前言
前段时间，美国可能对我国禁售航空发动机的新闻，着实人们紧张了一阵子，虽然事后证明虚惊一场，但其中反映出的问题不得不让人深思。 这一幕没有结结实实地出现在我们的C919大飞机项目上，但俄罗斯的MC-21却成了西方航空技术霸权的受害者，“福祸相依”，美国制裁也倒逼着俄罗斯加快了航空工业整合和国产替代计划实施。
MC-21意为“21世纪干线飞机”，是俄罗斯当前重点支持发展的中程干线民用航空产品，也是时隔多年之后首次研制这一级别的大飞机，不仅承担着“图-154、空客A320、波音737等一系列机型替代机”的重任，还被赋予对标A320NEO、波音737MAX等新产品的竞争性使命。这款飞机对于俄罗斯重塑航空大国地位的重要性，不亚于C919是我国大飞机行业“开宗立派”的象征性意义。
伊尔库特第一架MC-21出厂仪式，必须像手机发布会一样炫酷
然而，随着美俄矛盾的加深，美国近年来不断加强对俄的制裁措施，终于在去年美国Hexcel（赫氏）公司和日本东丽公司中断了俄罗斯MC-21复合材料机翼所需要的碳纤维和预浸料产品供应，顿时给MC-21项目造成了难以挽回的损失和不可避免的延期。熟知航空材料的朋友们可能知道，高端复合材料从原料、制备工艺、加工设备和铺设手段都被美国、日本和欧洲的各个公司所垄断，航空复材之难不次于航空发动机之困，”一代材料、一代装备“的老话诚不我欺。
美国势必锐公司自费对日本东丽T1100/3960碳纤维预浸料进行认证
希望之星、暗藏隐忧，MC-21使用的新技术
在MC-21项目之前，俄罗斯的SSJ100（苏霍伊超级喷气100）支线客机已经充当了一把探路石，而且该项目的成功建立在深度国际合作的基础上，喜悦遮蔽了俄罗斯人的眼眸。SSJ100飞机几乎所有的机载设备都来自国外（比如其俄法合作的发动机SaM-146也是主要依靠法国斯奈克玛提供核心机技术），就连设计也是在美欧航空企业的指导下进行的，是第一种完全按照西方标准研制的俄式民用客机，当然大量使用西方技术和产品的好处是，项目进度快，在美欧适航取证更容易，当然想把该机转为军用也是不可能的了。
俄法合作SaM-146发动机，斯奈克玛掌握核心科技
大量使用西方技术和设备让SSJ100项目在俄罗斯国内饱受诟病，关于是否国产机的争论同样在俄罗斯闹的沸沸扬扬，当然苏联曾经“辉煌”一时的大飞机工业历史，也让俄罗斯政府不满足于“借鸡生蛋”。于是，在MC-21项目立项之初，俄罗斯政府就规定该项目每一个重要机载系统都必要要有一家俄罗斯供应商参与或者成为备选，MC-21全机大约50%的部件和系统应产自俄罗斯国内。作为俄罗斯“国产”大飞机的希望之星，MC-21受到了自上而下的鼎力支持，俄联邦政府签署了生产和维护MC-21项目的补贴法令，伊尔库特公司预警项目总投入将超过70亿美元，俄罗斯技术国家公司计划提供7.7亿美金协助项目发展。
很快将从备胎转为正式的PD-14大涵道比发动机，虽然涵道比也只有8.6
当然，MC-21项目在俄国内名声之重，也决定了其技术定调必然不低，全机在材料、航电、飞控、机电、发动机、气动设计等领域引入了大量新技术，性能目标要使飞机效率较波音737NG和空客A320提高20-25%，复合材料在全机结构重量占比超过40%，超临界机翼设计和普惠公司P1400G系列齿轮涡扇发动机的选项，也让项目亮眼不少。但是过多的新技术占比与俄罗斯多年大飞机技术发展的停滞现实是不匹配的，此举必然会给整个项目埋下隐忧。
俄罗斯规划了从PD-14到PD-35等一些列航空发动机项目
在这众多的新技术之中，最引人注目的除了作为普惠发动机备胎的自制PD-14大涵道比发动机之外，就数高占比复合材料机翼了。由于其中央机翼以及机翼、垂尾、平尾的翼盒都采用了碳纤维增强复合材料，使其颜色变为碳纤维的黑色，所以被称为“MC-21黑色机翼”。大量使用复合材料的好处是显而易见的，碳纤维机翼结构强度大、重量轻、热胀冷缩变形小，并且在同类机翼用金属材料可以做到展弦比10.5的情况下，MC-21的复合材料机翼可以做到11.5，使其获得更好的气动性能（巡航状态升阻比增高约5%，同比燃油消耗率降低约6%）。大量使用复合材料部件，带来的一大问题是碳纤维铺层和复材主承力部件制造工艺如何解决？
MC-21最值得称道的碳纤维复合材料“黑色”机翼
为了提高劳动生产率、保障大量使用复材的经济性，俄罗斯企业从国外进口了碳纤维铺层机器人，能够在1小时内完成传统工艺下10人一天的工作量，然而遗憾的是碳纤维铺层装备的核心技术仍然掌握在美欧个别公司手里；至于主要承力复合材料部件，以往通常使用热压罐固化成型工艺，但是这种传统工艺存在能耗高、生产效率低、大尺寸零件生产受限、良品率控制难等诸多问题，俄罗斯MC-21首次采用了非热压罐成形工艺制造复合材料主承力部件，然而这种新技术目前也只掌握在欧洲两家公司手里（MC-21项目的主要承力复合材料部件由奥地利FACC公司制造）。
俄航空复合材料公司采用机器人设备进行MS-21机翼下部面板碳纤维铺层
再说说PD-14发动机，随着美国制裁愈演愈烈，这款原本作为备胎的发动机在“美国普惠P1400G发动机进口岌岌可危”的情况下加速转正。全俄航材研究院为这款发动机研制了20余种新材料；中央航空发动机研究院为其开发了16项新技术，包括钛合金宽弦空心风扇叶片、陶瓷基涂层热锻部件、高压涡轮单晶叶片等等，并且在发动机反推装置上使用“电动反推”装置取代了传统的“液压反推”，降低发动机的整体重量，并以此节约4%的燃油消耗，但是反推装置的格栅叶片和发动机其他部位使用的碳纤维复合材料依然需要依赖从日本进口。
这是美国普惠公司的PW1400G发动机，目前仍在俄罗斯新型MC-21中程飞机上使用
PD-14发动机的反推装置剖面
复合材料断供的影响
本文并非探讨某些材料俄罗斯短期内能不能研发出来，而是复材这种东西在实验室里做出来和批量生产是两码事，这也适用于其他新材料和新材料部件的开发、制造。有些材料或者新材料部件可以在特定环境下“偶然”做出来，但是由于工艺水平和制造技术不成熟，无法控制批次质量稳定性，废品率非常高，这不仅在民用航空领域中是无法使用的，即使是军机也很难接受。
但是，现代航空工业的发展已经造成“碳纤维复合材料在飞机上的使用量和使用部位，已经成为衡量飞机结构先进性的重要指标”这一局面，复合材料占比太低的飞机，始终难以称得上先进，美欧目前先进大飞机的碳纤维复合材料结构重量占比已经达到50%左右，未来还会进一步增高，MC-21项目40%的复材占比虽称不上顶尖，也算是迈入先进行列的门槛，这对于俄罗斯来说已经算是难能可贵。
PD-14发动机在台架上进行引擎声学测试技术演示
但是在享受“先进”名声的同时，却也要忍受着“没有掌握核心技术”之痛。为了引进、使用、掌握碳纤维复合材料及其加工制造技术，俄罗斯航空复合材料公司与西方供应商开始进行密切合作。2009年开始，日本东丽、美国Hexcel（赫氏）、美国Cytec（氰特）开始向俄罗斯供应碳纤维（碳纤维树脂基复合材料里的增强体）和环氧树脂（碳纤维树脂基复合材料里的基体），这些日本和美国公司几乎100%垄断世界高端碳纤维供应（例如高强度系列的T800、T1000；高模量系列里的M60J、M65J这些碳纤维材料的出口被西方严格限制，那是拿着钱都买不到的）。MC-21飞机的复合材料机翼原型件和翼盒则由奥地利FACC公司和钻石飞机公司制造；碳纤维铺设自动化设备是西班牙的Torres公司提供（且这种设备的规格和种类也被限制）；相关的浸渍设备由法国Stevic公司提供。总体看来，MC-21的黑色机翼虽然名义上说是俄罗斯航空复合材料公司制造的，但是从原材料、加工工艺到制造设备均是美日欧提供，换言之“复合材料带来的性能提升”随时可以被美国掐断，美国一声令下，日本不就迅速中断了价值不菲的碳纤维供应（美日也只提供接近T800级别的碳纤维，更高端的材料原本就不出售给俄罗斯）。
俄罗斯车间内机器人根据程序对面板，侧梁和其他机翼元件的碳纤维带层进行铺设，工艺和设备都来自欧洲
2018年起，美国就开始制裁俄罗斯11家企业，其中约有一半涉及航空航天领域，理由是“这些公司从事与美国利益相矛盾的军民两用技术”。2019年1月，美国和日本的公司开始中止向俄罗斯企业提供碳纤维和环氧树脂产品，俄罗斯提前囤货的原材料仅供打造六架MC-21原型机。2019年2月，俄罗斯宣布将使用比利时索维尔公司的碳纤维作为替代品，然而索维尔只能提供T300和T600级别的碳纤维预浸料，根本无法与T800系列产品相提并论，并且比利时索维尔公司也可能时刻受美国态度影响中断供应（索维尔收购了美国氰特公司）。
同时，美日断供碳纤维刚好恰在MC-21项目在欧洲航空安全局（EASA）适航取证第一阶段试验之际，原材料变化导致取证工作严重被干扰。我们知道一款民用客机若想要推向国际市场，获取欧洲航空安全局（EASA）和美国联邦航空管理局（FAA）的认证基本上是必须的。而且，俄罗斯用于EASA取证试验的飞机装配的还是普惠公司的发动机，如果将来换装PD-14基本上可以说是取证无望，装配PD-14的飞机几乎只能用于其国内航线了。可以说，关键材料、发动机和适航取证，已经成为其他国家大飞机产业挑战西方民用航空垄断的三座大山。断供复材的结果也显而易见，原本打算2019年量产的MC-21飞机，到今年年末都量产无望了，解决原材料和发动机问题成立项目的头等大事。
伊尔库茨克航空工厂MC-21飞机机身内中央框架部分
俄罗斯暂无有效的应对办法
首先，俄罗斯已经提起相关诉讼，要求这些西方企业恢复供货或者提供赔偿，但是此举于事无补。其次，俄罗斯开始全力寻找替代产品和设备，但是目前能够提供替代品的国家或者企业基本都受美国影响。再次，俄罗斯加快国产化研究进程，但是由于缺乏设计经验和技术积累，短时间内难以奏效。例如，俄罗斯宣布将首先寻求替代机翼中的复合材料，预计将在两年内完成全部工作。然而实际情况是，俄罗斯碳纤维研制和生产能力排名第一的Umatex公司虽然已经可以开发200多种复合材料织物和20多种预浸料产品，但是该公司目前能够生产的所有牌号碳纤维材料都与T800级别的产品相距甚远，何时能够开发出这种产品不得而知，而且如我们上文所述，开发出来以后何时具备稳定可靠的生产工艺更是不得而知。最后，即使有了原材料，俄罗斯也没有类似的碳纤维材料大型结构部件设计经验，MC-21的复合材料原型件都是奥地利FACC和钻石飞机公司设计、提供的，但是目前只为其设计了MC-21-300系列飞机的主要结构件，未来MC-21项目如果要将原计划中的MC-21-400付诸实施，那时复合材料机翼面积大幅增加的原型件又该由谁来提供呢？
俄罗斯UMATEX下属Prepreg-SKM公司碳纤维主要产品参数
由此，我们可以看出俄罗斯目前还缺乏有效的应对办法，而“降低碳纤维复合材料”的占比其实是在没有掌握核心技术的条件下，最稳妥的发展办法。从俄罗斯大飞机项目所遭遇的窘境之中，我们也应当引以为鉴，被美国波音和欧洲空客长期垄断的民用航空市场，自然对后来者防范颇深，这里的复合材料断供也只是西方的竞争手段之一，未来俄罗斯还将面临更多的困难。对于我们来说，加快复合材料、关键元器件的研发，加强工艺设备和基础设施投入，加大材料结构工艺扶持力度是当务之急。
日本各种碳纤维牌号的性能图示
题外话
上文我们频繁提到了奥地利FACC（未来复合材料公司），这家复合材料结构件制造商在2009年已经被我国中航工业西飞公司收购，也算是提前布局复材部件高端加工、设计领域了。这家奥地利公司掌握着航空制造的颠覆性技术“非热压罐成型技术”。当前世界上的大飞机，即使先进如波音787、空客A350的复合材料机翼主承力部件都还是使用“碳纤维预浸料铺设成型，大型热压罐固化”的传统工艺，但是其能耗高、效率低、良品率低，使得制造成本十分高昂；而非热压罐成型技术就是在固化过程中不适用热压罐，而是直接使用干纤维液成型或预浸料真空成型，这样造出的复合材料结构件重量更轻、成本和能耗也更低，并且高质量的非热压罐成功工艺生产的产品的孔隙率也很低，这种技术将成为未来航空业复合材料承力结构件制造的主力技术。
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