訪中國(guó)科學(xué)院院士曹春曉
不詳 ?佚名 ? 2008年02月01日 ? ?人物聚焦
曹春曉院士
他不斷開創(chuàng)新型鈦合金和鈦－鋁系金屬間化合物，并先后應(yīng)用到飛機(jī)上，大幅度減輕了發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)重量，提高了飛機(jī)及發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵性能，為我國(guó)空軍裝備的現(xiàn)代化作出了重要貢獻(xiàn)。
他所研制的TC4合金葉片等重要零件的試用成功為我國(guó)鈦工業(yè)發(fā)展和在航空工業(yè)中應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，起到了開路先鋒的作用。
他潛心研究使用溫度可達(dá)500℃的高溫鈦合金TC11，創(chuàng)立了高低溫交替熱變形技術(shù)，從而解決了兩種新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)的急需，為兩種新型殲擊機(jī)首飛立下了汗馬功勞。
他首先利用特定的相變模式優(yōu)化鈦合金β轉(zhuǎn)變組織形態(tài)和綜合性能，創(chuàng)立了BRCT熱處理技術(shù)。
他利用形變－相變聯(lián)合機(jī)制，創(chuàng)立鈦合金急冷式β熱變形強(qiáng)韌化技術(shù)，并成功地把我國(guó)獨(dú)創(chuàng)的550℃高溫鈦合金應(yīng)用于新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)。
他還研究了鈦合金的強(qiáng)化機(jī)制、阻燃理論、疲勞裂紋擴(kuò)展特征等基礎(chǔ)問題，并相應(yīng)地取得創(chuàng)造性成果。
……
2008年1月15日，我們帶著崇敬的心情，走訪了這位為中國(guó)航空事業(yè)做出巨大貢獻(xiàn)的“幕后科學(xué)家”——曹春曉院士。
“一代飛機(jī)，一代材料”
100多年以來(lái)，飛機(jī)與機(jī)體材料結(jié)構(gòu)一直是在相互的推動(dòng)之下發(fā)展的。這100多年來(lái)的發(fā)展，飛機(jī)機(jī)體材料結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了五個(gè)階段，而這五個(gè)階段也是整個(gè)世界航空發(fā)展史的真實(shí)寫照。
記者：您能針對(duì)這五個(gè)階段，給我們舉一些例子介紹一下嗎？
曹院士：這100多年一共分為五個(gè)階段，可以說是“一代飛機(jī)，一代材料”。第一個(gè)階段是從1903年開始，那時(shí)美國(guó)萊特兄弟發(fā)明了飛機(jī)，而且第一次上了天，雖然時(shí)間很短，飛了只有12秒，36米，但已經(jīng)是非常了不起的了，所以大家都公認(rèn)把這個(gè)作為世界航空發(fā)展史的第一天。從1903年到20世紀(jì)10年代，飛機(jī)用的材料結(jié)構(gòu)是木頭，用木頭做飛機(jī)的梁和航條等等，用布來(lái)做門，整個(gè)結(jié)構(gòu)就是木布結(jié)構(gòu)。20世紀(jì)20年代到40年代，飛機(jī)的材料結(jié)構(gòu)變成了金屬結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗俣纫咭稽c(diǎn)，木頭就承受不住力量。這樣，就變成了鋁合鋼結(jié)構(gòu)，這是第二個(gè)階段。第三個(gè)階段是從20世紀(jì)50年代開始到60年代，這一段時(shí)間主要是使鋁鈦鋼結(jié)構(gòu)。
記者：為什么要增加鈦結(jié)構(gòu)呢？
曹院士：因?yàn)槟菚r(shí)候飛機(jī)的性能要求越來(lái)越高，所以要求有比強(qiáng)度更強(qiáng)的一些材料來(lái)減輕飛機(jī)的結(jié)構(gòu)重量，那么鈦合金的比強(qiáng)度既比鋼好，又比鋁合金好。第四個(gè)階段是從20世紀(jì)70年代開始一直到現(xiàn)在，這個(gè)階段出現(xiàn)了復(fù)合材料，而且很快被用到航空上來(lái)了。
記者：復(fù)合材料指的是什么？
曹院士：這里指的是以樹脂為基礎(chǔ)，把纖維搞到樹脂里面來(lái)增強(qiáng)它。光是樹脂的話，它輕是很輕，但是強(qiáng)度不夠，用纖維增強(qiáng)了以后，比強(qiáng)度就非常高，比鈦合金還要高。就在這個(gè)時(shí)候，復(fù)合材料開始介入到飛機(jī)材料結(jié)構(gòu)里面。但到目前為止，大體上來(lái)看，還是以鋁合金為主，因此說是以鋁合金為主的四種結(jié)構(gòu)材料的一種混合的結(jié)構(gòu)。我們現(xiàn)在已經(jīng)開始轉(zhuǎn)入到第五個(gè)階段了。
記者：這個(gè)最新的階段具體時(shí)間是從什么時(shí)候開始算起的？
曹院士：是從21世紀(jì)初開始，21世紀(jì)正好是一個(gè)過渡階段。雖然從現(xiàn)在開始，結(jié)構(gòu)材料里面還主要是鋁、鈦、鋼，但是已經(jīng)開始以復(fù)合材料為主了。復(fù)合材料變成了用量最大的，坐第一把交椅。鋁合金把第一把交椅讓位給復(fù)合材料，這是非常重要的一個(gè)轉(zhuǎn)折。我個(gè)人認(rèn)為應(yīng)該是一個(gè)新的階段、新的格局，這是第五階段的主要特征。
記者：為什么復(fù)合材料和鈦合金材料的用量在不斷增加？它們有著怎樣的優(yōu)越性？
曹院士：首先是比強(qiáng)度——這是非常明顯的一個(gè)優(yōu)越性。正因?yàn)槭怯迷陲w機(jī)上，節(jié)省結(jié)構(gòu)重量是第一位的。平時(shí)我們說斤斤計(jì)較，但是對(duì)于搞航空的人來(lái)說，不是“斤斤計(jì)較”，而是“克克計(jì)較”。剛剛推出來(lái)的A380，是世界上最大的飛機(jī)。雖然是雙層的，但它的材料卻用到了22%的復(fù)合材料，10%的鈦合金。軍用飛機(jī)的鈦合金通常能用到40%左右，而民用飛機(jī)考慮到經(jīng)濟(jì)性的問題，一般都在10%以下。A380能用到10%鈦合金，確實(shí)創(chuàng)下了一個(gè)新記錄。復(fù)合材料用到22%，這在民用飛機(jī)上也是一個(gè)全新的記錄。
但沒多久，這個(gè)記錄就被波音787打破了，它的復(fù)合材料用到了50%，鈦合金用到了15%，這兩個(gè)都是最新的世界紀(jì)錄、是從量到質(zhì)的改變。波音787明年就要上天，目前它還沒有正式批量生產(chǎn)，但已經(jīng)預(yù)訂出去600-700架了，我國(guó)南方航空就訂了50架，它已經(jīng)開始掙錢了。
記者：這個(gè)改變帶來(lái)什么好處？為什么大家感興趣呢？
曹院士：就是燃油的消耗大幅度降低了。787采取了各種措施來(lái)減少油耗，比如，發(fā)動(dòng)機(jī)要選擇油耗更低的發(fā)動(dòng)機(jī)。另外，氣動(dòng)力學(xué)方面的改進(jìn)，讓它氣動(dòng)的阻力各方面都減少了等等，但重要的措施是用了50%的復(fù)合材料。整個(gè)總措施加上以后，坐同樣類型的飛機(jī)，這新一代的飛機(jī)可以降低油耗20%。而這20%里面，8%的降低油耗是要靠復(fù)合材料。
復(fù)合材料和鈦合金材料的第二個(gè)優(yōu)越性是抗輻射性。飛機(jī)是要長(zhǎng)期使用的，特別是民用客機(jī)，它不是飛一個(gè)月、兩個(gè)月就完事的，它要飛好多年。復(fù)合材料和鈦合金是抗腐蝕性最好的，很多飛機(jī)沿海地區(qū)都要用，在海洋里面的氣候下，鋁合金一般容易被腐蝕，鈦合金的抗腐蝕性能最好。鈦合金還有一個(gè)優(yōu)越性就是適用度高，而且適用的范圍大，它在零下269度、零上600度都可以使用。
“中國(guó)必須有自己的大飛機(jī)”
大型飛機(jī)是中國(guó)中長(zhǎng)期科技規(guī)劃中的16個(gè)重大科技專項(xiàng)之一。2007年2月26日，國(guó)務(wù)院總理溫家寶主持召開了國(guó)務(wù)院常務(wù)會(huì)議，聽取了大型飛機(jī)重大專項(xiàng)領(lǐng)導(dǎo)小組，關(guān)于大型飛機(jī)方案論證的工作匯報(bào)，原則批準(zhǔn)大型飛機(jī)研制重大科技專項(xiàng)正式立項(xiàng)，同意組建大型客機(jī)股份公司盡快開展工作。
記者：中國(guó)為什么要搞大型飛機(jī)？
曹院士：我們之所以要下那么大的決心來(lái)搞大型飛機(jī)，我想主要有三個(gè)方面。
首先，大型飛機(jī)是建設(shè)科技強(qiáng)國(guó)和創(chuàng)新型國(guó)家的一個(gè)標(biāo)志性工程。日本通產(chǎn)省曾按照產(chǎn)品的單位重量創(chuàng)造的價(jià)值做過一個(gè)比較，如果船舶單位質(zhì)量創(chuàng)造的價(jià)值是1的話，那么小汽車就是9，電子計(jì)算機(jī)是300，噴氣客機(jī)為800，航空發(fā)動(dòng)機(jī)是1400。還有一個(gè)數(shù)據(jù)，我國(guó)出口了8億件的襯衫，得到的利潤(rùn)才可換來(lái)一架A380飛機(jī)，可見，航空材料在高科技領(lǐng)域中所占地位的重要，所以我們應(yīng)該非常重視知識(shí)密集型的高科技的產(chǎn)業(yè)。如果我們能自主設(shè)計(jì)出大型飛機(jī)的話，那么就說明我國(guó)在高科技產(chǎn)業(yè)水平和創(chuàng)新能力上跨上了一個(gè)更高的新臺(tái)階。
其次，舉全國(guó)之力發(fā)展大型飛機(jī)是新時(shí)期的戰(zhàn)略性抉擇。目前我國(guó)人均GDP已超過1000美元，正處于經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整、產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級(jí)的關(guān)鍵時(shí)期。而大型飛機(jī)工程恰恰能有效地促進(jìn)該關(guān)鍵時(shí)期的發(fā)展，并推動(dòng)整個(gè)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。大型飛機(jī)工程還可以強(qiáng)力地拉動(dòng)一系列的產(chǎn)業(yè)的技術(shù)升級(jí)，這一系列的產(chǎn)業(yè)包括材料、化工、電子、信息、機(jī)械、儀表、能源、制造業(yè)等等。例如，德國(guó)在20世紀(jì)60年代發(fā)現(xiàn)，原來(lái)的汽車和機(jī)械加工業(yè)很難推動(dòng)本國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，決定與法國(guó)等合作發(fā)展航空工業(yè)，聯(lián)合研制大型民用客機(jī)，取得了很好的效果，這也說明，沒有民用客機(jī)的航空工業(yè)是不完整的航空工業(yè)。
第三，大型軍用運(yùn)輸機(jī)是提高國(guó)防實(shí)力、確保國(guó)家安全的不可或缺的武器裝備。在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，需要部隊(duì)快速反應(yīng)，協(xié)同作戰(zhàn)，這就需要大型軍用運(yùn)輸機(jī)。美國(guó)現(xiàn)在共有2000多架軍用運(yùn)輸機(jī)，其中大型運(yùn)輸機(jī)包括126架C-5，174架C-141，180架C-17；俄羅斯一共有369架大型軍用運(yùn)輸機(jī)。因此，軍用運(yùn)輸機(jī)在保證國(guó)家安全方面，所具有的重要的戰(zhàn)略地位和作用，是不言而喻的。
所以，從各方面來(lái)說，我們搞大型飛機(jī)的工程是非常明智的戰(zhàn)略性的選擇。
“坐一坐我們自己的大飛機(jī)”
曹春曉于1934年出生在浙江上虞，三歲隨父母到了上海。上海剛解放時(shí)，他進(jìn)入南洋模范中學(xué)就讀，1952年考入了上海交通大學(xué)。1956年大學(xué)畢業(yè)后，系主任周志宏很想把這位德才兼?zhèn)涞母卟纳粝聛?lái)任教。然而，曹春曉夢(mèng)寐以求的是走一條科技強(qiáng)國(guó)之路，周志宏最終還是被他說服了。
于是他來(lái)到北京西郊一個(gè)剛剛組建的航空材料研究所，成為初建的鈦合金實(shí)驗(yàn)室的成員，從此開始了獻(xiàn)身航空科研、報(bào)效祖國(guó)的事業(yè)。
記者：作為一位從事了幾十年科研工作的科學(xué)家，您覺得真正的快樂是什么？您對(duì)青年科技工作者又有哪些建議和期望？
曹院士：一個(gè)人一生當(dāng)中，大部分時(shí)間都在工作，做自己喜歡做的事，本身就是一件很高興的事。當(dāng)工作中的某些目標(biāo)得以達(dá)成，還有所創(chuàng)新的話，那更是高興的不得了。所以說，我覺得真正的快樂、最大的快樂就是做自己想做的事，并能有一些新的發(fā)現(xiàn)，取得一定的成果。
自行設(shè)計(jì)研制大型飛機(jī)是振興中華民族的一個(gè)偉大工程，我希望青年科技工作者要有獻(xiàn)身航空、潛心鉆研、百折不撓、為國(guó)爭(zhēng)光的精神，并把這種精神投入到大型飛機(jī)的研究中，有什么力量就貢獻(xiàn)什么力量。
記者：您小時(shí)候的理想是什么？
曹院士：我從小就對(duì)科學(xué)研究很感興趣，而且很喜歡看中外科學(xué)家們的故事，最佩服的人就是牛頓。初中的時(shí)候，我寫過一篇作文就談到長(zhǎng)大了要搞科研工作，希望自己也能成為一名了不起的科學(xué)家。
記者：那您現(xiàn)在最大的愿望是什么？
曹院士：我現(xiàn)在最大的愿望就是希望自己健康長(zhǎng)壽。因?yàn)槲乙吹轿覀兊拇箫w機(jī)、我們的大客都研制出來(lái)，都在航線上飛行，我要坐一坐?，F(xiàn)在我出差坐飛機(jī)的幾率特別高，有時(shí)一周坐五六次。搞航空的人還要坐別人研制的飛機(jī)，心里很不是滋味，坐在上面感覺特別別扭。所以，我希望有一天能坐上我們自己研制的大飛機(jī)去遨游天空——那應(yīng)該是最幸福的事了！
我們國(guó)家要有自己設(shè)計(jì)制造的大型飛機(jī)是中國(guó)人民、特別是幾代航空人的夢(mèng)想和愿望；在大型飛機(jī)上，要用更多的自己自足研制生產(chǎn)的航空材料是材料界、特別是幾代航材人的愿望和夢(mèng)想?，F(xiàn)在這個(gè)項(xiàng)目要上馬了，我們已經(jīng)看到實(shí)現(xiàn)這個(gè)夢(mèng)想和愿望的曙光了。希望所有參加大飛機(jī)工程的中華兒女，心懷祖國(guó)，情系航空，團(tuán)結(jié)和諧，創(chuàng)新圖強(qiáng)，這樣，我們中國(guó)自己設(shè)計(jì)制造的大型飛機(jī)，一定能夠在不遠(yuǎn)的將來(lái)，展翅翱翔在萬(wàn)里晴空的藍(lán)天。
人物小傳
曹春曉：著名材料科學(xué)家、中國(guó)科學(xué)院院士、我國(guó)航空工業(yè)鈦合金研究和應(yīng)用的創(chuàng)始人之一。浙江上虞人。1956年畢業(yè)于上海交通大學(xué)機(jī)械系。不斷開創(chuàng)新型鈦合金和鈦--鋁系金屬間化合物，并應(yīng)用于航空工業(yè)，顯著減輕飛機(jī)及其發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)重量；根據(jù)再結(jié)晶和相變相結(jié)合的原理，創(chuàng)立了高低溫交替熱變形技術(shù)，解決了長(zhǎng)期以來(lái)存在于大型鈦合金零件生產(chǎn)中的金相組織不均勻的關(guān)鍵問題；首先利用特定的相變模式優(yōu)化鈦合金的β轉(zhuǎn)變組織形態(tài)和性能，創(chuàng)立BRCT熱處理技術(shù)；利用形變--相變聯(lián)合機(jī)制，創(chuàng)立鈦合金急冷式β熱變形強(qiáng)韌化技術(shù)；研究了鈦合金的強(qiáng)化機(jī)制、阻燃機(jī)理、疲勞裂紋擴(kuò)展特征及其它基礎(chǔ)問題，并相應(yīng)地取得了創(chuàng)造性成果。曾獲航空?qǐng)?bào)國(guó)金獎(jiǎng)、全國(guó)科學(xué)大會(huì)獎(jiǎng)等。
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