造飛機(jī)“心臟”

邸利會(huì)

從ARJ21飛機(jī)103架機(jī)在稻城亞丁機(jī)場完成最大起降高度擴(kuò)展試驗(yàn)試飛返回上海到首架大型水陸兩棲飛機(jī)鯤龍AG600在山東青島附近海域成功實(shí)現(xiàn)海上首飛。同一時(shí)間，航空工業(yè)復(fù)材民機(jī)項(xiàng)目突破了機(jī)身壁板自動(dòng)化制造和大型壁板裝配技術(shù)，按節(jié)點(diǎn)完成了CR929前機(jī)身右/左/上三塊全尺寸大型壁板交付，交付其他試驗(yàn)件3500余件;突破了CJ1000航空發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合材料一級(jí)風(fēng)扇葉片制造和無損檢測關(guān)鍵技術(shù);以C919方向舵等復(fù)合材料結(jié)構(gòu)為應(yīng)用目標(biāo)，突破了國產(chǎn)樹脂和T300級(jí)碳纖維預(yù)浸料關(guān)鍵技術(shù)，工藝過程控制能力明顯提升。

近幾年來，我國航空工業(yè)水平一直不斷提升，然而，與國外相比，國產(chǎn)大飛機(jī)依然落后。如何縮短差距，甚至能否“彎道超車”成為疑問，尤其是作為“心臟”的發(fā)動(dòng)機(jī)，在技術(shù)積累上，中國是否薄弱？讓我們通過回顧C(jī)919首飛時(shí)技術(shù)的優(yōu)與劣，來對(duì)“中國芯”的發(fā)展窺見一斑。

存在一代甚至更大的中外差距

“現(xiàn)在（飛機(jī)）載著幾百人飛來飛去，要說什么是人間奇跡，這就是了。我自己研究空氣動(dòng)力學(xué)，想到這個(gè)還是很激動(dòng)的。”談起C919，清華大學(xué)教授符松說，能上天已經(jīng)值得驕傲，對(duì)中國的大飛機(jī)研制，還是要先解決“有和無”的問題。而要在市場上取得成功，很大程度上需要有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。相對(duì)空客、波音的競爭機(jī)型，符松說，首飛的C919已經(jīng)有一些創(chuàng)新，比如減少了5%的空氣阻力。

從整個(gè)流程來說，首飛只是第一步，之后，C919還需進(jìn)行一系列試飛。在可靠性和安全性得到不斷改進(jìn)和驗(yàn)證后，才可最終交付使用——按照預(yù)想，應(yīng)在首飛3年之后。最終交付的C919會(huì)達(dá)到一個(gè)怎樣的水平？商飛北京研究中心的楊志剛說，如果和現(xiàn)在最好的空客320和波音737相比，能在一個(gè)數(shù)量級(jí)的話，“就是非常非常好，這也是一個(gè)務(wù)實(shí)的評(píng)價(jià)?！?/p>

不過，大飛機(jī)的“心臟”——發(fā)動(dòng)機(jī)的制造乃至量產(chǎn)還很難短期實(shí)現(xiàn)。在首飛中，C919搭載的發(fā)動(dòng)機(jī)LEAP—X，由CFM國際公司研制。

中國工程院院士甘曉華介紹說，在航空領(lǐng)域，飛機(jī)的設(shè)計(jì)制造一般需要15～20年，發(fā)動(dòng)機(jī)要20～25年;全世界能做飛機(jī)的企業(yè)有20～30家，能做發(fā)動(dòng)機(jī)的卻只有3～5家。從事軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的他坦言，國內(nèi)軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)跟國外最先進(jìn)水平相比落后一代（20～25年）甚至更多。然而，“民用發(fā)動(dòng)機(jī)，因?yàn)闆]有基礎(chǔ)，也不好比較，恐怕也差了一代甚至更多。”

針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)的落后現(xiàn)狀，2009年1月，中國航發(fā)商發(fā)（中國航發(fā)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司）成立，目標(biāo)很明確：制造可商業(yè)化的發(fā)動(dòng)機(jī)。2016年，中國宣布在“十三五”期間，將啟動(dòng)實(shí)施航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)重大專項(xiàng)，用某位分析師的話說，估計(jì)“直接投入在1000億元量級(jí)，加上帶動(dòng)的地方、企業(yè)和社會(huì)其他投入，專項(xiàng)投入總金額約達(dá)3000億元”。中國自主制造商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)已是國家戰(zhàn)略。

另一方面，航空發(fā)動(dòng)機(jī)市場潛力巨大。中國航發(fā)商發(fā)預(yù)測，未來20年全球?qū)⑿枰陆桓犊蜋C(jī)3.8萬架，發(fā)動(dòng)機(jī)需求量達(dá)7.4萬臺(tái)，市值1萬億美元。由于亞太地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，航空運(yùn)輸需求旺盛，亞太地區(qū)預(yù)計(jì)將占到這1萬億美元的三分之一。然而，中國薄弱的發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)基礎(chǔ)卻可能無法很快地?fù)屨歼@一市場。

“長江1000和長江2000發(fā)動(dòng)機(jī)，和現(xiàn)在運(yùn)營的最先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)基本上相當(dāng)，如果按計(jì)劃2025年能夠順利設(shè)計(jì)出來，那從時(shí)間上講，起碼也要晚10年?！敝袊桨l(fā)商發(fā)總經(jīng)理、民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)專家馮錦璋說。

長期從事軍用發(fā)動(dòng)機(jī)研制的甘曉華對(duì)于當(dāng)前民用發(fā)動(dòng)機(jī)落后的歷史原因有清楚的認(rèn)識(shí)：“以前為了國防急需，又沒有錢，都是測繪仿制，然后趕緊裝備部隊(duì)?！彼J(rèn)為，現(xiàn)在做基礎(chǔ)創(chuàng)新，“就需要打牢基礎(chǔ)，獲得關(guān)鍵技術(shù)，然后到型號(hào)研制，一步一個(gè)腳印”。

“說一千道一萬，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的問題是基礎(chǔ)不牢，核心在這個(gè)地方?！彼^續(xù)說，“以前搞測繪仿制，我們是知其然，不知其所以然，現(xiàn)在要知其然，更要知其所以然。”

發(fā)動(dòng)機(jī)是試出來的嗎？

做湍流基礎(chǔ)研究的陳十一教授認(rèn)為，中國的大飛機(jī)制造是有可能彎道超車的。他分析說，波音737或空客320均是二三十年前的設(shè)計(jì)制造，而當(dāng)下新興的技術(shù)，如3D打印、AI等將帶來新的可能，在跟跑同時(shí)，中國可以預(yù)先創(chuàng)造新的設(shè)計(jì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)領(lǐng)跑。

這一看似“激進(jìn)”的看法獲得了馮錦璋的積極回應(yīng)。他認(rèn)為3D打印技術(shù)首先可以縮短發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)制造時(shí)間，但正是這一點(diǎn)上，中外差距巨大。

“目前我們國家的發(fā)動(dòng)機(jī)從設(shè)計(jì)到完成起碼10年，國外也就是30～36個(gè)月，三年左右?！彼f。之所以會(huì)花費(fèi)如此長的時(shí)間，原因則在于做了太多的物理試驗(yàn)：“我們一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的制造，不算設(shè)計(jì)，就是造出來，也要一年多的時(shí)間;從研究的角度，要搞幾輪迭代，每一次設(shè)計(jì)達(dá)不到目標(biāo)就要再重新開始?！?p>

縮短迭代的周期和次數(shù)，革新發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的理念和方法迫在眉睫。

“我們國家以前有一句非常有名的話，叫作發(fā)動(dòng)機(jī)是試出來的，這句話其實(shí)挺對(duì)的，發(fā)動(dòng)機(jī)需要很多的試驗(yàn)驗(yàn)證，但這句話背后也蘊(yùn)含著另外一層含義，就是我們的計(jì)算設(shè)計(jì)水平不是很好?！彼^續(xù)說，“在國外差不多10年、15年前就流行另外一句話，Its better not to develop aero engines through a ‘build & bust process（開發(fā)航空發(fā)動(dòng)機(jī)，最好不要走‘建造再摧毀的流程）。”

不同于以往“試驗(yàn)是設(shè)計(jì)迭代的一部分”的研發(fā)理念，通過MASC（Modelling， Analysis， Simulation， Computing）方法，西方先進(jìn)企業(yè)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)更多的是一系列的數(shù)值計(jì)算和分析，并以此為基礎(chǔ)，進(jìn)行的精細(xì)化優(yōu)化?！霸囼?yàn)很大程度上是對(duì)設(shè)計(jì)的確認(rèn)，而不是直接參與設(shè)計(jì)的迭代，這是一個(gè)巨大的差異?！瘪T錦璋說。

支撐制造最重要的是標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。為了長江1000和長江2000的研發(fā)，馮錦璋走訪了不少工廠，考察制造業(yè)的現(xiàn)狀。他發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)的不少標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，有些是抄過來的、有些是實(shí)際工作的積累;而與之形成鮮明對(duì)比的是國外先進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，精細(xì)化要求的背后都有強(qiáng)大的分析和計(jì)算作為依據(jù)。

“我們航空發(fā)動(dòng)機(jī)的鑄造，基本上沒有核心技術(shù)。我們做的幾個(gè)里沒有一個(gè)是合格的，最后只能是不合格的里面挑一個(gè)。”馮錦璋說。而鍛造作為經(jīng)常用的成型手段，很大程度也還是靠經(jīng)驗(yàn)。

從基本的焊接技術(shù)，到燃燒室，到風(fēng)扇、葉片、機(jī)械系統(tǒng)、渦輪，馮錦璋詳細(xì)地展示了長江1000和長江2000研發(fā)中的典型問題。核心想法只有一個(gè)，以計(jì)算分析為主的設(shè)計(jì)工作必須是自主研發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)的主要方向。

馮錦璋介紹，隨著飛行器構(gòu)造越來越復(fù)雜，如果按照傳統(tǒng)模式，試驗(yàn)小時(shí)數(shù)會(huì)越來越高，到2030年，將達(dá)到100萬小時(shí);而如果采用分析計(jì)算方法，可以減少兩個(gè)數(shù)量級(jí)，到10萬小時(shí)。

充分運(yùn)用計(jì)算能力，不僅能縮短時(shí)間，在AI時(shí)代，還能借助計(jì)算機(jī)的“想象力”（Intuitive AI）革新設(shè)計(jì)。“我們現(xiàn)在大部分工程設(shè)計(jì)的優(yōu)化都是連續(xù)的，我們有時(shí)候想象不出來這個(gè)形狀是怎樣的;什么是拓?fù)鋬?yōu)化？我們可以設(shè)定要滿足的條件，用人工智能，讓計(jì)算機(jī)不受任何約束地去想?！瘪T錦璋說，這將在近期和中期對(duì)飛機(jī)的設(shè)計(jì)產(chǎn)生革命性的影響。

中國工程院院士甘曉華介紹說，在航空領(lǐng)域，飛機(jī)的設(shè)計(jì)制造一般需要15～20年，發(fā)動(dòng)機(jī)要20～25年;全世界能做飛機(jī)的企業(yè)有20～30家，能做發(fā)動(dòng)機(jī)的卻只有3～5家。從事軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的他坦言，國內(nèi)軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)跟國外最先進(jìn)水平相比落后一代（20～25年）甚至更多。

文化挑戰(zhàn)絲毫不亞于技術(shù)挑戰(zhàn)

作為商用發(fā)動(dòng)機(jī)，是否成功必須經(jīng)受市場檢驗(yàn)，絕非能造出一兩臺(tái)那么簡單——需要幾千臺(tái)都保持高的質(zhì)量。如何做到這一點(diǎn)？馮錦璋給的答案初聽有幾分意外。

“我感受比較深刻的一點(diǎn)是，我們面對(duì)的文化挑戰(zhàn)絲毫不亞于技術(shù)挑戰(zhàn)?！彼f。

在某工廠考察的過程中，一個(gè)故事給他留下了深刻印象。

這個(gè)工廠進(jìn)口了一臺(tái)大型的鍛造機(jī)，德國公司過來安裝后，這臺(tái)機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)了3年還是性能良好。今年，這家工廠自己安裝，結(jié)果6個(gè)月機(jī)器就壞了?！盀槭裁?？說起來就像是從網(wǎng)上讀到的故事一樣，特別有趣。他們給我舉了一個(gè)例子，說明書寫得清清楚楚，螺栓螺帽要擰三圈倒半圈，我們都是瞎搞，不就是三圈嗎？他們就隨便弄，連個(gè)記錄都沒有?！瘪T錦璋說。

類似的事情不僅發(fā)生在產(chǎn)業(yè)工人身上，甚至連來應(yīng)聘的博士后也是“差不多先生”。曾經(jīng)，馮錦璋在面試中問一名博士后，“其中的一個(gè)阻尼系數(shù)為什么是0.55？”這名博士后的回答是：老師這樣說的。

“獨(dú)立思考的精神、打破砂鍋問到底的精神、把事情做到極致的精神極大缺乏。”馮錦璋說，這樣的態(tài)度絕無成功的可能。

馮錦璋認(rèn)為的第二個(gè)挑戰(zhàn)是團(tuán)隊(duì)精神的缺失。

“很多人往往把問題、好的工具和數(shù)據(jù)藏在手里，不愿意跟別人分享。不僅是組織之間、大學(xué)之間，甚至小組和另外的小組，小組里面的一個(gè)人和另外一個(gè)人，都存在這樣的現(xiàn)象?！彼f，所有這些都對(duì)高端設(shè)備制造有很大的影響，要突破的不僅僅是技術(shù)。

缺少來往的企業(yè)界和高校

作為南方科技大學(xué)校長，陳十一對(duì)馮錦璋的“文化論”表示贊同。他進(jìn)一步說，檢驗(yàn)大學(xué)的成功與否，不是排名，也不應(yīng)該只看論文，核心要看是否產(chǎn)生了好的人才、技術(shù)和文化。

不過，作為大學(xué)教授的他，還認(rèn)為企業(yè)缺少與高校合作也限制了產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新：“企業(yè)拿了國家的大項(xiàng)目，攬?jiān)谑掷?，相信自己而不相信教授，這樣就越培養(yǎng)不了大學(xué)教授，越培養(yǎng)不了老師，那就進(jìn)入了負(fù)反饋。”

在陳十一的印象中，美國的Los Alamos實(shí)驗(yàn)室（世界上科學(xué)與技術(shù)最大的幾個(gè)中心之一，二戰(zhàn)時(shí)期作為曼哈頓工程的一部分，負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)核武器，現(xiàn)在在多個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行多學(xué)科的研究）每年的夏天都會(huì)邀請(qǐng)加州大學(xué)的很多教授來，這促進(jìn)了大學(xué)教授對(duì)該實(shí)驗(yàn)室的了解，有利于問題的解決。他說，企業(yè)應(yīng)該把核心攻關(guān)的問題交給大學(xué)去解決。

“我覺得像發(fā)動(dòng)機(jī)這樣的問題，現(xiàn)在政府已經(jīng)意識(shí)到了，不僅僅是某一家企業(yè)的事情，作為國家重大項(xiàng)目，必須聯(lián)合攻關(guān)。”他強(qiáng)調(diào)，“我們應(yīng)該思考大學(xué)和企業(yè)合作的新模式?！?/p>

從事基礎(chǔ)研究的符松也注意到了類似的問題。他介紹，清華大學(xué)和美國的GE發(fā)動(dòng)機(jī)公司成立了聯(lián)合研究中心，而對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)這樣技術(shù)推動(dòng)的領(lǐng)域，國外不僅高校，公司也在開展很多的基礎(chǔ)研究。此外，讓他感受頗深的另外一點(diǎn)是，國外的大學(xué)和企業(yè)擁有緊密的合作關(guān)系：“我每次參加美國的學(xué)術(shù)會(huì)議或者發(fā)動(dòng)機(jī)專業(yè)會(huì)議，發(fā)現(xiàn)人家大學(xué)的、研究所的、企業(yè)的全在一起參加，一起討論。我覺得我們國家沒有這樣的文化，我們的高校和企業(yè)界好像沒有什么來往?！?/p>

何時(shí)造出國產(chǎn)大飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，未來的商業(yè)化之路是歧路還是坦途尚未可知。不過，幾位從事基礎(chǔ)研究的教授的暢所欲言，也許已經(jīng)預(yù)示了一個(gè)好的開始。

◎ 來源|科技日?qǐng)?bào)