航空航天装备的轻量化：挑战与未来
航空航天装备的轻量化：挑战与未来
航空航天装备的轻量化是提升飞行器性能、降低能耗、增强有效载荷的关键技术。本文从总体布局、机电系统、材料结构以及制造装配等多个维度，深入探讨了航空航天装备轻量化技术的现状与未来发展方向。
航空航天装备的研发和生产制造能力是衡量一个国家综合实力的重要标准。为了在国际竞争中占据优势，国家必须掌握核心技术，并从根本上保障经济、国防和其他方面的安全。当前，大型军民用飞机、大型运载火箭、航空航天发动机等航空航天装备已成为国家战略运输、区域控制、进入太空和战略威慑的核心力量，其重要性日益凸显。因此，提高重装运载、远程航行、高速机动、智能感知和环境适应等综合能力与性能已成为新一代航空航天装备研发的紧迫任务。
作为提高飞行器性能、降低能耗、提升有效载荷的重要手段，轻量化技术是航空航天领域的永恒主题。中国航天事业奠基人钱学森先生曾说过：“航天器一个零件减少一克重量都是贡献。”这句话充分体现了轻量化技术在航空航天装备研发中的重要性。
轻量化在促进航天经济、实现大规模进入太空方面具有巨大的价值。据统计，2021 年全球共进行145 次火箭发射，入轨重量769.6 吨，而航天器每减重1 kg，按照近地轨道到月球轨道不同高度将节省5 万到50 万元发射费用。轻量化对民用航空具有巨大的经济和绿色低碳效益。如果大型航空公司每架飞机减重100 kg，每年将减少油耗近5 000 吨，减少二氧化碳排放近15 000 吨，每年带来过亿元净收入。在军用航空航天领域，轻量化具有重要的战略价值和国家安全意义。军用航空航天装备的轻量化直接关系到战技指标乃至型号研制的成败。例如，通过运载火箭发射的弹道导弹和高超声速飞行器每减重1 kg，可使射程提升16 km 至22 km；新一代战斗机重量减轻15%，可增加航程20%，提高电子装备、武器挂载等有效载荷30%；军用航空发动机每减重1 kg，可以使战斗机减重近5 kg。美国JSF 飞机竞标过程中，波音X-32 飞机因超重问题而竞争失败，洛克希德马丁F-35 虽然竞争胜利，但也因超重问题而长期受到机动性不足的困扰。
综上所述，航空航天装备的轻量化可以显著提升运载能力、机动性、航程等关键指标。然而，轻量化设计制造必须同时兼顾装备的服役可靠性、寿命、隐身性、智能感知、环境响应等性能，这构成了一个异常复杂的系统工程。因此，轻量化技术的持续发展和广泛应用对于高性能航空航天装备的研发至关重要。
航空航天装备快速发展对轻量化提出了日益严酷的要求
自新世纪以来，全球各大航空航天机构都将轻量化技术视为至关重要的研究课题，全面应用于装备的研发过程中。NASA 将其作为十二项颠覆性技术之一，重点支持加快研发轻质高强的复合材料与结构、功能材料与结构，以及更有效的轻量化设计与制造技术。同时，NASA 与波音合作，综合总体气动外形设计、材料与结构、制造与装配等学科，建立了下一代民用飞机轻量化和低油耗设计规范。DARPA 则重点布局了轻量化智能传感器集成项目，以提高飞机的全空域感知能力和智能化水平。
在苏霍伊设计局，Su-57 飞机在研制过程中全面采用了轻量化材料、结构优化设计与高性能制造技术。在最新的Su-75 五代机研制中，轻量化技术得到了进一步系统化和规范化的应用。
空客A350 飞机在总体设计中采用了超临界翼型构型布局，提高了5%的气动效率，20%的燃油效率。此外，对机翼蒙皮和长桁进行结构优化设计，并基于先进的复合材料制造技术，应用了30 米级的大型整体复合材料壁板代替传统的分块式金属壁板，使结构减重25%，且制造精度提高至0.2 毫米。此外，全机集成布置了光纤等智能传感器，实现了结构变形的全域智能感知。上述轻量化设计制造技术使A350 的结构重量系数由A330 的30%下降到28%。
中国航空航天装备自新中国成立以来取得了从无到有的突破，近年来更是涌现出一批具有世界先进水平的军民用飞机和发动机、运载火箭等装备，充分展示了中国航空航天技术实力的快速提升。
然而，中国航空航天科研机构虽然长期高度重视型号研制中的轻量化相关问题和工作，但由于前期理论研究、工程技术以及软硬件工具研发的积累不够，通常只能零散运用总体布局经验式调整、局部结构优化、反复试错和修正等手段，人工协调设计制造各环节，以轻量化为主题的系统化设计制造理论方法和技术规范还不够完善。因此，在航空航天装备的关键指标上，中国与世界先进水平相比依然存在较大差距。如美国C-17 载重达到78 吨，最大航程已接近12 000 公里；美国德尔塔IV 型重型火箭起飞重量733.4 吨，近地轨道运载能力达到29 吨；美俄现役航空发动机推重比已超过10，为下一代飞机研制的新型航空发动机推重比将接近15。上述指标仍然是一段时间内中国同类型装备努力达到并赶超的目标。
新时代以来，国家战略需求赋予了航空航天装备更重要的战略使命要求。一批关键重大型号装备的核心指标需要全面快速的跨越提升，更大的有效载荷与功重比、更远的航程和射程、更强的机动灵活性、更多的探测感知和隐身等功能需求，使得装备轻量化需求空前重要和紧迫，这是保障中国航空航天装备达到世界一流水平、建设航空强国和航天强国必须解决的核心问题。
轻量化是未来航空航天装备研制的重大科技问题
为了攻克新一代高性能航空航天装备轻量化的难题，需要深入理解轻量化技术必须贯穿装备研制的整个过程，并系统地将总体布局、结构设计、制造工艺等环节相互连通，以实现各环节高性能与轻量化目标的协同，见图1。此外，需要综合运用新材料、新结构、新工艺等手段，发展多学科耦合、多因素集成的轻量化设计理论与高性能制造技术。
图1 高性能空天装备轻量化研制的重大科技问题
在未来，以下研究工作值得重点关注：
总体布局的轻量化
在装备总体概念布局设计阶段充分考虑轻量化设计要求，是在顶层设计层面高效协调高性能与轻量化矛盾的核心基础。现有总体布局设计方法大多依赖已有经验，通过协商调整总体方案，在需要决策分系统间的紧凑布局与功能相互兼容、多学科性能与系统轻量化目标协同时往往效率低、效果差。亟需发展系统的航空航天装备总体布局轻量化理论方法与工程技术，其关键难题在于总体设计环节中多学科功能和性能的快速估算和多目标协同优化。
因此，未来需要从概念方案设计阶段出发，建立面向任务的装备系统、子系统及结构重量的智能化快速估算技术，构建系统总体布局-整体性能指标-装备重量的多学科映射模型与综合优化方法，建立航空航天装备服役全寿命载荷谱分析模型并开展面向任务的载荷优化，并创新开展模块化系统布局、多任务载荷功能化集成等新概念总体布局技术以及其中的轻量化技术研究。
高性能机电系统的轻量化
航空航天装备的机电系统是执行飞行保障各项功能的系统的总称，对飞行性能、安全和可靠性都有着至关重要的影响。如电源系统作用是保证可靠地向用电设备，尤其是与飞行安全直接相关的关键设备提供符合要求的电能；航电系统是飞行器上所有电子系统的总和，负责飞行器平台实现信息获取、传输、处理和应用的核心系统。机电系统作为航空航天装备的重要组成部分，整体重量占飞行器重量的较大比例，而且服役于多物理场环境、受载异常复杂，一直是空天装备实现轻量化的重要堵点。
未来需要着重研究多物理场复杂环境下机电系统的轻量化、小型化、紧凑化设计技术，装备全系统布局与机电系统布局的功能和性能匹配技术，以及高输出低损耗执行器件的轻量化设计技术、机电系统力-热-流-电-磁多场耦合作用机制等；开展适用于航空航天装备的高性能微机电系统传感器、执行器的架构设计、跨尺度行为特性分析以及结构功能共形一体化设计技术、微细尺度上功能结构与器件跨尺度复合制造技术、复杂型面共形-共性-共功能微机电系统的柔性原位制造技术研究，见图2。
图2 多尺度结构功能一体化共形设计
材料与结构的轻量化
结构是航空航天装备的骨架，长期以来构成了系统轻量化的主要对象。材料结构的轻量化需要充分并合理运用高性能轻质材料（如轻质合金、复合材料、泡沫/蜂窝/点阵材料等）、新的结构优化设计手段（拓扑优化、整体优化等）以及新工艺技术（增材制造、复合制造等），通过材料在结构空间的合理拓扑布局和参数优化实现多种承载性能最优化与轻量化，见图3。其中，需要充分考虑结构在多物理场环境下多种性能之间的相互制约关系、系统多学科功能以及多种制造工艺对结构构造和承载性能的制约关系，其关键难题在于材料-结构-工艺-功能等多因素的协调。
图3 轻量化材料与结构
未来需要重点面向高性能轻量化，研究新概念复合材料结构、多尺度梯度材料结构、超大规模多尺度混杂材料结构的高效高精度仿真、试验与设计成型一体化技术；研究结构空间拓扑与设备布局总体协同设计技术、结构系统整体传力路径与局部传载协同的精确调控技术，以及复杂静、动、热等载荷环境下多构件变形协调与精确调控设计技术；面向新兴高性能制造工艺，研究工艺与功能特征驱动的材料-结构-工艺一体化设计理论，开展增/等/减材工艺的金属结构-工艺参数协同设计、面向全寿命周期管理的抗疲劳结构优化设计理论、纤维增强热固性复材结构-铺层/编织参数-固化工艺参数协同设计、纤维增强热塑性复材结构-纤维分布-铺丝/打印路径协同设计技术研究。
以高性能制造与装配提升装备轻量化水平
航空航天轻量化结构最终大多体现为复杂薄壁结构系统，其精准制造与装配是实现航空航天装备轻量化目标的最终环节。由于大量应用新型轻合金、复合材料等新材料以及异形曲面、镂空、整体等大尺寸复杂薄壁结构形式，其弱刚度特点与高性能要求之间的突出矛盾，不断挑战现有制造工艺能力。为此，在航空航天装备的制造过程中，如何有效利用多种能场的时空有序施加或复合控制材料应力状态，是保障结构轻量化、复杂形状的精确制造及其高性能有效集成、使其“形神兼备”的核心所在，关键难题在于制造多能场耦合下材料结构精度和性能的调控，见图4。
图4 增减材复合制造某机匣零件
未来需要重点开展金属/复合/功能材料的复杂结构复合加工能场作用下形性时空演化机制和协同调控原理的研究，突破异质异形轻质结构高性能增材制造、轻质高强薄壁曲面构件和高性能复杂承力构件多能场精确成形、结构功能一体化制造等关键难题；开展轻质复杂构件切/磨削机械能场及其与超声/激光/电磁等能场复合作用下的力-热-结构耦合作用机制、成形与成性协同优化、极限寿命抗疲劳加工等新理论，突破表面形性创成与控制、自适应形性协同精密加工、抗疲劳表面层设计与重构、制造过程数字孪生与智能调控等关键技术，形成多能场复合精密切削、精密光整、高能复合表面强化等系列专用工艺及其智能化装备。开展几何-物理场耦合的高性能装配集成理论研究，突破复杂外形薄壁结构应力均衡定位方法、异质叠层结构高质高效制孔与连接技术、装配性能模块化在线测试技术等研究，研发面向复杂薄壁结构的定位、制孔、连接、测试等工艺装备与系统。
结论
综上所述，航空航天装备的轻量化是一个贯穿于设计、制造全过程的系统工程。一方面必须站在全系统顶层高度，发展高性能数值仿真、多学科优化和智能化技术，深化装备总体布局、机电系统、材料与结构、制造与装配等环节中的轻量化技术研究，特别是发掘设计制造环节、装备构成各子系统以及多种学科之间交叉与协调中的轻量化潜力，补齐装备研发各个环节中仍然存在的轻量化短板，建立系统的航空航天装备轻量化设计制造规范体系；另一方面，更加注重技术集成和创新，充分运用基础研究中不断涌现的新概念布局、新动力模式、新材料、新概念结构、新制造工艺等最新成果，特别是可能引发变革性高性能轻量化的新概念设计制造技术，为加快中国航空航天强国建设做出新的贡献。
本文原文来自《航空学报》