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四、沉重的翅膀

年轻人

中国大飞机的翅膀过于沉重,以至需要几代人来背负。

我每次去商飞上海飞机设计研究院,总要在马凤山的铜像前伫立良久。马凤山见证了昨天的结束,却没能等到今天的开始。去的多了,发觉他的目光从孤伤、清虚渐渐变得清澈、清雅而又清亮。站在地上的人活着,埋在地下的人也未必已经死去,马先生泉下有知,每天看见这么多年轻的设计师进进出出,一定能感应到国产大飞机薪火流衍不熄,后继有人。

李明就是这么一位年轻姑娘,31岁,上海交大固体力学专业毕业,现为复合材料中心典型结构部梁肋结构室主任。这是我们第二次就机翼课题进行采访。李明带着一架飞机的模型,用她的伶牙俐齿娓娓道来,听得与我同去的教授频频颔首。

“机翼尤为重要。飞机飞起来产生的升力主要靠翼面来维持,就像鸟儿的翅膀,没有了翅膀,鸟就是地上的爬虫。”李明声音婉柔、吐词清晰,“除了产生升力,机翼为发动机吊装提供接口,安装许许多多系统,包括飞控、液压、燃油,空调从发动机引接的热气也从这儿出发……”

像李明这样青春浓烈的设计人员占了上飞院的主力,他们在各个节点从事着不同的模块设计。接下来,李明用音乐般的嗓音谈到机翼设计的大把业务。首先是概念设计。比如将翼梁设计成“工”字型、“C”字型还是“丁”字型?多少吨级?多少座级?二是初步设计。指最终外型、翼展强度、安装在机上的位置等。三是详细设计。大约需要两年左右。机翼上包含上万个零部件,大至几十米长的地板,细到螺丝,每个部位都要强度试验、结构测试,太强了份量过重,太轻了不够坚固,全要获得数据支持。设计图纸的完成只不过迈出了第一步,将方案拿去中航工业的西飞工厂加工制造,设计师在现场监控,看是不是符合要求。加工工艺难度极高,比如机翼地板是带弯度的,实际由平板材加工出来,用机器打成曲面,再一块一块拼接起来。热胀冷缩,夏天膨胀,冬天收缩,预留空间,弄不好就报废了……

李姑娘刚亮嗓十几分钟,已听得两位文科教授懵了圈,云遮雾绕。李明扑哧一笑,回到通俗中来:“机翼的组成无比复杂,许多部位是可以动的。不动的部分叫外翼合断,前面大梁,后面也是大梁,中间隔板,再加两块‘皮’,这就是外翼合断。动的部分也不少,前面的叫缝翼,后面的叫襟翼,起飞与降落期间变化尤为明显。起飞时机翼的前面后面都会伸出许多东西,目的是增加机翼的弯度,升力上去;落地时,扰流板打开,阻力增加。飞机在空中,机翼外侧有块短板能晃动,那是副翼,左右是反方向的。最外面的为翼梢小翼。”

她说,机翼的载荷非常大,C919起飞重量75吨,而机翼的载荷达到95吨,翼梢的变形在3米上下。除去承载,机翼还要考量韧性,加上大载荷时变形;卸去载重,恢复原状,不能断裂了。几十吨燃油也装在翼内,大梁之间用板隔开,装货不成,装油可以,空间大利用。为了密封,翼上有无数的紧固件。这些技术都是有自主知识产权的。

李明从结构强度谈到了复合材料。机翼、机身使用大量复合材料。ARJ21的复合材料占2.5%,C919占比很快升至12%。复合材料的运用已成为飞机先进性的标志之一。碳纤维材料的厚度只有0.19毫米,层层叠加,加热成型后比铝合金更轻、更强固、更长寿命。

李明似乎在飞机制造的星空里看见了比银河还要璀璨的图景。

我却想到了另一个问题。说我来采访多次,发现这儿年轻人占了大部分。她说商飞的确是年轻人的天下,五湖四海的年轻人跻身此列。忽然,她惋叹一气说:“断层,这儿缺少四五十岁的中间层。80年代搞运10,那时和空客的差距不足五年。运10折戟沉沙,国内停滞,国外飞速发展,差距拉大了几十年,不追怎么成?现在的设计师,要么是劫后余生的老法师,像吴总、陈总他们,要么是三十来岁、来自天涯海角的年轻人,四五十岁的中间层、中坚型基本断档。”

父子壕

张淼,就是李明说的少数中间层,中流砥柱型。我曾在2018年9月底采访过他。

张淼1965年出生,身材略微发福,西北工业大学毕业,现为上飞院气动设计室副主任。“飞机设计,气动先行。”张淼一出口就是行话,“气动外形和发动机绑定,飞机的好坏,翼形决定性能,机翼决定飞机能飞多高多远。”

张淼参与了ARJ21机翼的部分设计,主持了C919机翼的主体部分,对机翼的理解入木三分。飞机靠一对机翼浮悬空中,在空中的平、斜、陡各种状态,全靠机翼稳住。“机翼的外形极端重要,机翼阻力影响飞机品质。C919相比B737及A320,性能高出5%左右,主要指机翼,机身相对次要。”他反复强调机翼对飞机整体气动性能的影响,“C919设计上的成功,很大程度归功于机翼的成就。”

张淼出生航空世家。在航空届,如果对张淼印象还比较浮浅,那么他的父亲张锡金早在数十年前就声孚众望了。在中国空气动力学界,无人不晓张锡金的大名,他和马凤山、程不时同辈,共同谱写过运10的悲歌。运10流产后,张锡金觉得自己的名字金属味超重,太刚,没让飞机长留蓝天,遂将儿子的名字改为“淼”。水能载舟,浮力等于升力,希图儿辈们将飞机浮上去。

张锡金一生离不开空气动力,空气动力也离不开他。他1962年从北京航空航天大学空气动力专业毕业后,分配至中航603所,从此一生和气动设计锁定。张锡金融汇百家而无痕,他主编的《飞机设计手册》第六册(气动设计),成为设计人员必不可少的案头工具。他从事飞机气动设计五十余载,参与了国家8个型号的飞机总体设计和气动设计,荣立一等功,是航空设计领域兀立的为数不多的“奇峰”之一。

在那个激情不灭的年代,张锡金“不要命的工作也是甘甜的”。他加入了我国第一架空中预警机——空警一号的设计,深度参与了轰5、轰6、运7系列、歼轰7(飞豹)、空警50等飞机的总体及气动设计。在那个无所畏惧的年代,张锡金参加的军机研制不计其数。因为他的卓越专业能力,被作为航空部组织的“国家队员”派往西德,参与MPC75支线客机的联合研制。尽管该项目由于种种原因遭受了运10相同的厄运。

春去秋转,时光流变到2005年,张锡金来上海出差。一天晚上,召开了一个特别会议,张锡金被安排在“主席台”就坐。1934年出生的他好想推辞:岁月斑驳,自己早过了60岁,已从西安中航流量技术研究所长位置退下,怎能坐台上?转而一想,如此安排,可能有“苗头”。他正正身板又坐了下来。果然,领导点名让他“留在上海工作一段时间”。当时的所长说:“大专家先回西安一趟,多拿点衣服来,看来要在上海过年了。”事情明摆着:三年前立项的ARJ21项目处在研发的重要节点,需要他这个大家“帮帮忙”。这样,张锡金既偶然又必然地再次踏上民机之路。这一待,就在上海待了大半年。他一头扎进支线客机的气动设计中,和ARJ21的设计人员一起,系统梳理了飞机的气动性能数据,毫无保留地将一生累积的数据分析法分享给了项目设计人员,为ARJ21的气动数据整理提供了初始且过硬的工作方法。

三年后的2008年,中国商飞上海设计院打电话给张锡金,邀请他加盟C919大飞机的设计。已从中航工业一飞院退休的张锡金从两耳一直听进心底。他一时语塞,内心百味杂陈。老人噙着泪花答应下来:“国家没忘记我,我怎能忘记国家?我比马凤山他们幸运,我要见证C919上天。”

张锡金作为气动方面的翘楚,被正式邀请参加国产大飞机C919的设计。这次,他可不是来上海“待一段时间”,而是上飞院特聘的指导专家,参与制定C919项目关键工作的计划,是要在这“长干”的。接到通知,七十多岁的他在镜前瞅一眼脸上几粒褐色的寿斑,立马整理行箧,半天也不想迟滞。为了这一天,他已等待太久。自运10落马,他大半生都在干军机,万不料时势风云,他退休后宝刀的光焰还是映进了浦东的战场。他来上飞院,主要是为年轻一辈做工程设计技术讲座,指导团队攻克技术难题。进入上飞院工作场所的瞬间,他热泪盈眶,恍如来世。

这里是陌生的,又是熟悉的。两脚踏进上飞院,最使老人欣慰的,这里有与他并肩的一位特殊战友——儿子张淼,C919气动设计室副主任。从此,在位于上海张江的上飞院气动部,人们常看到一位须发皓白的长者、一位身材微胖的中年人和一些略带稚气的年轻人,他们围绕在电脑前,对着屏上的数据、线条指指点点,或交流、或沉思,也有为“一语不合”争个面红耳赤。

张锡金那盏灯的孤光,散作了漫天星辉。

一个项目将父子连在一起,一架飞机将千万人连在了一起。

超临界机翼

在儿子张淼眼里,父亲是灯塔,点亮着他人生的航向。

在他幼小的记忆中,父母腹笥便便,都是研究空气动力学的航空高人,在家里谈的是气动,争的也是气动。他虽然听不太懂父母嘴里那些专用名词,也不懂气动到底是咋回事,但长期的耳濡目染,使他对空气动力学倍感亲切,这种“先导性的植入”,勾起了他子袭父业、又一个一辈子干航空的兴趣和执着。他在西工大的本科、研究生期间就苦心钻研空气动力学,就是打算“接班”的。毕业后如愿进入上海飞机设计研究院。

血气方刚的张淼学不逢时,毕业那阵正是运10被波音、麦道拍死在沙滩上不久,原本谈好帮人做机屁股(麦道)项目也不明不白地“死去”,实际面临着无飞机可做的局面。许多同事生命的天平开始倾斜,纷纷自谋出路,有的去搞汽车,有的去搞空调。张淼感叹唏嘘,黯然神伤。

他明白,运10犹如令人艳羡的美人,却已远去,终是难以追随了。他虽忿闷无比,不知道这辈子还能不能设计飞机,但硬是不愿离开上飞院(开始是上飞所),永远也不想退出战场:纵然道路阡陌,总能找到一条发着微光的胡同;即便空耗一生,也要等到地老天荒。他就不信邪,制造业大国,造大船、造高铁,怎么能缺了天上这一大块?他的矢志坚守终于迎来了转机。2002年,国产支线客机ARJ21项目花开浦东,憋了十年火气的张淼终于可以一施身手了。

“阿娇”项目,张淼还显得蹒跚,只负责机头、翼梢小翼和整流罩方面的设计,但牛刀就是这么小试出来的。通过“阿娇”,张淼从头至尾参与了一款客机的设计与制造,积累了深厚功力。等6年后C919大飞机上马时,他已经具备了一身“横炼内功”,不是参与,而是全程主持了超临界机翼和部件的气动设计,一举拉平和英美的差距。

“机翼是飞机的灵魂。现代飞机既要高速度,又要减少空气阻力,机翼成了关键。”张淼感慨地说,“业内说,只有最牛的人才能做机翼,想不到自己就这么牛上了”。

张淼介绍,俄罗斯、日本就是从机翼入手,在国际航空市场上赢得一席之地。机翼的水平决定飞机的运营效率和经济性。这次,吹响冲锋号的是中国,C919是国内第一次真正自主设计超临界机翼,它的横空出世,有效打破了欧美的铁幕封锁。

说起超临界机翼,倒也不是最新科技,西方在40多年前已使用。超临界机翼的原理是这样的:当飞机高速飞行时,比如每小时0.85~0.9马赫,翼型上表面的局部空气流速已达到音速——这时的飞行马赫数称为临界马赫。如果再增加飞行速度,上表面会产生强烈的激波,使机翼的阻力大增。为保持飞机的经济性,飞行的马赫数不宜超过临界马赫数;倘若还想提高速度,就要设法提升机翼临界马赫数。采用超临界机翼能达到这一效果,在提高临界马赫数的同时,不必增加机翼重量,反而能减轻飞机的整体结构重量。

超临界机翼采用特殊剖面,其特征是前缘较普通翼型钝圆,上表面较平缓,下表面接近后缘处有反凹,后缘较薄,且向下弯曲。由于前缘钝圆,气流绕流时速度增加不多,平坦的上翼面又使局部空气流速变化不大,其临界马赫数较高;飞机在高速飞行时,机翼形成的激波不强,阻力也较小。

虽说空客在1972年就使用超临界机翼,其模样也摆在那儿,但要设计出一款优秀的超临界机翼却是地球人的难题,况且,欧美现有的技术,即便花多少钱也不会给你。

超临界机翼成了旋涡的中心,张淼成了站在中心那个人。他们在打一场超级硬仗,仗的硬度由机翼的曲度决定,波音、空客机翼的机翼曲度是他们精神上的对手。

别人封锁,风洞也难以模拟,唯一的办法是靠自己“摸”。这时,体制的优势就突显出来了:“集中力量办大事,举国家之力攻关。”C919上马之初,在商飞集团的支持下,张淼很快组织起了一支由西北工业大学、空气动力学中心、航天11院、清华大学等科研院所组成的联盟攻关团队,在上海进行为期半年多的集中研发,拿出了初步方案。后来这60多人被分成多支队伍,同时开干,各自拿出具体方案,经过一年半的艰难拼杀,共设计出800多副超临界机翼。再由编程软件的超级运算,从中筛选出三支队伍中的十几副优胜机翼,再通过风洞试验的吹测,最终定格出一副顶尖超临界机翼。

没等张淼团队喊出胜利的呼声,总设计师团队拍板更换更粗大直径发动机的决定,将他们两年的付出又打回原点。为了不影响机翼性能,发动机离机翼越远越好,发动机一装,机翼原有性能会有变化;但发动机离地面的高度有限制,决定了它不能离开机翼太远。发动机变了,机翼必须跟着变。当他们彻底理解了总设计师团队“不能让飞机在上天前就落后”的定位后,长淼一声长叹,又投身到新一轮的“发疯”中。他们开始重“走草地”“爬雪山”,反复经历“设计、成功、返工、狂喜、枪毙、再设计……”的循环痛苦中。他们前后又设计了1000多份图纸,各队重新计算筛选,重新去所有的风洞中测试。除了美国,这些机翼在英、法、意、荷、德等不同的风洞中吹过。当然,在国内的沈阳、哈尔滨吹过,在亚洲最大的绵阳风洞区也吹过。试验对风洞的要求很高,包括温度、湿度、压力、风速,一个风洞的数据要经过上亿次运算。

奇迹能出现一次,未必不能出现第二次。经过2000多次的大比拼大筛选,历经四轮反复,历时三年砥砺,属于国产大飞机的超临界机翼得以定型,并着力实现减阻5%的预定目标,成功圆梦。

“我国第一次设计超临界机翼,心中没底。机翼从2000多幅图纸中最终定型后,在国内外进行风洞试验,结果比预想的还要好,这下大家的心定了!”张淼的父亲张锡金如是说。

“上世纪七十年代,咱们研制飞机的条件异常艰苦,一台手摇计算机成了宝贝疙瘩,大家抢着使,实在算不过来,只能将财务室的8把算盘借来,晚上计算,白天再还回去。”忆往昔,张锡金眼角含笑,似乎又回到了青年时代,“张淼的妈妈王娟志也是搞空气动力的,我们在一个研究室工作。晚上加班,小淼无人带,我们就将他抱去放在图板上,忙着忙着就忘了。小淼睡着从案板上滚落下来,疼得哇哇大哭,我们才记得还有个孩子。”

我问张淼:“你还记得当时的情景吗?”

“当时还小,已经没印象了,但父亲说的,只不过是我家的事。在商飞,在上海,在全国,一家两代人、三代人干航空的可不少,比我家精彩的‘接力棒’故事多了去。”张淼憨厚地笑笑。

岁月老去,中国航空业在反思历史中快速回归。 BPnCGTbElxz736CIibqDBOgzYwdBJMSEAZFawJ1ugDrldUQ0F9EuJ1jQfpCr2B/x

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