為了打造殲35，我們都動用了哪些黑科技？

導讀：

殲-35是中國第二款，同時也是世界第四款正式公布的五代戰斗機。目前，全世界掌握第五代戰斗機技術的國家只有中美俄三國，已經批量生產并投入實戰部署的只有美國的F-22、F-35和中國的殲-20。掌握第五代戰斗機技術，意味著掌握當今世界最尖端的軍事裝備，最先進的材料技術、信息技術、雷達技術、航發技術、航電技術， 最高端的設計制造能力和完備的工業體系。

那么，為了打造殲35，我們都動用了哪些黑科技？本文摘自中國工程院院士、中國航空科學院院長、新一代艦載戰斗機（殲35）型號總設計師孫聰所做的題為“戰斗機的技術發展”的專題報告會。該報告系統梳理了戰斗機的技術發展，重點回顧了國產戰斗機的創新研發之路，并結合當前技術發展與布局，研判未來戰斗機技術發展趨勢。

黑科技幫助中國超越美國

殲-35作為下一代國產航母配套研發的艦載戰斗機，承載著中國人上九天攬月，下五洋捉鱉的夢想，承擔著中國軍事力量投送全球，捍衛國家利益和主權完整的神圣使命，是中華民族偉大復興進程中的重要保障。立項之初就是以世界領先的戰斗機作為目標，動用了我國幾乎所有能夠動用的科技儲備，其中不乏很多黑科技。環視世界，潛在對手主要是美國的F-35艦載戰斗機，那么殲-35是否能在未來潛在的戰爭中克制美國F-35，又是如何做到呢？

中國殲-35領先美國F-35領先的技術其實有很多。今天我們就來聊一聊殲-35的機體結構設計和制造工藝，這是我們領先于美國F-35的核心技術領域。

首先殲35在生產工藝上開創了一個新時代，一體成型工藝的運用象征著我國的航空工業第一次領先美國人一代，比起F-22,F-35還在用著的老式水壓成型工藝，一體成型（3D打印）在結構上能明顯減重，在設計上能獲得更大的機內可用空間，在生產上能顯著節約工時，在后勤上因為少了大量應力集中部位，也能提升不小的壽命。

王向明

在這一技術領域我們近些年取得了長足的進步。提到這些進步就不能不提到我國飛機機體平臺結構設計領軍人物王向明。他現任航空工業集團沈陽飛機設計研究所項目總設計師、某部先進制造技術專業組增材制造責任專家。同時還是“鶻鷹”飛機常務副總設計師、航空工業集團增材制造（3D打印）首席專家、創新結構原國防“973”技術首席、飛行器新概念結構航空科技重點實驗室主任。我們知道飛機機體結構占飛機空重通常都在45%以上，飛機要想提高性能就要在結構上下功夫，在滿足結構、壽命等眾多要求的情況下盡可能減輕重量、減小體積。這方面是我國第一代隱身艦載戰斗機必然要高度關注的技術領域。因為通常陸基戰斗機改型上艦都會大幅增加結構重量，這會導致飛機性能出現大幅下降。例如美國F-18戰斗機改型上艦，結構重量就提高了接近兩噸的重量。

在飛機結構設計上，王向明提出了新概念結構，那就是大型整體化、構型拓撲化、梯度復合化和功能結構一體化。所謂大型整體化就是指采用先進的整體制造技術即增材制造（3D打印）技術，將原來若干個各自獨立的零部件做成一個大的整體結構，這樣可以大大減少零件數量。有效減少零件與零件之間的分離面、減少結構冗余、減少應力集中，減少疲勞薄弱環節。在鶻鷹戰斗機的研制中通過大型整體化設計制造技術，實現了融合區減重30%，零件數量減少50%，疲勞薄弱部位減少 50% ，動力學等效剛度提高 30%、儲油增加數百千克，成本降低 50% 的顯著收益。

構型拓撲化依賴于增材制造（3D打印）技術

構型拓撲化是采用拓撲優化技術，按照載荷需求分布將材料集中在最有效區域，實現材料布局輕質高效。制造工藝可由激光選區融化成型、電弧熔絲成型、電子束熔絲成型等增材制造技術來實現。可以減重 60% 以上，載荷傳載更均勻更優化，增加壽命60% 以上。材料利用率提高 60%以上。

梯度復合化

梯度復合化是指借助于增材制造（3D打印）技術將不同材料復合為整體，實現材料合理布局、無連接、均勻過渡。可以根據需求按強度、剛度、壽命、功能進行材料結構設計。具有設計域拓寬，減重效率，疲勞壽命提高，實現承載、耐熱、抗蝕等多功能一體化的優勢。

功能結構一體化設計

結構功能一體化是指將功能系統融入到結構中，充分共用結構，可以消除結構冗余起到精簡結構、減輕重量的作用。可以將宏觀和微觀結構設計和功能設計融于一體，結構同時具備承載、多種功能的特性，可減重 50% 以上，并根據需求實現隱身、變體、耐熱、自潔、減振降噪、健康監控等多功能。

鋁合金制作的框梁一體化部件比鈦合金減重38%

在設計方法上王向明提出了多約束協同設計的方法。我們知道傳統的設計是一個串行的設計模式，需要將強度/剛度、壽命、功能、維護、材料、制造、周期等工作環節按順序逐個解決，但是這種工作模式周期長、容易返工。王向明提出的多約束協同設計是將這些需要設計的要素提前到設計源頭加以考慮。將各設計要素允許使用的參數值先全部拿出來，選擇交集部分，構成多約束設計域。讓設計工作一開始就在這一能夠同時滿足各項設計要求的區間展開，避免了返工的風險，從而起到了提高研發質量、效率以及縮短設計周期的目的。

針對可制造性，王向明提出了鋁合金加強框-翼梁整體件設計/制造一體化方法。選用鋁合金預拉伸厚板，通過殘余應力對稱釋放、優化機加工藝路徑，實現大長細比框梁一體化部件機加翹曲變形有效控制。相比傳統鈦合金框梁組合結構，零件可以減少一半，減重超過38%。鋁合金的力學性能指標普遍不如鈦合金，但是我們可以通過合理的結構設計讓鋁合金結構件的性能超越鈦合金，從而大大降低成本和加工難度。因為鈦合金材料不僅成本高而且對加工工藝也是一個挑戰，加工刀具壽命短而且容易出現黏連。當然反過來如果用上鈦合金，結構性能還能進一步提高。從這里我們可以看到新設計理念對結構設計水平提高做出的巨大貢獻。很多人往往以材質使用比例來衡量飛機結構設計水平的思維模型已經落后了。比如按傳統設計，五代機的鈦合金用量是多少，復合材料用量是多少，看看這些指標就知道一架飛機的結構設計水平了。但現在僅僅看鈦合金用量，復合材料用量來推測飛機結構重量、航程等已經不靠譜了，需要綜合結構設計理念、制造工藝、材料等多方因素才能得出正確結論。

在設計流程創新方面，王向明提出了“協同設計/制造前移”的快速試制模式。即多專業協同建模以統一數據源。集中參數優化以提高計算精度。聯合產品定義以提高設計效率。制造技術前移，邊設計、邊制造，來縮短研制周期。這一快速試制技術體系包括創新結構支撐、三維/優化設計、無模/敏捷制造、通用/柔性裝配、隱身表面高精度控制等技術。借助于這一批先進技術，鶻鷹戰斗機快速試制創造了多項紀錄。全機重量控制精度提高一個數量級。危險部位減少一半。結構件/工裝減少一半，設計制造縮短1/4。鶻鷹2.0曾創造出一個世界紀錄那就是結構重量系數達到26.8%，而F22的結構重量系數也不過是27.8%，不要小看這1%的領先，航空工業可是號稱為減小每一克升空重量而奮斗的！而且這只是個初步成果，相信經過進一步優化設計的殲-35能再創世界新紀錄。

王華明院士（右）

在增材制造（3D打印）領域我們還有另一位領軍人物，激光增材制作技術專家王華明院士。早在2003年，兩人就展開合作，解決了增材制造主承力結構創新設計難題，零件數量減少2/3、結構減重1/5、疲勞壽命增加1/3。“飛機鈦合金大型復雜整體構件激光成形技術”獲得了國家技術發明獎一等獎。這讓我國成為成為世界上首個將激光增材制造技術用于航空主承力結構的國家。十幾年來取得眾多應用成果，J-15、運-20、殲-20等都大量使用了激光選區融化增材制造技術。選區熔化增材制造技術可打印出內部形狀復雜的輕質功能件，但常規點陣結構的節點承載能力大都不滿足飛機功能結構要求。為此，王向明將點陣結構的節點半徑作為設計變量，通過形狀優化降低應力集中和重量。他提出節點剪切強度計算方法，發現敏感設計參數，并據此建立有效設計手段。打印出散熱器、格柵等多種高效功能件，解決了增材高承載功能結構創新設計難題。功效實現質的飛越，功能效率提高一倍、減重近2/5、零件減少95%。為我國成為世界唯一實現增材制造構件在飛機上規模化應用的國家做出了重要貢獻。相信各位看到這些技術成果也能明白，我國殲-35戰斗機為什么可以用比F35更輕的28噸起飛重量，還能獲得超過F35的1250公里的作戰半徑。

激光增材制造（3D打印）機身隔框（非完整部件）

從以上我國在飛機結構設計制造領域取得的一系列科技成果來看，我國在飛行器結構設計制造領域的技術水平是世界領先水平的。在結構設計理念、設計方法、制造工藝等技術方向上我們已經建立起自己的技術優勢。相信用這些黑科技打造出來的殲-35隱身艦載戰斗機一定會在戰場上取得壓倒性技術優勢！

文章來源：“戰斗機的技術發展”的專題報告會、公眾號：“青少年科技創新教育”

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