|
第三部分
小结之五、材料研究急进，而应用领域滞后的现象凸显
相比上述原丝和复材等材料方面进展，中国碳纤维应用领域的滞后反而更加凸显了，这是一个非常尴尬的现象——进步会凸显落后。
一、军用航空领域的应用
估计很多网友吃了前两篇的墙皮，就为了等这一口儿呢，呵呵。
1 非承力结构
比如雷达罩、各种口盖，很早就用复材了，不赘述。（参见《原文》）。
2 次承力结构
1985年，沈飞112和洪都320分别研发的在垂直尾翼上应用复合材料的飞机领先试用成功，但没有批产。
1990年，洪都320在飞机前机身段上应用复合材料，领先试用成功，但没有批产。
1993年，沈飞112歼8-3在垂直尾翼和前机身上应用CFRP复材，达到飞机结构重量的2%，实现了在批量生产飞机次承力结构上的突破。此后飞豹的垂尾开始批量用CFRP，猎鹰也是这样（参见《原文》）。
2007年以后，军方广泛使用CFRP做次承力结构，歼10的后续批次等后续机型，在雷达罩、前机身、鸭翼、副襟翼、垂尾、平尾、和机尾短舱、起落架舱门等各种次承力结构都批量使用了CFRP。
有朋友问：1985年试飞成功，到1993开始少量批产，再到2007年大批量使用，为什么隔了这么久？
一个原因就是，直到2007年以后，国内T300才比较成熟。此前的2005年，3K小丝束的T300曾经从800元/公斤暴涨到8000元/公斤。现在呢？才不到200元，为啥？T系列和很多产品一样，只要中国会做了，就能做到烂了为止。国内以吉化为首，T300现在国内产能万吨以上，国外快没得做了（参见《原文》）。随着国内攻克关键技术，T700国外价格也开始大幅跳水，压制中国本土产品的大规模应用。T800迟早也是这条路，咱们等着瞧。
3 主承力结构
直升机应用环境不一样，走的比较快，直10、直19 、直20和AC313已经直接用CFRP做机身结构框架、直升机旋翼和桨页（见《上篇》介绍）。机翼蒙皮和直升机尾翼部件也都用了碳纤维。
固定翼战机用复材，可就慢多了。
J8-2
1995年9月28日，首次将CFRP应用在主承力结构机翼上。
1999年，该项目被授予国家科技进步二等奖。
有朋友高兴了，问，这么重要的机翼复材，还是国家级二等奖，实际减重有多少呢？
只有40公斤。估计只是在机翼上用了部分复材，而不是全复合机翼。
J11B
中国军机真正的大动作复材减重，是从歼11B开始的。在上篇发表后，CD的网友就热烈讨论中国军机试用碳纤维的情况。有些同学认为J11B等三代机已经有CFRP全复材机翼。那么，本文就以歼11B为一个缩影，稍微展开，谈谈我军用航空领域的碳纤维复材应用进展。兵器迷的了解也有限，就着公开信息抛砖，肯定有争议，大家讨论吧：
21世纪初，J11B的复材全面使用计划开始启动。
2002年，中国一航制造所在型号没有正式立项之前，提前组建了材料和标准件研制队伍，用四年时间完成了与三代机相关的500多项机体材料，包括CFRP材料。
2006年，J11B碳纤维复材的研制和应用验证基本完成，CFRP使用量高达555公斤，占飞机总重量的9％，减重效率达到17％。
2008年8月，国产CFRP全尺寸部件通过静力试验考核，
2008年12月，通过了装机评审，转入装机应用阶段。
点评：
第一个问题： CD有朋友问，什么叫“大规模、大比例”使用复材？
官媒所称11B的大规模，是自己和自己比，从原来的J8-2的2%左右，提高到J11B的9%，这就是大规模。但和国外比，低于20%，已经很难说是大规模了——F22的22%，鱼鹰的42%，阿帕奇的50%，X-45验证机的90%...（参加《原文》）。
第二个问题：这个减重计划是否包含了全复材机翼呢？
个人的研判没有这样乐观——大家看完再批斗。
1） 从复材机翼的工艺上看：
要实现全复材机翼，必须要掌握全复材翼面盒段工艺。CFRP翼面盒段结构的成型工艺主要有三种。嗯，墙皮很厚，大概聊几句吧，不具体展开。
1： π形接头盒段结构成型工艺。国内的应用似乎仅限于垂尾。
2 T 形接头骨架与上、下蒙皮一体成型工艺。主要应用限于垂尾和平尾。
3 T 形接头骨架与下蒙皮一体成型工艺。这才是真正可以用于战斗机机翼主承力结构的工艺。如EF2000和F-2 。国内对于该类结构的成型工艺只是近年来才完成了相关的工程验证，并得到试验应用，但尚未看到批产的报道。目前TG主力军机在机翼长桁、翼梁等关键承力制件上，还是用的钛合金。因此，2008年的J11B，复合材料用量只有结构重量的9%，而钛合金用量为15％的原因。
2） 从复材使用重量来看：
从美帝数据看，如果真正全复材机翼，使用量应该是比较大的，比如：
F/A-18的复材机翼，CFRP使用量就已经达到744公斤。
小身材的AV-8B的复材机翼，使用量430公斤。
即便仅仅是次承力结构使用复材，也要有一定的使用量：
F-14仅仅是复材平尾，使用量也有374公斤。
F-5的复材垂尾，使用量38公斤。
F-15的复材减速板，使用量40公斤。
F-16的复材起落架舱门，使用量20公斤。
从这些数字看，555公斤的复材对于J11B来说，真心不算多。因为雷达罩、尾椎、平尾、垂尾、盖口、舱门……这些已经在其他机型适用的复材部件加起来，重量已经不少了（想想J11B的双大垂尾）。还别忘了，官泄J11B可是第一个使用复合材料进气道的机型——那个关于复合材料进气道故障引发的网上争论，曾给沈飞的互联网名声增添了些许麻烦。那么，将使用复材的次承力结构和非承力件用量减去，剩下给机翼做复材的结构重量，还能有多少。您自己算算，J11B能是全复材机翼？
插一句，大量报道中有J11B“广泛利用复合材料，全机减重达700公斤”一说，似乎有断章取义之嫌。按照美军使用航空复材的记录和中国官方的披露，CFRP部件的减重效果，从12-44%不等，大多数在20-30%之间。J11B仅靠555公斤复材就能减重700公斤是难以想象的。即便700公斤减重这个数不假，也是所有500多项新复材与新工艺（如钛合金近净成型）共同达到的效果。
3） 从复材使用率来看：
两个经验数据——10%和7%。
10%
中航工业益总2014年的公开谈话表明“中国战机复合材料的最大使用量不到结构重量的10%”，侧面验证了其他渠道报道J11B的9%的正确性。如果能够使用全复合材料机翼，这个占比不会这么低。因为国外军机用了全复材机翼的，复材用量一般会超过结构重量的10%。比如：1976年世界第一款复材机翼F/A-18，复材结构重量占比就超过了13%。
7%
从好的方面看，如果完全没有主承力结构用CFRP，复材结构重量占比高于7%也不大可能。因此，J11B的9%表明一定在主承力结构使用了复材,只是用了多少、用在哪里的问题。
用在哪里呢？
机翼的复材化，根据技术难度的由浅入深，大致分为四个层次。
1指副翼、襟翼：是次承力结构，在当时是已实现技术，应该不在话下。
2指翼面蒙皮材料：是次承力结构，也是比较有把握的。
3指外翼翼盒：全复合材料外翼翼盒已经是主承力结构，冲着官媒“国产CFRP全尺寸部件通过静力试验考核”这一句，也是有可能的。
图1 ARJ21外翼翼盒 4指中央翼翼盒：涉及中央翼盒段梁、上下壁板及长桁，与中机身一样，是主承力中的主承力，难度很高。时间上看J11B在2008年进入装机应用，中央翼盒复材技术彼时应该尚未成熟；从复材555公斤的重量上看，再加一倍也很难有足够余量满足复材中央翼翼盒了，可能性甚微。
图2：空客A400M的中央翼盒 因此，兵器迷的结论是：J11B最多使用了复材外翼。而中央翼（特别是主承力C型翼梁）估计是钛合金。
4）从官媒披露看：
2014年，中国复材大师，北京航空材料研究院科技委主任益小苏说：“世界军机的机翼自上世纪80年代后就已复合材料化了，我国至今尚无批量生产的复合材料机翼问世”。
果真如此，你说我们的差距有多大？仅仅从全复材机翼这一点看，怕20年不止啊。
当然，J11B是2008年的情况。7年过去，国内中央翼复材化的技术也已在路上。2015年4月，上海某项目已经对复材中央翼和外翼进行招标，有兴趣的朋友，可以关注一下，谁是投标方，谁是中标方。
话说回来，从另一个方面看，航空级碳纤维复材的主承力应用，也确实需要一个过程。比如美国垂尾应用CFREP历时10年，而机翼和机身的应用过程则长达30多年，而且还有反复。比如，F22设计时计划如同三代机一样也采用全CFRP机翼，后来试验证明在超音速巡航、过失速机动、抗机炮破坏等环境下的能力远未达标。最终又换回了钛合金。后来的批次，能够做到的，也是钛合金的主翼梁搭配复合材料的非主翼梁。
还有一个问题：钛合金制件坏了，可以做金工修补；CFRP复材要是坏了，特别是层移了，那基本上就等着整体换件了。对于民用、军用运输机、无人机或者一次性军用品（如导弹），这也许是可接受的。但载人战斗机如果遇到主承力结构（如机翼）局部损伤就必须全部更换，在外场那是相当麻烦。F2的全复材机翼用上以后，曾经多少年连大过载都不敢随便做，就是因为复材质量难以控制。
下面再简要谈谈最近比较热的“太行复合材料外涵道机匣”的报道。
图3：网上流传的太行复材外涵机匣 太行能用上复材机匣，本来是好事。可是报道中一句：“是国外第四代发动机技术”让很多网友产生了两种看法。一种是以为这是第四代战斗机动力的技术，另一种认为这是目前最先进的发动机复材应用技术。因此稍微澄清一下。
对于第一种看法：
树脂基复合材料在航空发动机低压段的风扇和压气机等冷端部件上，早已大量采用。见下表：
表1：复材外涵机匣的动力型号列表（举例）
因此，不只是四代机，三代半、三代改型，军机、民机都大量采用了该技术。
对于第二种看法：
不只是外涵机匣，难度更大的风扇静子叶片也大量采用了复材。比如普惠的PW4084和PW4168,F119。德国MTU的PW8000从1996年就开始试用复材静子叶片。甚至不止是定件，连转子叶片这样的动件比如GE90、GENX用的也是复材。所以太行用复材机匣，只是起点，不是高峰，大家沉住气，后面一定会有更多的精彩。
图4：GE90系列发动机复合材料风扇转子叶片 原文中的所谓“第四代”……估计是指发动机材料的钢-铝合金-钛合金-复材吧，瞎猜。
总之，过分炒作某一种材料的发展其实意思不大，因为再先进的材料都有自己的短板。军机材料的使用是一个体系化工程，目标是开发满足战术需求的作战平台。在材料选用上的原则是权衡取舍，系统最优，而不是简单粗暴，刚度替代。
相比较喧嚣的媒体，本文前两篇发表之后，种花首版ZIBAO一口气做了3000多字的长评，确实高屋建瓴，极有见地，兵器迷心有戚戚，帖在本篇后面的回复里，欢迎大家细赏。
兵器迷觉得，中国军事装备技术的发展，大体经过了两个阶段，正在走向第三个阶段。
第一个阶段，就是以型号为中心。一个型号任务下来，就赶快去发展针对性的配套。于是型号平台等动力、等电装、等弹药、等材料，比比皆是，怎一个等字了得。
为什么呢？为了钱。TG家底薄，1970年代末外汇储备最低才2亿美元。很多军品技术研发经费只能是跟着型号下来。当然，没型号就做的预研也有，但僧多粥少，除了战略项目基本上是撒芝麻了，故此再慢也是无奈。所谓预研一代，生产一代，装备一代的说法，这个“代”指的也是型号，而不是技术。技术等型号，等来等去，要么型号等不及技术了，才有和平鸽裸机抢先飞，旅大级无弹护巨浪的事情。就是到了歼10早期动力，整体涡轮盘不是也推迟了？要么就是型号迟迟无法定型，比如红旗61，LY60，等技术材料都等出来定了型，也已经过时了。
所以那时候就是个急就章，赶上型号这班车的就上了。赶不上的，技术储备等下一个型号吧，一等十几年也有。空军战机投资巨大，咱就说小点的直升机。1980年代初，型号匮乏导致的科研迟缓到什么程度？直升机所里的年轻技术人员甚至组成乐队在夜市上卖艺赚生活费。很多直升机老人，一辈子的工作就是设计了一个零件。武直10一出来，白发苍苍的他们没有一个不是抱头痛哭的，为了武直，也为了自己。难怪总师吴希明现在一做报告就像祥林嫂一样唠叨自己十年间参加了两个重要型号的设计，多么多么幸运。
第二个阶段，就是以政府为中心。1990年代默契以后，拜台海局势紧张美国空袭中国使馆所赐，加上TG变成土豪金了，真心不差钱，基础设施与预研项目大行其道。这些项目大多以政府为中心，别说碳纤维、电推、激光、北斗、拖曳声呐、反导、超算这些有应用的，看看近年来的人工智能、量子通信、超材料、石墨烯……哪一个不是超前工程应用若干年？国防科研部门就不说了，各大科研院所，各大厂企，甚至各大学相关专业都进入了军科预研。只要你有合格的立项，资金根本就不是问题。这就是进步，大幅度投入上二十年，就会有大量技术和材料等着平台选。装备研究能不进步吗？进步的能不快吗？所以马晓天司令对媒体放言：“（在装备上）我们还会有更多的进步，你们就拭目以待吧”。这是第二个阶段。
可是政府能这样投入，那是因为政府手里有大量的资源和权力。这也未必都是好事，容易导致一窝蜂的要钱上马，高效率但是低效益，而且还是腐败的好机会。腐败大发了那就连效率都没了。况且预研领域的技术分支浩如烟海，政府提纲挈领可以，面面俱到难行。真是没钱事麻烦，有钱麻烦事，而且，富人的问题通常比穷人的问题更复杂。所以，期待的第三个阶段，就是国家投资能再结合市场化运作。
市场化运作的方式由三种，一是国家前期投资，出了技术有条件的推向市场；二是市场风险投资，出了技术国家选择性的加以补偿和军用；三是前两种方式运作之后，市场规模反哺技术升级，技术升级扩大市场规模。市场化有两个特点，一个是科研成果转化成应用快。私人风险投资也有风险，但也更讲市场应用效果（这个下面谈民用碳纤维的时候详谈）。中国的资源矿产勘探都是国家主导的，可美国全是石化或者矿业公司投资，风险大但是收益更大。市场化的另一个特点就是，一旦一个产品有效益，就会形成虹吸效应，吸引周围的资本、科技和配套资源快速涌入，形成一个以核心技术应用为中心的产业生态，进而用市场力量压制其他哪怕更先进的技术进场。微软压制竞争对手最大的优势就是其软件生态环境，超级市场收益反过来帮助微软的技术走向进一步强大。最成功的技术不一定最先进（比如死去的美国铱星项目），但一定是市场化最彻底的技术（比如WIFI）。
以型号为中心——以政府为中心——以政府引导的市场为中心，中国军工材料的研发之路，有坎坷曲折，有苦难辉煌，也有远大期望，大家见仁见智，各抒己见吧。
|
楼主
