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2022年5月14日，編號為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。神舟十三號載人飛船返回地球，“天舟四號”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)動機(jī)的新聞受到廣泛關(guān)注。“太行”發(fā)動機(jī)也叫渦扇10系列發(fā)動機(jī)，其鈦合金含量達(dá)到25%，與國外先進(jìn)發(fā)動機(jī)鈦用量相當(dāng)。
有人評價(jià)說，航空發(fā)動機(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，中國誕生了第一臺裝上鈦合金葉片的航空發(fā)動機(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)步獎一等獎。
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)動機(jī)方面，太行發(fā)動機(jī)鈦合金含量達(dá)到25%。
敢上九天攬?jiān)�，同時(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，比如神舟十三號載人飛船返回地球、“天舟四號”貨運(yùn)飛船成功發(fā)射、“祝融號”發(fā)現(xiàn)火星水活動痕跡、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”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，對用戶來說非常方便，知識和內(nèi)容也很生動真實(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。
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。
