中国的大飞机产业发展之路（二）

2022-09-03仰山

中国军转民 2022年15期

■ 仰山

三、持续推进的中国大飞机发展

目前中国大飞机的发展正在稳扎稳打地向前推进。

2017 年5 月5 日，C919 飞机完成了首飞。2019 年开始，C919 的六架试飞机已经在上海、阎良、东营、南昌、锡林浩特、吐鲁番、敦煌等地进行密集的飞行试验。2020 年11 月，C919 获得了型号检查核准书，进入“局方审定试飞阶段”。

所谓“局方审定试飞”就是由国家民航局而非飞机制造商来审核C919 的试飞性能，意味着C919 已经要离开母厂，准备进入适航取证的环节了。

不过，从行业分析的角度说来：尽管目前国产大飞机正在稳步推进，但从供应链上来看，中国航空工业还有很多需要补齐的短板。事实上，从大飞机五大系统的发展程度上，就能够大约感知到中国大飞机的发展水平了。

C919 命名颇具深意

“C”——中国商飞英文缩写“COMAC”的第一个字母，也代表“China”，也恰好与“空中客车（Airbus）”和“波音（Boeing）”的字头构成顺序排列。

“9”——代表“长久。

“19”——代表最大载客可达190 座。

看完了C919 名字的来历，下面我们来了解下他的基本参数：

在《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020 年）》当中，C919被确定为16 个重大科技专项之一。这是因为，研发大型民航客机，不仅是提高国家自主创新能力、增强核心竞争力的重大战略举措，也是国家工业、科技水平和综合实力的集中体现。

需求管理体系为大飞机作保

在研制之初，C919 就将竞争国际市场作为目标，为国产大型客机“飞出国门”铺路。因此，它是中国首款按照最新国际标准研制的干线民用飞机。目前，国际上重要的标准之一，便是ARP 4754A《民用飞机与系统研制指南》。

什么是“ARP 4754A”

这一文件由美国自动工程协会（SAE）根据美国联邦航空局（FAA）的要求于2010 年编写发布，用以证明高度综合与复杂航电系统对适航规章的符合性，是关于飞机系统研制的顶层规范。可以说，从顶层设计开始就严格按照ARP 4754A 规定的方法和流程研制民航客机，是获得美国与欧洲适航许可的重要基础，也是飞机走向市场的重要保证。

飞机研制的核心工作是自上而下需求分解分配和自下而上集成验证的结合。因此，对这两者的管理，便是ARP 4754A 的核心，业界称之为“双V”管理流程。对于民航客机来说，“需求”从上而下被划分为市场需求、飞机级需求、系统级需求、分系统级需求、设备级需求等需求。

C919 的研发工作，便是遵循ARP 4754A 的要求展开，依据市场需求、飞机设计等顶层需求出发，捕获、分析并定义了飞机级需求，包含一般需求、结构需求、可靠性/维修性需求、安全性需求、功能性需求及附加适航审定需求等；分解分配到系统级、设备级并形成相应具体的需求文件，由此构建完整的全机需求管理体系。这个过程，确保了C919 飞机研制先进性和科学性的需求予以落实、实现。

“超临界机翼”大大提高气动效率

由于民用飞机更强调经济性和安全性，科研人员除了考虑大飞机的先进性和科学性，也在努力提升飞机的经济性能。飞机的耗油量与飞机的升阻比（升力和阻力的比值）有直接的关系，升阻比越高，飞机的气动效率越高，耗油量就越少。而飞机的升力主要来源于机翼，全机70%左右的阻力也来源于机翼。因此，为了保证飞机的座级，避免“油老虎”的出现，在飞机机翼上动脑筋，便成了提高飞机气动效率的关键。

喷气式民航客机通常以略低于音速的高亚音速飞行。当飞行速度接近音速时，机翼上表面某些区域的气流速度可能已经达到音速，令飞行阻力急剧增加。

这一时刻飞机飞行速度与音速的比值，被称为飞机的“临界马赫数”。第一、二代喷气式客机采用的多是传统的古典翼型，古典翼型适合于低速及亚音速飞行，在这种速度范围内，它们具有较高的气动效率。

但是，随着飞行速度的进一步提高，古典翼型的设计已不可能适应高速巡航飞行的要求，因此，只能寻求一种既能适应高速巡航飞行，又能保持较高气动效率的翼型，这就是超临界翼型。

C919 的机翼设计就是运用了这一超临界翼型。相对于古典翼型，超临界翼型可使巡航气动效率提高20%以上，巡航速度提高将近100 多千米/小时；如果用同一厚度的标准来设计古典翼型和超临界翼型，超临界翼型的整体阻力比古典翼型要小8%左右，因而，超临界翼型具有较大的机翼相对厚度，而这可以减轻飞机的结构重量，增大结构空间及燃油容积。

在C919 飞机的设计上，超临界机翼与发动机、机身和吊挂之间还采用了性能更为优化的局部融合设计，这些设计进一步提高了C919 飞机的经济性和安全性。

通常飞机发动机的安装位置与机翼较近，两者之间难免产生阻力干扰。设计人员经过反复论证研究，采取了局部融合设计，使发动机与机翼之间达到了有利干扰，也就是“1+1 ＜2”的设计效果，让两者一起的阻力小于两者的阻力之和。对于机翼和机身之间过渡区的局部设计，不仅没有带来机翼的升力损失，还提高了一部分机翼升力系数，也让两台全新的LEAP-1C 高函道比发动机能发挥出更佳的性能。

吊挂是发动机和机翼之间的一个狭窄通道，C919 飞机采用的是IPS 吊挂。在吊挂设计的过程中，既不能让它破坏机翼下表面的压力分布，又不能破坏发动机短舱上的压力分布。设计人员利用IPS 吊挂宽度较大的特点，在机翼前缘进行了融合设计，在不破坏压力分布的情况下，能让机翼晚些到达失速安全边界，提高了飞机的安全性。

国内首次应用第三代铝锂合金材料

在中国武术界，有着“内练一身气，外练筋骨皮”的说法。C919 大型客机的研发，也诠释了这一思想。它的结构设计完全由中国商飞自主完成，并实现生产制造全国产化。在机体主结构上，设计人员大量使用了世界先进的第三代铝锂合金材料，这在国内尚属首次，大大带动了国内航空材料和制造的发展。

铝锂合金材料被认为是目前航空航天业首选的理想轻质高耐损伤金属材料。相比于普通铝合金，铝锂合金在同等重量下强度更大，在同等强度下重量更轻，这一性能对飞机而言非常重要。同时，铝锂合金的损伤容限性能和抗腐蚀性能也更强，使用铝锂合金可以实现结构减重并大大提高飞机寿命。

由于第三代铝锂合金此前没有在国内民用飞机上使用过，因此拉伸性能、疲劳性能和断裂性能等关系到飞机设计的重要参数，在国内基本没有，需要进行大量试验，方能获得其各项性能指标。为此，攻关团队先后进行了三大块试验，获得了大量设计用有效数据，建立了第三代铝锂合金的材料规范体系、设计许用值体系和制造工艺规范体系，为将来铝锂合金在国内民机产业的广泛使用奠定了坚实的基础。

C919 由复材制成的零件中，有大尺寸复合材料壁板结构（水平尾翼、垂直尾翼）、蜂窝三明治夹层结构（活动面）、大曲率变截面（后机身）等复杂结构，加之尺寸很大，使得制造难度增加。

先进材料得到了大规模应用

C919 为双发涡扇中型机，长38.9米，连翼展35.8 米，高12 米，最大可容纳190 人之多。在它的“皮肤”上，第三代铝锂合金材料、先进复合材料的用量分别达8.8%和12%，而此前在ARJ客机上的应用量仅有1%。ARJ 的新材料，用于非承力结构，而C919 使用在机身后段以及平尾等承力部位。对标波音737 和空客A320 两种型号的“竞争对手”，C919 上先进复合材料的使用量也更多。

因此，C919 被认为“在我国材料领域具有里程碑式的意义”。公开资料显示，新材料使体型较大的C919 减重7%以上。飞机上使用的复合材料主要是指碳纤维增强树脂基复合材料，具有质量轻、耐腐蚀的特点，不仅能降低飞机的自重、增加载客量，而且减少了后期维护的费用。此外，还有玻璃纤维复合材料及芳纶蜂窝材料的使用。

①后机身和平垂尾等使用了T800级碳纤维复合材料

C919 大型客机是国内首个使用T800 级高强碳纤维复合材料的民机型号。相比T300 级材料，T800 级材料强度、模量更高，韧性更强，具备更好的抗冲击性，C919 上受力较大的部件，如后机身和平垂尾等都使用了T800 级碳纤维复合材料。

C919 上使用的T800 材料采用增韧环氧树脂基体，增强纤维为T800 碳纤维，拉伸强度和拉伸模量较T300 提高50%左右，也是目前国际上民机主承力结构应用最为广泛的复合材料。

②雷达罩使用了玻璃纤维复合材料

相比碳纤维复合材料，玻璃纤维复合材料的力学性能稍低，但由于碳纤维介电常数较高，会影响雷达工作，C919 大型客机的雷达罩使用了玻璃纤维复合材料。另外一些受力较小的部件，如襟翼也使用了玻璃纤维复合材料。因为玻璃纤维复合材料成本比碳纤维复合材料低，在受力较小的部件上应用，既可以达到设计要求，又可以降低制造成本。

③舱门和客货舱地板使用了芳纶蜂窝材料

C919 大型客机舱门和客货舱地板使用了芳纶蜂窝材料，这是一种采用酚醛树脂浸渍的芳纶纸制成的轻质高强非金属仿生芯材制品。它模仿蜜蜂的蜂巢设计，具有稳定、轻质的结构和很高的比强度，与泡沫芯材相比，它具有更高的剪切强度，与金属蜂窝相比，它更加耐腐蚀。同时，芳纶蜂窝材料还具有高韧性、良好的抗疲劳性能和防火性能，是一种比较理想的民机复合材料。值得一提的是，近期，C919 飞机确定了首家国内芳纶蜂窝材料供应商，这也是C919飞机首次“牵手”国产复合材料供应商。

④“心脏”使用了碳纤维复材及陶瓷基复材

航空发动机作为“航空之花”，可以说是航空技术和工业积累的完整体验。C919 的发动机为LEAP-X1C 发动机。它采用了18 片赛峰公司研制的碳纤维复合材料风扇叶片以及美国通用电气公司研制的陶瓷基复合材料涡轮部件。

民用客机中的复合材料

复合材料最早应用于军用飞机上。上世纪90 年代开始，国外率先将复合材料应用在战机机身、主翼、尾翼及蒙皮等部位，起到了明显的减重作用，大大提高了抗疲劳、耐腐蚀等性能，甚至在一些轻型飞机和无人驾驶飞机上，已实现了结构的复合材料化。

然而，与军用飞机更加注重性能优越不同，民用飞机更加注重的是生产的稳定性。适航要求飞机每飞行小时发生一次灾难性事故的概率在10-9 以内，这个要求分解到材料上，就要求供应商保证生产出来的材料在大概率上能够达到平均性能。

复合材料飞机应用的两个划时代意义的里程碑当数空客公司的A380 飞机和波音公司的“梦幻飞机”波音787 飞机——在A380 上高性能复合材料用量达到飞机结构用量的25%，而波音787复合材料整体机身段成为新一代大型飞机材料技术的第一亮点，由于减少了1500 个零件和4 万～5 万个连接件，故显著减轻了结构重量，大幅降低了制造、装配、运营和维护成本。

复合材料零件生产对操作人员、操作工艺、操作环境等有着十分严格的要求，甚至不同的人按照同样的工艺生产，产出的零件性能却可能有较大差异，这对民机复合材料结构零部件生产的质量控制而言是个巨大挑战。

新生事物在初始阶段总是带着这样那样的问题，国外民机在复合材料应用方面也走过了从手工铺贴到自动化、从生产不稳定到稳定、从次要结构到主要承力结构的探索过程。因此，C919 复合材料应用在民机领域的探索作用可能远大于型号收益本身。

苦练内功，航电核心处理系统达到国际先进水平

正如武学人才内外兼修一样，C919也在“内功”上狠下功夫。在民用飞机产业有个形象的说法：航电系统是“大脑”，飞控系统是“四肢”，EWIS 系统是“经络”。就像人一样，一架先进的飞机应该拥有聪敏的大脑、灵活的四肢、通畅的经络。

C919 航电系统的核心——IMA，使用的是目前最先进的高度集成数据处理和网络传输技术。飞机搭载的IMA，由两台核心处理计算机柜负责处理全机各系统的数据，承担全机信息交换中心的职能。

遍布全机的多个远程数据接口装置（RDIU）和远程交换机，为全机各系统数据传输、交换提供了通路，形成了强大的数据传输网络。这种网络化数据处理方式，相较之前一对一的数据传输处理方式，是巨大的变革，因为它不仅提高了数据传输的处理效率，也大大减少了全机电缆的长度，从而实现了有效的减重。比如说，飞行速度、高度这些数据，以前要由大气数据计算机分别建立通路，传输给显示系统、发动机、环境控制等系统；现在，只需“把工作都交给网络”。

这些优点，要归功于C919 使用的目前最先进的ARINC664网络集成技术。简单来说，ARINC664 网络是一种航空总线通信协议。相比于之前被广泛应用但带宽有限的老版本网络，ARINC664 最大的好处就是带宽高且资源共享，这意味着，原来需要通过若干根线缆传输的信号，现在可以由一根线缆传输。这就好比我们从A 地到B 地，需要开行10 列火车，但并不需要修筑10 条铁轨，只需要一组双轨铁路，再配上可靠的信号系统便可完成，而且这样做，显然比修10 条铁轨更节约资源。

系统更先进了，带来的技术难点也不少。以ARINC664 总线为数据主干道的航电核心处理系统，是应用在飞机航电系统中的先进信息处理系统。目前，国际上只有B787、A380 等较新机型采用这种技术。由于ARINC664 网络的高度共享性和逻辑复杂性，提高了设计难度，也给中国商飞提出了很高的设计集成能力要求。

如今，大型客机对数据传输的需求，以及未来在客机上搭载娱乐系统等商业化的需求正不断增多，而C919 直接攻关新版本航空数据交换网络的策略，已经让它在数字化和扩展潜力方面，达到了目前民航国际先进机型的水平。

机体材料

对高速飞行的民航客机来说，机体材料是基础中的基础，重点中的重点。各国的工程设计人员都在追求更轻、更强、更坚固的新材料。

目前国际通用的主流航空材料主要是铝合金、钢材、钛合金以及碳纤维为代表的复合材料。尤其是复合材料，随着飞机性能越来越强，现在已经被越来越多地使用在各种型号的飞机上——1969 年首飞的波音747 飞机，铝合金用量占了总用量的81%，复合材只占1%，但到了1994 年首飞的波音777，铝合金的比重则下降到了70%，复合材料的用量却高达11%。

中国C919 的机身重量大约为42.1吨，铝合金占了65%。相较于同级别的波音737 和空客A320，C919 的铝合金用量更少，复合材料使用更多——这表明C919 的设计理念是颇为先进的。

但问题是，设计理念虽然先进，但中国材料和冶金的发展却慢了半拍——航空铝材的供应权长期以来牢牢地掌握在美国铝业、加拿大铝业、爱励、凯撒等企业手中——不论从技术还是市场，中外之间的差距都很大。

特别是技术领域，由于基础科研上的投入较少，中国厂商在新型合金研发上劣势明显。中国现在有数千家铝加工企业，但却又陷入了“大而不强”的境地——低端铝产品的市场早已饱和，产能严重过剩，企业纷纷内卷。

而像航空铝这样的高端产品却依赖于进口——莫说是C919，哪怕是早已服役多年的ARJ 系列支线飞机也依旧在使用进口的航空铝。C919 大量核心铝部件都是美国铝业公司的产品，只有少数为国产产品——说白了，国产航空铝目前还不能满足民航大飞机的需要。

事实上，很多材料我们不是造不出来，而是不能“很便宜地造出来”——军用飞机不考虑市场竞争，也就不用太纠结成本控制，因此可以放心大胆地使用先进材料。而民航飞机是商品，锱铢必较，材料的成本是绕不开的问题。

此外，考虑到作战带来的强度需求，军用飞机上的铝合金材料用量本就低于民航飞机。以美国的F22 为例，其机身结构中41%的成分为钛合金，铝合金只有区区15%。我们的J20 上面的情况也类似，钛合金和复合材料加起来也接近总重量的一半，铝合金比重远远小于民航飞机。

大飞机上的另一种必备材料则是航空钛合金——钛合金质地轻盈但异常坚韧、又极耐腐蚀且导热率低，因此不仅仅被用在了机身结构上，甚至在飞机发动机的叶片、外壳、喷管也都有使用。

在中国大飞机领域，钛合金的发展情况稍好一些，起码已经能够保证自主供应——西工大利用3D 打印技术成功解决了C919 大型钛合金结构件的制造问题，成本和国外锻压制造的成本差不多。

但遗憾的是，中国钛合金产业整体水平目前和国际先进水平之间还有较大的差距，虽然暂时可以满足C919 的任务，但长期来看还是“道阻且长”。

以碳纤维为代表的复合材料也是目前主流的航空材料，低密度、高强度、耐高温、抗腐蚀的复合材料特别能满足飞机设计师们对于“减重”的需要。中国自2010 年开始大规模投资发展碳纤维行业。根据《中国制造2025》的要求，2020 年国产碳纤维复合材料就要能够满足国产大飞机的需求，2025 年就要实现自主保障。

在师昌绪院士和其他科研人员的努力下，我们目前已经仅次于美日两国，成为了世界第三大碳纤维生产国。2019年，中科院山西煤炭化学研究所已经实现了“干喷湿仿T-1000 级超强碳纤维的核心技术突破”，代表中国在高端碳纤维领域已经完成了重大的技术攻关——但距离量产还有距离。

动力系统

航空发动机为代表的动力系统是中国最弱势的领域。目前的国际航发市场依旧是欧美企业的天下——美国CFM 国际公司占了44.1%的市场份额，美国通用电气占了22%的份额，IAE、罗罗、普惠公司又占了另外的28%。如果这些企业只是“圈地自治”便也罢了，这些企业之间甚至还互相持股，使得彼此之间抱成了一个牢固的“利益共同体”。

长期以来，中国航发的发展重心都在军用领域，民用发动机市场基本空白。未来计划装备国产大飞机的“长江1000A”发动机还在研制之中，民用航发市场基本已经被国外厂商垄断——不论大小，我国的民航飞机基本都只能选择外国进口的发动机。

机身结构

由机翼、机身、尾翼、起落架组成的机身结构是中国厂商的强项——研制出J20、运20 的中国航空工业在机身结构设计上的实力不俗，能够满足民航大飞机的需求。并且，机身结构部分占了整架飞机总价值的三成，如果中国厂商全数拿下了C919 的机身结构订单，那么就等于我们在大飞机价值链上占据了重要的地位。根据已掌握的资料，航空工业集团下属的公司承担了C919 飞机机身结构的绝大多数工作。

可以说，机身结构设计和制造环节，已经基本实现了自给自足。

不过，自给自足的机身结构并不代表完全的安全——粗略来看，机身材料的价值=材料+设计+制造。

中国厂商在设计、制造上的确可以做到自给自足，但在材料领域却不甚理想——正如前文所说，航空铝合金、钛合金、复合材料，依旧是国外厂商占据了主导地位。

机电系统

飞机机电系统是一个较为冷门的领域。谈及大飞机，绝大多数人想到的都是机身、发动机、航电，往往会忽视机电系统。所谓机电系统包括了飞机的燃油系统、刹车系统和救生防护等多个功能，可以说，飞机上除了发动机和航电，都是机电系统的范畴。

中国机电系统企业在这方面吃了起步晚的亏。和其他系统一样，由于缺乏大飞机项目，中国机电企业在这一块缺乏经验，也就自然没办法和外商竞争。目前，全球大飞机的机电系统供应权仍然都掌握在欧美厂商手中。

多亏了中国最近几年在航空工业的投资，随着一系列国产飞机的投入使用，中国机电企业也渐渐开始构造自己的配套体系。

航电系统

飞机航电系统主要包括的是通信、导航、飞控、气象和管理等系统，如果是军用航电，还会包括和战斗相关的声纳、预警、火控等功能。大飞机航电的主要意义是为了保证飞机安全、减轻飞行员的工作负担。

在航电系统上，中国厂商的表现比较令人满意。客舱核心控制系统和信息系统是C919 航电系统中仅有的两个国产研发的子系统，可以说打破了西方企业在此领域的垄断地位——这只是我们万里长征的第一步。

从以上五大系统的发展情况看，我们会得到一个结论：中国的C919 大飞机项目的国产化率恐怕不算高，目前绝大多数材料和零部件都需要进口。

这种情况看似有些糟糕，但实则正常。不论从中国航空工业的水平还是从世界大飞机产业的游戏规则来看，C919的这种情况都是“正常且合理”的——说到底，民航客机是商品，民航大飞机的制造是生意，而生意是要用生意的思维来解决的。

对于民航飞机的生意，最重要的因素只有两个，一个叫“安全”，一个叫“经济”——为了安全，飞机厂商一定会选择最成熟可靠的产品；为了经济，飞机厂商则一定会选择最先进的材料和技术。

民航飞机的难度远高于军用飞机，而对中国来说，研制“大飞机”又是一项非常紧迫的任务——因此，中国大飞机最终选择的是“主制造商-供应商”的道路，即中国商飞公司作为大飞机的主制造商，负责设计、集成、管理、总装、营销，而其他部分，如发动机、航电设备、材料等则统统外包采购。而外包采购，则必然意味着国产化率下降、对外依赖提高，以及我们都熟悉的“卡脖子”风险。

综上所述，C919 虽然已经稳扎稳打进入了“局方审定试飞阶段”，但中国大飞机事业目前仍然处于发展早期——我们虽然已经有了整机，但五大系统上的表现却几乎全面落后于国外厂商，国产化率偏低。