為了打造殲35，我們都動用了哪些黑科技？

導(dǎo)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(zhàn)斗機。目前，全世界掌握第五代戰(zhàn)斗機技術(shù)的國家只有中美俄三國，已經(jīng)批量生產(chǎn)并投入實戰(zhàn)部署的只有美國的F-22、F-35和中國的殲-20。掌握第五代戰(zhàn)斗機技術(shù)，意味著掌握當(dāng)今世界最尖端的軍事裝備，最先進的材料技術(shù)、信息技術(shù)、雷達技術(shù)、航發(fā)技術(shù)、航電技術(shù)， 最高端的設(shè)計制造能力和完備的工業(yè)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(xué)院院長、新一代艦載戰(zhàn)斗機（殲35）型號總設(shè)計師孫聰所做的題為“戰(zhàn)斗機的技術(shù)發(fā)展”的專題報告會。該報告系統(tǒng)梳理了戰(zhàn)斗機的技術(shù)發(fā)展，重點回顧了國產(chǎn)戰(zhàn)斗機的創(chuàng)新研發(fā)之路，并結(jié)合當(dāng)前技術(shù)發(fā)展與布局，研判未來戰(zhàn)斗機技術(shù)發(fā)展趨勢。

黑科技幫助中國超越美國

殲-35作為下一代國產(chǎn)航母配套研發(fā)的艦載戰(zhàn)斗機，承載著中國人上九天攬月，下五洋捉鱉的夢想，承擔(dān)著中國軍事力量投送全球，捍衛(wèi)國家利益和主權(quán)完整的神圣使命，是中華民族偉大復(fù)興進程中的重要保障。立項之初就是以世界領(lǐng)先的戰(zhàn)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(huán)視世界，潛在對手主要是美國的F-35艦載戰(zhàn)斗機，那么殲-35是否能在未來潛在的戰(zhàn)爭中克制美國F-35，又是如何做到呢？

中國殲-35領(lǐng)先美國F-35領(lǐng)先的技術(shù)其實有很多。今天我們就來聊一聊殲-35的機體結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造工藝，這是我們領(lǐng)先于美國F-35的核心技術(shù)領(lǐng)域。

首先殲35在生產(chǎn)工藝上開創(chuàng)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(yè)第一次領(lǐng)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(jié)構(gòu)上能明顯減重，在設(shè)計上能獲得更大的機內(nèi)可用空間，在生產(chǎn)上能顯著節(jié)約工時，在后勤上因為少了大量應(yīng)力集中部位，也能提升不小的壽命。

王向明

在這一技術(shù)領(lǐng)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(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)軍人物王向明。他現(xiàn)任航空工業(yè)集團沈陽飛機設(shè)計研究所項目總設(shè)計師、某部先進制造技術(shù)專業(yè)組增材制造責(zé)任專家。同時還是“鶻鷹”飛機常務(wù)副總設(shè)計師、航空工業(yè)集團增材制造（3D打印）首席專家、創(chuàng)新結(jié)構(gòu)原國防“973”技術(shù)首席、飛行器新概念結(jié)構(gòu)航空科技重點實驗室主任。我們知道飛機機體結(jié)構(gòu)占飛機空重通常都在45%以上，飛機要想提高性能就要在結(jié)構(gòu)上下功夫，在滿足結(jié)構(gòu)、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(zhàn)斗機必然要高度關(guān)注的技術(shù)領(lǐng)域。因為通常陸基戰(zhàn)斗機改型上艦都會大幅增加結(jié)構(gòu)重量，這會導(dǎo)致飛機性能出現(xiàn)大幅下降。例如美國F-18戰(zhàn)斗機改型上艦，結(jié)構(gòu)重量就提高了接近兩噸的重量。

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

構(gòu)型拓撲化依賴于增材制造（3D打印）技術(shù)

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

梯度復(fù)合化

梯度復(fù)合化是指借助于增材制造（3D打印）技術(shù)將不同材料復(fù)合為整體，實現(xiàn)材料合理布局、無連接、均勻過渡。可以根據(jù)需求按強度、剛度、壽命、功能進行材料結(jié)構(gòu)設(shè)計。具有設(shè)計域拓寬，減重效率，疲勞壽命提高，實現(xiàn)承載、耐熱、抗蝕等多功能一體化的優(yōu)勢。

功能結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計

結(jié)構(gòu)功能一體化是指將功能系統(tǒng)融入到結(jié)構(gòu)中，充分共用結(jié)構(gòu)，可以消除結(jié)構(gòu)冗余起到精簡結(jié)構(gòu)、減輕重量的作用。可以將宏觀和微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計和功能設(shè)計融于一體，結(jié)構(gòu)同時具備承載、多種功能的特性，可減重 50% 以上，并根據(jù)需求實現(xiàn)隱身、變體、耐熱、自潔、減振降噪、健康監(jiān)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(shè)計方法上王向明提出了多約束協(xié)同設(shè)計的方法。我們知道傳統(tǒng)的設(shè)計是一個串行的設(shè)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(huán)節(jié)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(xié)同設(shè)計是將這些需要設(shè)計的要素提前到設(shè)計源頭加以考慮。將各設(shè)計要素允許使用的參數(shù)值先全部拿出來，選擇交集部分，構(gòu)成多約束設(shè)計域。讓設(shè)計工作一開始就在這一能夠同時滿足各項設(shè)計要求的區(qū)間展開，避免了返工的風(fēng)險，從而起到了提高研發(fā)質(zhì)量、效率以及縮短設(shè)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(shè)計/制造一體化方法。選用鋁合金預(yù)拉伸厚板，通過殘余應(yīng)力對稱釋放、優(yōu)化機加工藝路徑，實現(xiàn)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(tǒng)鈦合金框梁組合結(jié)構(gòu)，零件可以減少一半，減重超過38%。鋁合金的力學(xué)性能指標普遍不如鈦合金，但是我們可以通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計讓鋁合金結(jié)構(gòu)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(zhàn)，加工刀具壽命短而且容易出現(xiàn)黏連。當(dāng)然反過來如果用上鈦合金，結(jié)構(gòu)性能還能進一步提高。從這里我們可以看到新設(shè)計理念對結(jié)構(gòu)設(shè)計水平提高做出的巨大貢獻。很多人往往以材質(zhì)使用比例來衡量飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計水平的思維模型已經(jīng)落后了。比如按傳統(tǒng)設(shè)計，五代機的鈦合金用量是多少，復(fù)合材料用量是多少，看看這些指標就知道一架飛機的結(jié)構(gòu)設(shè)計水平了。但現(xiàn)在僅僅看鈦合金用量，復(fù)合材料用量來推測飛機結(jié)構(gòu)重量、航程等已經(jīng)不靠譜了，需要綜合結(jié)構(gòu)設(shè)計理念、制造工藝、材料等多方因素才能得出正確結(jié)論。

在設(shè)計流程創(chuàng)新方面，王向明提出了“協(xié)同設(shè)計/制造前移”的快速試制模式。即多專業(yè)協(xié)同建模以統(tǒng)一數(shù)據(jù)源。集中參數(shù)優(yōu)化以提高計算精度。聯(lián)合產(chǎn)品定義以提高設(shè)計效率。制造技術(shù)前移，邊設(shè)計、邊制造，來縮短研制周期。這一快速試制技術(shù)體系包括創(chuàng)新結(jié)構(gòu)支撐、三維/優(yōu)化設(shè)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(shù)。借助于這一批先進技術(shù)，鶻鷹戰(zhàn)斗機快速試制創(chuàng)造了多項紀錄。全機重量控制精度提高一個數(shù)量級。危險部位減少一半。結(jié)構(gòu)件/工裝減少一半，設(shè)計制造縮短1/4。鶻鷹2.0曾創(chuàng)造出一個世界紀錄那就是結(jié)構(gòu)重量系數(shù)達到26.8%，而F22的結(jié)構(gòu)重量系數(shù)也不過是27.8%，不要小看這1%的領(lǐng)先，航空工業(yè)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(jīng)過進一步優(yōu)化設(shè)計的殲-35能再創(chuàng)世界新紀錄。

王華明院士（右）

在增材制造（3D打印）領(lǐng)域我們還有另一位領(lǐng)軍人物，激光增材制作技術(shù)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(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計難題，零件數(shù)量減少2/3、結(jié)構(gòu)減重1/5、疲勞壽命增加1/3。“飛機鈦合金大型復(fù)雜整體構(gòu)件激光成形技術(shù)”獲得了國家技術(shù)發(fā)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(shù)用于航空主承力結(jié)構(gòu)的國家。十幾年來取得眾多應(yīng)用成果，J-15、運-20、殲-20等都大量使用了激光選區(qū)融化增材制造技術(shù)。選區(qū)熔化增材制造技術(shù)可打印出內(nèi)部形狀復(fù)雜的輕質(zhì)功能件，但常規(guī)點陣結(jié)構(gòu)的節(jié)點承載能力大都不滿足飛機功能結(jié)構(gòu)要求。為此，王向明將點陣結(jié)構(gòu)的節(jié)點半徑作為設(shè)計變量，通過形狀優(yōu)化降低應(yīng)力集中和重量。他提出節(jié)點剪切強度計算方法，發(fā)現(xiàn)敏感設(shè)計參數(shù)，并據(jù)此建立有效設(shè)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(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計難題。功效實現(xiàn)質(zhì)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(xiàn)增材制造構(gòu)件在飛機上規(guī)模化應(yīng)用的國家做出了重要貢獻。相信各位看到這些技術(shù)成果也能明白，我國殲-35戰(zhàn)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(zhàn)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(jié)構(gòu)設(shè)計制造領(lǐng)域取得的一系列科技成果來看，我國在飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計制造領(lǐng)域的技術(shù)水平是世界領(lǐng)先水平的。在結(jié)構(gòu)設(shè)計理念、設(shè)計方法、制造工藝等技術(shù)方向上我們已經(jīng)建立起自己的技術(shù)優(yōu)勢。相信用這些黑科技打造出來的殲-35隱身艦載戰(zhàn)斗機一定會在戰(zhàn)場上取得壓倒性技術(shù)優(yōu)勢！

文章來源：“戰(zhàn)斗機的技術(shù)發(fā)展”的專題報告會、公眾號：“青少年科技創(chuàng)新教育”

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