5月5日,國產(chǎn)C919客機(jī)在上海浦東機(jī)場成功首飛,國人振奮。
科技日報訊 從支線飛機(jī)翔鳳(ARJ21)到首飛的單通道C919,再到中俄聯(lián)合設(shè)計的寬體飛機(jī),中國自己的大飛機(jī)正沿著既定的發(fā)展路線步步推進(jìn)。然而,與國外相比,國產(chǎn)大飛機(jī)依然落后。如何縮短差距,甚至能否“彎道超車”成為疑問,尤其是作為“心臟”的發(fā)動機(jī),在技術(shù)積累上,中國更加薄弱。
我國第一臺大飛機(jī)發(fā)動機(jī)何時誕生?在商業(yè)上能否具備全球競爭力?不久前,在求是西湖學(xué)會工程分會舉辦的一場討論中,基礎(chǔ)研究領(lǐng)域和企業(yè)界的頂尖專家坐在一起,試圖向公眾解答這些疑問。
存在一代甚至更大的中外差距
“現(xiàn)在(飛機(jī))載著幾百人飛來飛去,要說什么是人間奇跡,這就是了。我自己研究空氣動力學(xué),想到這個還是很激動的。”談起C919,清華大學(xué)教授符松說,能上天已經(jīng)值得驕傲,對中國的大飛機(jī)研制,還是要先解決“有和無”的問題。而要在市場上取得成功,很大程度上需要有自主知識產(chǎn)權(quán)。相對空客、波音的競爭機(jī)型,符松說,首飛的C919已經(jīng)有一些創(chuàng)新,比如減少了5%的空氣阻力。
從整個流程來說,首飛只是第一步,之后,C919還需進(jìn)行一系列試飛。在可靠性和安全性得到不斷改進(jìn)和驗證后,才可最終交付使用——按照預(yù)想,應(yīng)在三年之后。最終交付的C919會達(dá)到一個怎樣的水平?今年6月加入商飛北京研究中心的楊志剛說,如果和現(xiàn)在最好的空客320和波音737相比,能在一個數(shù)量級的話,“就是非常非常好,這也是一個務(wù)實的評價。”
不過,大飛機(jī)的“心臟”——發(fā)動機(jī)的制造乃至量產(chǎn)還很難短期實現(xiàn)。在首飛中,C919搭載的發(fā)動機(jī)LEAP—X,由CFM國際公司研制。
中國工程院院士甘曉華介紹說,在航空領(lǐng)域,飛機(jī)的設(shè)計制造一般需要15—20年,發(fā)動機(jī)要20—25年;全世界能做飛機(jī)的企業(yè)有20—30家,能做發(fā)動機(jī)的卻只有3—5家。從事軍用航空發(fā)動機(jī)設(shè)計的他坦言,國內(nèi)軍用航空發(fā)動機(jī)跟國外最先進(jìn)水平相比落后一代(20—25年)甚至更多。然而,“民用發(fā)動機(jī),因為沒有基礎(chǔ),也不好比較,恐怕也差了一代甚至更多?!?/p>
針對發(fā)動機(jī)研發(fā)的落后現(xiàn)狀,2009年1月,中國航發(fā)商發(fā)(中國航發(fā)商用航空發(fā)動機(jī)有限責(zé)任公司)成立,目標(biāo)很明確:制造可商業(yè)化的發(fā)動機(jī)。2016年,中國宣布在“十三五”期間,將啟動實施航空發(fā)動機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)重大專項,用某位分析師的話說,估計“直接投入在1000億元量級,加上帶動的地方、企業(yè)和社會其他投入,專項投入總金額約達(dá)3000億元”。中國自主制造商用航空發(fā)動機(jī)已是國家戰(zhàn)略。
另一方面,航空發(fā)動機(jī)市場潛力巨大。中國航發(fā)商發(fā)預(yù)測,未來20年全球?qū)⑿枰陆桓犊蜋C(jī)3.8萬架,發(fā)動機(jī)需求量達(dá)7.4萬臺,市值1萬億美元。由于亞太地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速,航空運輸需求旺盛,亞太地區(qū)預(yù)計將占到這1萬億的三分之一。然而,中國薄弱的發(fā)動機(jī)研發(fā)基礎(chǔ)卻可能無法很快地?fù)屨歼@一市場。
“長江1000和長江2000發(fā)動機(jī),和現(xiàn)在運營的最先進(jìn)的發(fā)動機(jī)基本上相當(dāng),如果按計劃2025年能夠順利設(shè)計出來,那從時間上講,起碼也要晚10年?!敝袊桨l(fā)商發(fā)總經(jīng)理、民用航空發(fā)動機(jī)專家馮錦璋說。
長期從事軍用發(fā)動機(jī)研制的甘曉華對于當(dāng)前民用發(fā)動機(jī)落后的歷史原因有清楚的認(rèn)識:“以前為了國防急需,又沒有錢,都是測繪仿制,然后趕緊裝備部隊。”他認(rèn)為,現(xiàn)在做基礎(chǔ)創(chuàng)新,“就需要打牢基礎(chǔ),獲得關(guān)鍵技術(shù),然后到型號研制,一步一個腳印”。
“說一千道一萬,航空發(fā)動機(jī)的問題是基礎(chǔ)不牢,核心在這個地方?!彼^續(xù)說,“以前搞測繪仿制,我們是知其然,不知其所以然,現(xiàn)在要知其然,更要知其所以然?!?/p>
發(fā)動機(jī)是試出來的嗎?
做湍流基礎(chǔ)研究的陳十一教授認(rèn)為,中國的大飛機(jī)制造是有可能彎道超車的。他分析說,波音737或空客320均是二三十年前的設(shè)計制造,而當(dāng)下新興的技術(shù),如3D打印、AI等將帶來新的可能,在跟跑同時,中國可以預(yù)先創(chuàng)造新的設(shè)計,進(jìn)而實現(xiàn)領(lǐng)跑。
這一看似“激進(jìn)”的看法獲得了馮錦璋的積極回應(yīng)。他認(rèn)為3D打印技術(shù)首先可以縮短發(fā)動機(jī)的設(shè)計制造時間,但正是這一點上,中外差距巨大。
“目前我們國家的發(fā)動機(jī)從設(shè)計到完成起碼10年,國外也就是30—36個月,三年左右?!彼f。之所以會花費如此長的時間,原因則在于做了太多的物理試驗:“我們一臺發(fā)動機(jī)的制造,不算設(shè)計,就是造出來,也要一年多的時間;從研究的角度,要搞幾輪迭代,每一次設(shè)計達(dá)不到目標(biāo)就要再重新開始?!?/p>
縮短迭代的周期和次數(shù),革新發(fā)動機(jī)設(shè)計的理念和方法迫在眉睫。
“我們國家以前有一句非常有名的話,叫作發(fā)動機(jī)是試出來的,這句話其實挺對的,發(fā)動機(jī)需要很多的試驗驗證,但這句話背后也蘊含著另外一層含義,就是我們的計算設(shè)計水平不是很好?!彼^續(xù)說,“在國外差不多十年十五年前就流行另外一句話,It’s better not to develop aero engines through a ‘build & bust’ process(開發(fā)航空發(fā)動機(jī),最好不要走“建造再摧毀”的流程)?!?/p>
不同于以往“試驗是設(shè)計迭代的一部分”的研發(fā)理念,通過MASC(Modelling, Analysis, Simulation, Computing)方法,西方先進(jìn)企業(yè)對航空發(fā)動機(jī)的設(shè)計更多的是一系列的數(shù)值計算和分析,并以此為基礎(chǔ),進(jìn)行的精細(xì)化優(yōu)化。“試驗很大程度上是對設(shè)計的確認(rèn),而不是直接參與設(shè)計的迭代,這是一個巨大的差異?!瘪T錦璋說。
支撐制造最重要的是標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。為了長江1000和長江2000的研發(fā),馮錦璋走訪了不少工廠,考察制造業(yè)的現(xiàn)狀。他發(fā)現(xiàn),國內(nèi)的不少標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,有些是抄過來的、有些是實際工作的積累;而與之形成鮮明對比的是國外先進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,精細(xì)化要求的背后都有強(qiáng)大的分析和計算作為依據(jù)。
“我們航空發(fā)動機(jī)的鑄造,基本上沒有核心技術(shù)。我們做的幾個里沒有一個是合格的,最后只能是不合格的里面挑一個?!瘪T錦璋說。而鍛造作為經(jīng)常用的成型手段,很大程度也還是靠經(jīng)驗。
從基本的焊接技術(shù),到燃燒室,到風(fēng)扇、葉片、機(jī)械系統(tǒng)、渦輪,馮錦璋詳細(xì)地展示了長江1000和長江2000研發(fā)中的典型問題。核心想法只有一個,以計算分析為主的設(shè)計工作必須是自主研發(fā)發(fā)動機(jī)的主要方向。
馮錦璋介紹,隨著飛行器構(gòu)造越來越復(fù)雜,如果按照傳統(tǒng)模式,試驗小時數(shù)會越來越高,到2030年,將達(dá)到100萬小時;而如果采用分析計算方法,可以減少2個數(shù)量級,到10萬小時。
充分運用計算能力,不僅能縮短時間,在AI時代,還能借助計算機(jī)的“想象力”(Intuitive AI)革新設(shè)計?!拔覀儸F(xiàn)在大部分工程設(shè)計的優(yōu)化都是連續(xù)的,我們有時候想象不出來這個形狀是怎樣的;什么是拓?fù)鋬?yōu)化?我們可以設(shè)定要滿足的條件,用人工智能,讓計算機(jī)不受任何約束的去想?!瘪T錦璋說,這將在近期和中期對飛機(jī)的設(shè)計產(chǎn)生革命性的影響。
文化挑戰(zhàn)絲毫不亞于技術(shù)挑戰(zhàn)
作為商用發(fā)動機(jī),是否成功必須經(jīng)受市場檢驗,絕非能造出一兩臺那么簡單——需要幾千臺都保持高的質(zhì)量。如何做到這一點?馮錦璋給的答案初聽有幾分意外。
“我感受比較深刻的一點是,我們面對的文化挑戰(zhàn)絲毫不亞于技術(shù)挑戰(zhàn)?!彼f。
在某工廠考察的過程中,一個故事給他留下了深刻印象。
這個工廠進(jìn)口了一臺大型的鍛造機(jī),德國公司過來安裝后,這臺機(jī)器運轉(zhuǎn)了三年還是性能良好。今年,這家工廠自己安裝,結(jié)果六個月機(jī)器就壞了?!盀槭裁?說起來就像是從網(wǎng)上讀到的故事一樣,特別有趣。他們給我舉了一個例子,說明書寫得清清楚楚,螺栓螺帽要擰三圈倒半圈,我們都是瞎搞,不就是三圈么?他們就隨便弄,連個記錄都沒有。”馮錦璋說。
類似的事情不僅發(fā)生在產(chǎn)業(yè)工人身上,甚至連來應(yīng)聘的博士后也是“差不多先生”。曾經(jīng),馮錦璋在面試中問一名博士后,“其中的一個阻尼系數(shù)為什么是0.55?”這名博士后的回答是:老師這樣說的。
“獨立思考的精神,打破砂鍋問到底的精神,把事情做到極致的精神極大缺乏?!瘪T錦璋說,這樣的態(tài)度絕無成功的可能。
馮錦璋認(rèn)為的第二個挑戰(zhàn)是團(tuán)隊精神的缺失。
“很多人往往把問題,好的工具和數(shù)據(jù)藏在手里,不愿意跟別人分享。不僅是組織之間,大學(xué)之間,甚至小組和另外的小組,小組里面的一個人和另外一個人,都存在這樣的現(xiàn)象。”他說,所有這些都對高端設(shè)備制造有很大的影響,要突破的不僅僅是技術(shù)。
缺少來往的企業(yè)界和高校
作為南方科技大學(xué)校長,陳十一對馮錦璋的“文化論”表示贊同。他進(jìn)一步說,檢驗大學(xué)的成功與否,不是排名,也不應(yīng)該只看論文,核心要看是否產(chǎn)生了好的人才、技術(shù)和文化。
不過,作為大學(xué)教授的他,還認(rèn)為企業(yè)缺少與高校合作也限制了產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新:“企業(yè)拿了國家的大項目,攬在手里,相信自己而不相信教授,這樣就越培養(yǎng)不了大學(xué)教授,越培養(yǎng)不了老師,那就進(jìn)入了負(fù)反饋?!?/p>
在陳十一的印象中,美國的Los Alamos實驗室(世界上科學(xué)與技術(shù)最大的幾個中心之一,二戰(zhàn)時期作為曼哈頓工程的一部分,負(fù)責(zé)設(shè)計核武器,現(xiàn)在在多個領(lǐng)域進(jìn)行多學(xué)科的研究)每年的夏天都會邀請加州大學(xué)的很多教授來,這促進(jìn)了大學(xué)教授對該實驗室的了解,有利于問題的解決。他說,企業(yè)應(yīng)該把核心攻關(guān)的問題交給大學(xué)去解決。
“我覺得像發(fā)動機(jī)這樣的問題,現(xiàn)在政府已經(jīng)意識到了,不僅僅是某一家企業(yè)的事情,作為國家重大項目,必須聯(lián)合攻關(guān)?!彼麖?qiáng)調(diào),“我們應(yīng)該思考大學(xué)和企業(yè)合作的新模式?!?/p>
從事基礎(chǔ)研究的符松也注意到了類似的問題。他介紹,清華大學(xué)和美國的GE發(fā)動機(jī)公司成立了聯(lián)合研究中心,而對于發(fā)動機(jī)這樣技術(shù)推動的領(lǐng)域,國外不僅高校,公司也在開展很多的基礎(chǔ)研究。此外,讓他感受頗深的另外一點是,國外的大學(xué)和企業(yè)擁有緊密的合作關(guān)系:“我每次參加美國的學(xué)術(shù)會議或者發(fā)動機(jī)專業(yè)會議,發(fā)現(xiàn)人家大學(xué)的、研究所的、企業(yè)的全在一起參加,一起討論。我覺得我們國家沒有這樣的文化,我們的高校和企業(yè)界好像沒有什么來往?!?/p>
何時造出國產(chǎn)大飛機(jī)發(fā)動機(jī),未來的商業(yè)化之路是歧路還是坦途尚未可知。不過,幾位從事基礎(chǔ)研究的教授,和來自企業(yè)的大飛機(jī)設(shè)計專家坐在一起,暢所欲言,也許已經(jīng)預(yù)示了一個好的開始。
(作者系《知識分子》編輯)