大飞机用铝合金的现状与发展趋势

大飞机用铝合金的现状与发展趋势

楼瑞祥

中国一航第一飞机设计研究院 陕西西安710078

摘要

大飞机项目已立项，铝合金由于比强度高，成形和加工性能好等特点，还将是国内研究大飞机的主要结构材料。本文以波音777、A340和A380飞机为例，较详细介绍了各飞机采用损伤容限设计后，机身、机翼等大部件的铝合金使用情况，并结合各种飞机结构用铝合金及热处理状态出现的年代和特点，总结了上个世纪国际上航空铝合金的发展趋势，及目前各主要部位采用铝合金的代表牌号。通过国内现役飞机结构用铝合金采用情况介绍，和国内航空铝合金发展趋势介绍，结合自“七五”以来航空铝合金的预先研究、部分型号的国产化、民用配套开发的铝合金现状和存在的问题，提出了大飞机项目主要部件的铝合金选用建议，此建议既考虑了飞机的先进性，也充分考虑了国内实施的可行性。同时根据此选用建议，结合国内现有的设备能力、技术力量及未来两年可能发生的变化，提出了国内目前存在的问题、主要技术关键及解决措施，供有关技术人员参考使用。

1 前言

2006年2月9日，颁布《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006年～2020年）》大型飞机被确定为“未来中国5年力争取得突破的16 个重大科技专项”之一。同年3月，十届全国四次会议上，温总理宣布，我国将在“十一五”期间启动大型飞机研制项目。今年2月26日，总理主持召开常务会议，听取了大型飞机重大专项领导小组关于大型飞机方案论证工作汇报，原则批准大型飞机研制重大科技专项正式立项，同意组建大型客机股份公司，尽快开展工作。材料是飞机结构的基础，铝合金由于其具有比强度高，成形和加工性能好、耐腐蚀性能好等特点，将作为非常重要的飞机结构材料，在大飞机结构中占有很大的使用比例。

本文将通过分析国外大飞机铝合金的使用情况，结合国内的研制和生产现状，提出我国即将研制的大飞机在铝合金的选择思路、目前存在问题及解决途径

2 国外大型民机采用铝合金的现状

国外大型民用客机从波音707发展到现在以波音787和A380为代表的新一代大型民机，从舒适性、安全性、经济性等主要考核民机性能指标上，发生了很大的变化，设计方法也从静强度设计、到破损安全性设计、到损伤容限设计，其采用的材料也从片面追求高强度、到要求疲劳强度较好的材料、到除考虑损伤容

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限之外，同时考虑抗蚀性和低成本的新要求，因此主体结构材料也发生了很大的变化，特别是随着先进复合材料用量大幅度增加，对传统轻质合金的用量冲击很大，如目前正在研制的B787飞机的复合材料用量达50%，而铝合金的用量只有20%，但是目前正在使用的民用客机，以及即将投入使用的大型客机A380，铝合金还占主导作用。通过了解这些飞机采用的铝合金，可以发现铝合金的发展趋势。

2.1 中国C919大飞机

2.1 波音777

波音777是美国波音公司九十年代推出的大型民用客机，采用的材料是80年代末90年代初比较成熟的材料，或90年代商品化的材料。因此它的选材具有一定的代表性。其主要部位的材料选用见表1。

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认识飞机的“框、桁、缘”：

飞机的机翼长度向的为“桁条” 飞机的机翼前后向的为“缘条”

飞机的机身长度向的为“桁条” 飞机的机身圆周向的为“框架”

表1 波音777主要部位用材一览表

上翼面蒙皮 上翼面长桁 下翼面蒙皮 下翼面长桁 翼梁上缘条 下缘条 腹板 机身长桁、座椅滑轨、龙骨梁 侧框（锻件） 机身蒙皮 锻件 襟翼滑轨 起落架托架 尾喷管 尾锥 后整流罩

7055-T7751 7055-T77511 2324-T39 2224-T3511 7150-T77511 2224-T35111 2324-T39 7150-T77511 7050-7452 2524-T3 7150-T77 Ti-10-2-3 Ti-10-2-3 β21S β21S β21S 3 / 13

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表2 A340飞机主要部件选用材料 机身上表面蒙皮 机身下表面蒙皮、机身桁条 机身下部壁板 机向桁条、座位扶手 主框架附件 机翼上表面蒙皮 机翼下表面蒙皮 上、下翼梁 翼桁条、翼盒上表面蒙皮 主地板桁条 发动机吊架

2.2 A330/A34

A330/A340选材体系基本上代表了20世纪80年代材料水平，飞机选材很大程度上继承了A300/A310飞机的特点,2000和7000系列铝合金应用量最为广泛，其中A340-500/600飞机首次应用7449高强度铝合金。表2示出了A340飞机主要部位的材料选用情况。

2.3 A380飞机

A380飞机机体结构材料，优质铝合金用量最大，占重量的61%，复合材料占25%（22%为CFRP，用量达32t；3%为首次用于民机的GLARE），钛和钢占10%，其它4%，A380飞机主要部位的材料选择见表3。

GLARE：Glare层板是由高强度铝合金薄板和高强度玻璃纤维增强树脂层交替层压而成的一种纤维增强金属材料。在20世纪70年代，荷兰Delft大学航空航天工程结构与材料实验室在Arall层板（芳纶纤维增强铝合金层板）的基础上，用高强度玻璃纤维代替芳纶纤维研究出了Glare层，它克服了Arall层板对缺口及冲击敏感的缺点，改善了双轴向受力疲劳性能。Delft大学对Glare层板的制造、加工、质检和维护等进行了系统研究，并申请了多项发明专利。1987年10月AKZO公司获得了Glare层板的专利权，并于1991年与ALCOA公司合股对Glare层板进行商业化生产。

CFRP：碳纤维强化塑料(carbon-fibre reinforced plastic)的缩写，特点是强度高

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2545 7150 6056-T78/T6（可焊接） 7349-T6/T 76 7040、T7451板材 7449/7055-T7951 2024-T351 T449和2027 7499-T7651板材、7040 2198-T8铝锂合金 钛合金和不锈钢 中国航空学会2007年学术年会 《大飞机用铝合金的现状与发展趋势》

质量低。

表3 A380飞机主要部位的材料选择

部位 选用的材料 上机身用Glare，翼盒CFRP，襟翼/肋CFRP，上地板梁CFRP，后舱门CFRP，吊舱钛合金SPF/DB(超塑成形/扩散连接(Super Plastic Forming/Diffusion Bonding,SPF/DB)组合工艺)，密封隔板Glare，机身地板桁条IM CFRP，机身气密舱的球面框用ROHACELL的PMI硬质泡沫芯。 机身 2024/2524蒙皮 2024T42挤压框，上壁板Glare，PAX门，RTM铰链，下层梁CFRPIM纤维 座椅滑轨7349/7055 主层梁Al-LI C460/2196T8511 货物舱门梁7175T79511、座椅轨道Ti6Al4V 下壁板6013T6焊接（机身-蒙皮）曲面舱门壁板6056 6013和6056焊接机身下壁板 上蒙皮 7055T7951 7055/7449 HF T7951 上长桁条 7055/7449T7951 主翼盒 下蒙皮 2024HDT/2024AT351 下长桁条2024/2027T3511 翼梁 翼肋 Al 7085T7651/7040T7651 CFRP Al 7085T7651 上蒙皮 7010T7651 外翼盒 上长桁条 7055/7449T7951 下蒙皮 2024HDT/2024AT351 下长桁条2024/2027T3511 起落架 Ti10-2-3、300M

3 飞机用铝合金发展趋势

1906年，德国化学家Alfred wilm发明了可时效强化的铝合金—Duralumin（Al-4%Cu-0.5%Mg-0.5%Mn）。该合金的耐腐蚀性能较差，应用较困难。1972年，美国Alcoa公司采用包铝（Al-clading）、英国采用阳极化处理等方法使铝合金成为飞机常用结构材料。直到上世纪六十年代，飞机用铝合金设计需要是静强度、抗腐蚀和疲劳性能。在Duralumin的基础上，先后出现了2017-T4、2014-T6、2024-T3

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等Al-Cu-Mg-Mn系（2XXX）合金，以及高强度的7075-T6和8178-T6等Al-Zn-Mg-Cu系（7XXX）合金。1960年代早期，Alcoa公司发明了T73和T76热处理状态，解决了7075-T6、7079-T6等合金的大厚板出现的短横向抗应力腐蚀性能差的问题，但合金强度有所下降。7075-T73和7075-T76合金用作飞机蒙皮、翼梁、隔框、长桁、起落架等。

进入上世纪七十年代，飞机用铝合金的设计要求是静强度、抗腐蚀性能、稳定的高温性能、耐用性、损伤容限、良好的厚板性能和强烈的减重。出现了世界上第一个高温高韧铝合金7475。同7075相比，7475合金降低了杂质元素Fe、Si的含量，并对Zn、Cu的含量进行了调整。7475-T6、7475-T73和7475-T76用来制造飞机机身和机翼蒙皮、梁和隔框等。同时，Alcoa公司还研制成功了7050-T74合金。该合金具有高强度厚截面、良好的抗剥蚀和抗应力腐蚀性能，足够的断裂韧性和疲劳性能，是100℃以下厚截面构件的优选材料。它们可用来制造飞机机身、加强框、机翼连接框和上蒙皮等。从此，该合金的厚板和锻件成为飞机厚截面部分的标准选材。与此同时研制的7049T 7010合金，则主要在欧洲使用。这一时期还出现了7050-T73、7050-T76、7150-T6、2124-T851、2224-T351X、2324-T39。7050-T73、7050-T76用来制造机身框、机翼蒙皮翼梁、翼肋等。7150-T6厚板和挤压件用作上机翼蒙皮和翼梁；2124-T851、2224-T351X挤压件和2324-T39板材用作下翼面结构。

20世纪80年代后，虽然出现了铝锂合金、快速凝固铝合金、复合材料等新材料的竞争，但是传统的2000系和7000系铝合金仍显示出了强大的生命力。首先是7150-T77热处理工艺的成功，它第一次在铝合金中实现了既满足腐蚀性能的要求，又同时不牺牲铝合金的强度。后来又通过调整合金成分、降低Fe、Si等杂质元素含量、改进生产工艺等手段，Alcoa公司发展出了7055-T77超高强度板材和2524-T3超高疲劳强度板材。7055-T77合金的强度比7075-T651高25%，比7150-T77高8～12%，而断裂韧性和抗应力腐蚀性能与7050-T61相当。2524-T3包铝板的断裂韧性、抗疲劳性能均高于2024-T3包铝板30%以上，被认为是目前最理想的飞机蒙皮用材料。

从以上发展经历可以看出，航空铝合金的发展可以概括为以下几点： 1）对原有合金的改进：即对2024和7075两个典型合金，通过 a）提高合金的纯度，降低杂质含量； b）加入微量元素，缩小合金成分范围； c）开发新的热处理状态等渠道，保存原有的优点，改进存在的问题，并使合金更专业化，如2024合金，适用于板、棒、管、型、丝等各种成品，而以此为基础，开发了

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2124-T851厚板、2224-T3511型材、2324-T39厚板、2524-T3薄板、2026-T3511型材等新合金；同样的对7075合金，是原先飞机结构的主要结构材料，经过近五十年的发展，已开发出7175、7475、7050、7150、7055等多种合金，同时开发了T6、T73、T74、T76、T77、779等适用于不同使用环境和适用的热处理状态。从而具备不同性能水平、不同耐蚀能力，适用于不同用途的合金。

2）开发新型高性能合金：即为某些特定要求（温度、工艺、环境）而研制开发的铝合金，如耐高温铝合金2219、耐蚀可焊铝合金6013、低密度高模量的铝锂合金，则可以全面取代现用铝合金，其发展趋势有特殊性。20世纪70年代的石油危机使铝锂合金，则可以全面取代铝合金，其发展趋势有特殊性。20世纪70年代的石油危机使铝锂合金的研制成为世界的热点，在1980年至1991年间召开了6次国际铝锂合金会议，开发区出了一系列较为成熟的铝锂合金，如：2090、2091、8090、8091等。其发展目标是代替在飞机机体结构中广泛应用的2024和7075铝合金材料，但这一目标并未像人们预期的那样容易实现。使得铝锂合金的研究在欧美又一次进入了一个相对低潮的时期。进入90年代，铝锂合金的研究由追求全面性转向利用铝锂合金某些特殊优势而开发新合金，研制出第三代铝锂合金如2195、2097、2197、1460等，这些合金在飞机结构上的实际应用目前虽还未见报道，但从飞机部件验证试验结果看，减重效果明显，且对部件的疲劳性能提高明显。但俄罗斯研制的许多铝锂合金也在飞机结构上工程化应用。如1420合金。

进入21世纪，世界各大铝厂为了具备航空铝材市场的竞争力，分别推出了适用于相同部位，具备相当性能但不同牌号的铝合金，有的甚至申请了专利，使铝合金的发展变得无序化和垄断化。

国际各铝厂推荐的新型铝合金航空材料见表4。

表4国际各铝厂推荐的新型铝合金航空材料

使用部位 机身损伤容限蒙皮 可焊、低密度铝合金 ALCOA 2524 6013 2324-T39 机翼壁板和长桁 70055-T7751 2062-T3511 ALCAN （Pechiney） 2065 7449-T7651 7349-T76511/T6511 7 / 13

CORUS K08144 6065 K08250-T7451 K08250-T7651 中国航空学会2007年学术年会 《大飞机用铝合金的现状与发展趋势》

7055-T77511 2024HDT 7050-T7651 锻件和厚板 7050-T7451/7452 7085-T7X51 7085-T7X52 2023-T3951 2027-T3511 7010-T7651 7010-T7451 或7040-T7451

4 国内铝合金使用现状

我国在飞机用铝合金的研究和应用基本上属于跟踪型。在1980年前跟踪苏联的研究；80年代至现在，主要跟踪研究。在跟踪基础上，通过预研和型号的国产化工作，初步形成了我国的飞机用铝合金系列，主要有硬合金、超硬合金和锻铝合金。

20世纪80年代以前，我国航空2000系、7000系铝合金主要是2A12（原LY12）合金和7A04（原LC4）合金，热处理状态仅有T3和T6两种，这两种合金广泛应用于歼5、歼6、歼7等飞机上，作为主要和承力结构件。20世纪80年代中期，我国开发了7A09（原LC9—即7075）合金，其工艺性能、抗应力腐蚀性能及综合力学性能均优于7A04合金。为进一步改善7000系铝合金的抗应力腐蚀性能，又先后研制成功了T74和T73热处理工艺。7A09合金在歼7、歼8系列飞机中得到了大量应用。20世纪80年代后期，为满足新一代战机对机体结构材料的要求，我国全面启动了7050-T74（锻件、厚板），2024-T351，T851（厚板），T3，T36，T62，T72，T81，T86（薄板），T3510，T8510（带板），7075-T76（薄板），T7351（厚板），T73510（带板），2124-T851（厚板）以及7475-T7351，T7651，T651（厚板），T6，T76（薄板）等合金和热处理状态的研究工作。但这些合金及热处理状态没有及时用到型号中，军机型号采用的这些原材料主要从国外进口。进入20世纪90年代后，我国开展了对美、俄等国一些高性能铝合金的跟踪工作，并进行了相应研究，先后开展的项目有2224-T3510（型材），2324-T39（厚板），7175-T74（锻件），7055-T77（锻件）等合金。但都没有形成在民机上工程化应用的地步。

5 大飞机铝合金的选择

从我国目前复合材料的研究水平、生产设备和生产能力考虑，其在大飞机上用量达到很高水平非常困难，且无法靠进口解决，因此，铝合金还应是大飞机的主体结构材料。

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大飞机对机体材料的要求包括：1）实现结构减重；2）结构承载和功能一体化；3）提高机体使用寿命；4）高可靠性和可维修性；5）低制造成本和低使用维修成本。这就对铝合金的比强度、比刚性、断裂韧性、疲劳性能、疲劳裂纹扩展速率和耐蚀性能等提出了更高的要求，需要采用综合性能更好的新型铝合金。大飞机铝合金主要部件的材料选择可按如下进行：

5.1 机身

机身蒙皮拟采用2524或7475板材；长桁用2024或7150板材或型材制造；框、舱门骨架、视窗骨架分别采用2024、7150等材料的板材、型材或锻件；地板梁、座椅滑轨用7175挤压件或7055和7349挤压件，龙骨梁用2024、7175和7475板材成形件挤压件或机加件；各类接头用7175或7050锻件或厚板机加件，辅助动力装置舱用2024或商业纯钛制成。在次受力部位采用铝锂合金。

5.2 机翼

翼盒上蒙皮拟采用7150板材，也可用7055和7449，下蒙皮用2324或2024板材；上长桁条用7150挤压件，也可用7055和7349挤压件，腹板用2324或2024厚板或采用7050、7150、7085整体加工制造而成，翼肋用7050或2024厚板机加。

6 存在问题及解决途径

6.1 国内铝合金存在问题 6.1.1 忽视工程化研究

国内材料预研通常是以典型件装机为目标，缺乏后继工程化研究，导致最终材料无法在型号上工程化应用，开展工程化研究，可以优化新型铝合金的熔铸、热处理和热加工工艺，稳定其性能；并通过建立批生产适用的技术标准，保证批量化生产质量。这样，既可提高成品率，又可降低制造成本。这就是国产7050、2124、2324、7175等高纯铝合金未来在型号上大量使用的原因。

6.1.2 品种规格不全。质量不稳定

除2024和7075合金外，7050只研究过板材和丝材，7150只研究了小锻件，7150只研究了板材，7055只研究了锻件。且因工程化生产的标准体系不完善、工艺规程执行不严格导致质量不稳定。

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6.1.3 新型铝合金的研究储备严重不足

尚未系统开展6056、高温用铝合金、新一代铝锂合金2195、2197、2424、1441、1460等新型铝合金的研究。7085高强度淬透性材料及抗拉强度在700MPa以上和超高强度铝合金还缺乏研究。

6.1.4 原材料适航符合性控制

国内虽然也有与国外相当的CCAR25部作为民用飞机的适航审查条例，但民机材料及其工艺的质量控制还未采用适航性管理，国内材料通过国际权威机构的适航审查还存在很大的差距。国内也曾编制过有关原材料供应厂商控制标准，但没有贯彻实施。

6.2 铝合金关键技术

为了满足未来在飞机研制的铝合金需求，应尽快解决以下关键技术，保证到时能供应需要的原材料及其相关资料：

6.2.1 机身、机翼壁板用材料研制及应用研究

国内目前使用过的最大挤压壁板宽度约600mm，按照目前国内最大吨们挤压机功率（12500吨）和挤压筒直径计算，最大可挤压壁板的宽度为700mm，因此采用挤压壁板必须先解决大型挤压设备。机翼采用挤压壁板不成熟，可采用预拉伸板材。

国内目前可供应预拉伸板的最大厚度为80mm，最大宽度2500mm，最大长度为10米（受热处理炉长度的）。并拥有6000吨拉伸机，可拉伸横截面面积在200000mm2以内的预拉伸板，即可拉伸厚度100mm，宽度为2000mm，最大长度达20米的板材。但受到高纯铝合金铸造工艺及铸锭尺寸的，国内还没有生产过6000吨拉伸机可拉伸的极限尺寸板材。

因此，从设备能力分析，采用预拉伸板作为机翼和机身壁板材料毛坯，除长度稍有差异外，可满足基本要求。

但对壁用材料，7150-T7751、2324-T39，7055-T7751，均只进行材料预先研究，没有达到工程化应用水平。7449-T7951则国内来没有研制过，应开展以下工作研究：

原材料毛坯供应（挤压或轧制）；

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材料全面性能研究或国内外材料性能对比； 机械加工、喷丸成形和压弯成形工艺技术； 时效成形技术；

大型制件的长寿命和可靠性技术。

6.2.2 大型铝合金锻件材料研制及应用研究

大飞机的框、梁、肋拟采用大型铝合金整体锻件或整体预拉伸加工，推荐采用的材料有7050、7150、7175、7085等合金。这些材料除7085国内来没有研制过外，国内都进行了预先研究，但没有达到工程化应用水平。

国内拥有3万吨水压机，通过一些技术措施，可以锻造投影面积2m2的大型铝合金大锻件，对于截面厚度小于200mm的锻件可以采用预拉伸板替代，国内目前还无法生产厚度120mm以上的预拉伸板，其主要原因是厚度500以上的高纯铝合金板坯铸造十分困难，可采用圆形铸锭，锻造开坯等工艺措施实施完成。但国内两大铝厂正在进行宽度4000mm以下预拉伸厚板的整套生产能力的技术改造，并开展了7050厚度155mm预拉伸板和7050-T7452大锻件的研制。但国内，除LC9外还没有一种高强度铝合金锻件材料。因此，应尽快开展7150、7085、7175等合金锻件的工程化应用研究。

主要研究内容： 材料研制； 锻造技术；

热处理工艺（包括预压缩工艺）； 材料全面性能研究；表面处理技术； 表面强化技术；

新形高纯铝合金性能研究。

6.2.3 高纯铝合金工程化应用研究

大飞机蒙皮、长桁用铝合金推荐选用2524、7475、7050、7150等高纯铝合金。国内均进行了预先研究，但未达到工程化应用水平，而且研究的半成品形式和热处理状态少，生产规格小，需要进行工程化应用研究。研究的主要内容包括：

高纯铝合金的熔炼； 不同材料及其半成品的研制； 材料全面性能研究或性能验证试验；

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材料不同热处理状态研究； 元件试验；

材料批生产稳定性控制；

国产民机材料适航符合性研究。

由于我国航空工业特定历史背景，形成多国航空材料牌号和相近云集我国的局面，目前已能生产2000多个牌号的航空工业金属、非金属和复合材料，但却无法满足现代民机对材料的要求，因此，应在理顺目前现状的基础上，高起点、高标准，按国际惯例开展材料应用研究和适航性管理，实行一材多用，发掘现有潜力材料的改进改型，实现国内航空材料的标准化、系列化和通用化，并能随着国际发展趋势，进行完善提高，以适应我国的航空发展需要，建立起民机材料工艺适航性管理方式，严格控制民机材料工艺质量，并能使未来民机的主要结构可采用，具有国际二十世纪先进水平，可取得国际权威部门适航审查许可的国产材料。研究的主要内容包括：

民机主干国产材料适航鉴定分析报告；

民机主干国产材料适航论证补充试验研究报告和相关的技术标准； 民机主干国产材料性能数据库；

民机主干国产材料适航论证要求、程序。

新材料产业“十二五”重点产品目录（摘录） 二 （一） 166 新型轻合金材料 铝合金 大规格铸锭技术与设备、新型轧制技术、合金成分设计与优化、熔体净化与铸造技术；大吨位真空熔炼炉、辊底式固溶处理及淬火系统、预拉伸系统、多级时效机组等技术装备、多向等温模锻技术与装备、大型等温反挤压技术与装备、时效成型技术与装备、铝材超声摩擦搅拌技术与装备。 粗大金属间化合物的控制技术、均匀化退火工艺、固溶处理工艺及装备 2系铝合高强高韧、耐蚀、高损伤金 容限 7系铝合167 超强高韧、耐蚀、耐疲劳 金 航空航天 168 铝锂合金 厚、中、薄板 厚度2～8mm、抗拉强度可焊铝合≥340MPa、屈服强度≥171 金薄板 315MPa、塑性≥30%，无晶间腐蚀。 航空航天 12 / 13

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结束语

尽管国内已初步形成了航空铝合金体系，但离国际先进水平还有差距，此差距是多方面的，包括技术的、设备能力的、管理的等，大飞机项目的研制是我国综合经济实力表现，是中华民族昌盛的标志，为了使大飞机研制成功，适合国际化、市场化的需求，一方面应尽快开展关键技术的攻关工作，为大飞机的研制奠定基础，另一方面，全国各相关行业都要为大飞机工程项目努力，才能保证大飞机项目的研制成功。

飞机的升力原理示意图

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