他们给C919飞机装上了“假冰”

周光明教授、蔡登安老师带领的团队
机头模拟冰
机翼模拟冰


        一封从中国商用飞机有限责任公司寄来的感谢信,让我们认识了一个“追”着飞机跑、为C919装“假冰”的硬核团队。这就是我校周光明教授、蔡登安老师带领的团队,团队成员们不辞辛苦、日夜倒班,在多地开展模拟冰型预安装工作,以创新的方式大大减少了由于安装模拟冰导致的占用飞机的时间,确保了模拟冰试飞进度,为C919项目按期完成模拟冰试飞任务提供了坚实的保障。
  让我们回到2017年,承载着中国航空制造业几代人梦想的C919首架飞机成功试飞。自此,C919进入民航“服役”备受期待,只有投放市场,这款飞机才能真正被赋予生命。但C919投入运营,尚缺关键一步,即“适航取证”,适航取证就是让飞机经受“极限挑战”,以验证飞机性能。
  开展局方审定试飞是商用飞机适航取证的关键环节。在局方开展审定试飞前,已有6架试飞飞机在上海、阎良、东营、南昌等地开展试飞工作,完成必要的地面检查和试验,进行必要的飞行试验并提交报告。
  每一次成功试飞,意味着其距离适航许可交付更进一步。其中,国内首次基于FAR25-121修正案的临界冰型的确定,填补了国内模拟结冰防冰试验的空白。这背后凝聚了南航周光明教授领衔的科研团队“从零起步”“十年磨一剑”的艰辛付出。
  从零开始,打破技术封锁在低温气象环境中飞行时,飞机表面极易发生结冰现象,对飞行安全造成威胁,严重的甚至可能导致飞行灾难,因此结冰试飞工作就尤为重要。自然结冰试飞是一项高风险试飞科目,按适航条款规定,试飞前进行模拟冰试飞,则可以摸清飞机带冰特性,进行临界冰型性能的适航验证。
  早在2010年,来自南航航空学院的周光明教授、蔡登安老师团队就开始了ARJ21-700飞机模拟冰试飞项目。模拟冰试飞是选取其他材料加工出具有真实冰型外形及特征的“假冰”安装于飞机上进行试飞,是自然结冰试飞的关键步骤。
  当时国外对其进行技术封锁,国内完全没有研究基础,可谓是困难重重,内外交困。
  从零开始,周光明教授带领团队从选材、工艺、载荷试验等众多方面开始调研,在验证了包括木材、泡沫等多种方案后,创造性地研发了木夹芯复合材料模拟冰。这种“冰”不仅能模拟真实冰型的外形,还具备良好的刚度、强度,能在大过载、强气流的作用下保证截面符合理论形状并且安全系数高。
  2021年是C919大型客机适航取证关键年,模拟冰试飞工作则是其中重要一环。自2019年,周光明教授和蔡登安老师就带领团队开始攻关C919大型客机模拟冰试飞项目。由于C919大型客机试飞冰型的特殊性和复杂性,团队开展多方面研究,在ARJ21飞机基础上,进一步升级,通过引入3D打印冰型方案、大颗粒粗糙度带等多项创新工作,大幅度提升了模拟冰型的质量和工艺实施效率,开创了我国夹芯复合材料模拟冰改装及试飞的先河。
  拿猫砂做实验,他们是认真的模拟冰型的主体外表光滑,然而真实结冰条件下冰型外表面会密布冰渣子,有一定的粗糙度,为了将“冰”模拟到极致,团队费尽脑汁到处找材料,一名成员突然发现家里的猫砂竟然满足粗糙度的要求,就立即进行试验。冰渣子细小,只有2-3毫米,团队成员就将猫砂碾碎,用筛子筛细,再粘接于冰型表面。周光明教授笑道:“如此大量采购猫砂,看来以后要培养养猫的兴趣了。”
  模拟冰做好了,但怎么装到飞机上?这是个大难题。
  结合多年经验,团队将复合材料手糊工艺引入改装过程。采用厚度只有0.1-0.2mm的玻璃纤维布铺设于飞机前缘,待树脂固化完成后再将木夹芯粘贴其上,覆盖上玻璃纤维布后整体固化。这样的操作工艺则对安装技术提出了较高要求。“我们安装的时候都是提心吊胆的,一定要认真细致,模拟冰型一旦贴合不到位,在飞机飞行时则可能砸在飞机上甚至掉落至发动机内,后果不堪设想。”周光明教授说道。
  摸着石头过河,在C919的羽翼上一点点安装“冰渣子”,他们探索危险的边界以确保安全。
  辗转多地,“追”着飞机跑是常态试飞地点分散在上海、江西、山东、陕西四地。飞机不等人,有时只给两天改装时间,规定期限内就要完成安装,但做一套冰型的时间远不止两天,怎么办呢?
  从今年1月份起,团队就瞄准各架飞机的“空窗期”,在4个试飞点之间辗转。博士生李想回忆,飞机经常晚点,常常是“飞机还没试飞,我们的工作人员就已经飞了好几圈。”
  除了在试飞点之间辗转,为试飞任务加班加点更是团队成员的家常便饭。今年4月,团队接到一项紧急改装任务,需要第二天将新的冰型安装完毕并安全试飞。20个小时,要完成原本48小时的工作量,这对团队成员的生理及心理都是一次重大的考验。
  接到任务的1小时内,团队与现场工作人员冷静沟通,迅速确定改装方案,将12小时的等待时间缩短至3小时,同时现场即刻开始改装。不巧的是,此时停机坪上刮起大风,操作工具随时可能被风吹走,“站起来挡风!”团队成员顶着寒冷的大风,搭起人墙为操作人员遮风,保障改装顺利进行。
  凌晨2点,团队成员相互加油打气,通过跑步让自己保持清醒。凌晨5点,所有操作步骤完成,现场所有人瘫坐在地。除了疲惫,心里更多是任务完成后的喜悦。这一紧急改装任务于第二天中午顺利完成,并于当天下午成功试飞。
  砥“力”前行,和C919一同起飞除了指导老师,这支年轻的团队还有4名博士生、4名硕士生,专业都是工程力学,大家一路砥“力”前行,收获良多。
  2010年前后,蔡登安还在南航读大二时,就开始跟着周光明教授接触ARJ飞机试飞项目。自2017年博士毕业留校后,蔡登安成为南航的一名老师,就一直行进在试飞的路上。
  与十年前不同的是,试飞机型、试飞项目更多了,团队成员的任务更重了。
  作为研究生一年级的新生,熊信发同学和彭锦峰同学都觉得能有机会到试飞院参与C919飞机的现场改造工作的机会很难得。“以前看到的都是航空航天馆里的模型,这次让我好好摸到了真正的大飞机!”熊信发说,“再辛苦都值得!”
  “刻苦攻关、严谨求实”让这个团队和C919一起张开了科学的羽翼,安全飞行过一个个巅峰。
  2020年 11月,C919获型号检查核准书(TIA),全面进入局方审定试飞阶段。2021年1月,民航上海审定中心完成C919首次局方审定试飞。目前,C919正全面朝着适航取证、交付运营的目标推进。据周光明教授介绍,暑期南京新冠疫情反扑,但模拟冰试飞并未中断,项目组成员在学校实验室仍加班加点完成模拟冰制作,多次视频指导试飞现场人员安装操作。周教授说:“虽然压力很大,但我们很自豪,也有信心排除万难,踏踏实实把C919模拟冰项目做好,为祖国大飞机早日取证交付,贡献我们的力量!”