航空航天裝備的輕量化：挑戰(zhàn)與未來

張衛(wèi)紅，唐長紅

1.西北工業(yè)大學(xué) 陜西省空天結(jié)構(gòu)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710072

2.航空工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計研究院，西安 710089

航空航天裝備的研發(fā)和生產(chǎn)制造能力是衡量一個國家綜合實(shí)力的重要標(biāo)準(zhǔn)。為了在國際競爭中占據(jù)優(yōu)勢，國家必須掌握核心技術(shù)，并從根本上保障經(jīng)濟(jì)、國防和其他方面的安全。當(dāng)前，大型軍民用飛機(jī)、大型運(yùn)載火箭、航空航天發(fā)動機(jī)等航空航天裝備已成為國家戰(zhàn)略運(yùn)輸、區(qū)域控制、進(jìn)入太空和戰(zhàn)略威懾的核心力量，其重要性日益凸顯。因此，提高重裝運(yùn)載、遠(yuǎn)程航行、高速機(jī)動、智能感知和環(huán)境適應(yīng)等綜合能力與性能已成為新一代航空航天裝備研發(fā)的緊迫任務(wù)［1-2］。

作為提高飛行器性能、降低能耗、提升有效載荷的重要手段，輕量化技術(shù)是航空航天領(lǐng)域的永恒主題。中國航天事業(yè)奠基人錢學(xué)森先生曾說過：“航天器一個零件減少一克重量都是貢獻(xiàn)?！边@句話充分體現(xiàn)了輕量化技術(shù)在航空航天裝備研發(fā)中的重要性。

輕量化在促進(jìn)航天經(jīng)濟(jì)、實(shí)現(xiàn)大規(guī)模進(jìn)入太空方面具有巨大的價值。據(jù)統(tǒng)計，2021 年全球共進(jìn)行145 次火箭發(fā)射，入軌重量769.6 噸，而航天器每減重1 kg，按照近地軌道到月球軌道不同高度將節(jié)省5 萬到50 萬元發(fā)射費(fèi)用。輕量化對民用航空具有巨大的經(jīng)濟(jì)和綠色低碳效益。如果大型航空公司每架飛機(jī)減重100 kg，每年將減少油耗近5 000 噸，減少二氧化碳排放近15 000 噸，每年帶來過億元凈收入。在軍用航空航天領(lǐng)域，輕量化具有重要的戰(zhàn)略價值和國家安全意義。軍用航空航天裝備的輕量化直接關(guān)系到戰(zhàn)技指標(biāo)乃至型號研制的成敗。例如，通過運(yùn)載火箭發(fā)射的彈道導(dǎo)彈和高超聲速飛行器每減重1 kg，可使射程提升16 km 至22 km；新一代戰(zhàn)斗機(jī)重量減輕15%，可增加航程20%，提高電子裝備、武器掛載等有效載荷30%；軍用航空發(fā)動機(jī)每減重1 kg，可以使戰(zhàn)斗機(jī)減重近5 kg。美國JSF 飛機(jī)競標(biāo)過程中，波音X-32 飛機(jī)因超重問題而競爭失敗，洛克希德馬丁F-35 雖然競爭勝利，但也因超重問題而長期受到機(jī)動性不足的困擾。

綜上所述，航空航天裝備的輕量化可以顯著提升運(yùn)載能力、機(jī)動性、航程等關(guān)鍵指標(biāo)。然而，輕量化設(shè)計制造必須同時兼顧裝備的服役可靠性、壽命、隱身性、智能感知、環(huán)境響應(yīng)等性能，這構(gòu)成了一個異常復(fù)雜的系統(tǒng)工程。因此，輕量化技術(shù)的持續(xù)發(fā)展和廣泛應(yīng)用對于高性能航空航天裝備的研發(fā)至關(guān)重要。

1 航空航天裝備快速發(fā)展對輕量化提出了日益嚴(yán)酷的要求

自新世紀(jì)以來，全球各大航空航天機(jī)構(gòu)都將輕量化技術(shù)視為至關(guān)重要的研究課題，全面應(yīng)用于裝備的研發(fā)過程中［3-5］。NASA 將其作為十二項(xiàng)顛覆性技術(shù)之一，重點(diǎn)支持加快研發(fā)輕質(zhì)高強(qiáng)的復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)、功能材料與結(jié)構(gòu)，以及更有效的輕量化設(shè)計與制造技術(shù)［6-7］。同時，NASA 與波音合作，綜合總體氣動外形設(shè)計、材料與結(jié)構(gòu)、制造與裝配等學(xué)科，建立了下一代民用飛機(jī)輕量化和低油耗設(shè)計規(guī)范。DARPA 則重點(diǎn)布局了輕量化智能傳感器集成項(xiàng)目，以提高飛機(jī)的全空域感知能力和智能化水平［8］。

在蘇霍伊設(shè)計局，Su-57 飛機(jī)在研制過程中全面采用了輕量化材料、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計與高性能制造技術(shù)。在最新的Su-75 五代機(jī)研制中，輕量化技術(shù)得到了進(jìn)一步系統(tǒng)化和規(guī)范化的應(yīng)用［9］。

空客A350 飛機(jī)在總體設(shè)計中采用了超臨界翼型構(gòu)型布局，提高了5%的氣動效率，20%的燃油效率。此外，對機(jī)翼蒙皮和長桁進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，并基于先進(jìn)的復(fù)合材料制造技術(shù)，應(yīng)用了30 米級的大型整體復(fù)合材料壁板代替?zhèn)鹘y(tǒng)的分塊式金屬壁板，使結(jié)構(gòu)減重25%，且制造精度提高至0.2 毫米［10］。此外，全機(jī)集成布置了光纖等智能傳感器，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)變形的全域智能感知。上述輕量化設(shè)計制造技術(shù)使A350 的結(jié)構(gòu)重量系數(shù)由A330 的30%下降到28%［11］。

中國航空航天裝備自新中國成立以來取得了從無到有的突破，近年來更是涌現(xiàn)出一批具有世界先進(jìn)水平的軍民用飛機(jī)和發(fā)動機(jī)、運(yùn)載火箭等裝備，充分展示了中國航空航天技術(shù)實(shí)力的快速提升［12-14］。

然而，中國航空航天科研機(jī)構(gòu)雖然長期高度重視型號研制中的輕量化相關(guān)問題和工作，但由于前期理論研究、工程技術(shù)以及軟硬件工具研發(fā)的積累不夠，通常只能零散運(yùn)用總體布局經(jīng)驗(yàn)式調(diào)整、局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化、反復(fù)試錯和修正等手段，人工協(xié)調(diào)設(shè)計制造各環(huán)節(jié)，以輕量化為主題的系統(tǒng)化設(shè)計制造理論方法和技術(shù)規(guī)范還不夠完善。因此，在航空航天裝備的關(guān)鍵指標(biāo)上，中國與世界先進(jìn)水平相比依然存在較大差距。如美國C-17 載重達(dá)到78 噸，最大航程已接近12 000 公里；美國德爾塔IV 型重型火箭起飛重量733.4 噸，近地軌道運(yùn)載能力達(dá)到29 噸；美俄現(xiàn)役航空發(fā)動機(jī)推重比已超過10，為下一代飛機(jī)研制的新型航空發(fā)動機(jī)推重比將接近15。上述指標(biāo)仍然是一段時間內(nèi)中國同類型裝備努力達(dá)到并趕超的目標(biāo)。

新時代以來，國家戰(zhàn)略需求賦予了航空航天裝備更重要的戰(zhàn)略使命要求。一批關(guān)鍵重大型號裝備的核心指標(biāo)需要全面快速的跨越提升，更大的有效載荷與功重比、更遠(yuǎn)的航程和射程、更強(qiáng)的機(jī)動靈活性、更多的探測感知和隱身等功能需求，使得裝備輕量化需求空前重要和緊迫，這是保障中國航空航天裝備達(dá)到世界一流水平、建設(shè)航空強(qiáng)國和航天強(qiáng)國必須解決的核心問題。

2 輕量化是未來航空航天裝備研制的重大科技問題

為了攻克新一代高性能航空航天裝備輕量化的難題，需要深入理解輕量化技術(shù)必須貫穿裝備研制的整個過程，并系統(tǒng)地將總體布局、結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造工藝等環(huán)節(jié)相互連通，以實(shí)現(xiàn)各環(huán)節(jié)高性能與輕量化目標(biāo)的協(xié)同，見圖1。此外，需要綜合運(yùn)用新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝等手段，發(fā)展多學(xué)科耦合、多因素集成的輕量化設(shè)計理論與高性能制造技術(shù)。

圖1 高性能空天裝備輕量化研制的重大科技問題Fig.1 Key issues in the lightweight development of high-performance aerospace and aeronautical equipment

在未來，以下研究工作值得重點(diǎn)關(guān)注：

2.1 總體布局的輕量化

在裝備總體概念布局設(shè)計階段充分考慮輕量化設(shè)計要求，是在頂層設(shè)計層面高效協(xié)調(diào)高性能與輕量化矛盾的核心基礎(chǔ)［15］?，F(xiàn)有總體布局設(shè)計方法大多依賴已有經(jīng)驗(yàn)，通過協(xié)商調(diào)整總體方案，在需要決策分系統(tǒng)間的緊湊布局與功能相互兼容、多學(xué)科性能與系統(tǒng)輕量化目標(biāo)協(xié)同時往往效率低、效果差。亟需發(fā)展系統(tǒng)的航空航天裝備總體布局輕量化理論方法與工程技術(shù)，其關(guān)鍵難題在于總體設(shè)計環(huán)節(jié)中多學(xué)科功能和性能的快速估算和多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化。

因此，未來需要從概念方案設(shè)計階段出發(fā)，建立面向任務(wù)的裝備系統(tǒng)、子系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)重量的智能化快速估算技術(shù)，構(gòu)建系統(tǒng)總體布局-整體性能指標(biāo)-裝備重量的多學(xué)科映射模型與綜合優(yōu)化方法，建立航空航天裝備服役全壽命載荷譜分析模型并開展面向任務(wù)的載荷優(yōu)化，并創(chuàng)新開展模塊化系統(tǒng)布局、多任務(wù)載荷功能化集成等新概念總體布局技術(shù)以及其中的輕量化技術(shù)研究。

2.2 高性能機(jī)電系統(tǒng)的輕量化

航空航天裝備的機(jī)電系統(tǒng)是執(zhí)行飛行保障各項(xiàng)功能的系統(tǒng)的總稱，對飛行性能、安全和可靠性都有著至關(guān)重要的影響。如電源系統(tǒng)作用是保證可靠地向用電設(shè)備，尤其是與飛行安全直接相關(guān)的關(guān)鍵設(shè)備提供符合要求的電能；航電系統(tǒng)是飛行器上所有電子系統(tǒng)的總和，負(fù)責(zé)飛行器平臺實(shí)現(xiàn)信息獲取、傳輸、處理和應(yīng)用的核心系統(tǒng)。機(jī)電系統(tǒng)作為航空航天裝備的重要組成部分，整體重量占飛行器重量的較大比例，而且服役于多物理場環(huán)境、受載異常復(fù)雜，一直是空天裝備實(shí)現(xiàn)輕量化的重要堵點(diǎn)。

未來需要著重研究多物理場復(fù)雜環(huán)境下機(jī)電系統(tǒng)的輕量化、小型化、緊湊化設(shè)計技術(shù)，裝備全系統(tǒng)布局與機(jī)電系統(tǒng)布局的功能和性能匹配技術(shù)，以及高輸出低損耗執(zhí)行器件的輕量化設(shè)計技術(shù)、機(jī)電系統(tǒng)力-熱-流-電-磁多場耦合作用機(jī)制等；開展適用于航空航天裝備的高性能微機(jī)電系統(tǒng)傳感器、執(zhí)行器的架構(gòu)設(shè)計、跨尺度行為特性分析以及結(jié)構(gòu)功能共形一體化設(shè)計技術(shù)、微細(xì)尺度上功能結(jié)構(gòu)與器件跨尺度復(fù)合制造技術(shù)、復(fù)雜型面共形-共性-共功能微機(jī)電系統(tǒng)的柔性原位制造技術(shù)研究，見圖2［16］。

圖2 多尺度結(jié)構(gòu)功能一體化共形設(shè)計［16］Fig.2 Conformal design of function-integrated multiscale structures［16］

2.3 材料與結(jié)構(gòu)的輕量化

結(jié)構(gòu)是航空航天裝備的骨架，長期以來構(gòu)成了系統(tǒng)輕量化的主要對象。材料結(jié)構(gòu)的輕量化需要充分并合理運(yùn)用高性能輕質(zhì)材料（如輕質(zhì)合金、復(fù)合材料、泡沫/蜂窩/點(diǎn)陣材料等）、新的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計手段（拓?fù)鋬?yōu)化、整體優(yōu)化等）以及新工藝技術(shù)（增材制造、復(fù)合制造等），通過材料在結(jié)構(gòu)空間的合理拓?fù)洳季趾蛥?shù)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)多種承載性能最優(yōu)化與輕量化［17-21］，見圖3。其中，需要充分考慮結(jié)構(gòu)在多物理場環(huán)境下多種性能之間的相互制約關(guān)系、系統(tǒng)多學(xué)科功能以及多種制造工藝對結(jié)構(gòu)構(gòu)造和承載性能的制約關(guān)系，其關(guān)鍵難題在于材料-結(jié)構(gòu)-工藝-功能等多因素的協(xié)調(diào)。

圖3 輕量化材料與結(jié)構(gòu)Fig.3 Lightweight materials and structures

未來需要重點(diǎn)面向高性能輕量化，研究新概念復(fù)合材料結(jié)構(gòu)、多尺度梯度材料結(jié)構(gòu)、超大規(guī)模多尺度混雜材料結(jié)構(gòu)的高效高精度仿真、試驗(yàn)與設(shè)計成型一體化技術(shù)；研究結(jié)構(gòu)空間拓?fù)渑c設(shè)備布局總體協(xié)同設(shè)計技術(shù)、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)整體傳力路徑與局部傳載協(xié)同的精確調(diào)控技術(shù)，以及復(fù)雜靜、動、熱等載荷環(huán)境下多構(gòu)件變形協(xié)調(diào)與精確調(diào)控設(shè)計技術(shù)；面向新興高性能制造工藝，研究工藝與功能特征驅(qū)動的材料-結(jié)構(gòu)-工藝一體化設(shè)計理論，開展增/等/減材工藝的金屬結(jié)構(gòu)-工藝參數(shù)協(xié)同設(shè)計、面向全壽命周期管理的抗疲勞結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計理論、纖維增強(qiáng)熱固性復(fù)材結(jié)構(gòu)-鋪層/編織參數(shù)-固化工藝參數(shù)協(xié)同設(shè)計、纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)材結(jié)構(gòu)-纖維分布-鋪絲/打印路徑協(xié)同設(shè)計技術(shù)研究。

2.4 以高性能制造與裝配提升裝備輕量化水平

航空航天輕量化結(jié)構(gòu)最終大多體現(xiàn)為復(fù)雜薄壁結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，其精準(zhǔn)制造與裝配是實(shí)現(xiàn)航空航天裝備輕量化目標(biāo)的最終環(huán)節(jié)。由于大量應(yīng)用新型輕合金、復(fù)合材料等新材料以及異形曲面、鏤空、整體等大尺寸復(fù)雜薄壁結(jié)構(gòu)形式，其弱剛度特點(diǎn)與高性能要求之間的突出矛盾，不斷挑戰(zhàn)現(xiàn)有制造工藝能力。為此，在航空航天裝備的制造過程中，如何有效利用多種能場的時空有序施加或復(fù)合控制材料應(yīng)力狀態(tài)，是保障結(jié)構(gòu)輕量化、復(fù)雜形狀的精確制造及其高性能有效集成、使其“形神兼?zhèn)洹钡暮诵乃冢?2-25］，關(guān)鍵難題在于制造多能場耦合下材料結(jié)構(gòu)精度和性能的調(diào)控，見圖4。

圖4 增減材復(fù)合制造某機(jī)匣零件Fig.4 Hybrid additive and substractive manufacturing of a casing component

未來需要重點(diǎn)開展金屬/復(fù)合/功能材料的復(fù)雜結(jié)構(gòu)復(fù)合加工能場作用下形性時空演化機(jī)制和協(xié)同調(diào)控原理的研究，突破異質(zhì)異形輕質(zhì)結(jié)構(gòu)高性能增材制造、輕質(zhì)高強(qiáng)薄壁曲面構(gòu)件和高性能復(fù)雜承力構(gòu)件多能場精確成形、結(jié)構(gòu)功能一體化制造等關(guān)鍵難題；開展輕質(zhì)復(fù)雜構(gòu)件切/磨削機(jī)械能場及其與超聲/激光/電磁等能場復(fù)合作用下的力-熱-結(jié)構(gòu)耦合作用機(jī)制、成形與成性協(xié)同優(yōu)化、極限壽命抗疲勞加工等新理論，突破表面形性創(chuàng)成與控制、自適應(yīng)形性協(xié)同精密加工、抗疲勞表面層設(shè)計與重構(gòu)、制造過程數(shù)字孿生與智能調(diào)控等關(guān)鍵技術(shù)，形成多能場復(fù)合精密切削、精密光整、高能復(fù)合表面強(qiáng)化等系列專用工藝及其智能化裝備。開展幾何-物理場耦合的高性能裝配集成理論研究，突破復(fù)雜外形薄壁結(jié)構(gòu)應(yīng)力均衡定位方法、異質(zhì)疊層結(jié)構(gòu)高質(zhì)高效制孔與連接技術(shù)、裝配性能模塊化在線測試技術(shù)等研究，研發(fā)面向復(fù)雜薄壁結(jié)構(gòu)的定位、制孔、連接、測試等工藝裝備與系統(tǒng)。

3 結(jié)論

綜上所述，航空航天裝備的輕量化是一個貫穿于設(shè)計、制造全過程的系統(tǒng)工程。一方面必須站在全系統(tǒng)頂層高度，發(fā)展高性能數(shù)值仿真、多學(xué)科優(yōu)化和智能化技術(shù)，深化裝備總體布局、機(jī)電系統(tǒng)、材料與結(jié)構(gòu)、制造與裝配等環(huán)節(jié)中的輕量化技術(shù)研究，特別是發(fā)掘設(shè)計制造環(huán)節(jié)、裝備構(gòu)成各子系統(tǒng)以及多種學(xué)科之間交叉與協(xié)調(diào)中的輕量化潛力，補(bǔ)齊裝備研發(fā)各個環(huán)節(jié)中仍然存在的輕量化短板，建立系統(tǒng)的航空航天裝備輕量化設(shè)計制造規(guī)范體系；另一方面，更加注重技術(shù)集成和創(chuàng)新，充分運(yùn)用基礎(chǔ)研究中不斷涌現(xiàn)的新概念布局、新動力模式、新材料、新概念結(jié)構(gòu)、新制造工藝等最新成果，特別是可能引發(fā)變革性高性能輕量化的新概念設(shè)計制造技術(shù)，為加快中國航空航天強(qiáng)國建設(shè)做出新的貢獻(xiàn)。