为了打造歼35，我们都动用了哪些黑科技？|f-35|战斗机|钛合金|飞机|飞行器|黑科技

导读：

歼-35是中国第二款，同时也是世界第四款正式公布的五代战斗机。目前，全世界掌握第五代战斗机技术的国家只有中美俄三国，已经批量生产并投入实战部署的只有美国的F-22、F-35和中国的歼-20。掌握第五代战斗机技术，意味着掌握当今世界最尖端的军事装备，最先进的材料技术、信息技术、雷达技术、航发技术、航电技术，最高端的设计制造能力和完备的工业体系。

那么，为了打造歼35，我们都动用了哪些黑科技？本文摘自中国工程院院士、中国航空科学院院长、新一代舰载战斗机（歼35）型号总设计师孙聪所做的题为“战斗机的技术发展”的专题报告会。该报告系统梳理了战斗机的技术发展，重点回顾了国产战斗机的创新研发之路，并结合当前技术发展与布局，研判未来战斗机技术发展趋势。

黑科技帮助中国超越美国

歼-35作为下一代国产航母配套研发的舰载战斗机，承载着中国人上九天揽月，下五洋捉鳖的梦想，承担着中国军事力量投送全球，捍卫国家利益和主权完整的神圣使命，是中华民族伟大复兴进程中的重要保障。立项之初就是以世界领先的战斗机作为目标，动用了我国几乎所有能够动用的科技储备，其中不乏很多黑科技。环视世界，潜在对手主要是美国的F-35舰载战斗机，那么歼-35是否能在未来潜在的战争中克制美国F-35，又是如何做到呢？

中国歼-35领先美国F-35领先的技术其实有很多。今天我们就来聊一聊歼-35的机体结构设计和制造工艺，这是我们领先于美国F-35的核心技术领域。

首先歼35在生产工艺上开创了一个新时代，一体成型工艺的运用象征着我国的航空工业第一次领先美国人一代，比起F-22,F-35还在用着的老式水压成型工艺，一体成型（3D打印）在结构上能明显减重，在设计上能获得更大的机内可用空间，在生产上能显著节约工时，在后勤上因为少了大量应力集中部位，也能提升不小的寿命。

王向明

在这一技术领域我们近些年取得了长足的进步。提到这些进步就不能不提到我国飞机机体平台结构设计领军人物王向明。他现任航空工业集团沈阳飞机设计研究所项目总设计师、某部先进制造技术专业组增材制造责任专家。同时还是“鹘鹰”飞机常务副总设计师、航空工业集团增材制造（3D打印）首席专家、创新结构原国防“973”技术首席、飞行器新概念结构航空科技重点实验室主任。我们知道飞机机体结构占飞机空重通常都在45%以上，飞机要想提高性能就要在结构上下功夫，在满足结构、寿命等众多要求的情况下尽可能减轻重量、减小体积。这方面是我国第一代隐身舰载战斗机必然要高度关注的技术领域。因为通常陆基战斗机改型上舰都会大幅增加结构重量，这会导致飞机性能出现大幅下降。例如美国F-18战斗机改型上舰，结构重量就提高了接近两吨的重量。

在飞机结构设计上，王向明提出了新概念结构，那就是大型整体化、构型拓扑化、梯度复合化和功能结构一体化。所谓大型整体化就是指采用先进的整体制造技术即增材制造（3D打印）技术，将原来若干个各自独立的零部件做成一个大的整体结构，这样可以大大减少零件数量。有效减少零件与零件之间的分离面、减少结构冗余、减少应力集中，减少疲劳薄弱环节。在鹘鹰战斗机的研制中通过大型整体化设计制造技术，实现了融合区减重30%，零件数量减少50%，疲劳薄弱部位减少 50% ，动力学等效刚度提高 30%、储油增加数百千克，成本降低 50% 的显著收益。

构型拓扑化依赖于增材制造（3D打印）技术

构型拓扑化是采用拓扑优化技术，按照载荷需求分布将材料集中在最有效区域，实现材料布局轻质高效。制造工艺可由激光选区融化成型、电弧熔丝成型、电子束熔丝成型等增材制造技术来实现。可以减重 60% 以上，载荷传载更均匀更优化，增加寿命60% 以上。材料利用率提高 60%以上。

梯度复合化

梯度复合化是指借助于增材制造（3D打印）技术将不同材料复合为整体，实现材料合理布局、无连接、均匀过渡。可以根据需求按强度、刚度、寿命、功能进行材料结构设计。具有设计域拓宽，减重效率，疲劳寿命提高，实现承载、耐热、抗蚀等多功能一体化的优势。

功能结构一体化设计

结构功能一体化是指将功能系统融入到结构中，充分共用结构，可以消除结构冗余起到精简结构、减轻重量的作用。可以将宏观和微观结构设计和功能设计融于一体，结构同时具备承载、多种功能的特性，可减重 50% 以上，并根据需求实现隐身、变体、耐热、自洁、减振降噪、健康监控等多功能。

铝合金制作的框梁一体化部件比钛合金减重38%

在设计方法上王向明提出了多约束协同设计的方法。我们知道传统的设计是一个串行的设计模式，需要将强度/刚度、寿命、功能、维护、材料、制造、周期等工作环节按顺序逐个解决，但是这种工作模式周期长、容易返工。王向明提出的多约束协同设计是将这些需要设计的要素提前到设计源头加以考虑。将各设计要素允许使用的参数值先全部拿出来，选择交集部分，构成多约束设计域。让设计工作一开始就在这一能够同时满足各项设计要求的区间展开，避免了返工的风险，从而起到了提高研发质量、效率以及缩短设计周期的目的。

针对可制造性，王向明提出了铝合金加强框-翼梁整体件设计/制造一体化方法。选用铝合金预拉伸厚板，通过残余应力对称释放、优化机加工艺路径，实现大长细比框梁一体化部件机加翘曲变形有效控制。相比传统钛合金框梁组合结构，零件可以减少一半，减重超过38%。铝合金的力学性能指标普遍不如钛合金，但是我们可以通过合理的结构设计让铝合金结构件的性能超越钛合金，从而大大降低成本和加工难度。因为钛合金材料不仅成本高而且对加工工艺也是一个挑战，加工刀具寿命短而且容易出现黏连。当然反过来如果用上钛合金，结构性能还能进一步提高。从这里我们可以看到新设计理念对结构设计水平提高做出的巨大贡献。很多人往往以材质使用比例来衡量飞机结构设计水平的思维模型已经落后了。比如按传统设计，五代机的钛合金用量是多少，复合材料用量是多少，看看这些指标就知道一架飞机的结构设计水平了。但现在仅仅看钛合金用量，复合材料用量来推测飞机结构重量、航程等已经不靠谱了，需要综合结构设计理念、制造工艺、材料等多方因素才能得出正确结论。

在设计流程创新方面，王向明提出了“协同设计/制造前移”的快速试制模式。即多专业协同建模以统一数据源。集中参数优化以提高计算精度。联合产品定义以提高设计效率。制造技术前移，边设计、边制造，来缩短研制周期。这一快速试制技术体系包括创新结构支撑、三维/优化设计、无模/敏捷制造、通用/柔性装配、隐身表面高精度控制等技术。借助于这一批先进技术，鹘鹰战斗机快速试制创造了多项纪录。全机重量控制精度提高一个数量级。危险部位减少一半。结构件/工装减少一半，设计制造缩短1/4。鹘鹰2.0曾创造出一个世界纪录那就是结构重量系数达到26.8%，而F22的结构重量系数也不过是27.8%，不要小看这1%的领先，航空工业可是号称为减小每一克升空重量而奋斗的！而且这只是个初步成果，相信经过进一步优化设计的歼-35能再创世界新纪录。

王华明院士（右）

在增材制造（3D打印）领域我们还有另一位领军人物，激光增材制作技术专家王华明院士。早在2003年，两人就展开合作，解决了增材制造主承力结构创新设计难题，零件数量减少2/3、结构减重1/5、疲劳寿命增加1/3。“飞机钛合金大型复杂整体构件激光成形技术”获得了国家技术发明奖一等奖。这让我国成为成为世界上首个将激光增材制造技术用于航空主承力结构的国家。十几年来取得众多应用成果，J-15、运-20、歼-20等都大量使用了激光选区融化增材制造技术。选区熔化增材制造技术可打印出内部形状复杂的轻质功能件，但常规点阵结构的节点承载能力大都不满足飞机功能结构要求。为此，王向明将点阵结构的节点半径作为设计变量，通过形状优化降低应力集中和重量。他提出节点剪切强度计算方法，发现敏感设计参数，并据此建立有效设计手段。打印出散热器、格栅等多种高效功能件，解决了增材高承载功能结构创新设计难题。功效实现质的飞越，功能效率提高一倍、减重近2/5、零件减少95%。为我国成为世界唯一实现增材制造构件在飞机上规模化应用的国家做出了重要贡献。相信各位看到这些技术成果也能明白，我国歼-35战斗机为什么可以用比F35更轻的28吨起飞重量，还能获得超过F35的1250公里的作战半径。