我国中国科技部自行设计计的第一架飞机当时有何重大意义

屠基达回忆录:自行设计初教-6飞机的内幕故事
更新时间: 12:24:59 来源: 字号:
  自行设计初教6飞机
  设计出初教6,是一件特殊的经历,必须单独说。
  1980年,我意外地接到320厂的同志托人带给我因&初教6&获得国家质量金奖而分给我的奖金和纪念品,礼轻情谊重,真使我心情十分激动。已经20多年了,那一段共同奋斗的经历,竟是如此令人难忘!
  初教6开始设计时叫&初教1&,代号102,以后称&红专502&,定型投产时命名为初教6。
  1958年我曾写过一份研制总结,留的底稿在十年浩劫中,连同一些其他资料,被我亲手烧掉了。设计初教6的主角之一&&林家骅同志,1960年已调出航空工业。老一辈的徐舜寿、黄志千同志早作古人。开始的设计工作涉及两个厂的同志,人员已是散处各地了,前后又有两个阶段,我有责任对它的历史结合部追记一笔,尽管时间已久,我也有些记不准了。
  初教6飞机首飞成功
  1957年第四季度,112厂飞机设计室成立已一年了。第一架我国自行设计的两侧进气喷气式歼击机教练机歼教1,正式完成了打样阶段并进入工作图设计的时候,四局给设计室下达了第二个设计任务,设计一架前三点的螺旋桨初级教练机。
  我们国家当时正在生产的初级教练机是仿苏的雅克-18,它是后三点的,适应不了飞行员要飞的各种前三点飞机的要求。另外,雅克-18那种钢骨架承力,外罩蒙布的结构也显得落后。电台要改用国产的超短波电台,雅克-18的电功率不够,体积也放不下&&在雅克-18上改型,还不如自己设计一架新飞机好。
  室里把这架新机的总体方案设计任务,交给了才从320厂设计科副科长岗位上调来总体组的林家骅同志。当时设计室里集中了不少原来曾担任过科一级领导工作的技术人员任设计员,大家一心想着向科学进军,在技术工作上作贡献。不计较地位,已成为一种很好的风气。320厂自1954年仿制雅克-18成功以来,一直在批生产,所以林家骅同志对它是很熟悉的。自行研制初级教练机,是我国走独立自主道路最起码的一步,而且当时印度已有自己的初教机,所以,从室里来讲,决心就更大了。
  初教6三面图(资料图)
  1958年初,总体方案随着1∶1木质样机和吹风试验顺利完成以后,逐步定了下来。为了改善飞机前方的视界,去掉雅克-18难看的机头,选用了捷克斯洛伐克的道里斯-B发动机和配套的螺旋桨。它是气冷式V形排列的气缸,因此机头扁平,前视界很好,外形比较美观。
  1958年春节,歼教1图纸发出,模线工作开始以后,室里就决定抽一部分同志搞初教6的打样,徐舜寿同志通知我和林家骅同志任主管设计师。面对这样一个接着一个的新飞机设计任务,大家是很高兴的。
  初教6的机体被定为全金属的薄蒙皮半硬壳结构,飞机外形粗看和雅克-18差不多,实际机身、机尾翼以及前三点起落架都没有原准机。对我们这支新队伍来说,减轻结构重量成为设计工作中最突出的矛盾。因此提出了:&为减轻每克重量而奋斗&的口号,实际工作中也做到了精打细算。全机打样设计和木质样机审查,到5月份就已完成。由于112厂当时正处在歼教1的试制高潮中,而且将来也有个批生产定点的问题,因此,四局决定初教6改在320厂试制,由飞机设计室的同志带着方案和打样图到320厂和该厂的同志一起搞工作图设计,然后在320厂投入试制。室里就指定我和林家骅同志带队,28人马上到南昌去。临行前,四局副局长徐昌裕同志正好来112厂检查工作,他找到我,专门做了交代。特别叮嘱说,这次去,不仅是共同合作把初教6搞出来,更重要的是要帮助带出一支队伍来。自行设计飞机只靠112厂一个点是不够的,这次设计室的人去,好比过去解放区开辟新的根据地,要帮320厂也建起设计室来。徐副局长的一席话,使我感到此行不仅要搞出飞机,而且要带好作风,责任真大呀!好在当时初生牛犊不怕虎,没有什么左顾右盼的后顾之忧,我们一行很快就带了全套打样资料坐火车出发了,1958年6月初到达320厂。厂的领导很重视,总工程师冯安国同志,副总工程师冯旭同志都经常来看我们,设计科长高镇宁等同志更是全力以赴(就在初教6设计过程中,320厂设计科改组成轻型飞机设计室,高镇宁同志任主任)。
  6、7、8三个月,正是南昌这个火盆天气考验人的季节。工作一开始,首先是组织交底工作。1954年雅克-18试制成功搞全机静力试验的时候,我代表122厂来过设计科,所以有些同志我有点熟,加上科里(或者说全厂)群众发动工作做得很好,大家都一心为工作,没有什么门户之见,工作一下子热气腾腾地展开了。我们去的人分别插入到各专业中去,介绍打样工作的细节。我们去的人中,越沛霖、吴铁民、陈一坚、林梦鹤、李文龙、吴正勇、谢顺龙、张定一等同志分别主管强度、重量、机身、机翼、起落架、液压的动力和特设等,设计队伍一下子扩大成90多人。这支年轻的设计队伍中都是二十多岁的人,恐怕只有我满了30岁。因为要扶植320厂建新设计室,虽然沈阳来的人技术上都比较强,但决定从主管到组长都当副职。
  初教6飞机首飞成功
  为了优待沈阳来的同志,我们全体都被安排在320厂的干部食堂吃饭,那时厂里不少干部自己家里是不做饭吃的,食堂吃得很好。另外,为了让我们体验生活,大家一起坐了一次安-2飞机。飞机飞得不稳,赵智明等几位同志在飞机上呕吐了。此外对我还特别优待,由汪珊孝同志把我带到试飞站,坐了一次雅克-18,当时是允许非空勤人员压后舱的,背了伞包上飞机。实际上我连怎么开伞也不知道,只是当坐垫而已,我的个子高,坐直了头都顶着舱盖。
  组织好队伍后,仅仅用一个月的时间,全套设计图纸就设计出来了。这期间,厂办公大楼三楼的设计室办公室,晚上从来没有熄过灯,房门从来没有上过锁。大家一起夜以继日地干,风扇吹的风都是热风,尤其白天,真是挥汗如雨。当时,在厂的安东诺夫设计局总设计师代表斯米尔诺夫看到我们自己设计飞机,也很热心地来帮助我们,他是设计起落架出身的,所以特别帮助我们主管起落架的李文龙同志一起讨论问题。
  在这期间,徐舜寿、黄志千、叶正大同志曾先后来南昌检查过一次工作。
  因为是自行设计,一没有框框,二不受其他人的约束,再加上飞机本身技术不复杂,所以在设计工作中,只要自己有把握的就干,自由极了。这样,效率也的确高,有的重大问题,只是当场一讨论,就定下来了。记得最清楚的是,设计机翼时发现打样时未考虑周到,前梁起落架接头附近有一侧向力不好传,半夜里主管机翼的林梦鹤同志和我研究,我当时出主意说加一斜撑杆吧,结果半硬壳结构搞了一个杆系斜杆。后来在试制过程中,发现发动机整流包皮下部有个前起落架舱门收放不协调,由于进度紧,便临时决定干脆把舱门取消,结果下边就空了一块。主起落架加工出来后进行静力试验时,轮义根部提前破坏了,徐国正和我商量,我决定在根部左右两边焊上两块钢板加强,重新静力试验通过了。这些设计上的历史痕迹,后来我去看成批生产飞机时都仍在,如果有人学究式地分析设计意图的话,恐怕很难考出&古&来的。
  在发图中间,沈阳设计室里来消息说发动机来不了啦,原因是捷克斯洛伐克这个发动机才在试制,我们上了广告的当。于是决定改用国产埃姆-11发动机及其配套螺旋桨,十分可惜,机头又变成大机头了。但也就早做决策,没有因此耽误研制进度。后来向捷克斯洛伐克订货的发动机来了,听说发动机不能倒飞,地面试车噪声又很大,新螺旋桨性能不匹配,发动机磨损得厉害,扁机头的方案也就寿终正寝。此是后话,当时我们早已离开320厂。
  初教-6飞机首飞成功
  图纸发出后,模线绘制和试制工作就开始了。模线是在一个礼堂的后台绘的,画好以后,干脆把图板搬到试制车间型架边上。当时,工装用得很少,甚至有的样板也省掉了,就在现场边敲零件边比划。厂里为了集中力量,指定副生产长刁长庆同志组织试制车间并兼任主任,总抓试制。工艺工作由装配科副科长周砥中同志抓总。设计人员全部在车间一起干。
  下班后的有线广播里,天天都是大干102号机的消息,全厂气氛热烈极了。一个多月的试制周期,每天几乎都是24小时连着干的。飞机到了总装车间,正式开了两大班。总装工人在教练机上很有经验,继承性比较大的液压系统、操纵系统,在装配调整中出现了一些问题,设计、工艺人员和总装工人一讨论,就很快解决了。
  第一架飞机铆装才两个星期,总装才7个昼夜,就推到了试飞站。试飞站地面工作包括称重在内,只一天时间,飞机第二天即滑行上天了。这样,这种后来成为我国第一个批生产的自行设计飞机,从开始设计第一张工作图纸,到第一架原型机上天,总共才用了72天。
  飞机的静力试验是由吴家粹同志主持的。当时320厂还没有专门的静力试验厂房,也没有地轨,是在承力架上试的。全机试验时,喊出百分之九十之后,一声巨响,一边机翼在百分之八十几时前缘扭转大面积失稳,载荷加不上去了,当场把我们吓了一大跳。仔细一检查,失稳是从前缘根部和前肋铆接处局部失稳开始的。设计上因肋有一缺口少一个铆钉,铆接时该处又漏铆一个铆钉,等于有两个铆钉间距内无铆钉,致使前缘蒙皮支持条件局部变差。后来修复加钉重试,果然通过了全机试验。前、主起落架是全新的设计,要进行落震试验,320厂没有落震台,就在室外空地上临时支了4根柱子,搞了一个台面,露天试的。这件工作是以我们设计室强度组的俞树奎同志为主一手搞起来的,可能是既空前也绝后的吧。
  试飞的工作,320厂指定由当时任检验科长的何文治同志主持,试飞提纲是设计科的周钰声同志起草的,并由他负责向试飞员技术交底。空军从六航校派来两名飞行干部担任试飞员,飞第一架的是一名姓吕的大尉同志(可惜我忘了他的名字,后来他为初教6批生产起过促进作用)。8月27日试飞那天,我们在跑道端头的指挥车旁看着这第一架全身喷着红漆、中间有一条闪电的原型机平稳地飞上了天,真是既紧张又高兴。第一个起落下来以后,车子把我们和试飞员一起拉到试飞站的停机坪。一阵锣鼓声和掌声,使我猛然从沉浸在第一次原型机顺利上天的兴奋境界里清醒过来。我才知道有一个场面热烈、由已改任厂长的冯安国同志主持还有省里领导同志参加的群众庆祝会在等着我们。一下车,两名女同志上来向试飞员和我各送了一束鲜花,我思想毫无准备,激动得不知怎么说才好。这束鲜花是送给沈阳来的全体同志的,是送给全体设计人员的,我只是个代表罢了。
  这时接到徐舜寿同志自沈阳给我的来信,大意是:在320厂的工作,原型机上天后可告一段落,后边的工作要相信320厂的同志一定能够搞好的。因此我们的同志可立即返回沈阳,迎接东风107号机的新任务。
  此为1959年发行的全国工业交通展览会图片,照片展示了初教6原型机和直5直升机
  初教-6飞机首飞成功
  我们在8月下旬带着两厂共同战斗的友谊和胜利的喜悦,奉命离开了320厂。以后不久就听说何文治同志带两架初教6原型机飞到了北京,准备和两架歼教1原型机一起参加国庆检阅。这两种飞机因故未能参加检阅之后,在北京短期展览过,并且在南苑机场为中央领导同志做了飞行表演。当时,我曾得到过一幅有这架飞机的彩印照片的明信片,成为唯一的纪念。
  好事多磨。飞机上了天还不能说完成了设计,试飞中出现了一系列问题需要解决。最主要的是发动机性能不好,与其配套的螺旋桨不能变距,因而很多机动动作无法完成。面对这种局面,四局和空军有的同志主张还是仿制苏联的雅克-18A初级教练机,对初教6不放心。经过争论,后来经刘鼎副部长拍板继续改进红专502,使这种刚刚诞生的小飞机有了生存的希望。当那两架原型机于1958年10月飞回320厂以后,112厂飞机设计室的同志正忙于设计东风107歼击机,改进初教6设计和完成试飞的担子就都由320厂挑起来了。后来换装苏制Aиl4p发动机,修改机头设计,排除飞行中出现的四大故障,终于达到了设计要求。又经空军派出有经验的试飞员,在试飞研究院进行鉴定试飞,全面达到了定型投产要求,于1961年经国家军工产品定型委员会批准投入成批生产。这些后来的事情虽非亲历,但每听到有关初教6的消息,都感到十分亲切并且留下了深刻的印象。
  初教6是一个较简单的机种,但其原型机的研制,很有些特点。不仅速度快得惊人,更有意思的是,人似乎溶化在一起了。设计和工艺、技术人员和工人、领导和群众、112厂的设计人员和320厂的设计人员等等,总之,凡参与试制的人们之间,关系密切,相互支持,凡事商量着办,没有扯皮,没有门户之见和&版权&之争,出了些事故也没有互相埋怨。我们最老的设计师之一林梦鹤同志至今还深情地回忆:&虽然非常紧张,但这是我参加研制机种中,心情最愉快的一次。&这恐怕代表了很多当事人的心情。
  每当我看到蓝天上飞过初教6的时候,心中禁不住涌起1958年的那一种甜蜜和幸福感。事隔20年之后,1978年秋,我在某第三世界国家观看他们的空军节飞行表演,当初教6和歼教5分别列队飞过检阅台时,暗暗的一阵激动令我悲喜交集,悲的是十年动乱造成的落后局面何时才能弥补上?喜的是我们中华人民共和国对世界的进步还能做些贡献!
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初教六性能参数
参考价格:50万人民币
航程:640KM
巡航速度:170KM/H
最大速度:286KM/H
飞行高度:5080M
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5月4日,国产大型客机C919的101架机停靠在位于中国商飞公司祝桥基地的试飞中心内。这是我国自主设计研制、具有国际主流水准的干线客机,将于5月5日完成首飞。
&&& 5月4日,国产大型客机C919的101架机停靠在位于中国商飞公司祝桥基地的试飞中心内。这是我国自主设计研制、具有国际主流水准的干线客机,将于5月5日完成首飞。
&&& 5月4日上午,C919的总设计师吴光辉还在基地的机库内忙碌着,首飞的日子就要到了,作为总设计师,吴光辉的心情既激动又平和。
&&& &首飞是一款新型飞机研制的重要节点,我作为设计师十分激动,但同时我又要不断提醒自己要冷静下来,多想一想,首飞中还会出现什么问题。&吴光辉说,&整体而言,我们的试飞员做好了充分的准备,前期的滑行试验也比预想的好。&
&&& 走进机舱内,吴光辉向记者介绍了C919的设计由来与技术突破。作为总设计师,C919大到外形构造,小到系统接口都深深刻画在自己的头脑中。
&&& 自主设计,对于一架飞机意味着什么?吴光辉告诉记者,拥有完全自主知识产权是针对飞机整体设计来说的。这主要体现在三个方面:第一,根据市场需求,设定设计方案。&我国已经有了新支线客机ARJ21,原本我想设计更大的飞机,但经过市场调研,150座级的客机是市场上的主流机型,市场前景最好。因此,我们以首先满足国内市场需求为导向选定了这个机型。&吴光辉说。
&&& 第二,零部件供应需符合设计方案。C919的供应商来自全球,其中不乏同样为空客和波音的供应商,而需要什么样的零部件,对其有怎样的技术要求,这是由中国商飞决定的。&供应商可以来自全球,但零部件的供应需符合飞机设计的要求,这体现出我们的自主权和决定权。&吴光辉说。
&&& 第三,系统集成掌握在自己手中。一架大型客机是复杂的系统集成工程,不同的系统集成在一起需要满足哪些要求,这一控制方案掌握在设计团队手中。&中国商飞的知识产权也体现在对系统之间的集成控制上。C919飞机上有几百万个接口,这关系到液压、航电等多系统之间的关联,绝不是简单的拼接,如何关联,就取决于飞机的设计方案。&吴光辉说。
&&& 飞机设计研制是一项科技攻坚的大型工程,为此中国商飞公司团队实现了102项关键技术攻关,主要涉及气动技术、新材料、强度设计等方面。
&&& 吴光辉说:&C919设计研制中有多项重大技术突破,比如超临界机翼的设计。飞机设计,气动先行,机头、后体的设计也关系到飞机阻力的减小,但机翼的设计决定了飞机的性能,是最为关键的。我们第一次自主设计超临界机翼,就达到了世界先进水平,得到了国际同行的认可。&
&&& 此外,新材料的应用是C919的一大亮点。&C919是第一次大范围采用铝锂合金的机型,我们为此经过了10年的探索,铝锂合金的供应商是按照我们的要求改善了材料的特性,使之能够更好地适用于C919飞机。&吴光辉说。
&&& 飞机的性能究竟如何,还有待于在实际的飞行试验中进行检验。首飞完成后,C919将进入适航取证阶段,接受各项飞机适航的测试考验,为敲开市场大门做准备。
&&& 吴光辉说:&C919是在一个合适的时间,以一种正确的模式,推出的一款高水准的产品。C919首先是要满足我们国内的航空运输需要,因为中国是全球最大的民航市场,飞机需求最多。立足国内市场,面向全球市场,这是我对C919的定位。从设计航程看,C919可以满足中国任何点到点的飞行。&
&&& 吴光辉参与过我国多款主要机型的设计工作,而他认为,C919是最先进的,相信也会是最成功的。&我希望,也期待着,C919能够受到市场的追捧,希望它能够成为一款明星飞机。&
&&& C919首飞这五个问题你可知?
&&& C919将于今日首飞,这一&飞&牵动亿万国人的心。那么关于首飞,你又了解多少呢?首飞对于飞机来说为什么那么重要?记者为你整理了这五个问题,快跟我们一起来看。
&&& 问题1:啥叫首飞?
&&& 首飞是指一架新制造的飞机首次离地飞行?是的!每一架飞机均有首飞,但新型号首飞的特殊意义在于,既是由设想变图纸、图纸变实物、实物能飞行等一系列工作链中的重要环节,又是新型号由静止到运动的转折点和新型号诞生的一个重要里程碑。
&&& 问题2:首飞对天气有啥要求?
&&& 首飞要看&天意&,能见度不低于5~7km、没有低云和侧风时,适合飞行。 一般轻型飞机的首飞时间不超过30~40分钟,大型飞机为1~2小时。
&&& 问题3:飞行员有啥要求?
&&& &熟能生巧&也适用于飞机首飞。担任首飞的飞行员,不仅要有丰富的经验,还要对飞行任务充满信心。C919&处女航&试飞团队有5名成员:机长蔡俊、副驾驶吴鑫、观察员钱进、试飞工程师马菲和张大伟。其中,机长蔡俊的总飞行时间已达10300小时,而观察员钱进的总飞行时间则高达22000小时,都是很有经验的老飞行员。
&&& 问题4:飞机首飞时有哪些&小跟班&?
&&& 飞机首飞不是一次&孤独&的飞行,还有一个伴儿&&伴飞飞机。在空中,伴飞飞机会对首飞飞机进行实时观测、记录飞行数据、拍摄照片和视频,一旦出现任何问题,伴飞飞机的机组人员将立即向首飞飞机的机组人员发出警告,向地面管控人员报告,并引导首飞飞机安全降落。它还将监测首飞的空中环境,确保不会有其他飞机闯入首飞的飞行线路,并杜绝任何窃密的隐患。
&&& 问题5:民用飞机首飞有经济效益吗?
&&& 不是任何一架飞机的首飞都会公开的,军用飞机首飞要严格保密。对于民用飞机来说,首飞是其在市场中的重要亮相和曝光机会,将带来巨大的商业效益。C919目前获得全球23家用户570架订单,首飞后或将继续收到订单,赚取外汇!
&&& 延伸阅读
&&& 铝锂合金:现代飞机新型材料的选择
&&& 在航空工业,飞机的研发制造离不开材料的支撑。铝锂合金与碳纤维复合材料是新时代飞机的主要用材。近年来,航空用碳纤维复合材料的面市,对传统铝合金材料在航空工业的应用带来一定的冲击。面对航空碳纤维复合材料的崛起与竞争,以美国铝业公司为代表的铝企针对碳纤维复合材料的弱项,成功开发出了第一代2099铝锂合金。它与碳纤维复合材料相比,其气动性更好、防腐能力更强、质量更轻,在制造、运行、维修成本上更低。据了解,铝锂合金的生产成本仅为碳纤维复合材料的10%。在新型飞机设计制造中,采用铝锂合金可使飞机铝合金零部件的质量减轻14%-30%,铝锂合金已成为新一代航空飞机的关键性结构材料。目前,各国先进的战斗军机和民用飞机越来越多地采用了铝锂合金。
&&& 在国外,空客A350创新性的采用了铝锂合金制造机身蒙皮与地板结构,其用量为机身重量的22%;A380机身蒙皮、地板梁、机翼前后缘均使用了铝锂合金;在庞巴迪C系飞机中,先进铝锂合金材料部件已经占到飞机材料总量的20%;波音787和EH101多用途直升飞机也大量采用了铝锂合金。
&&& 在国内,中国商用飞机有限责任公司制造的C919大飞机主结构材料中,铝及铝锂合金占比65%(约14吨),铝锂合金在C919大飞机主结构材料中首次应用且用量较大。由中航洪都飞机公司制造的C919机身前部等直段部和中航西安飞机公司制造的C919大型客机中机身和副翼大部件均大量采用了先进的第三代铝锂合金板。据了解,C919大飞机用第三代铝锂合金来自美国铝业公司达文波特轧制厂。
&&& 目前,全球航空铝合金的焦点是先进铝锂合金的研发与应用。据北京佰汇调研数据显示,美国铝锂合金生产能力约10万吨/年,其中美国铝业公司生产能力达到约5.5万吨/年,既是美国也是全球铝锂合金产能、产量最大的生产企业。
&&& 尽管美国铝业公司铝锂合金产量居全球首位,但仍在对铝锂合金进行扩能。美国铝业公司在拉斐特建立了世界产能最大的铝锂合金生产工厂,用来生产第三代铝锂合金部件。2013年中期,美国铝业公司完成了位于英国基茨格林工厂铝锂合金产能的扩张;对达文波特轧制厂的铝锂合金板生产线进行了改扩建;对印度安纳州拉斐特挤压-锻造厂的铝锂合金生产线进行了扩建。
&&& 美国肯联铝业公司的法国沃雷普研发中心研发出一种名为&AIRWARE&新型铝锂合金,据介绍,AIRWARE是应用于航空航天领域一种具有革命性的铝合金新材料。它是将铝与锂、铜、银等其他金属融合,从而获得这种新合金。据北京佰汇了解,AIRWARE可为飞机制造带来四大优势:一是比传统铝合金材质轻25%,因此,能够优化结构部件的设计,并减少二氧化碳的排放;二是其卓越的抗腐蚀和抗金属疲劳特性,可将较大的维护间隔时间延长至12年;三是可实现100%的循环再生利用;四是可用于制造航空器的所有全部零部件。目前,AIRWARE在新一代飞机制造中已得到应用,空中客车公司将其应用于其宽体客机A350-XWB;庞巴迪公司将其应用于窄体飞机C系列。为满足航空市场对新型铝锂合金日益增长需求,肯联铝业公司正在法国伊苏瓦尔轧制厂新建两条铝锂合金熔炼铸造生产线,专业生产AIRWARE铝锂合金,预计在建的两条铝锂合金生产线将于2016年前投产。
&&& 在中国,为满足国产飞机对铝锂合金的需求,我国铝加工业在上世纪60年代就开始对铝锂合金进行跟踪性研究,成功仿制了两种铝锂合金。目前,我国已基本掌握了航空铝锂合金的熔炼技术,如铝锂合金大扁锭与铝锂合金圆锭的铸造技术。但在铝锂合金基础研究与合金生产实践方面,与美、俄仍存在较大差距,表现在:一是创新能力与技术开发能力较为薄弱;二是生产能力小,当前仅有西南铝业(集团)有限责任公司能够生产少量铝锂合金,远远不能满足国产大飞机的需求。北京佰汇认为,国家需要投入专项资金,提升航空铝锂合金研发能力、增加航空铝锂合金生产企业数量、扩建航空铝锂合金生产线。
&&& 我国航空民机尤其是国产C919、ARJ21大飞机的快速发展已是不争的事实,截至目前,C919和ARJ21-700大飞机订单已分别达到517架、278架。面对航空工业需求旺盛的铝锂合金,我国要实现规模化生产锂合金还有很多难题去攻克,还有很长的路径去实践。但是在困难面前,也要看到我们的长处,利用好现代化铝熔炼与铝加工装备优势,与美、俄等先进国家的同行开展技术合作,吸收他们的工作经验和研发成果,实现&弯道超车&,尽快实现国产大飞机所用铝锂合金材料的国产化。
&&& 铝锂合金的性能及应用
&&& 新材料是航空航天技术的重要基础,航空航天技术的发展又不断对材料科学提出新的问题和要求。铝锂合金是近十几年来航空金属材料中发展最为迅速的一个领域。
&&& 铝锂合金优点
&&& 锂是世界上最轻的金属元素。把锂作为合金元素加到金属铝中,就形成了铝锂合金。加入锂之后,可以降低合金的比重,增加刚度,同时仍然保持较高的强度、较好的抗腐蚀性和抗疲劳性以及适宜的延展性。因为这些特性,这种新型合金受到了航空、航天以及航海业的广泛关注。正是由于这种合金的许多优点,吸引着许多科学家对它进行研究,铝锂合金的开发事业犹如雨后春笋般迅速发展起来了。
&&& 发展历程
&&& 1983年在巴黎国际航空博览会上,世界上两家最大的铝合金生产企业&&英国阿尔康铝业公司和美国阿尔考铝业公司,同时宣布研制成功新的革命性材料&&铝锂合金。专家们认为,铝锂合金是从1943年发明铝锌系高强合金以来,铝合金研究和开发的又一个里程碑。
&&& 其实,铝锂合金并不是个新鲜概念。对这种材料的认识经历了相当长的时间。由于锂的比重小,在铝中的溶解度高,长期以来人们就把锂看作铝的亲密合作伙伴。早在本世纪20年代,科技工作者就对铝锂合金进行过许多评论。1924年,德国研制成功一种工业铝锂合金&&司克龙。这是一种仅含0.1%锂的铝锌合金。它的机械性能比当时盛行的铝镁合金&&杜拉铝要稍好一些。由于当时杜拉铝已得到公认,所以影响了司克龙合金应受到的广泛重视。1943年,高强度的铝锌镁铜合金问世,再一次低估了铝锂合金的工业价值。1957年,英国研制成功了含锂1.1%的X-2020铝合金。这种合金用于美国舰载超音速攻击机的机翼和水平尾翼的蒙皮上,取代原设计中的铝合金后,RA-5C飞机的重量减轻6%。原苏联的科技工作者同时也研制出了一种含锂2%的铝合金。又经过10年徘徊,到1967年发生了世界范围的能源危机后,各国又重新开始大规模研究铝锂合金。由于冶金技术和相关技术的发展,使含锂量更大、比重更小、强度更高的铝锂合金的出现成为可能。据认为,目前许多先进的战斗机和民航飞机大都采用了这种合金。铝锂合金的成本大约只是碳纤维增强塑料的1/10。如果采用铝锂合金制造波音飞机,重量可以减轻14.6%,燃料节省5.4%,飞机成本将下降2.1%,每架飞机每年的飞行费用将降低2.2%。可以预料,随着材料科学的发展,将有越来越多的新型合金进入航空航天业、各个工业部门及千家万户。
&&& 军事应用
&&& 铝锂合金主要为飞机和航空航天设备的减重而研制的,因此也主要应用于航空航天领域,还应用于军械和核反应堆用材,坦克穿甲弹,鱼雷和其它兵器结构件方面,此外在汽车、机器人等领域也有充分运用。从20世纪30年代开始,德、美、英、前苏联对Al-Li合金进行研制,但是真正具有商业价值的是1957年美国Alcoa公司研制成功的含锂1.1%的2020合金,用于制造海军TA-5CVigitante飞机的机翼蒙皮和尾翼的水平安定面。目前主要使用的铝锂合金有2&&&系(Al-Li-Cu-Zr)和8&&&系(Al-Li-Cu-Mg-Zr)等10余种牌号,最大铸锭规格达到25t以上,其轧制、挤压和锻造的加工技术已达到常规铝合金的水平。
&&& 铝锂合金的航空应用
&&& Al-Li合金已经在军用飞机、民用客机和直升飞机上使用或试用,主要用于机身框架、襟翼翼肋,垂直安定面、整流罩、进气道唇口、舱门、燃油箱等等。
&&& 早在20世纪50年代,美国就开发了x2020铝锂合金后来用来取代7075用于RA-SC预警机。美国一公司将C-155铝锂合金用于波音777和空中客车A330/340飞机的垂尾和平尾,该合金比普通铝合金有更好的抗疲劳性能和高的强度。其中A330/340飞机每架使用Al-Li合金650kg,可使飞机减重达4250kg,可以提高有效载荷及降低燃料消耗。麦道公司的C-17运输机使用了铝锂合金板材和挤压型材制造货舱的地板梁、襟翼副翼蒙皮等结构,用量达2.8t,比用普通铝合金减重208kg,法国幻影式战斗机上也大量应用铝锂合金,其成本低于热固塑料和金属基复合材料。在1988年的时候,洛克希德&马丁战术飞机系统公司、洛克希德&马丁航空系统公司和雷诺兹金属公司就开始AA2l97合金研制的联合计划,为军用歼击机隔板和舱壁生产重载厚板。1996年6月,雷诺兹金属公司开始售出第一批AA2l97合金板材,用于取代其它材料制造美国空军F-16飞机的后部隔板(舱壁)和其它零件。欧洲试验型战斗机EFA其前部所有薄板状零件皆由8090薄板制成,占所有材料的9%,驾驶舱内使用了不少A1-Li合金,其中用A1-Li超塑成形工艺制造的电子设备室的盖板长达1.5m。英、意合作生产的大型直升机EH101上,其机身框架、蒙皮和内部结构使用了相当多的A1-Li合金板材和锻件,每架质量减轻200kg。而据估计,直升机在整个服役期间每减轻1kg增加经济效益高达3000英镑。
&&& 在航空铝锂合金的研究和应用方面,前苏联及俄罗斯也一直处于世界的领先地位,比较有代表性的有0(含钪)、01423(含钪)、0、01450等。早在20世纪70年代,前苏联就将铝锂合金用于制造雅克-36飞机的主要构件,包括机身蒙皮、尾翼、翼肋等,该飞机在恶劣的海洋气候条件下使用,性能良好。20世纪90年代初又在米格-29和米格-31飞机上采用1420合金焊接结构,使减重效果进一步提高。米格-29使用了1420合金薄板、模锻件、挤压壁板等制造机身、驾驶员座舱、油箱等,每架飞机铝锂合金用量达3.8t。采用焊接油箱后减重达24%,其中12%是由于材料比重的降低,12%是由于焊接结构减少了铆钉、螺钉、密封剂和搭接部分而达到的。1420合金在其它飞机,如运输机、客机、直升机上用量也相当可观。安-124用量近8t,图-204用量2.7t,米-26用量1.8t,还有伊尔-86、安-72等也都采用了A1-Li合金。近年来,Al-Li合金也大量用在苏-27、苏-35、苏-37等战斗机上,以及远程导弹弹头壳体等。
&&& 铝锂合金的航天应用
&&& 对于航天飞行器结构,质量的减轻可增加有效载荷,而有效载荷每增加1kg可带来4,400~110,000美元的效益。因此,由于Al-Li合金密度低、性能好的特点,在很多航天飞行器中都采用Al-Li合金结构。
&&& 美国洛克希德导弹和空间公司(LMSC)制造的飞行器使用低密度、中等强度和高刚度的材料,因此大量采用Al-Li合金产品。从20世纪80年代中期开始,大量选用8090及普通加工方法生产各种锻件、厚板、薄板与挤压件。LMSC在大力神有效载荷转接器上使用8090板材,减轻质量180kg。该公司使用AA2195合金生产的新的航天飞机&超轻型油箱&,长达47m,直径达8.4m,用于盛装低温燃料和液态氢。AA2195合金的使用使油箱减轻5%(减重近3400kg),强度提高30%,有效地增加了有效载荷,节约成本约7500万美元。麦道空间系统公司采用2090-T81板材制成直径2.44m,长3.05m的低温箱,用于三角翼火箭盛放燃料和液氧的容器,质量减轻15%。美国通用动力空间公司在阿特拉斯和半人马运载火箭上的三个部件采用2090合金,总量达70kg,质量较2024减轻8%。1997年12月的美国&奋进号&航天飞机外贮箱采用2195代替2219,运载能力提高了3.4t。
&&& Al-Li合金在俄罗斯的航天业中也有很多的应用。俄罗斯在1450合金基础上添加0.20%的Sc元素研制出1460合金,有更优良的性能,将其应用于大型运载火箭&能源号&的结构件上。此外,还用在其它火箭、&暴风雪&号航天飞机和空间站的结构件上。
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