通過計算機(jī)進(jìn)行數(shù)字化裝配仿真，既節(jié)約了成本也縮短了時間。

    通過裝配仿真，可以準(zhǔn)確地分析出裝配方案的可行性；同時可以很方便地進(jìn)行多方案對比，選擇最佳方案；還可以根據(jù)仿真結(jié)果及選定的裝配方案，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。設(shè)計人員還可以將裝配步驟細(xì)化分解，提出明確的注意事項，指導(dǎo)裝配施工，提高裝配精度。圖5 為機(jī)翼對接的裝配路徑模擬。

    5整體壁板數(shù)控噴丸成形技術(shù)和自動鉚接技術(shù)

    整體壁板數(shù)控噴丸成形技術(shù)，長期被國外壟斷并對我國封鎖，是制約我國大飛機(jī)研制的核心關(guān)鍵技術(shù)。大飛機(jī)機(jī)體供應(yīng)商西飛以ARJ21-700 飛機(jī)和大飛機(jī)研制為契機(jī)，采取產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合方式開展技術(shù)研究。通過大量的基礎(chǔ)理論研究和系統(tǒng)性試驗，先后攻克了復(fù)雜外形結(jié)構(gòu)整體壁板預(yù)應(yīng)力噴丸成形等一系列大型超臨界機(jī)翼壁板數(shù)控噴丸成形工藝的關(guān)鍵核心技術(shù)，具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，打破了國外技術(shù)封鎖和壟斷，為大飛機(jī)機(jī)翼壁板選用整體壁板數(shù)控噴丸成形奠定了基礎(chǔ)。

    同時大型機(jī)翼壁板自動鉚接技術(shù)，通過ARJ21-700 項目的應(yīng)用和生產(chǎn)過程的不斷完善，已經(jīng)比較成熟，而且還掌握了電磁鉚接技術(shù)作為自動鉚接的超差修理方案，因此大飛機(jī)上也可以放心采用此項技術(shù)。

    6全新數(shù)據(jù)管理方案

    早期的生產(chǎn)數(shù)據(jù)主要是由最初發(fā)布的數(shù)據(jù)和后期進(jìn)行完善的各類工程指令（EO）共同組成，數(shù)據(jù)管理復(fù)雜。大飛機(jī)采用分模塊管理，取消EO，不同架次的飛機(jī)有自己相應(yīng)的模塊，模塊的數(shù)據(jù)都是最新版本，不會出現(xiàn)制造部門遺漏EO 而導(dǎo)致零件報廢等現(xiàn)象。

    結(jié)束語

    大飛機(jī)項目從安全性、經(jīng)濟(jì)性、舒適性和環(huán)保性的角度考慮，采用了大量先進(jìn)技術(shù)，但又不冒進(jìn)。中國商飛成立了專門的預(yù)研機(jī)構(gòu)來汲取當(dāng)今航空領(lǐng)域的新科技，并逐步推進(jìn)到工程應(yīng)用中。大飛機(jī)的研制，必將帶動中國航空技術(shù)的進(jìn)步，同時隨著中國航空制技術(shù)的發(fā)展，大飛機(jī)在后續(xù)的型號中也將會采用更多的新技術(shù)。相信通過這樣的良性循環(huán)，我們最終必能擁有自己的核心技術(shù)，讓中國的大飛機(jī)能夠翱翔藍(lán)天。

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責(zé)任編輯：王元

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