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国产航空轮胎跑出中国“加速度”


[ 相铮 杨仑 叶青 龙跃梅 赵英淑 滕继濮 林莉君 科技日报    更新时间:2022/10/14  ]     ★★★

        摘要:勇闯材料研发、工程化和市场化“三道关”

航空轮胎对冲击、承载、生热和耐磨等技术指标有着极为苛刻的要求,要实现技术全链条自主可控,并真正地进入良性轨道,具有市场竞争力,获得商业化成功,必须要闯过材料研发、工程化和市场化“三道关”。

视觉中国供图

9月的岭南,古树阴翳下仍觉得非常潮热。

从黄埔军校旧址向东北出发25公里,就能远远地看见矗立在黄埔区新龙镇一座轮胎形状的建筑——这里是即将建成的航空轮胎大科学中心。

与天气同样“火热”的,是科研人员们激动而按捺不住的心情。在这里,先进试验设备——航空轮胎高加速试验台的“日程表”,早已被排得满满当当。伴随着尖锐刺耳的巨大声响,短短几秒钟内,轮胎运转时速加速至300公里/小时。这模拟了飞机起飞的全过程,轮胎的各项数据通过传感器、摄像头被全方位记录下来,以备进一步分析。

像这样的大型试验设备一共有七套,眼下,它们要做的就是评估航空轮胎装在飞机上是否安全可靠。

小小的轮胎有啥了不起?

公开资料显示,我国轮胎产量占到了全球四成左右,是名副其实的轮胎大国。但单条轮胎的利润却低得可怜。“同样型号、规格、用途的汽车轮胎,国产名牌轮胎的价格不足米其林、固特异等国外轮胎品牌的一半,有些企业生产一条轮胎的利润仅有二三十元。” 在行业内摸爬滚打近20年的黄埔轮胎(广州)有限公司总经理王林龙告诉科技日报记者。

汽车轮胎尚且如此,作为行业最尖端的产品——航空轮胎的情况自不必说。“航空轮胎,国产的?”听到这个问题,几位资深飞机维修工程师都纷纷表示,至少在民航领域“闻所未闻”。

航空轮胎对飞机的安全性和可靠性至关重要,对冲击、承载、生热和耐磨等技术指标有着极为苛刻的要求。放眼全球,航空轮胎行业的核心技术长期掌握在国外少数的大公司手中,对后来者而言,进入该领域门槛极高。闯出一条路,唯有靠科技创新。

在试验台上进行测试的轮胎。受访者供图

勇闯材料研发、工程化和市场化“三道关”

“我们就像在一间黑屋子里,连门在哪里、有没有门都不知道。”这是中国科学院长春应用化学研究所(以下简称长春应化所)所长杨小牛刚承担任务时真实的想法。

照猫画虎,生产出一条航空轮胎不难,通过偶尔的测试也不难。但要实现工业化生产、质量追上甚至超越国外品牌,技术全链条自主可控,并真正地进入良性轨道,具有市场竞争力,获得商业化成功,必须要闯过材料研发、工程化和市场化“三道关”。

正应了杨小牛常常警醒团队成员的一句话:科学,没有捷径可以走,没有弯道可以超。

橡胶材料,是研发航空轮胎亟须攻克的第一道难关。

橡胶被誉为“黑色黄金”,作为重要的战略物资和工业原料,橡胶在国防军工、航空航天、交通运输等诸多领域具有不可替代的地位。

从某种意义上来说,橡胶改变过人类的历史进程。1941年12月7日,珍珠港事件爆发;六周后,日本攻占东南亚地区,掌握了世界90%以上的橡胶供应,迫使美国爆发“橡胶危机”。时至今日,来自东南亚的顶级天然橡胶,仍是生产航空轮胎的重要原材料。

要实现稳定供给、大规模工业化生产、自主可控的目标,则非人工合成橡胶这个办法莫属。长春应化所在此领域有着悠久、深厚、光荣的历史和积淀。1950年,新中国第一块合成橡胶——氯丁橡胶就诞生于此;该所20世纪70年代研制成功的镍系顺丁橡胶生产技术,至今仍处于世界领先水准。

如今,长春应化所研究员白晨曦带领团队接过前辈手中的火炬,致力于高性能仿生合成橡胶的制备和工程化工作。要达到航空轮胎的使用标准,需要让人工合成橡胶具有天然顶级烟片胶类似的性能。其关键是在合成橡胶分子链上以特殊的方法嵌入蛋白质和磷脂。

“我们就像在无人之地奔跑,有目标,路却需要自己走。”白晨曦说。从技术路线到配方选择,从合成装备到仿生枝接……数年时间弹指一挥,他和团队成员埋头寻找材料的最优解。

北国春城捷报频传:小试、中试成功;百吨级、千吨级开车成功,材料配方迭代了很多次,还将根据未来技术和产业发展的需要继续迭代下去。

长春应化所的科研人员们在无人的荒野中蹚出一条康庄大道。

正在建设中的航空轮胎大科学中心。视觉中国供图

全链条自主可控国产航空轮胎走出实验室

自东北一路南下,3000公里之外的广州,大科学装置的建设如火如荼。

除了投入使用的高加速试验台,广东粤港澳大湾区黄埔材料研究院(以下简称埔材院)研究员崔荣耀向记者介绍了每一处场地的功用——即使现在只是一座座钢筋交织、空荡荡的基坑。他兴致盎然地描绘着图景,仿佛真的有起落架从高空砸下,产生了轮胎的形变、起落架的摆振。

思维敏捷、话语中充满对未来希望的崔荣耀,其实已经退休多年。他与众多科研工作者有一个共同的目标:解决航空轮胎工程化问题。

标准,是一款产品适用与否的关键。但航空轮胎的标准就像一个“盲盒”:现有测试数据、评价标准大多由国外材料翻译而来,知其然却不知其所以然。“航空轮胎动力学大装置就是要解决这个问题。”崔荣耀说。

一系列先进的试验装置,可以还原在真实使用场景中轮胎的表现,搜集并建立包括航空轮胎、汽车轮胎、特种轮胎等几乎所有下游产品的数据库,利用数字孪生、模拟地面动力学等实验装置,实现由基础理论、硬核科技共性技术再到工业产品研发的突破。

举例来说,航空轮胎需要对其对抗冲击、大承载、低生热和高耐磨等多个矛盾性参数进行综合设计,充分平衡它们之间的性能关系,实现高可靠要求。这需要模拟实际工况进行测试,预测出轮胎一共能完成的起降次数。

在实践中,航空轮胎有时会经受零下50—60摄氏度的低温环境,以及降落时升至150摄氏度的温度剧变;有时则需要在短时间内达到起飞速度;有时则需要在干燥、结冰的跑道上起降……

“为了实现航空轮胎的高可靠性,我们需要了解其全生命周期的表现,希望将其寿命末期出现爆胎控制在特定部位,甚至精准到哪一次出现。”杨小牛说。

传统意义上,轮胎尤其是航空轮胎迭代的链条、周期较为漫长;如今,几乎可以保持动态更新。巨大的跨越,源于颠覆性的核心算法、完全独立自主的数字轮胎工业软件。在软件中,轮胎的各项数据、受力情况等要素一目了然,大大缩短了原有的流程和开发时间。

负责软件开发的项目研究员叶峰表示,该软件从核心算法上进行了颠覆性的创新,使用了基于等几何原理的底层算法求解策略,同步实现轮胎结构设计与性能预测,加速了产品制造的迭代进程,形成多个规格型号的航空轮胎产品的并行开发能力。

从材料到产品,全链条自主可控的国产航空轮胎走出了实验室,变成了看得见、摸得着的样品。

受访者供图

技术外溢助推行业高质量发展

一年365天,登门找技术的企业就有近400家,埔材院的门槛几乎被企业踏破了。该研究院是长春应化所与地方政府共同建立的新型研发机构,建成了以航空轮胎动力学大装置为核心的高端轮胎研发及制造平台和芯片化学材料研发及制程验证平台。

“1+1+X是我们目前的发展模式。”埔材院副院长、研究员王杰告诉记者。第一个1,就是航空轮胎。航空轮胎是轮胎行业皇冠上的明珠,在材料、工程制备等方面沉淀下来的技术,有极佳的应用转化前景。

王杰举了个简明易懂的例子:新能源汽车轮胎有加速更快、滚阻更小、承载更大、噪音更低的要求,而对掌握了航空轮胎全链条技术的团队来说,新能源汽车轮胎正是可以大展拳脚的领域。

去年底,在黄埔区政府的支持下,埔材院与当地企业共同成立了注册资本达20亿元的黄埔轮胎(广州)技术有限公司,第一批新能源轮胎产品有望今年下线。

特种轮胎、前沿技术也在这里快速成长。非充气轮胎被业界认为是轮胎的二次革命,有望解决充气轮胎在舒适性和操控性上的矛盾,彻底将“爆胎”变成历史名词。在国际上,也仅有一家企业在这方面进行探索。

在埔材院,年轻的研究员赵晓礼正带领团队针对非充气轮胎进行关键技术攻关。“我们的样品已经上路测试,目前要解决的问题是提升最高行驶速度和高速下的连续行驶能力。”谈起项目,赵晓礼信心十足。

风乍起,吹皱一池春水。

破除机制“藩篱”,先进而卓有成效的科技创新体制被埔材院“复制粘贴”了过来,在生物医用、高分子材料等诸多领域得到了创新性的应用,成果转化的“X”有些应用绝对“出人意料”。

90后科研工作者袁黎光,博士期间研究方向是聚氨酯材料。相比“时髦”的材料,聚氨酯多少显得有点“老态龙钟”。

“我查了近年来的行业期刊,发现聚氨酯大都作为‘配角’出现,一度担心自己能不能毕业。”袁黎光笑着说。

如今,他却在工厂里忙得脚不沾地。作为高分子摩擦材料中心负责人,袁黎光把一项技术成果转化成了汽车的隐形车衣。

这完全是一次偶然的机会。惊讶于隐形车衣产品的价格,袁黎光对市面上的产品做了一点功课——上门买边角料。“车衣需要高透、耐磨和高韧性,以达到彰显原车漆、抵抗剐蹭、防止穿刺划伤的目的,这不是巧了么?”

他原本的研究方向,就是以聚氨酯为原材料、应用于尖端装备的涂层技术。广州一家企业闻讯赶来,最终决定投入3000万元,购买高耐磨聚氨酯材料技术进行成果转化。目前,该产品已经迭代了数次,很快就将出现在市场上。

另一项有趣的成果转化,出现在智能穿戴设备上,当地一家企业与埔材院就此达成长期战略合作。该项目负责人张通告诉记者,这项技术的来源,是轮胎测试中经常用到的标定轮胎形变的接地印痕阵列传感器,应用到智能穿戴设备上,可以更精准地对心率和血压等参数进行实时测试。

一批青年才俊成为独当一面的骨干

仿生合成橡胶航空轮胎这一项目自启动以来,仅用两年半的时间,基本实现了全流程技术链条贯通。

无论是退休返岗的老专家、正值壮年的科研骨干还是初出茅庐的青年科研工作者,都从不同角度,表达了这次项目有点“不一样”。

用杨小牛的话说,项目的“指挥棒”变了。项目瞄准的不再是论文、奖项和“帽子”等指标,而是围绕着航空轮胎这一国家需求,在布局伊始就进行了一体化的设计,高效配置全产业链上的科技力量和创新资源,实现产学研用各界心往一处想、劲往一处使,各种知识与想法汇集,所有数据和成果共享,最终汇聚成了关键核心技术攻关的强大合力。

体制机制的创新,使得整个项目生机勃勃。“在组织模式方面,强化产品导向、应用导向,形成了研究所+企业+地方三方面联合攻关模式;在人才方面,赛马制、揭榜挂帅等制度已经在项目中得到广泛应用。”杨小牛说。

作为仿生合成橡胶航空轮胎项目的总负责人,最令杨小牛欣喜的不仅是成果,更是在实战中凝聚的这支人才队伍。1981年出生的郇彦,担任专项的副总工程师,对不同专业领域深入钻研,开展统筹协调,已成长为跨学科跨领域全面发展的复合型人才,在重大任务中展现了自己的才华; 1987年出生的叶峰,则是工业软件的核心科学家;更有一批90后的青年才俊,在项目中成长为独当一面的骨干。

在杨小牛的办公室里,一张压在亚克力板中的责任状放在显眼的位置。他一边指给记者,一边脱口背出上面禁止性条款。简单说,参与专项期间,不允许申报奖项、也不能申报其他项目了。

“科学没有捷径,科学研究必须脚踏实地。”杨小牛说。在他看来,禁止性条款帮助科研工作者摒弃杂念,心无旁骛,全心全意地投入到专项的科学研究工作中,攻克一项又一项核心技术。

国产航空轮胎也就在此良性循环中,跑出了中国“加速度”。

 

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