中国二十个航空航天核心技术的突破
发表时间：2024-04-30 10:03:49 来源：更多内容
中国是全球一流的航天航空强国。历史上，自 1956 年开始，经过 63 年的不懈努力，中国航天技术获得了长足的发展。“长征”系列火箭已具备各类轨道、各种质量和各类航天器的综合发射能力，入轨精度达到国际领先水平，近地轨道运载能力达到 25 吨，地球同步转移轨道运载能力达到 14 吨，太阳同步轨道运载能力达到 15 吨。中国卫星覆盖了科学、通信、气象、资源、遥感、导航等主要领域，许多单项技术已达到世界先进水平。
中国不仅独立开展了月球探测活动，独立实施了载人航天工程、独立建设了全球导航卫星系统，还将建设具有长期运行能力的空间站。中国正从航天大国迈向航天强国。下面分别介绍中国突破发达国家航天航空核心技术及自主创新核心技术情况如下：
2019年中国科协年会上，“绿色超声速民机设计技术”入选中国科协正式对外发布的2019年20个重大科学问题和工程技术难题之中，中国在该技术领域的现状及进展非常关注。中国航空研究院前沿技术研究部副总工程师、研究员徐悦接受各个媒体采访时透露，中国已突破了音爆高精准度预测、低阻力低音爆设计等绿色超声速民机的核心关键技术。
现代民机是典型的高科技、高的附加价值产品，是一个国家科技、经济、工业等总实力的集中体现。历经数十年发展，高亚声速民机如波音系列、空客系列等已经相当成熟，在安全性、经济性、环保性等方面均达到很高水平。但对于跨大洲大洋的长距离航线，现役民机飞行时间一般均在10小时之后，过长时间飞行使机组和旅客疲惫不堪，这是长距离航线在快捷性、舒适性方面难以突破的瓶颈。
相比之下，超声速民机飞行速度至少可达现役亚音速民机的两倍以上，极大缩短空中飞行时间，很大程度上缓解上述矛盾。
世界上第一代超声速民机“协和号”1976年1月问世，是当时人类最大的技术创新之一，但强音爆、高油耗、高污染等3大致命弱点严重削弱了其市场竞争力，并导致其最终退出商业运营。针对新一代绿色超声速民机，美国、欧洲、俄罗斯、日本等纷纷提出各自概念方案，在强调传统民机安全性、舒适性、经济性等特点的同时，均把绿色环保放在至关重要的位置，以美国为代表的发达国家在低音爆、低油耗、低排放等方面经过不懈探索，已获得大量技术成果和经验积累，并且逐渐开始向实用领域转化，相关设计技术首先应用于体型较小、重量较轻、巡航速度也较低的超声速公务机上，预计最快2025年前后可陆续交付，而较大型的超声速民机在2030年后可能投入商业运营。
虽然中国在超声速民机领域起步较晚，但近年来随着科研投入的不断加大和科研团队的刻苦攻关，中国已经初步形成了对航空发达国家快速追赶的态势，突破了音爆高精准度预测、低阻力低音爆设计等绿色超声速民机的核心关键技术。
中国民营企业自主研发的大型金属3D打印机诞生。与小型的精密的金属3D打印机的技术不同，大型的打印机采取了另一种不同的技术方式——同轴送粉工艺。而中国在这项技术上已经走在了世界的先列。值得一提的是，全球能用3D打印技术制造出达到锻造水平的金属部件的国家，只有德国、美国、中国等少数几个。而中国鑫精合批量制造大型钛金属结构件的能力已经在国际领先。这种激光“打印”金属粉末的工艺，使得金属材料冷却凝固速度极快，组织细小，力学性能优异，也具备了像锻件一样的高强度。
3D打印作为一项前沿性的先进制造技术，慢慢的变成了全球新一轮科技革命和产业革命的重要推动力。然而，多数的设备和工艺尚不成熟，还无法批量打出稳定、耐用、高性能的工业品来，处在“模型制造”和实验阶段。但是这种情况正在发生变化，中国的金属3D打印正在不断地向尖端制造靠拢。值得一提的是，在我国很多飞机、船舶甚至航天器的重要零部件上，都可以见到金属3D打印的身影。无论是飞机、船舶的发动机、零部件，还是运载火箭、空间航天飞行器、无人机等航空航天设备，金属3D打印部件正在悄悄地取代着传统制造的零件，并给航空航天等高端制造提供了更多的可能。
中国企业打破美国垄断造出航空发动机核心部件。铼这种金属很稀缺，每年全世界的产量仅仅只有40多吨，它非常昂贵，价格与白金的价格相仿。它之所以价值连城，还因为它在航空和国防制造业中能发挥非常重要作用。十三五期间，我国启动了航空发动机和燃气轮机重大专项，航空工业持续发力，不断缩小与国际一流发动机生产企业的差距。
中国研发的涡扇发动机它的耗油率、寿命指标都达到了国际先进水平，国内也是个空白，所有的零件都是自主设计、自主生产，尤其是像里面的高温的单晶涡轮叶片，实际上就是可以说发动机里面加工的难点中的难点。单晶叶片处于航空发动机中温度最高、应力最复杂、环境最恶劣的部位，是航空产品第一关键零件，它的铸造工艺直接决定了航空发动机的性能。
在这台1000公斤推力的发动机中心，核心部件就是眼前这60片单晶叶片。发动机将空气进行压缩之后压入燃烧室，在有限的空间内和燃料发生剧烈燃烧，产生猛烈的燃气喷射流，推动这些叶片高速旋转，让看似单薄的零件迸发出惊人的动力，每一片叶片输出的马力都相当于一台2.0排量的SUV汽车，温度大概在1720多度。在1700度的高温之下，普通金属是不够耐热的。生产单晶叶片就一定离不开一种珍贵的稀有金属-铼。
金属铼是人类发现最晚的天然元素，因为发现者是德国化学家，因此以莱茵河的名称命名为铼。它在地壳中的含量比所有的稀土元素都小，比钻石更难以获取。根据美国地质调查局的报告，全球探明的铼储量仅为2500吨左右。铼的价格跟白金的价格相仿，一克大概需要两三百块美国是最大的铼金属消费国，控制着全球销售市场，一直处于垄断地位。由于铼可以广泛应用于喷气式发动机和火箭发动机，全球约80%的铼用于生产航空发动机，其在军事战略上有重要意义。为了维持在航空工业的优势地位，美国和其它一些西方国家常年针对中国进行材料和技术封锁。
中国之前的商业航天论坛上专家曾经指出，中国航空已经突破往返太空的核心技术，即空天飞行动力技术。如果按计划实施并予以实现，商业航天上中国将一举超越美国成为世界上首个可以实现太空飞行“航班化”的国家。为了能够真正实现所谓的“商业化航天”，关于空中浮动机动平台和无人机构建的空中局域网也在同步研制甚至已经取得了重大进展，无疑使得中国在航天商业化领域上已经取得了领先地位。而最令人激动的是中国在往返太空核心技术上的突破，只有能够确保机体组建能够在脱离后重新运作并回收，基本的运载速度才能得到保障，才有“航班化”的未来。
值得一提的是，美国在这种往返领域一定程度上依然走在全球前列，尤其是同美军合作的马斯克更是已经推出了相应的可回收火箭“龙飞船”，无论是相关实验还是目前的载人成果都已经说明了这一技术的实现程度。从长期角度看，马斯克的各种计划本身所需要的经费就是天文数字，项目与项目之间的整体联系更是相当微弱，想要建成同步的空天地网络恐怕相当困难。
中国科学家之前开发出国内最高单脉冲能量的26瓦工业级飞秒光纤激光器，研制出系列化超快激光极端制造装备，实现了航空发动机涡轮叶片气膜孔的“冷加工”突破，填补了国内空白。无疑是一项重大的核心技术突破！值得一提的是，在全球航空领域，航空发动机被誉为现代工业“皇冠上的明珠”，其制造水平代表着一个国家的科技、工业和国防实力。尤其是发动机叶片处于航空发动机中温度最高、应力最复杂、环境最恶劣的部位，是航空产品第一关键零件，它的铸造工艺直接决定了航空发动机的性能。
中国科学家在国际上率先突破了小空腔叶片对壁无损伤微孔加工的世界技术难题，实现了超高精度（±2微米）及异型气膜孔的高品质加工，为新型航空发动机叶片的研制提供了重要的技术支撑。有了这项技术，中国航空发动机的性能、寿命及可靠性，将迎来重大突破。
中国兵器工业集团网站之前报道，中国在航空发动机粉末涡轮盘挤压技术方面取得了重大突破，填补了我国航空事业的一项空白。这意味着我国在航空发动机的材料和加工制造方面取得了新的进展。
值得一提的是，涡轮盘是航空发动机的核心部件，其制造难度很高，被称为航空发动机的“皇冠”。据了解，以前涡轮盘的制造采用的是铸锭—锻造技术，但随着航空发动机的发展，高温合金材料的使用越来越广泛，如果用传统的锻造技术，一方面加工比较困难；另一方面，由于高温合金成分比较复杂，铸锭—锻造方式会造成偏析，无法保证材料的可靠性。因此，将高温合金生成粉末，再通过热等静压、挤压、超塑性等温锻造等加工制造成涡轮盘的方法——粉末涡轮盘材料技术，成为航空发动机领域的主流选择，而中国所取得的突破正是这方面。
航空发动机粉末涡轮盘材料挤压技术对于发动机制造非常关键，掌握该项技术的国家尚在少数，该项技术的突破对于中国发动机制造是极大的利好消息。该项技术突破具有重要意义。
飞机机翼制造的关键技术之一——整体壁板数控喷丸成形技术，长期被国外垄断并对我国封锁，是制约我国大飞机研制的核心关键技术。2003年以来，中航工业西飞以ARJ21飞机和大飞机研制为契机，采取产学研联合方式开展技术研究。公司通过大量的基础理论研究和系统性试验，先后攻克了复杂外形结构整体壁板预应力喷丸成形等一系列大型超临界机翼壁板数控喷丸成形工艺的关键核心技术，具有完全自主知识产权，打破了国外技术封锁和垄断，开创了多个国内第一，使中航工业西飞成为世界上掌握机翼壁板数控喷丸成形技术的少数几个公司之一。
在制造技术方面，各种先进技术在飞机型号研制中全方位投入应用。通过五坐标自动钻铆系统等项目技术研究，掌握了大型机翼壁板自动铆接技术，并成功应用于ARJ21项目，填补了国内空白；通过空客A320系列飞机机翼翼盒、波音747－8内襟翼及垂尾的研制，具备了世界先进飞机重要部件的装配技术能力。
中国高端无人机核心技术获突破，并且达国际先进水平。尤其是远程异地协同制造是一项全新的尝试和考验，对研制、技术、服务、保障等理念都是新的挑战。中国研究人员提出了“设计向制造靠拢”，实现了异地联合研制体系的对接，降低了制造难度和成本，提高了生产效率。掌握了包括大型固定翼长航时无人机总体设计技术、大型固定翼长航时无人机防除冰技术、大型固定翼长航时无人机飞机管理系统综合设计技术、大型固定翼长航时无人机任务系统综合设计技术、无人机智能飞控及导航技术、智能目标识别与跟踪技术及无人机生产全机智能测试技术等多项达到国际先进的核心技术。
中国之前在发动机这一领域确实不如西方发达国家。不仅仅是太空火箭所使用的发动机，战机、舰艇发动机也往往要依靠进口。但是这种状况不会一直持续下去，2019年3月，中国航天事业获得突破，国产500吨火箭发动机完成了关键测试。500吨级的液氧煤油火箭发动机YF-480型完成了燃料发射器-涡轮泵联动试验，这是火箭发动机的一个核心技术，这一技术被攻克，表示整个发动机可以开始组装了，完成最后的测试工作后，将能够让火箭动力更强。
值得一提的是，这种技术全球掌握的国家少之又少，一般来说是没有国家愿意卖给你的，拿再多的钱也没有用。但是它的作用却很大，比如YF-480型发动机其实就是为我国的长征九号运载火箭量身打造的。按照我国的计划，预计在今年年底发射“嫦娥五号”升空，2025年以前完成载人登月，而宇航员登月是少不了这个大推力液体火箭发动机的，因此，当我们研制出这个大推力发动机也就意味着我国宇航员登月开始了倒计时。
据美之前相关媒体报道，中国墨子号卫星曾经被美国授予了“克利夫兰奖项”，以表彰中国墨子号卫星对航天事业做出的巨大贡献。令国人骄傲的是：这是中国科学家首次凭借自身实力获得的奖项，具有非常重要的历史意义。其实在此之前，墨子号卫星就被列入了美国最具影响力的科研项目之一，受到世界瞩目。中国再次突破了1项核心技术，技术水平有望领先全球。
中国墨子号卫星会直接影响到中国科学研究在通信领域的发展，这是我国多年来致力于科研技术所取得的重要成就，属于创造性突破。墨子号卫星正式投入使用后，为了使得我国技术水平领先全球，科学家对墨子号卫星曾经提出了三大要求。第一，高速传输信息。星地量子密钥比光纤传输速度要快1万亿倍，能够传输到地面1000多公里的范围，大大拓宽了传送距离。第二，要利用隐形技术实现量子的隐身。
墨子号卫星就是通过量子隐身的方式进行信息传输，然后在太空中接收所传输的信息。值得一提的是，还要从高空五千多米与西藏阿里地面站连通线路。阿里地面的太阳光源能够以每秒8000多个量子隐身传输信息到墨子号卫星。之前通过的实验以500多公里到1400百多公里为标准，事实上却超出了预期结果。第三，就是量子纠缠实验。量子纠缠实验并不是表面看上去这么简单，这是一个非常复杂的过程，需要具有超高的技术水平。
2020年12月17日1时59分，嫦娥五号返回器携带月球样品在内蒙古四子王旗预定区域安全着陆，探月工程嫦娥五号任务取得圆满成功。嫦娥五号任务作为我国复杂度最高、技术跨度最大的航天系统工程，实现了我国首次月面采样与封装、月面起飞、月球轨道交会对接、携带样品再入返回等多项重大突破，标志着我国探月工程“绕、落、回”三步走规划如期完成。
中国航天突破了一大批具有自主知识产权的关键核心技术，在一些前沿领域实现了从“跟跑”到“并跑”甚至“领跑”的跨越，走出了一条独具特色的创新发展之路。嫦娥五号一次次精准入微的操作，创造了我国深空探测任务领域新的技术高度，为中国航天事业写下了自主创新的生动注脚，标志着我国科学技术水平跨入了世界先进行列，并在一些尖端科学领域取得了领先优势。
返回式卫星是中国应用卫星中最早发展、率先进入实用阶段和达到世界先进水平的一类卫星，不但在遥感应用上取得了突出成绩，在航天器技术上也获得了许多成果，为中国的载人航天事业打下了坚实基础。
返回式卫星分为 6 种，分别是 0 型（FSW－0）、1型（FSW－1）、2 型（FSW－2）、3 型（FSW－3）、4 型（FSW－4）和“实践八号”（SJ－8）。FSW－0 属于第一代照相遥感卫星，FSW－1 属于第一代摄影测绘卫星，FSW－2 属于第二代国土普查卫星，FSW－3 是第二代地图测绘卫星，FSW－4 是国土详查卫星。6 种返回式卫星共发射了 24 颗，取得了明显的经济效益和社会效益，摄影定位能力达到当时的世界先进水平。通过FSW－3、FSW－4 的研制，返回式卫星平台和有效载荷不断成熟。该系列卫星还初步具备了空间平台的基本特征。
中国成功成功攻克了材料和航空发动机热障涂层两个难题，中国研发出来的航空发动机材料在抗高温、抗腐蚀等方面已经达到世界顶级水平。中国研制出来的新材料的强度比现有“超强镁合金晶体材料”高出10倍以上，变形能力比“镁基金属玻璃”高出2倍。
南京理工大学材料评价与设计教育部工程研究中心陈光教授团队在国家973计划等资助下，经长期研究，在新型航空航天材料钛铝合金方面取得重大跨越性突破。所制备的PST TiAl单晶实现了高强高塑的优异结合，其最小蠕变速率和持久寿命均优于已经成功应用于GEnx发动机的Ti-48Al-2Cr-2Nb(4822)合金1到2个数量级。
据悉经过科学家不懈努力，中国在航空发动机热障涂层问题上取得关键技术进步，较好的解决了改善抗CMAS腐蚀性能、控制 TGO的生长、改善抗烧结性和改善YSZ面层应变容限等四个关键问题。这些问题的有效解决，将有利于中国航空发动机寿命的大大提高。中国已经找到了满足更高的发动机出口温度的热障涂层关键技术环节，开始瞄准具备更低热导率的顶层陶瓷层，开发出陶瓷基复合材料热障涂层和新型低热导率热障涂层。
航空航天技术是一个国家科技、工业和国防实力的重要体现。航空发动机被誉为飞机的心脏，叶片则是航空发动机中最关键的核心部件，其承温能力直接决定着发动机的性能，尤其是推重比。美国GE公司采用Ti-48Al-2Cr-2Nb（以下简称4822）合金替代原来的镍基高温合金制造了GEnx发动机最后两级低压涡轮叶片，使单台发动机减重约200磅，节油20%，氮化物(NOx)排放量减少80%，噪音显著降低，用于波音787飞机，2007年试飞成功，2009年正式投入商业运营，成为当时航空与材料领域轰动性的进展。
中国的陈光教授团队的研究成果在材料性能上实现了新的大幅度跨越，所制备的PST TiAl单晶室温拉伸塑性和屈服强度分别高达6.9%和708MPa，抗拉强度高达978MPa，实现了高强高塑的优异结合。更为重要的是，该合金在900℃时的拉伸屈服强度为637MPa，并具有优异的抗蠕变性能，其最小蠕变速率和持久寿命均优于已经成功应用于GEnx发动机的4822合金1~2个数量级，有望将目前TiAl合金的使用温度从650~750℃提高到900℃以上。
科技领域人士曾经对陈光教授团队的研究成果给予高度评价。他指出：“通常，镍基单晶高温合金的承温能力每提高25~30℃，即为一代新合金。陈光教授团队发明的TiAl单晶合金，一下将承温能力提高了150~250℃以上，是重大突破，属引领性成果。这项关键材料技术诞生于我国，是我们国家和民族的骄傲与自豪！对我国的航空航天事业的发展具有重大价值。
中国科学院山西煤炭化学研究所研究员张寿春团队围绕T-1000级超高强度碳纤维制备，承担的中国科学院重点部署项目所制备的聚丙烯腈基超高强度碳纤维，顺利通过验收，并成功开发聚丙烯腈基新型中空碳纤维。值得一提的是，聚丙烯腈基碳纤维是航空航天、国防、民用工业领域不可或缺的关键材料，对国防安全和国民经济发展具有举足轻重的重要性。聚丙烯腈碳纤维生产技术主要有湿纺与干喷湿纺两种技术路线，干喷湿纺技术具有生产效率高、碳纤维品质好、生产成本低等优点，世界上高端牌号碳纤维主要采用干喷湿纺技术生产。
中国之前曾经展示的CC-1空天飞机方案。国内媒体报道了一款工业部门在研的空天飞机方案，引发集体关注。专家表示，这一技术方案的先进性远远领先于美国目前天地运输系统以及轨道飞行器，但其技术复杂程度也是空前的，现在主要是在初期的技术研发阶段。据《联合报》报道称，中国曾经发射了小型多用途可重复使用空天飞机，随着中国测试这项高超音速飞行器，各国太空飞机竞赛已迈入白热化阶段。文章还称，中国首度成功进行了航天飞行器模型试验，试验负责人用“历史性跨越”来形容试验的重要性。
世界上航天最发达的国家美国，其所使用的X-37B算是最先进的了，而在中国空天飞机试验成功后，将会超越美国。中国后续的实际发射试验，只有当中国空天飞机实际载人或者搭载太空飞行器发射成功后，可以说说中国将会完成了一种新型发射方式的技术开发。
碳纤维复合材料是以碳纤维为增强材料，与其他材料一起经过复合成型制成的结构材料，相较于传统材料在性能和轻量化两方面存在优势。中国研发出具有完全自主知识产权的产品碳纤维及其织物，产品各项技术指标已达到国际同类产品的先进水平，目前主要应用于航空航天领域。中国已经具备高强型ZT7系列（高于T700级）、ZT8系列（T800级）、ZT9系列（T1000/T1100级）和高模型ZM40J（M40J级）石墨纤维工程产业化能力，其中ZT7系列产品已被批量稳定应用于我国航空航天八大型号。
值得一提的是，研发单位中简科技是我国航空航天领域核心的碳纤维供应商。公司产品在经过航空航天权威单位近三年多批次的严格测试后，最终被选为主要供应商。
中国有一家仅120人左右的民营企业上海拓璞数控科技有限公司能参与运载火箭、大型飞机智能装备的制造。在它们的厂房里，有许多自主研发的高端装备，装配完毕后将销往航空、航天制造企业。这些装备中，尤其是有一台名为“整体壁板多头镜像铣削加工中心”，用于铣削大型飞行器的舱体壁板。它之前曾接受航天客户的验收，成为全世界唯一一台此类设备。拓璞团队在短短几年间打造了精密机械传动技术、开放式高档数控系统、先进制造工艺技术等3个技术平台，开发了近10项国内领先的高端装备核心技术。五轴联动数控机床，是拓璞的核心产品之一。这种机床用于加工复杂曲面，堪称机床制造业的“皇冠”，尤其在航空、航天、核电能源、高精医疗设备等领域有重要应用。值得一提的，之前美国、日本曾经对我国实施禁运。
凭借五轴联动数控机床的技术支撑，拓璞研制出了全自动钻铆装备。铆接是飞机、火箭制造过程中零件最多的工艺。值得一提的是，它们在2012年在和外国企业的竞争中胜出，拿到了国内大型运载火箭制造企业的全自动钻铆机订单。
航空飞行器可以达到35马赫的飞行速度，意味着1秒钟可以飞过12公里，那么14分钟内就可以从中国飞到美国西海岸（1马赫等于1倍音速）。世界上还没有一枚航空飞行其可以达到这个速度，但或许我国将抢先研制成功。中国的35马赫风洞JF22建造完成。
风洞可以产生强力的气流，用来模拟飞行器高速运行时气流的作用效果。任何飞机、军事飞行器的设计都必须经过风洞试验，如果没有经过风洞试验而直接上天，那很可能导致坠毁或空中解体。
比如美国的老牌轰炸机B-52当年在设计定型前，就经历了上万小时的风洞测试。因此要研制出35马赫的高超音速导弹，就要先拥有35马赫的风洞。世界第一的风洞是美国的LEN-X，它是目前唯一能满足30马赫状态测试的风洞。其次是俄罗斯的AT-303，它能实现8至20马赫飞行速度的测试。而随着中国35马赫的JF22即将完工，中国将成为新的风洞霸主。
长期以来发达国家在这个涉及军工的关键技术上，对我国实施“卡脖子”，比如建风洞用的压缩机就绝对禁止出口中国。1960年，我国首座超音速风洞FL-1在沈阳空气动力研究所投入到正常的使用中，数以百计的产品在这个风洞内进行了无数次试验。1997年，四川绵阳的中国空气动力研究中心建成了亚洲最大的跨音速风洞，该风洞帮助我国歼-10和飞豹系列完成了设计制造。2012年5月，我国8个国家重大科研装备研制项目之一的JF-12激波风洞通过验收。JF-12可以模拟10马赫高速飞行状态，它为东风-17高超音速飞行器的设计试验提供了保障。
中国航天工程学院研究人员曾研究出了先进的激光冲击强化工业生产线，这款技术装备让我国发动机技术能够更上一层楼，甚至改变西方在航空发动机上的垄断地位，而这成为中国航空上可以在一定程度上完成“弯道超车”的最好办法。中国作为第一个研发成功者在2009年开始禁止向其他几个国家提供这种具有战略意义的晶体。并且中国也还在继续深研，并且已经发现了下一代深紫外所需的LSBO晶体。
值得一提的，KBBF晶体可以将激光转化为深紫外激光，产生深紫外激光器。中科院陈创天院士是世界上第一块KBBF晶体的制造者。由于其深刻的战略意义，因此，中国开始停止出口KBBF晶体2009。碳纤维是军民两用材料，它是技术密集和敏感的关键材料，之前以日本、东丽为首的西方国家已开始实行禁运和技术封锁。