機體結構是決定飛機機動性、作戰半徑、隱身性能等指標的關鍵要素之一。飛機設計師要為減輕每一克重量而奮鬥,設計出“更新、更輕、更好”的飛機結構是航空人一直以來追求的夢想。
雖說航空百年,但從20世紀50年代起,戰鬥機機體結構發展幅度已很小,以機械連接、組合板杆結構為主,構型已趨於“經典”,很少有新的結構構型誕生。傳統機體結構設計出現瓶頸結構設計欠精準,偏差較大,普遍超重。儘管先進製造技術發展已走在結構設計的前面,但不得不回頭遷就“經典”結構,發揮作用受限。
美國的典型四代機F-35,飛機結構平台超重在640千克以上,機動性甚至不如三代機F-16;而美國另一款四代機F-22,結構平台也出現疲勞問題,後期不得不投入3.5億美元對其162架飛機進行抗疲勞改進。我國新型戰機布置高效率結構也面臨挑戰,迫切需要全新的結構技術,突破技術瓶頸,解決“設計出卻造不出”的難題。
增材製造技術(3D打印),便是我們一直在追尋的一種新技術,可以更好實現機體結構的輕質高效、長壽命、多功能,相對於傳統製造的等材或減材,增材製造以材料增加的方式來製造零部件,可以不受製造工藝的束縛,大大拓寬了設計空間。
航空工業作為國家戰略性新興產業的重要支撐,肩負着維護國家安全,帶動製造業水平全面提升的重要使命。面對全球新一輪科技革命、產業變革的加速演進,航空工業用戰略眼光瞄準科技前沿,搶占裝備發展的制高點。中航工業瀋陽所立足國家973與預研項目,在2003年便規劃了面向軍機應用的增材製造“五個方面十三個專題”的技術方向。
十多年的時間對於科技研究來說,並不漫長,但這段時間裡增材製造的航空應用實現了三個重大跨越。第一是2003年,瀋陽所與北京航空航天大學合作,突破了鈦合金次承力件關鍵技術,創新提出無結構基板成形技術,成功化解了力學性能差的難題,並在某型飛機上成功應用,使我國成為繼美國之後,世界上第二個掌握飛機鈦合金結構件激光成形技術及裝機應用的國家。第二是2009年,瀋陽所與北京航空航天大學基於成形連接技術,突破了鈦合金大型、複雜主承力件關鍵技術,並將該承力件成功應用於某型機,使我國一躍成為迄今世界上唯一掌握該技術並實現裝機工程應用的國家。第三是2012年,瀋陽所與北京航空航天大學、西北工業大學、製造所、瀋陽航空航天大學、沈飛等合作,使增材製造技術在某先進戰鬥機的研製中實現了規模化應用,使“中國製造”達到了一個新高度。
在傳統試製機制中,型號批產、新機試製混線、資源紛爭嚴重,相互干擾,組織協調難度大,而且以傳統“剛性”製造和裝配為主,成本高、響應遲緩,一旦返工會造成嚴重報廢,因此,我國急需建立自己的快速試製機制。
2012年,瀋陽所建立了新機快速試製中心,以無模敏捷製造、快速柔性裝配作為技術支撐,使某先進戰鬥機不到兩年便完成了總裝和首飛,飛機全機結構沒有使用1件模鍛件。單架飛機增材製造零件達55件,包括4種工藝、8種材料、10類構件,堪稱“粉絲”飛機,創造了重量控制、零件數量、研製周期等多項紀錄,被譽為“擺脫了對國外先進技術的模仿,走在世界前列,引領飛機設計與製造領域的發展方向。”
新結構技術後續的發展方向是大型整體化、梯度複合化、構型拓撲化與結構功能一體化。目前,瀋陽所“新型功能結構設計與驗證航空科技重點實驗室”已進行了大量研究,獲得多項重大研究成果和發明專利,並繼續以增材製造為手段,孵化現代飛機創新結構。
創新是我們前行的動力,也是航空工業始終不渝的戰略選擇。增材製造技術將在多種新型飛機的研製中廣泛應用,新結構的優勢想必也越來越凸顯,打印奇思妙想,打印航空武器裝備,中國航空工業正以革故鼎新的魄力,努力成為先進武器裝備技術的領跑者。