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似水流年

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国家科技奖与歼20  

2013-03-25 12:50:44|  分类: 【军事天地】 |  标签: |举报 |字号 订阅

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       1月18日上午,2012年度中国国家科学技术奖励大会在北京举行。与军事技术直接相关的有,国家最高科学技术奖的2名获奖人,国际著名力学家、中国爆炸力学的奠基人和开拓者之一的郑哲敏院士以及空警2000总设计师王小谟院士;国家技术发明奖一等奖获奖项目——“飞机钛合金大型复杂整体构件激光成形技术” 这三个获奖个人和团队的功绩何以被国家如此看重?

    空警2000性能为何全球领先?
国家科技奖与歼20 - 似水流年 - 似水流年 
  空警2000是全球领先的预警机,反应速度快,探测距离最远。

      空警2000是中国空军现役的大型预警机,也是目前世界上少有几款采用相控阵雷达的预警机之一。其实早在2009年的60周年国庆阅兵式上,空警2000预警机就已在世人面前的亮相,《兵器知识》、《南方周末》09年也已分别采访了空警2000的总设计师王小谟院士、副总设计师曹晨。在这两篇访谈中,可以得出结论,中国预警机在技术上已处于世界领先地位。

      空警2000为何是世界领先?这得从有源相控阵三坐标雷达谈起,有源相控阵三坐标雷达在体制上比起美军E-3C预警机所采用的机械扫描三坐标雷达领先一代。有源相控阵雷达是电扫描雷达,天线由数千个T/R收发组件组成,每个T/R收发组件可以独立发射和接受雷达波,数千个T/R组件的雷达波束在计算机控制下合成一个或多个强波束,在三维空间内扫描,探测和跟踪目标。而机械扫描三坐标雷达只有一个主波束,水平方向进行机械扫描,垂直方向上采用频扫方式。

      具体讲,美军E-3C预警机的机械扫描雷达,天线每分钟转动6圈,对一个目标的扫描周期为10秒,发现一个目标并建立起跟踪航迹,需要3~6次扫描,用时30~60秒。而空警2000的雷达在发现目标后,可以在瞬间调动波束对该目标加强扫描,建立跟踪航迹,整个过程最长用时在10秒左右,比E-3C要快3-6倍。反应速度优势对“每秒必争”的空战是非常重要的。

      而相控阵雷达的波束由计算机控制成形,比机械扫描雷达,波束更窄,这意味着雷达分辨率更高,可以引导战斗机以更加精确的航线去拦截敌机。窄波束还具有抗干扰能力更强、抗地面(海面)杂波能力更强的优势。

      中国陆军的集团军是由若干个师、旅编成的基本战役军团,由多兵种合成。设有领导机关,编有由步兵、装甲兵、炮兵、防空兵、工程兵、通信兵、防化兵、电子对抗兵等兵种或专业兵组成的战斗部队和勤务保障部队。军区直属的陆航旅(团)在战时也会加强到集团军。

      前面提到空警2000只是世界上多款采用相控阵雷达的预警机之一,空警2000在同类机中的优势则在于王小谟院士创造性地提出了三面阵和二维有源阵的设计方案。空警2000拥有世界上最大的雷达天线罩,呈三角形布置有三面世界上孔径最大的有源相控阵雷达天线,完成360度覆盖。其它采用相控阵雷达的预警机由于天线布置限制,则总会有90度以上的探测盲区。国外唯一例外是以色列出口印度的费尔康预警机,这是因为以方也采用了王小谟院士提出的三面阵方案。但印度费尔康预警机的天线孔径不及空警2000,这意味着在探测距离上不如空警2000。

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       美军E-3C预警机,注意其雷达天线罩是旋转的。E-3C的雷达天线每分钟转动6圈,对一个目标的扫描周期为10秒,发现一个目标并建立起跟踪航迹,需要3~6次扫描,用时30~60秒。而空警2000的雷达在发现目标后,可以在瞬间调动波束对该目标加强扫描,建立跟踪航迹,整个过程最长用时在10秒左右,比E-3C要快3-6倍。

      对于目前中国周边形势来说,日本在钓鱼岛对峙中动用了E-2C预警机,但E-2C对第3代战斗机目标发现距离为350公里,而空警2000可以接近500公里。空警2000在浙江近海巡航即可掌握钓鱼岛空情,并对更靠后的日本E-2C预警机精确跟踪。这种优势,正是中国可以在钓鱼岛毫不退让的实力后盾,而日本只能不断向美国求援。人们总是问,中国陆军令人放心,但海、空军呢?其实答案早已公布,只是长期的不自信左右了很多人的判断,或许王小谟院士这次“加冕”可以令公众建立起对空军装备的信任。国家最高科学技术奖是中国科学界的最高荣誉,王小谟院士是该奖项设置13年来首位获奖的军工专家,与解决10多亿人吃饭问题的袁隆平院士齐名,这足见军队、国家对空警2000性能之满意。

      王小谟院士、曹晨副总师还有一种品质,他们在访谈中毫不违言以色列对空警2000研制的贡献,这在讲究面子的国内军工行业中是难能可贵的。2000年前后,中国曾向以色列订购了4架费尔康预警机,交易最终在美国压力下取消,但以色列方面向中国同行传授了很多经验和技术指导,这使得空警2000可以在短时间内就能投入批量制造。

   被忽略的歼20未来制造技术

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      图中可见美国F-22战机的整体式钛合金机身加强框。F-22的机身加强框为“整体制造”。即是将一整块钛合金先通过锻造工艺,获得更强的承力性能,然后进行切削加工,获得所需的复杂形状。这种整体切削加工使F-22机身加强框承力性能再上一个新台阶。但切削加工对材料浪费是极其严重的,材料的利用率不到4. 9%。王华明团队的钛合金3D打印技术可以避免这种浪费。

      国家科学技术奖励大会召开后,央视、新华社等众多媒体对王小谟院士、空警2000进行了更多的补充报道。但人们忽略了“飞机钛合金大型复杂整体构件激光成形技术”这个国家科学技术进步奖一等奖获奖项目。

      这个项目应该还属于保密内容,众多媒体报道中只是简略地提了一句,科技部网站的2012年度国家技术发明奖获奖项目目录则压根不予披露,目录里的国家科学技术进步奖一等奖获奖只列了其余2个通用项目。但我们还是可以从公开报道中对该项目有一个基本了解。

      早在奖励大会召开前的1月13日,兴业证券公司发布的《机械行业价值周报》就提到,中航重机子公司中航激光王华明团队研发的“3D激光快速成型技术”将获2012年度国家技术发明奖一等奖(这里应是兴业证券将奖项弄错)。有意思的是,证券业界其后普遍质疑兴业报告是操纵股市需要,因为中航重机股价在消息刺激下其后两天连续涨停。

      但笔者认为,这一技术的意义价值远远超过中航重机股价上升,对中国先进军机制造的意义是无法用金钱来衡量的。

      什么是“飞机钛合金大型复杂整体构件激光成形技术”?或许“3D激光打印技术”会让人更容易明白。该项技术就是通过3D激光打印来制造飞机钛合金大型复杂整体构件。

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       国产C919大型客机的机头,注意其驾驶室主风挡玻璃只有4块,大面积挡风玻璃设计要求窗框能承受高速飞行带来的极大动压。2009年,王明华团队利用激光3D打印技术制造出我国自主研发的大型客机C919的主风挡窗框,在此之前只有欧洲一家公司能够做,仅每件模具费就高达50万美元,而利用激光快速成形技术制作的零件成本不及模具的1/10。

       那么什么是“飞机钛合金大型复杂整体构件”?“构件”即是用于承力的飞机结构部件,“整体”即是整体式的,不是焊接或铆接拼接而成的,“复杂”是指该部件三维形状复杂,“钛合金”、“大型”这相信都容易理解。具体讲,“钛合金大型复杂构件”比铝合金构件承力性能好,但加工难度大、造价高,只有高端重型战斗机才有资格采用,如俄罗斯的苏27、中国的歼11、歼20、美国的F-15和F-22,而米格29、歼10、F-16、F-35等知名低端搭配机种都无缘使用。

       战斗机的最大型钛合金构件是主翼部位的机身加强框。第三代战斗机苏27、歼11、F-15的机身加强框由于当时工艺所限,由多个小型钛合金部件焊接而成的,承力性能提升仍不够。到第四代战斗机,由于设置有大型机身弹舱,对机身加强框承力性能要求更高,所以美国F-22的机身加强框改为“整体制造”。即是将一整块钛合金先通过锻造工艺,获得更强的承力性能,然后进行切削加工,获得所需的复杂形状。这种整体切削加工使F-22机身加强框承力性能再上一个新台阶。但切削加工对材料浪费是极其严重的,F-22机身加强框毛坯模锻件重达2796千克,而实际成形件重量不足144千克,材料的利用率不到4. 9%。这可是价格昂贵的钛合金,所以F-22战机1亿多美元的单价是有原因的。

      但王华明团队通过3D激光打印来制造飞机钛合金大型复杂整体构件,在获得同样性能的同时,可以大幅降低造价。《中国航空报》1月10日刊登了对王华明教授的专访报道。报道中提到,王华明教授通过3D激光打印飞机构件综合力学性能达到或超过钛合金模锻件水平。

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      目前国外大型民航客机中只有波音787采用了与C919同样的风挡设计。但国外切削加工而成的窗框造价要比王华明团队采用激光3D打印技术制造的高10倍以上。

       报道提到的技术具体成果有:2005年7月成功实现激光快速成形TA15钛合金飞机角盒、TC4钛合金飞机座椅支座及腹鳍接头等4种飞机钛合金次承力结构件在3种飞机上的装机应用,零件材料利用率提高了5倍、周期缩短了2/3、成本降低了1/2以上;制造出了迄今世界尺寸最大的飞机钛合金大型结构件激光快速成形工程化成套设备,其零件激光融化沉积真空腔尺寸达4000mm×3000mm×2000mm;2009年,王明华团队利用激光快速成形技术制造出我国自主研发的大型客机C919的主风挡窗框,在此之前只有欧洲一家公司能够做,仅每件模具费就高达50万美元,而利用激光快速成形技术制作的零件成本不及模具的1/10;2010年,利用激光直接制造C919达中央翼根肋,传统锻件毛坯重达1607千克,而利用激光成形技术制造的精坯重量仅为136千克,节省了91.5%的材料,并且经过性能测试,其性能比传统锻件还要好。

      注意前段所提到的3D激光打印设备的零件激光融化沉积真空腔尺寸,4000mm×3000mm×2000mm的尺寸意味着加工歼20战机的机身加强框已无任何问题。这一技术如果用在歼20战机未来的批量生产上,将有助于降低飞机造价。而中国还在研制运20大型运输机、生产歼11、歼15、歼16重型战机,钛合金3D打印技术都有助于提高它们性能和降低造价。

      最近一年来,激光3D打印技术受到了科技界、媒体界的极力追捧。国内还有些媒体提出“3D打印技术剥夺中国世界工厂地位”的担忧。王明华教授团队成果应该可以给予国人更多信心,要求最高的飞机钛合金大型复杂构件,中国人都用激光3D打印技术制造出来了,技术上还有什么需要过分担心的?或许真正的问题在于,如何将这些高端技术在国内制造业推广开来。

      结语:空警2000预警机技术是中国空军转型为攻势空军的核心系统之一;而3D打印技术则代表了制造业的未来发展方向。虽然尚不知郑哲敏院士的具体获奖成果,但从这两项技术来看,中国军工业在尖端领域已经具备了和世界先进国家比肩的实力。


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