2022年5月14日,編號(hào)為B-001J的C919大飛機(jī)首次飛行試驗(yàn)圓滿完成,這是中國商飛公司即將交付的首架C919。消息傳來,迅速登頂各大熱搜榜單。
這是近期我國在航空航天領(lǐng)域取得的系列成果之一。神舟十三號(hào)載人飛船返回地球,“天舟四號(hào)”貨運(yùn)飛船成功發(fā)射,多款戰(zhàn)機(jī)換裝“中國心”,種種成績讓“敢上九天攬?jiān)?rdquo;不斷成為現(xiàn)實(shí),這離不開無數(shù)科研工作者的辛勤努力。
此前,來自中國科學(xué)院和中國工程的院士在公開講座中親身講述科研歷程,讓公眾了解到這些成果背后的攻堅(jiān)過程。
國產(chǎn)大飛機(jī)背后的金屬3D打印
C919是中國擁有完全知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)大飛機(jī),中國團(tuán)隊(duì)完成了100多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。以金屬3D打印技術(shù)為例,3D打印鈦合金零件在C919中首次得到成功應(yīng)用,有效降低了飛機(jī)的結(jié)構(gòu)重量,延長使用壽命。
在中國科協(xié)“科創(chuàng)中國”與抖音聯(lián)合推出的視頻科普欄目《院士開講》中,中國工程院院士、材料制造專家王華明講到了金屬3D打印在國產(chǎn)飛機(jī)中的應(yīng)用。這項(xiàng)技術(shù)也叫增材制造,其原理是把零件切分成無窮多的平面,把三維的復(fù)雜零件當(dāng)成二維的平面問題來做。
“金屬3D打印像是揉面,把粉和絲這樣的原料,通過熔化這個(gè)過程,完成合金化,完成凝固,完成材料的制備,材料制備出來就已經(jīng)是做成的復(fù)雜零件。”王華明形象地總結(jié)道。
2000年,王華明院士團(tuán)隊(duì)進(jìn)入金屬3D打印領(lǐng)域。當(dāng)時(shí),美國鑄造業(yè)龍頭企業(yè)Aeromet已經(jīng)開始嘗試用增材制造的方法,制造航空器的大型關(guān)鍵構(gòu)件,已經(jīng)進(jìn)入工程驗(yàn)證階段,但始終未能解決疲勞性能問題,最終認(rèn)定這種方法無法實(shí)現(xiàn),在2005年放棄了。
“那個(gè)時(shí)候他們最終得到結(jié)論,這條路走不通,用于做關(guān)鍵構(gòu)件是不可能的。當(dāng)然我們繼續(xù)堅(jiān)持,最后把它做成了。”王華明院士在《院士開講》中說。2005年,王華明院士團(tuán)隊(duì)研制出了中國第一個(gè)安裝到飛機(jī)上的3D打印零件。
2009年,王華明團(tuán)隊(duì)利用3D打印技術(shù),耗時(shí)55天做出了C919機(jī)頭鈦合金主風(fēng)擋整體窗框。這種構(gòu)件尺寸大、形狀復(fù)雜,國內(nèi)飛機(jī)制造廠的傳統(tǒng)方法無法制作。歐洲一家公司可以制作,但周期漫長,需要兩年時(shí)間才能交貨,而且價(jià)格高昂,僅每件模具費(fèi)就要50萬美元。而王華明院士所需成本不足歐洲鍛造模具費(fèi)的十分之一。
鈦合金技術(shù):從落后12年到世界前沿
除了民用大飛機(jī),軍用領(lǐng)域也有新進(jìn)展。近日,多款戰(zhàn)機(jī)換裝國產(chǎn)太行發(fā)動(dòng)機(jī)的新聞受到廣泛關(guān)注。“太行”發(fā)動(dòng)機(jī)也叫渦扇10系列發(fā)動(dòng)機(jī),其鈦合金含量達(dá)到25%,與國外先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)鈦用量相當(dāng)。
有人評(píng)價(jià)說,航空發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)的“心臟”,是“要不來、也求不來的”,必須要靠自己。這背后是眾多科研工作者長達(dá)66年的努力,曹春曉院士就是其中有代表性的一位。
88歲的曹春曉一直記得他第一次聽到“鈦合金”三個(gè)字時(shí)的場(chǎng)景。
那是1956年,他剛從上海交通大學(xué)畢業(yè),堅(jiān)持想要從事國防科研,如愿被分配到北京航空材料研究所。報(bào)完到,研究所領(lǐng)導(dǎo)就安排曹春曉加入首個(gè)航空鈦合金實(shí)驗(yàn)室的籌建。他到圖書館查資料、四處打聽,才逐漸了解到,鈦合金是一種新型金屬,可以顯著減輕結(jié)構(gòu)的重量,提高使用性能,很適合用作航空材料。
“美國最早是在1954年使用鈦合金的,而我們國家晚了12年。”對(duì)于曾經(jīng)的落后,曹春曉在《院士開講》中強(qiáng)調(diào)了兩次。六十年代,他成功研制出“超高溫鍛造”和“相變溫度壓延”的創(chuàng)新性工藝,并和同事提出TC4鈦合金葉片和盤研制作為我國航空用鈦的突破口。1966年,中國誕生了第一臺(tái)裝上鈦合金葉片的航空發(fā)動(dòng)機(jī),填補(bǔ)了空白。
八十年代,曹春曉創(chuàng)造性地提出了一種高低溫交替的鈦合金鍛造工藝,應(yīng)用在新型國產(chǎn)殲擊機(jī)中,節(jié)約了數(shù)百萬美元外匯。憑借這項(xiàng)具有國際先進(jìn)水平的新工藝,曹春曉在1987年獲得了國家科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。
國產(chǎn)殲擊機(jī)上的鈦合金用量不斷增長,從殲-8的2%提高到殲-31的25%;在需要更強(qiáng)抗腐蝕性能的艦載機(jī)上,殲15鈦合金利用量達(dá)到20%,比美國F-18E/F艦載機(jī)更高。而在至關(guān)重要的航空發(fā)動(dòng)機(jī)方面,太行發(fā)動(dòng)機(jī)鈦合金含量達(dá)到25%。
敢上九天攬?jiān)拢瑫r(shí)播撒“種子”
除了航空領(lǐng)域的進(jìn)展,航天工程的一系列成果也屢屢受到關(guān)注,比如神舟十三號(hào)載人飛船返回地球、“天舟四號(hào)”貨運(yùn)飛船成功發(fā)射、“祝融號(hào)”發(fā)現(xiàn)火星水活動(dòng)痕跡、學(xué)者發(fā)現(xiàn)月壤可催化生產(chǎn)氧氣和燃料。“敢上九天攬?jiān)?rdquo;,航空航天領(lǐng)域的進(jìn)展展示了中國科技的“高度”。
中科院院士、火山地質(zhì)與第四紀(jì)地質(zhì)學(xué)家劉嘉麒在視頻中提到,其實(shí)很多航天領(lǐng)域的工程都少不了地質(zhì)學(xué)家的緊密配合,比如“祝融號(hào)”火星車應(yīng)該落在哪里取樣,月壤成分如何。目前,劉嘉麒院士所在的地址與地球空間研究所就承擔(dān)了月壤研究工作。
和劉嘉麒院士一樣,越來越多的科研工作者開始與大眾直接對(duì)話,通過科普講座的方式,讓網(wǎng)友了解我國在航空航天等領(lǐng)域的進(jìn)展。值得注意的是院士群體,他們是頂尖科技的創(chuàng)造者,深知科學(xué)傳播的重要性。如今,他們進(jìn)校園,參加論壇,或是在視頻平臺(tái)開設(shè)科普講座,讓大眾了解到國產(chǎn)科技的進(jìn)程。
“用短視頻做科學(xué)傳播和普及,對(duì)用戶來說非常方便,知識(shí)和內(nèi)容也很生動(dòng)真實(shí),規(guī)模和效果都更好,這也是科技創(chuàng)新的一種形式。”劉嘉麒院士在一支視頻中這樣表示。一期科普講座視頻能有上百萬人觀看,他對(duì)此很驚訝。
劉嘉麒、曹春曉、王華明等10位兩院院士參加了由中國科協(xié)“科創(chuàng)中國”與抖音聯(lián)合推出的科普欄目《院士開講》。蔡榮根和潘永信等院士則在《院士開課啦》中科普火星、引力波、地磁學(xué)等領(lǐng)域知識(shí)。
在視頻講座的最后,88歲高齡的曹春曉院士提及自己的兩個(gè)夢(mèng)想。一個(gè)是坐上中國自主研發(fā)的國產(chǎn)大飛機(jī),這將很快成為現(xiàn)實(shí)。另一個(gè)是希望研制出質(zhì)量更好的航空發(fā)動(dòng)機(jī),這條路還很長,需要更多年輕人參與到科研中來,而科普便是播撒“種子”的過程。