马凤山 创建中国大型客机技术体系
来源:《科学家精神·创新篇》 日期:2022-04-11
马凤山(1929年5月—1990年4月),飞机设计师。新中国第一代大中型飞机的总设计师和技术开拓者。毕生从事航空工业设计研究工作,主持了新中国第一架喷气式客机运10飞机的设计研制工作,领导编制了我国第一部运输类飞机适航规章,创建了我国最早的大型客机技术体系,使我国飞机制造技术实现了一个飞跃性的进步。他是原国家科委批准的国家级有突出贡献的科技专家,被评为“最美奋斗者”,入选“庆祝中华人民共和国成立70周年大型成就展”1970—1979年英雄模范人物。
20世纪40年代,青年马凤山在饱受日军飞机轰炸下的江苏无锡确定了自己投身航空工业事业的人生追求,他立下誓言——要努力学习并掌握先进的航空技术,制造出中国人自己的飞机,终其一生,他都在为实现国家航空工业强大的梦想而不懈奋斗。
解救轰6燃眉之急
说起轰6飞机,不能不想起马凤山。1959年,马凤山就任哈尔滨飞机制造厂设计科设计室主管设计师。此时,他正在参与轰6飞机的研制设计工作,主要负责处理研制的设计技术问题。数月前,马凤山奉命去苏联参观静力试验,考察图-16飞机的强度测算和静力试验,以及苏联1953年和1947年的强度规范差异。勤学敏思的马凤山,为了在考察期间对苏联的飞机制造设计形成较好的理解,自学了很长时间的俄语。由苏联学习归来后,马凤山根据自己的理解,针对图-16的研制经验和现存问题进行了细致的总结分析。
此时,西安飞机制造厂(简称西飞)也在承担轰6飞机的设计工作。西飞正好处于静力试验和试飞的关键时期,急需相关知识的补充,马凤山在苏联的考察学习刚好有静力试验的相关内容。因此,马凤山在苏联考察期间所形成的关于图-16飞机的独特见解吸引了时任西飞设计所副所长郑作棣的关注,西飞找到了远在哈尔滨飞机制造厂的马凤山,而马凤山在《图-16飞机的静力试验考察报告》和《从图-16改为图-104的结构考察报告》中的见解和建议也为轰6研制计划的进行提供了有力的帮助,缩短了我国大型喷气客机研制成功的时间。
“两弹一星”战略任务时期,轰6改制为投弹机的工作交付给西飞,为了出色地完成国家交付的工作,西飞请求把马凤山调到西安。马凤山在接到调动通知后,快速地投入轰6甲飞机专用技术的研制上。轰6飞机要改为两弹的主要投掷器,需要进行很多的测算工作,马凤山主要负责各类冲击对飞机操作稳定和载重的影响、光辐射对飞机强度的相关影响两个方面的分析,明确了在后期的设计中,轰6改制的投弹器可以负荷的最大重量,为两弹的吨位设计做出了巨大贡献。
奠基中国大飞机自主设计事业
对于马凤山来说,他一生追求的航空强国梦仿佛都和运10飞机紧密相连。1970年7月,毛泽东主席在视察上海时,提到:“上海工业基础这么好,可以造飞机吗?”由此国内正式拉开了自主设计制造大飞机的序幕。
在完成运8飞机的相关工作后,马凤山正式接到三机部的通知,要求成立三机部六院大型喷气旅客机工作组,并由他负责设计主持工作,同时抽调陕西阎良172厂和参与运8测绘设计的共计90名技术人员前往上海开展工作。
运10飞机制造历时10年,主要经过了3个阶段,分别是前期的方案选择和论证,中期设计发图、设计实验和研制生产,以及后期的试飞调试。马凤山也自始至终在运10飞机研制过程中承担技术总负责的工作。
自主制造大飞机首先要考虑的问题是选择哪种方案。当时,国内各方比较支持的方案是在轰6的基础上进行改造,对此,马凤山有自己的思考,他觉得轰6可以作为改造的基础,因此,初步选择采用轰6飞机翼型和三叉戟客机机身作为运10飞机的第一套设计方案,并进行了低速风洞试验,收集了首套试验数据。但是在设计过程中,必须解决轰6改造后可能会引起的噪声大、效率低的问题,具体如何解决,马凤山考虑是否可以在尾部加装4台发动机,经过论证之后,马凤山将运10飞机设计方案进行了更改,形成了第二套设计方案。
新的方案虽然可以解决一定的问题,但基本还是在轰6的基础上进行研制改造,随着新方案的进一步论证,以及对实际情况的进一步了解,现有的轰6改造方案不能满足运10飞机所要求的技术标准,必须要依据现实情况进行更改。试验和考察成为马凤山进行方案论证的主要方式,在运10模型高速选型试验中,马凤山发现在7种机翼中,尖峰翼型最适合运10的设计要求,除此之外翼吊发动机似乎可以解决噪声和能耗问题。因此,马凤山毅然选择尖峰高亚声速翼型、翼吊4台发动机作为最终方案,1971年,这一设计方案获得批准,从而确定了运10飞机研制工作的总基调。
在后期的设计制造过程中,马凤山总是在不断解决问题中实现一个又一个创新。1973年8月,运10飞机开展了第二次质量检查,发现飞机的展弦太大,机翼又相对比较细长,被气动载荷冲击后容易产生比较大的变形,以至于扭角达到3°,对于原本设计2.5°的扭角来说,这已经是一个很严重的问题了。为了保障运10飞机的设计质量,马凤山开始寻找解决问题的办法,最后将机翼变形所引起的弹性变形考虑在内,摒弃了原有的几何扭转方式,将机翼内段的形状改为喇叭形,解决了飞机飞行中的强度隐患。在飞机结构设计原则的选择上,马凤山也根据已经改善的运10飞机适航标准,首次采用“破损—安全”原则,在运10飞机材料的选用上,马凤山坚持选择更适合、更高质量的新材料。
当时,国内的工业生产能力不足,难以提供除LC-4之外的强度结构材料,但这种材料本身的耐应力和抗腐蚀能力非常差,难以满足运10飞机的研制需要,为此马凤山等人委托了国内多家企业研制高强度的铝合金及其他需要的金属材料,推动了国内飞机新材料的研发创新。在之后的方案设计、设计试验及研制过程中,马凤山也坚持实事求是的态度,积极采用创新性的解决办法,最终在运10的设计研制过程中共采用了76项新材料、164项新标准及305项新成品附件,且这些新技术大多都是国内多单位协助研制,充分体现了我国自主研制大飞机的创新性。
运10飞机设计制造的创新之处,还在于首次在国内使用至今仍广泛运用于飞机设计制造中的计算机辅助工程及计算机设计等两项计算机技术。为了缩短与国际飞机制造技术间的差距,马凤山决定通过计算机辅助飞机的设计制造工作。1975年,TQ-16正式投入使用之后,为了尽快使计算机设计和辅助技术渗透到运10设计研制的全过程,马凤山号召技术人员和国内专家进行合作开发,共研制出设计制造应用软件100多项。而马凤山和工作组又在计算机辅助和设计技术的基础之上促进了分析技术的创新发展,取得的成果如“飞机结构连接件寿命估计方法”“全机总体参数优化程序”“气动力及强度计算程序”,不但为运10飞机的制造提供了重要的计算基础,还为我国飞机制造提供了丰富的分析工具。
1980年9月26日,在为期10年的设计研制之后,运10飞机在上海大机场首次试飞成功,这标志着中国自主研制大型飞机成为可能。此后,马凤山又对运10进行了多次调整试飞。
对此,国外多家媒体对中国制造大飞机的技术和能力给予了肯定的评价,英国路透社称,中国再也不能被视为一个落后的国家了。正当众人欣喜之时,马凤山已经开始筹谋运10飞机的下一步试验和改制计划了,对于马凤山而言,运10飞机试飞成功并不是终极目标,他想的始终都是离航空强国更进一步,科研无止境、创新无止境正是马凤山航空追求的真实写照。
填补国内民用飞机适航空白
由于种种原因,运10飞机项目停止。对此,马凤山感到十分遗憾。1984年,国家决定引进麦道82组装生产线。在与麦道公司进行谈判的时候,马凤山也始终强调中国要掌握飞机的自主研发能力,因此,坚持在合作条款中增加了双方联合研制一项。尽管运10飞机已经决定停飞,但马凤山的航空强国梦并没有停飞。
在研制运10飞机的时候,国内尚未形成适用于自身的适航标准,而是单一地奉行苏联标准,很大的原因是国内飞机制造主要借鉴的是苏联方面,但运10飞机的适航标准在具体研制的过程中已经实现了很强的自主创新性,即借鉴多国的适航标准和结合运10飞机设计的实际情况,解决了运10飞机的外负载计算,初步提出了民用飞机研制的基本准则和标准。除此之外,国内民用飞机的发展必须要填补适航技术方面的空白,这也成为飞机制造事业发展的趋势。
为了帮助中国建立起更为适用的飞机适航标准,马凤山根据自己的理解和分析,撰写了国内使用FAR-25标准的可行性报告,打破了国内单一奉行苏联标准的局面。但仅仅引入新的适航标准还不足以满足国内需要,民用大飞机制造事业需要有更为适用的适航标准,且马凤山认为已存的FAR-25标准仍存在一些错误,需要进一步更正,并不能完全借鉴。因此,马凤山又带领相关人员组织国内飞机适航标准的编写工作,经中国民用航空总局审定批准,《中国民用航空规章第25部:运输类飞机适航标准》(CCAR-25)作为国内第一部民用飞机适航标准颁布实施,这项工作首次填补了我国民用飞机的适航空白,也为ARJ21飞机、C919客机等民用飞机的设计制造和中国民航事业的起步发展打下了坚实的技术基础。CCAR-25至今已翻版多次,但马凤山主持制定的CCAR-25基础内容始终无人打破。
2017年5月5日,国产大飞机C919在上海浦东机场首飞成功,这离不开马凤山等老一辈航空人筚路蓝缕的创业积淀。“自主设计制造中国人自己的大飞机”的信念贯穿了马凤山的一生,时至今日这已成为中国航空人共同的信念,代代相传,生生不息。
(撰稿:陈丽娜)
参考文献
[1]赵国强.马凤山同志生平[J].民用飞机设计与研究,2005(1):56-58.
[2]钟树荣.卓越的飞机总设计师马凤山[J].民用飞机设计与研究,2005(1):44-45.
[3]钟兆文.民用飞机适航工作的先行者[J].民用飞机设计与研究,2005(1):39-40.