前言
前段時間，美國可能對我國禁售航空發動機的新聞，著實人們緊張了一陣子，雖然事後證明虛驚一場，但其中反映出的問題不得不讓人深思。 這一幕沒有結結實實地出現在我們的C919大飛機項目上，但俄羅斯的MC-21卻成了西方航空技術霸權的受害者，“福禍相依”，美國製裁也倒逼著俄羅斯加快了航空工業整合和國產替代計劃實施。
MC-21意為“21世紀幹線飛機”，是俄羅斯當前重點支持發展的中程幹線民用航空產品，也是時隔多年之後首次研製這一級別的大飛機，不僅承擔著“圖-154、空客A320、波音737等一系列機型替代機”的重任，還被賦予對標A320NEO、波音737MAX等新產品的競爭性使命。這款飛機對於俄羅斯重塑航空大國地位的重要性，不亞於C919是我國大飛機行業“開宗立派”的象徵性意義。
伊爾庫特第一架MC-21出廠儀式，必須像手機發佈會一樣炫酷
然而，隨著美俄矛盾的加深，美國近年來不斷加強對俄的制裁措施，終於在去年美國Hexcel（赫氏）公司和日本東麗公司中斷了俄羅斯MC-21複合材料機翼所需要的碳纖維和預浸料產品供應，頓時給MC-21項目造成了難以挽回的損失和不可避免的延期。熟知航空材料的朋友們可能知道，高端複合材料從原料、製備工藝、加工設備和鋪設手段都被美國、日本和歐洲的各個公司所壟斷，航空復材之難不次於航空發動機之困，”一代材料、一代裝備“的老話誠不我欺。
美國勢必銳公司自費對日本東麗T1100/3960碳纖維預浸料進行認證
希望之星、暗藏隱憂，MC-21使用的新技術
在MC-21項目之前，俄羅斯的SSJ100（蘇霍伊超級噴氣100）支線客機已經充當了一把探路石，而且該項目的成功建立在深度國際合作的基礎上，喜悅遮蔽了俄羅斯人的眼眸。SSJ100飛機幾乎所有的機載設備都來自國外（比如其俄法合作的發動機SaM-146也是主要依靠法國斯奈克瑪提供核心機技術），就連設計也是在美歐航空企業的指導下進行的，是第一種完全按照西方標準研製的俄式民用客機，當然大量使用西方技術和產品的好處是，項目進度快，在美歐適航取證更容易，當然想把該機轉為軍用也是不可能的了。
俄法合作SaM-146發動機，斯奈克瑪掌握核心科技
大量使用西方技術和設備讓SSJ100項目在俄羅斯國內飽受詬病，關於是否國產機的爭論同樣在俄羅斯鬧的沸沸揚揚，當然蘇聯曾經“輝煌”一時的大飛機工業歷史，也讓俄羅斯政府不滿足於“借雞生蛋”。於是，在MC-21項目立項之初，俄羅斯政府就規定該項目每一個重要機載系統都必要要有一家俄羅斯供應商參與或者成為備選，MC-21全機大約50%的部件和系統應產自俄羅斯國內。作為俄羅斯“國產”大飛機的希望之星，MC-21受到了自上而下的鼎力支持，俄聯邦政府簽署了生產和維護MC-21項目的補貼法令，伊爾庫特公司預警項目總投入將超過70億美元，俄羅斯技術國家公司計劃提供7.7億美金協助項目發展。
很快將從備胎轉為正式的PD-14大涵道比發動機，雖然涵道比也只有8.6
當然，MC-21項目在俄國內名聲之重，也決定了其技術定調必然不低，全機在材料、航電、飛控、機電、發動機、氣動設計等領域引入了大量新技術，性能目標要使飛機效率較波音737NG和空客A320提高20-25%，複合材料在全機結構重量佔比超過40%，超臨界機翼設計和普惠公司P1400G系列齒輪渦扇發動機的選項，也讓項目亮眼不少。但是過多的新技術佔比與俄羅斯多年大飛機技術發展的停滯現實是不匹配的，此舉必然會給整個項目埋下隱憂。
俄羅斯規劃了從PD-14到PD-35等一些列航空發動機項目
在這眾多的新技術之中，最引人注目的除了作為普惠發動機備胎的自制PD-14大涵道比發動機之外，就數高佔比複合材料機翼了。由於其中央機翼以及機翼、垂尾、平尾的翼盒都採用了碳纖維增強複合材料，使其顏色變為碳纖維的黑色，所以被稱為“MC-21黑色機翼”。大量使用複合材料的好處是顯而易見的，碳纖維機翼結構強度大、重量輕、熱脹冷縮變形小，並且在同類機翼用金屬材料可以做到展弦比10.5的情況下，MC-21的複合材料機翼可以做到11.5，使其獲得更好的氣動性能（巡航狀態升阻比增高約5%，同比燃油消耗率降低約6%）。大量使用複合材料部件，帶來的一大問題是碳纖維鋪層和復材主承力部件製造工藝如何解決？
MC-21最值得稱道的碳纖維複合材料“黑色”機翼
為了提高勞動生產率、保障大量使用復材的經濟性，俄羅斯企業從國外進口了碳纖維鋪層機器人，能夠在1小時內完成傳統工藝下10人一天的工作量，然而遺憾的是碳纖維鋪層裝備的核心技術仍然掌握在美歐個別公司手裡；至於主要承力複合材料部件，以往通常使用熱壓罐固化成型工藝，但是這種傳統工藝存在能耗高、生產效率低、大尺寸零件生產受限、良品率控制難等諸多問題，俄羅斯MC-21首次採用了非熱壓罐成形工藝製造複合材料主承力部件，然而這種新技術目前也只掌握在歐洲兩家公司手裡（MC-21項目的主要承力複合材料部件由奧地利FACC公司製造）。
俄航空複合材料公司採用機器人設備進行MS-21機翼下部面板碳纖維鋪層
再說說PD-14發動機，隨著美國製裁愈演愈烈，這款原本作為備胎的發動機在“美國普惠P1400G發動機進口岌岌可危”的情況下加速轉正。全俄航材研究院為這款發動機研製了20餘種新材料；中央航空發動機研究院為其開發了16項新技術，包括鈦合金寬弦空心風扇葉片、陶瓷基塗層熱鍛部件、高壓渦輪單晶葉片等等，並且在發動機反推裝置上使用“電動反推”裝置取代了傳統的“液壓反推”，降低發動機的整體重量，並以此節約4%的燃油消耗，但是反推裝置的格柵葉片和發動機其他部位使用的碳纖維複合材料依然需要依賴從日本進口。
這是美國普惠公司的PW1400G發動機，目前仍在俄羅斯新型MC-21中程飛機上使用
PD-14發動機的反推裝置剖面
複合材料斷供的影響
本文並非探討某些材料俄羅斯短期內能不能研發出來，而是復材這種東西在實驗室裡做出來和批量生產是兩碼事，這也適用於其他新材料和新材料部件的開發、製造。有些材料或者新材料部件可以在特定環境下“偶然”做出來，但是由於工藝水平和製造技術不成熟，無法控制批次質量穩定性，廢品率非常高，這不僅在民用航空領域中是無法使用的，即使是軍機也很難接受。
但是，現代航空工業的發展已經造成“碳纖維複合材料在飛機上的使用量和使用部位，已經成為衡量飛機結構先進性的重要指標”這一局面，複合材料佔比太低的飛機，始終難以稱得上先進，美歐目前先進大飛機的碳纖維複合材料結構重量佔比已經達到50%左右，未來還會進一步增高，MC-21項目40%的復材佔比雖稱不上頂尖，也算是邁入先進行列的門檻，這對於俄羅斯來說已經算是難能可貴。
PD-14發動機在臺架上進行引擎聲學測試技術演示
但是在享受“先進”名聲的同時，卻也要忍受著“沒有掌握核心技術”之痛。為了引進、使用、掌握碳纖維複合材料及其加工製造技術，俄羅斯航空複合材料公司與西方供應商開始進行密切合作。2009年開始，日本東麗、美國Hexcel（赫氏）、美國Cytec（氰特）開始向俄羅斯供應碳纖維（碳纖維樹脂基複合材料裡的增強體）和環氧樹脂（碳纖維樹脂基複合材料裡的基體），這些日本和美國公司幾乎100%壟斷世界高端碳纖維供應（例如高強度系列的T800、T1000；高模量系列裡的M60J、M65J這些碳纖維材料的出口被西方嚴格限制，那是拿著錢都買不到的）。MC-21飛機的複合材料機翼原型件和翼盒則由奧地利FACC公司和鑽石飛機公司製造；碳纖維鋪設自動化設備是西班牙的Torres公司提供（且這種設備的規格和種類也被限制）；相關的浸漬設備由法國Stevic公司提供。總體看來，MC-21的黑色機翼雖然名義上說是俄羅斯航空複合材料公司製造的，但是從原材料、加工工藝到製造設備均是美日歐提供，換言之“複合材料帶來的性能提升”隨時可以被美國掐斷，美國一聲令下，日本不就迅速中斷了價值不菲的碳纖維供應（美日也只提供接近T800級別的碳纖維，更高端的材料原本就不出售給俄羅斯）。
俄羅斯車間內機器人根據程序對面板，側梁和其他機翼元件的碳纖維帶層進行鋪設，工藝和設備都來自歐洲
2018年起，美國就開始制裁俄羅斯11家企業，其中約有一半涉及航空航天領域，理由是“這些公司從事與美國利益相矛盾的軍民兩用技術”。2019年1月，美國和日本的公司開始中止向俄羅斯企業提供碳纖維和環氧樹脂產品，俄羅斯提前囤貨的原材料僅供打造六架MC-21原型機。2019年2月，俄羅斯宣佈將使用比利時索維爾公司的碳纖維作為替代品，然而索維爾只能提供T300和T600級別的碳纖維預浸料，根本無法與T800系列產品相提並論，並且比利時索維爾公司也可能時刻受美國態度影響中斷供應（索維爾收購了美國氰特公司）。
同時，美日斷供碳纖維剛好恰在MC-21項目在歐洲航空安全局（EASA）適航取證第一階段試驗之際，原材料變化導致取證工作嚴重被幹擾。我們知道一款民用客機若想要推向國際市場，獲取歐洲航空安全局（EASA）和美國聯邦航空管理局（FAA）的認證基本上是必須的。而且，俄羅斯用於EASA取證試驗的飛機裝配的還是普惠公司的發動機，如果將來換裝PD-14基本上可以說是取證無望，裝配PD-14的飛機幾乎只能用於其國內航線了。可以說，關鍵材料、發動機和適航取證，已經成為其他國家大飛機產業挑戰西方民用航空壟斷的三座大山。斷供復材的結果也顯而易見，原本打算2019年量產的MC-21飛機，到今年年末都量產無望了，解決原材料和發動機問題成立項目的頭等大事。
伊爾庫茨克航空工廠MC-21飛機機身內中央框架部分
俄羅斯暫無有效的應對辦法
首先，俄羅斯已經提起相關訴訟，要求這些西方企業恢復供貨或者提供賠償，但是此舉於事無補。其次，俄羅斯開始全力尋找替代產品和設備，但是目前能夠提供替代品的國家或者企業基本都受美國影響。再次，俄羅斯加快國產化研究進程，但是由於缺乏設計經驗和技術積累，短時間內難以奏效。例如，俄羅斯宣佈將首先尋求替代機翼中的複合材料，預計將在兩年內完成全部工作。然而實際情況是，俄羅斯碳纖維研製和生產能力排名第一的Umatex公司雖然已經可以開發200多種複合材料織物和20多種預浸料產品，但是該公司目前能夠生產的所有牌號碳纖維材料都與T800級別的產品相距甚遠，何時能夠開發出這種產品不得而知，而且如我們上文所述，開發出來以後何時具備穩定可靠的生產工藝更是不得而知。最後，即使有了原材料，俄羅斯也沒有類似的碳纖維材料大型結構部件設計經驗，MC-21的複合材料原型件都是奧地利FACC和鑽石飛機公司設計、提供的，但是目前只為其設計了MC-21-300系列飛機的主要結構件，未來MC-21項目如果要將原計劃中的MC-21-400付諸實施，那時複合材料機翼面積大幅增加的原型件又該由誰來提供呢？
俄羅斯UMATEX下屬Prepreg-SKM公司碳纖維主要產品參數
由此，我們可以看出俄羅斯目前還缺乏有效的應對辦法，而“降低碳纖維複合材料”的佔比其實是在沒有掌握核心技術的條件下，最穩妥的發展辦法。從俄羅斯大飛機項目所遭遇的窘境之中，我們也應當引以為鑑，被美國波音和歐洲空客長期壟斷的民用航空市場，自然對後來者防範頗深，這裡的複合材料斷供也只是西方的競爭手段之一，未來俄羅斯還將面臨更多的困難。對於我們來說，加快複合材料、關鍵元器件的研發，加強工藝設備和基礎設施投入，加大材料結構工藝扶持力度是當務之急。
日本各種碳纖維牌號的性能圖示
題外話
上文我們頻繁提到了奧地利FACC（未來複合材料公司），這家複合材料結構件製造商在2009年已經被我國中航工業西飛公司收購，也算是提前佈局復材部件高端加工、設計領域了。這家奧地利公司掌握著航空製造的顛覆性技術“非熱壓罐成型技術”。當前世界上的大飛機，即使先進如波音787、空客A350的複合材料機翼主承力部件都還是使用“碳纖維預浸料鋪設成型，大型熱壓罐固化”的傳統工藝，但是其能耗高、效率低、良品率低，使得製造成本十分高昂；而非熱壓罐成型技術就是在固化過程中不適用熱壓罐，而是直接使用幹纖維液成型或預浸料真空成型，這樣造出的複合材料結構件重量更輕、成本和能耗也更低，並且高質量的非熱壓罐成功工藝生產的產品的孔隙率也很低，這種技術將成為未來航空業複合材料承力結構件製造的主力技術。
閱讀更多 裝備空間 的文章
