曹春晓:先进战斗机歼20和歼31是怎么炼成的

曹春晓/中国科学院院士

2017-09-15 15:32 来源:澎湃新闻

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【编者按】
8月17日,在2017年暑期院士专家系列科普讲坛上,中国科学院院士曹春晓做了关于航空材料的演讲。他在演讲中讲到,我们国家的军用歼击机的钛用量也在不断提升。我们歼8用钛很少是2%,歼10用钛4%,歼11用到15%,歼20用到20%,歼31用到25%,也算比较多。我们的运20跟美国的C-17是相近的。美国的C-17叫环球霸王和我们的运20雅号叫鲲鹏,用钛量都是10%左右。其实两个等级都差不多。
以下是曹春晓院士的演讲全文,已经本人审订。

我今天讲的题目是“一代材料、一代飞机”,这二者是辩证的关系。演讲分几个部分,除了前言、结语,中间有三个部分:钛合金,复合材料,铝合金和钢。这些是飞机机体里主要的结构材料。
“一代材料,一代飞机”是世界航空发展史的真实写照。一百多年来,材料与飞机相互依赖、相互推动发展。航空结构材料通常处于材料领域最前沿,其技术含量之高、技术难度之大,无愧为材料世界的天之骄子。
航空结构材料一百多年来的宏观变化一共分五个阶段。第一阶段是1903年美国兄弟发明了飞机,到20世纪10年代,飞机机体的结构主要是木、布结构,飞机的梁和框是由较好的木头做的,蒙皮是由布做的。那时飞机速度不快,这样的材料也可以顶得住。
到了1920年代,飞机速度快了一点,木、布材料就顶不住了。从此以后,飞机的结构材料主要用铝合金跟钢。
接下来到了上个世纪50年代开始到60年代,这一时段有个特点,就是钛合金在全世界范围出现了。1950年代,钛合金作为工业新金属材料出现在大家面前,搞设计的人一看,这个材料很适合用作飞机的结构材料。然后,钛合金正式成为航空材料,铝、钛、钢三位一体组成了我们主要的结构材料。
1970年代到21世纪,出现了复合材料。人们发现复合材料比强度更高,复合材料逐渐进入飞机结构材料里。
从21世纪初到现在,还是这四种材料,但是各自所占比重有变化。原来铝合金为主,现在已经以复合材料为主。
为什么会有这些变化,因为比强度。对飞机来说,结构重量很重要,这是一个比强度问题。比强度定义是单位密度的强度,也就是强度/密度。钛合金在600度以下的温度比强度最高,铝合金跟钢都不如钛合金。钛合金密度是4.51左右,比钢要低很多。虽然二者强度差不多,但钛合金密度低,因此比强度高。铝合金密度只有2.71,但是强度比钛合金低很多,因此还是钛合金比强度更高。当温度达到200、300度以后,铝合金强度很快就降低了,温度稍微高一点的地方,就必须要用钛合金。
因此,钛合金用量不断创新高。大飞机的专项是两大内容,一是大运,一是大客,军用运输机也是大飞机专项的重要内容。这两个飞机钛合金含量差不多,都是9%到10%。C919的钛合金用量甚至和777相当,已经是比较先进了。但是和波音787、A350相比我们的钛合金用量还是有差距,他们用到14%到15%。现在俄罗斯跟我们同时进行MS21的研制,创造了钛合金含量的记录。为什么俄罗斯用了那么多?可能因为钛合金是它的强项,生产量也大,水平也可以,所以MS21钛合金用量占比是25%,这是资料介绍的。很可能它创造了当前最高的记录,它刚刚首飞,比我们晚一点。
军用飞机钛合金用的更多,钛合金主要缺点是贵。民用飞机更多考虑经济性,就不一定会用很多。钛合金材料是是用在刀口上的。因为要保证打仗要的空中优势,所以在军用飞机上用的更多一些。最高的记录是F22,这个飞机用了41%的钛,复合材料24%,铝合金只有15%,原来都是铝合金为主,现在是钛合金为主了。F35也不少,有27%的钛。美国的轰炸机用钛也很厉害,B1轰炸机是21%,B2轰炸机用到26%。那么大的轰炸机用到了26%的钛。
历史上钛量用的最多还是SR-71,高空侦查机。它的钛用量是93%,这个叫黑鸟,因为它涂了黑颜色的材料。它的飞行速度达音速3倍,飞行高度有时候是30000米,有的时候24000米,反正是飞得很高很快。它与空气摩擦,机体表面温度很高,必须要用钛合金,它93%是用的都是钛合金,所以它号称是钛飞机。
我们国家的民用飞机还是在不断前进的。比如说ARJ21用了4.8%,到C919已经用到9.3%。
我们国家的军用歼击机的钛用量也在不断提升。我们歼8用钛很少是2%,歼10用钛4%,歼11用到15%,歼20用到20%,歼31用到25%,也算比较多。我们的运20跟美国的C-17是相近的。美国的C-17叫环球霸王和我们的运20雅号叫鲲鹏,用钛量都是10%左右。其实两个等级都差不多。
航空母舰上的战机,我们用的钛相当多。美国最先进的舰载机F-18E/F的用钛量是15%,我们舰载机歼15飞鲨的钛合金用量达20%。
钛合金在飞机结构上应用的典型零件是起落架和转向架。转向架可以转弯,6个轮子上面有一个横梁,横梁要承受很大的力量,所以这根梁很重要。很多飞机的这个部件都用钛合金,美国的波音777用是钛合金10-2-3,它锻造出来的模锻件很大,45000吨液压机就锻出来这么一个锻件。飞机更大以后,起落架零件也更大。有的是在法国65000吨的液压机上锻出来的。还有更大的比如A380,这根梁更大,它的锻件重量是3210千克,就是3吨多的重量。这个锻件靠65000吨液压机就不行了,他们不得不委托俄罗斯,用俄罗斯75000吨的液压机锻这根横梁。航空需要大锻件,我们以后搞更大的飞机,比如929,也许我们的锻件也会越来越大。四川德阳二重近期自主研制了8万吨的模锻液压机,这是世界上最大的模锻液压机。
波音787的起落架上面的零件都是美国用更好更强的钛合金制造的。我们国家航空用的钛合金零件也很多,比如我们歼20就用了不少钛合金锻件。
下面讲一下复合材料,复合材料称雄的时代扑面而来,来势汹汹。这几年复合材料发展非常快,复合材料越来越多,A380有25%,这是一个转折点,然后到了波音787有50%用复合材料。波音787用的复合材料多了以后,油耗减少,然后航空公司都要787,这促进了A350设计的重大修改,A350XWB的复合材料用量提高至53%,比美国的波音787用的还多,这说明了复合材料在飞机上越用越多的趋势。不少其他各种各样飞机的复合材料用量都跃居首位。
我们国家复合材料在歼击机用的还可以,但还是需要不断再发展。我们歼20用到了29%。军用运输机Y20目前是8%,商用飞机ARJ21为1%,我们C919打算用到12%,今后还要不断改进。
为什么机体的材料结构会出现以复合材料为首选的新格局?一个是价格便宜了,而性能越来越好。它能够减轻结构重量,是因为比强度高,而且容易使结构整体化。飞机上零件很多,设计者希望零件越少越好,比如铆钉等,这样就大量节省出结构重量。复合材料特别容易整体化,几十个小零件变成一个整体结构件,就解决问题了。
举个例子,波音787机身有几段,每一大段就是一个零件。这样的大零件组装起来很快,几段一拼,机身就出来了,这是复合材料的优点。F35进气道弯弯曲曲的也是弄了复合材料,节省了很多重量。复合材料成本越来越低,是因为它采取的是新工艺。原来人工铺,现在自动铺,再加上其他新工艺,成本就降低了。
即便如此,铝合金跟钢仍有不可或缺的地位。不能说用了钛合金和复合材料,它们就不用了,至少在相当长时间里面离不开铝合金和钢。铝合金跟钢比较便宜,有些地方能用它就用它,这个暂时还是不会消失的。
在原有铝合金的基础上,不断有新的合金推出来,上个世纪,美国推出来三大法宝,7150、7055、2524。美国用这三大法宝后,建立了航空铝合金在全球的优势。铝锂合金的发展也提高了铝合金的竞争力,铝锂合金比普通的铝合金轻,比强度要高,因为锂是很轻的,比水还轻,加2%的锂进去以后,比强度也提高了不少。
7085是21世纪问世的最新法宝,也是美国发明的。这个法宝可以做特大的锻件,原来铝合金不能太厚,最多是120毫米厚,而7085可以做到250毫米厚。因此,有一些大锻件就用了它。比如说A380,机翼一个模锻件那么大,这是世界上投影面积最大的航空锻件,就是7085做的。
超高强度钢现在大量用的是300M钢,C919用的起落架就用的300M钢,300M钢之后又发展了A100钢,A100钢的强度更高,但是它的成本也高一点。所以现在民用飞机,一般还得用300M钢。但是军用飞机,比如F22等已开始用A100钢,贵一点就贵一点。我们的C919起落架就用的是300M钢,所以钢还有它自己的定位。
我的生命已度过了83个春秋了,在航空领域和材料领域也已经奔波了61年。我这一生最大的感悟是什么呢?材料世界真的很精彩,航空世界真的很精彩,科技世界真的很精彩。
当然,这个世界也有不少事让我们很无奈,不少难题真的很棘手,但这不能阻止我们去追求世界的精彩。任何人如果不能为这个世界奉献什么的话,就没有精彩人生可言了。
衷心祝愿航空与材料相伴而行共同前进,衷心祝愿伟大祖国早日从航空大国和材料大国发展成为航空强国和材料强国。
(本次讲坛由上海市新闻出版社,上海市科学技术协会主办,上海市科普作家协会,上海科协大讲坛管理办公室和新华网科普中国科技前沿大师谈承办。)
责任编辑:田春玲澎湃新闻报料:4009-20-4009   澎湃新闻,未经授权不得转载
关键词 >> 战斗机,航空,院士

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