有哪些變革將引爆航空制造業(yè)的下一輪革命？

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有哪些變革將引爆航空制造業(yè)的下一輪革命？

2 015年，隨著F35戰(zhàn)斗機(jī)、A400M運(yùn)輸機(jī)、787和A350寬體客機(jī)等美歐新一代軍民用主力產(chǎn)品全面進(jìn)入批生產(chǎn)階段，復(fù)合材料主承力結(jié)構(gòu)非熱壓罐替代、發(fā)動(dòng)機(jī)核心零件設(shè)計(jì)制造增材化和非金屬化、機(jī)體裝配智能化提升等降本增效技術(shù)成為研發(fā)重點(diǎn)。同時(shí)，一批新型金屬材料在航空制造業(yè)展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景和產(chǎn)業(yè)價(jià)值。航空制造業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)在技術(shù)和市場(chǎng)力量的作用下也在發(fā)生巨大變化，2016年的世界航空制造業(yè)技術(shù)架構(gòu)和產(chǎn)業(yè)格局將延續(xù)2015年的變革性發(fā)展態(tài)勢(shì)。

▲ 復(fù)合材料在航空領(lǐng)域中運(yùn)用越來(lái)越廣泛

復(fù)材制造技術(shù)變革

2015年3月，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）開(kāi)始對(duì)未來(lái)翼身混合體飛機(jī)概念的非圓柱形復(fù)合材料壓力艙驗(yàn)證件進(jìn)行試驗(yàn)，該驗(yàn)證件由波音的非熱壓罐工藝制造。4月，俄羅斯航空復(fù)合材料公司交付了MS-21干線客機(jī)第一套非熱壓罐工藝制造的復(fù)合材料中央翼盒，該機(jī)機(jī)翼蒙皮也由非熱壓罐制造，這對(duì)大型民機(jī)而言還是首次。

熱塑性復(fù)合材料在承力部件中受青睞的程度越來(lái)越高。空客透露其在A350之前就已應(yīng)用超過(guò)1500個(gè)零件，并一直在歐盟框架計(jì)劃下從事大型熱塑性復(fù)合材料主承力結(jié)構(gòu)研究。龐巴迪公司公開(kāi)了一項(xiàng)新型熱塑性復(fù)合材料托架技術(shù)，適用于飛機(jī)機(jī)翼、中央翼盒以及油箱的液壓和燃油托架，可比金屬零部件減重至少40%。極光飛行科學(xué)公司公布了目前最快、最大的增材制造無(wú)人機(jī)，其機(jī)體采用了熱塑性復(fù)合材料，可通過(guò)熔融沉積成型等工藝制造出來(lái)。

2016年及未來(lái)幾年，隨著技術(shù)成熟、成本降低，更多復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件制造商將從經(jīng)濟(jì)性和周期短的角度，選擇非熱壓罐材料與工藝，這將在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)、制造流程以及原材料和制造裝備供應(yīng)鏈中掀起新的變革。

發(fā)動(dòng)機(jī)研制概念顛覆

2015年2月，GE90-94B發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)中采用增材制造的T25傳感器通過(guò)美國(guó)聯(lián)邦航空局（FAA）適航認(rèn)證，成為首臺(tái)采用增材制造部件的現(xiàn)役發(fā)動(dòng)機(jī)，GE航空還在GEnx上試驗(yàn)了增材制造的鈦鋁合金低壓渦輪葉片。

普惠公司表示，將在業(yè)界首次采用增材制造技術(shù)來(lái)生產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)靜子和同步環(huán)支架。2015年6月，羅羅公司生產(chǎn)了有史以來(lái)最大的增材制造發(fā)動(dòng)機(jī)組件——“遄達(dá)”XWB-97發(fā)動(dòng)機(jī)直徑1.5米的鈦合金前軸承，組件包含的48個(gè)葉片也采用增材制造技術(shù)生產(chǎn)。

陶瓷基復(fù)合材料（CMC）取得發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用重要突破。2015年，GE航空通過(guò)F414發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪葉片成功試驗(yàn)了世界上首個(gè)非靜子組件的輕質(zhì)、耐高溫CMC部件，展示了其極強(qiáng)的耐高溫和耐久性能力。與此同時(shí)，公司還在GEnx上試驗(yàn)了燃燒室襯里的內(nèi)外環(huán)、第一級(jí)高壓渦輪隔熱罩以及第二級(jí)高壓渦輪導(dǎo)向器。GE航空還將在美國(guó)本土建設(shè)碳化硅陶瓷纖維以及碳化硅陶瓷單向帶兩家工廠，前者將打破日本對(duì)碳化硅陶瓷纖維供應(yīng)的壟斷。

此外，還有三個(gè)里程碑事件值得關(guān)注：

澳大利亞聯(lián)邦輕金屬中心采用法國(guó)賽峰集團(tuán)的設(shè)計(jì)，完全采用增材制造技術(shù)生產(chǎn)了兩臺(tái)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)概念驗(yàn)證機(jī)。

NASA和霍尼韋爾公司等正在進(jìn)行的“以增材制造實(shí)現(xiàn)非金屬燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)”項(xiàng)目，制造出了CMC高壓渦輪噴嘴等一系列復(fù)合材料構(gòu)件。

德國(guó)弗勞恩霍夫研究所在整體葉盤增材制造研究的基礎(chǔ)上，提出將傳統(tǒng)增材制造轉(zhuǎn)向新型數(shù)字光子生產(chǎn)的“生產(chǎn)2.0”概念。

2016年及未來(lái)幾年，增材制造和復(fù)合材料技術(shù)的成熟將顛覆現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和制造概念，甚至將導(dǎo)致主要采用增材制造或復(fù)合材料生產(chǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)，這就可以理解GE為何將增材制造和CMC等復(fù)合材料部件的技術(shù)能力牢牢抓在手中，因?yàn)檫@代表著航空發(fā)動(dòng)機(jī)的未來(lái)。

▲ 陶瓷基復(fù)合材料開(kāi)始運(yùn)用在發(fā)動(dòng)機(jī)制造上

飛機(jī)裝配智能化

2015年初，英國(guó)GKN公司表示將領(lǐng)導(dǎo)幾家業(yè)內(nèi)企業(yè)進(jìn)一步完成歐盟“未來(lái)機(jī)翼結(jié)構(gòu)賦能制造技術(shù)的驗(yàn)證與集成”項(xiàng)目，研發(fā)有市場(chǎng)前景的機(jī)翼設(shè)計(jì)、制造和裝配技術(shù)，提升自動(dòng)化和智能化水平。

同年7月，波音展示了其“黑金剛石”項(xiàng)目，其目標(biāo)之一是推進(jìn)基于模型的工程，驗(yàn)證將更多的自動(dòng)化裝配技術(shù)融入復(fù)雜的飛機(jī)結(jié)構(gòu)制造中。2016年1月，波音又獲得了一項(xiàng)“機(jī)身全自動(dòng)化制造工廠”專利，展示了基于自動(dòng)導(dǎo)向車和移動(dòng)機(jī)器人的自動(dòng)化、可重構(gòu)、可移動(dòng)智能生產(chǎn)概念。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和可穿戴技術(shù)將使飛機(jī)裝配工人的技能得到革命性提升。2015年5月，波音在其加油機(jī)裝配線演示了一個(gè)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)平板工具，機(jī)械師可以看到現(xiàn)實(shí)世界中他正在裝配的扭矩盒單元，也可以看到數(shù)字化的指導(dǎo)書、零件和箭頭，以增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)世界中的視野。6月，空客展示了一種可穿戴技術(shù)，能夠幫助操作人員降低裝配客艙座椅的復(fù)雜度，節(jié)省完成任務(wù)的時(shí)間。未來(lái)，這項(xiàng)技術(shù)將用于為A330客艙安裝座椅。

此外，2015年10月，美國(guó)數(shù)字制造與設(shè)計(jì)創(chuàng)新機(jī)構(gòu)啟動(dòng)了“自動(dòng)裝配規(guī)劃”以及美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）“自適應(yīng)運(yùn)載器”的后續(xù)項(xiàng)目——“機(jī)械裝配的自動(dòng)公差分配”，兩項(xiàng)研究成果被機(jī)構(gòu)核心成員波音、洛克希德·馬丁、GE航空、羅羅公司等應(yīng)用后，將進(jìn)一步提升航空裝配的智能化水平。

基于實(shí)時(shí)原位建模仿真的自適應(yīng)加工，裝配指令的自動(dòng)化生成，基于先進(jìn)測(cè)量和柔性理念的自動(dòng)化裝配，人與可移動(dòng)機(jī)器人的協(xié)同工作等將是美歐航空制造商的幾個(gè)主攻方向。2016年及未來(lái)幾年，飛機(jī)裝配領(lǐng)域?qū)⒙氏葘?shí)現(xiàn)智能技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用，并延伸至其他制造以及設(shè)計(jì)領(lǐng)域。屆時(shí)，航空制造也將越來(lái)越“趨于前端”，越來(lái)越依靠“運(yùn)籌帷幄”，航空工業(yè)的博弈將從“賽博空間”開(kāi)始就能夠分出勝負(fù)。

2016年及未來(lái)幾年，航空制造領(lǐng)域的基礎(chǔ)供應(yīng)體系必將產(chǎn)生劇變，范圍更廣的整合、更深層次的重組，將成為航空制造產(chǎn)業(yè)格局轉(zhuǎn)變的重要里程碑，其結(jié)果很有可能是航空基礎(chǔ)材料及部件供應(yīng)鏈的寡頭壟斷程度反超金字塔頂端的主承包商，甚至對(duì)未來(lái)產(chǎn)品研制的話語(yǔ)權(quán)產(chǎn)生重要影響。

來(lái)源｜《大飛機(jī)》雜志2016年增第1期

（原標(biāo)題：《行業(yè) | 有哪些變革將引爆航空制造業(yè)的下一輪革命？》）