曾元松:用微小弹丸精工雕琢中国翼

0.5毫米,是近20米长国产机翼壁板型面的最大允许误差,也是“大国工匠”精工雕琢的极致追求。

22年,是扎根金属塑性加工领域的时长,也是将奋斗变成日常的坚持。

他是曾元松,是中国航空制造技术研究院副院长。这位中青年专家率先在国内带领团队攻破了多个机翼壁板成型的核心技术,打破了国外技术的封锁和垄断,使我国大型军用和民用飞机金属机翼整体壁板的制造技术水平,迈入了国际领先的行列。

如今,在他的办公桌一角常年摆放着2件精致的飞机模型。纯白色的第一代中国舰载战斗机歼-15、迷彩蓝的我国新一代军用大型运输机运-20……跟很多航空人一样,曾元松对飞机的热爱是赤诚与深沉的。

这位22年沉浸在航空制造领域,擅长金属成形技术的“打铁匠”,是如何铸造精美的飞机翅膀的?在他的成长过程中,是如何实现多个从零到1的突破的?他又是如何带领团队提升国产飞机机翼整体壁板的制造水平的?

爱之切、学之深,逐梦航空

1988年初,曾元松从四川老家高中毕业后,选择到北国冰城哈尔滨工业大学就读。在回答为何会选择哈工大,他略微回忆一下,带着憨笑率性告知我们答案:“农村娃高考完就想天高任鸟飞,并且离家远一点,报考的人兴许会少些,机会也大。”初到大学,曾元松就被浇了一盆冷水。当年,他本来想到最喜爱的计算机专业读书,结果被学校调配到了哈工大材料科学与工程学院,学金属成形技术。

他并没有抱怨成为一名调剂生,反而深深地喜爱上了这一专业,用9年时间,完成了本科到博士的蝶变。在硕士和博士期间,他受教于塑性加工领域资深教授王仲仁先生,并成为王仲仁教授最喜爱的学生之一。

知名高校的博士……1997年毕业时,国内众多企事业单位向他抛出橄榄枝,其中不乏高薪单位,他毅然选择走进北京航空工艺研究所(中国航空制造技术研究院的前身)的大门,与航空工业结缘,因为在他看来,自身所学专业在航空制造领域会有广阔天地,也是个人兴趣所在。

当时在同学与同事看来,这位曾博士押宝“航空”肯定错了。因为上世纪90年代,国内航空工业发展并不理想。但曾元松却觉得,正因为处于低迷期,跟国际上先进的国家差距较大,才会有更大的发展空间,他的这番认识,在日后工作中得到一一印证,他充分发挥专业之长,在一个一个科研项目中,展示着自己的才华。

不让参观,我们自己干出来

“在所有技术参数固化后,一块原始的机翼壁板板坯被平稳送进到数控喷丸机里,在成千上万颗直径不大于5毫米的弹丸有序喷射到板坯表面后,经过几个小时这块板坯就变成一块具有复杂气动外形的飞机机翼壁板。”这样让金属秒变戏法的魔术,其实就源于中国航空制造技术研究院,然后在航空工业所属企业的车间中进行精确复制。这项飞机机翼制造技术包含多个核心技术,历经多年攻关,包含了航空人的很多智慧与汗水,也是每个航空人的骄傲。

很少有人知道,飞机研制成功离不开尺寸大小不足5毫米的小小弹丸,飞机壁板复杂气动外形面的研制成功更离不开弹丸的贡献。喷丸成形是指利用高速弹丸有选择地、逐步地撞击金属构件表面而最终使其获得所需外形的一种技术。而曾元松一直潜心研究喷丸成形技术,无数次与这些微小弹丸“打交道”。

上世纪50年代初期,喷丸成形技术首次应用于某型号飞机机翼壁板。因其具有无需成形模具、设备适应性广、加工成本低等优势,喷丸成形一直是飞机机翼整体壁板首选甚至唯一的成形手段,包括20世纪60年代末以来的波音747、本世纪初期至今的空客A380等都应用了这项技术。

而国内研究起步较晚,始于20世纪60年代末期。技术资料的极其匮乏使当时开展研究工作困难重重。

曾元松说,当时最大的难题是如何获取专业领域里的信息。在当时互联网不发达的年代,他们只有埋头图书馆查资料学习,并借助于有限的国际学术会议多学多看多思考。即便如此,一些航空领域里的高端核心技术,本身就是核心竞争力,也是保密的。记得他曾经去德国慕尼黑出席一个国际学术会议,当时安排有技术参观。但当时他们提出申请想参观一下德国的一个发动机工厂,最终直到离开德国,这一愿望都没有达成。英国也有自己专门的空客机翼生产现场,但他们也根本不会允许外人参观。

“在国外核心技术封锁的条件下,我们就必须自主实现从零到一的突破。”研究院积极探索喷丸成形工艺,摸索喷丸变形规律,开发喷丸成形新方法,并自主研制数控喷丸机。

从毫米级、数米级,再到20米的机翼壁板喷丸成形,他们一步步把基础做扎实,由小到大实现技术突破。20世纪90年代中期,研究院掌握了机翼6米级整体壁板喷丸成形技术,使国内跨入数控时代。

“小”专家不服输,中国翼翱翔蓝天

我国按照国际标准研制的具有自主知识产权的ARJ21飞机项目研制中,面临着一个制造工艺上最大的“拦路虎”——飞机机翼整体壁板成形技术难题。

业内专家表示:“没有民机整体壁板喷丸成形技术的突破,ARJ21就上不了天!”如果我们不掌握机翼整体壁板的成形技术,就意味着我们拥有自主知识产权的民机产业将会受制于人。面对该问题,原国防科工委和航空工业领导果断决定:民机的未来,只有依靠我们航空人自力更生。

2003年,“民用飞机整体壁板数控喷丸成形技术研究”课题正式立项,年仅33岁的曾元松担任该课题负责人。

很多人都产生过这样的疑问:“年纪轻轻的曾元松能否承担起这个重任?”曾元松顶住巨大压力,带领课题组克服了国内尚无预先研究基础和国外技术封锁等重重困难,解决了材料紧缺、缺乏基础试验数据、机翼壁板数模几次改变、涉及技术面广等种种难题,成功研制出ARJ21超临界机翼整体壁板装机件,解决了ARJ21机翼制造的重大关键技术问题,获得授权发明专利6项,填补了国内空白,使我国成为世界上少数几个掌握该项技术的国家之一。

从5毫米、2.5毫米、1.5毫米向着不大于0.5毫米的合格标准逐渐缩小着。国产机翼壁板历经多年研发攻关,不仅机翼表面光滑,形状准确度高,而且外形精度逐渐逼近0.5毫米。0.5毫米——大约七页纸厚度的精度,终于在以曾元松为负责人的课题攻关团队手中成功实现了。

在该项成果鉴定会上,包括多名院士在内的专家委员会一致认为:“该课题技术难度大,在国外严密封锁的情况下,获得了具有自主知识产权的原创性技术成果,突破了我国民机发展的一项重大关键技术。该项成果达到国内领先、国际先进水平。”最终,该项成果被评为国家科技进步二等奖,曾元松代表课题组受到了党和国家领导人的亲切接见。

在他的奋斗历程中,从专业技术人员,到独立承担重点项目、再到带领团队解决重大关键技术问题……在这一步步的历练中,完成了从知识的积累到工程的实践过程。从ARJ21到C919,从运20到AG600,他伴随中国大飞机的研制一路前行,他把自己的全部精力和心血都倾注到航空事业发展中,并在喷丸成形技术领域取得了一系列技术突破,为我国航空工业的发展做出了重要贡献。

科研无禁区,只要肯攀登

减重是飞机一直在追求的目标,特别是高筋整体壁板具有优异的减重效果、结构效率和密封效果,一直为国内外所青睐。但是随着机翼筋条高度的增加,喷丸成形难度逐渐加大。但该项技术攻关的成功与否对我国大型飞机机翼结构方案的确定和技术突破具有重要意义。

2007年,曾元松创造性提出要实现“带筋整体壁板喷丸成形”。“国外很少见,国内也没有参照,这或许是不可能实现的设想。”当时,很多人包括一些资深专家都觉得不可行。

曾元松带领团队在ARJ21飞机机翼壁板成功研制的基础上,进一步开展了大量的试验研究、理论分析和数值模拟工作。2年间,他突破一个个喷丸成形禁区和堡垒,于2009年成功研制出全尺寸验证件。至今,曾元松还深深记得,当时飞机型号总设计师视察这一验证件后说了这样一句话:“这下我心里踏实了,透亮了。”

曾元松主持参与研发的这个机翼壁板成为目前世界上采用喷丸成形技术研制的尺寸最大、筋条最高、外形最复杂、成形难度最大的机翼带筋整体壁板,实现了我国飞机机翼壁板制造技术新的重大跨越,开创了多个国内第一。

启动、滑行,机头抬起,直插云霄……2013年1月,我国首款拥有自主知识产权、具备国际主流水准的大型运输机成功首飞。曾元松当时就在首飞现场。至今,他仍深深记得飞机起飞那一刻,他曾心怀感恩激动地落泪。他为自己身后这支得力的科研团队能缔造出一个个不可能的超越而深感喜悦。

机翼是“抬”起机身的关键部段,外翼下壁板作为机翼的“翅根”,受力最大、也最复杂。如果外翼下壁板的安全性不过关,飞机将面临“折翼”的危险。机翼制造是现代大型飞机研制的核心,而机翼壁板成形是机翼制造的关键技术,曾元松是研发该项关键技术的领军者。

22年间,担任专业组长、学术带头人,从研发部长到研究室主任,再到副院长,曾元松一直在低调做事,但他参与的每一项科研成果却总在高调“刷屏”。他研制的具有自主知识产权的小弯管成形设备和滚压无扩口连接设备,填补了国内空白;他参与研发的柔性多点模具蒙皮拉形工艺和装备,填补了国内空白;他解决了机翼制造的重大关键技术问题,填补了国内空白……

有限目标,步步为赢

每一处精工雕琢、匠心唯时光可鉴。工作中,曾元松最喜欢导师说过的这句话:“有限目标,步步为赢”,至今这句话仍让他非常受用,并成为他完成一次次突破的制胜绝招。

“目标不一定很高、很大,但要做好每一步。踏实做事,沉心做科研,不浮躁。”这也是他最常用的劝慰青年科技人员的话。

而提及领导的人格魅力,曾元松说,人格魅力不在于你的职位有多高,而在于你能否带好科研团队做好分工,让人尽其才,物尽其用。能否带领团队一起攻坚克难,共同分享成功,让每一个团队成员都有获得感,如果领导只喜欢布置“作业”,而不给予适当指导,久而久之团队就会失去斗志。

在年轻人培养过程中,他除了主张因人施教外,更喜欢在实践中培养和锻炼他们。尤其在时间紧、任务重、技术难度大的情况下,他大胆起用新人,让年轻人参与并负责重要的分析计算、实验研究等工作,并在实践中给予细心指导。在试验过程中,为了最大限度减少不必要的错误发生,他都亲自与年轻人针对试验方案进行认真讨论和修改。在每次试验工作结束后,他会主动跟年轻人一起总结讨论,并毫无保留将自己多年的工作经验和专业知识予以传授。

“创新能力最强的阶段,都是集中在青年时期。”曾元松说,对青年人才的激励,一定的荣誉或奖励是必要的。因为对于真正在科技上做出创新性贡献的人才,在这一阶段给予适当的奖励,既能刷新青年人才的存在感,还能激发他们在科技创新的路上继续做出更大贡献的热情。

当年,他作为第十一届中国青年科技奖获得者也体验了一把“获得感”。他从中也感受到了更多的责任感和压力,这些都成为后续他做好相关科研项目的持续动力。

如今,曾元松并不觉得轻松,比如飞机金属结构材料大多是钛合金或铝合金,要让它们变形,就需要研究清楚这些材料的内在特性,并研究出特殊成形方法以及攻克更多科研难题。攻克难题似乎也已经成了航空人的必答题。

任何加工方法和工艺都不是一成不变的,只有更好。这就要求技术人员要有勤奋和创新的心态,追求极致和精益求精的“工匠精神”。对新技术和新问题要有高度的敏感性,善于吸收最前沿的技术和成熟经验,不断精雕细琢和创新完善工艺。因此创新是曾元松在科研事业上的执著追求。他时刻把握专业发展的最前沿,谋求为金属成形技术拓宽道路。

一个时代有一个时代的担当。作为一名航空人,曾元松始终积极投身在科研工作中,以航空报国为最高使命担当,正奔跑在新时代航空强国建设征程中……新的成绩,值得期待!(文/李 荔)

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