那些改變業(yè)態(tài)的顛覆性技術(shù)

任治潞

創(chuàng)新，是航空業(yè)永恒的主題。在過去的2018年，航空業(yè)依舊沒有停下創(chuàng)新的步伐，一系列顛覆性技術(shù)正在一場制造業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的變革中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，以數(shù)字孿生、人工智能、可再生能源等為代表的新技術(shù)正在改變航空制造業(yè)的游戲規(guī)則。

數(shù)字孿生技術(shù)

數(shù)字孿生（Digital Twin）的概念最早出現(xiàn)在2003年，由Grieves教授在美國密歇根大學(xué)的產(chǎn)品全生命周期管理課程上提出。后來，美國國防部將數(shù)字孿生的概念引入到航天飛行器的健康維護(hù)管理中。一段時間后，這一技術(shù)又被引入到飛機(jī)售后維護(hù)市場。

對于航空公司來說，盡管新一代飛機(jī)和發(fā)動機(jī)技術(shù)的進(jìn)步和維修方式的改進(jìn)已經(jīng)使得維護(hù)成本大幅降低，但維護(hù)成本依舊占據(jù)了航空公司運(yùn)營成本相當(dāng)大的比例。因此，對于航空公司來說，如何盡可能地減少飛機(jī)的停場時間、降低檢修成本是確保競爭力的關(guān)鍵。為此，制造商和航空公司開始嘗試?yán)脭?shù)字孿生技術(shù)。

數(shù)字孿生指的是實物資產(chǎn)、流程和系統(tǒng)的數(shù)字復(fù)制品。數(shù)字孿生的信息源包括現(xiàn)實生活中對應(yīng)的數(shù)據(jù)、人類專家的知識及其他相類似數(shù)據(jù)等。2018年，GE已為部分發(fā)動機(jī)制造了數(shù)字孿生器件。此外，GE還開發(fā)了世界上第一種用于飛機(jī)起落架的數(shù)字孿生技術(shù)，通過將傳感器設(shè)置在物理設(shè)備的典型故障點上，如液壓和制動的溫度節(jié)點，可以提供實時數(shù)據(jù)，幫助航空公司預(yù)測故障或判斷起落架的剩余生命周期。

飛機(jī)制造商也開始對數(shù)字孿生技術(shù)躍躍欲試。空客與Ubisense集團(tuán)合作，通過后者開發(fā)的“智能空間”解決方案，在A350XWB總裝生產(chǎn)線上采用了數(shù)字孿生技術(shù)。這一解決方案通過將定位技術(shù)集成到單一的生產(chǎn)運(yùn)行視圖中，使制造流程完全可視化，工藝裝備及其在部裝廠和總裝廠內(nèi)的分布情況也能一目了然。如今，“智能空間”解決方案已經(jīng)在包括A330、A380和A400M的生產(chǎn)線上得到了應(yīng)用。

在“智能空間”解決方案中，空客通過在關(guān)鍵工裝、物料和零部件上使用視頻識別技術(shù)（RFID），生成了A350XWB總裝線的數(shù)字孿生，從而能夠通過模型預(yù)測生產(chǎn)中可能遇到的瓶頸，提前解決問題，不斷提高飛機(jī)總裝效率。

此外，“智能空間”解決方案還拓展了A350XWB總裝線上已有的可視化解決方案，連接了總裝設(shè)備安裝流程的額外區(qū)域，以支持生產(chǎn)提速。同時，該解決方案還提供對資產(chǎn)的實時跟蹤和定位，自動更新ERP系統(tǒng)的資產(chǎn)位置和狀態(tài)數(shù)據(jù)，提升報告的精度和時效性，使之前手動無法完成的運(yùn)動路徑分析成為可能。所有這些數(shù)據(jù)都會在相應(yīng)的圖表或?qū)崟r位置中得以呈現(xiàn)，極大提高了工人的工作效率。

可再生燃料

2018年，可再生燃料受到了越來越多業(yè)內(nèi)人士的關(guān)注。根據(jù)歐盟的規(guī)劃，到2050年，要力爭實現(xiàn)至少40%的飛機(jī)使用低碳可持續(xù)燃料。為實現(xiàn)這一目標(biāo)，歐盟各國高度重視并加速尋找清潔航空燃料，旨在研發(fā)出新的能夠滿足嚴(yán)格的航空安全和飛行性能要求的可再生非化石燃料。

事實上，早在20世紀(jì)70年代，國外就開始了對航空生物燃料的研究，迄今為止已研制了兩代生物燃料。其中，第一代生物燃料以糧食作物（玉米、小麥和大豆等）為生產(chǎn)原料，但這種原料存在“與民奪食”的問題，且第一代生物燃料的性能無法達(dá)到航空燃油標(biāo)準(zhǔn)。第二代生物燃料以麻瘋樹、亞麻薺、藻類和鹽生植物等作為主要原料，這些作物含油量高、對水和土壤等環(huán)境要求低，可在世界多個貧瘠地區(qū)大量種植。2010年，以國際民航組織為代表的機(jī)構(gòu)開始制定指導(dǎo)性文件，希望到2020年全球航空生物燃料占航空燃料總量的15%，到2040年占50%。

目前，商用航空市場的主要企業(yè)都加大了對新能源研發(fā)的力度。例如，波音公司與UOP能源公司聯(lián)合，將含油作物或廢棄油料作為主要原料，采用“生物衍生合成石蠟烴煤油”方法生產(chǎn)生物燃料。空客公司與羅羅、道達(dá)爾能源公司合作，將海藻作為主要的生產(chǎn)原料，開發(fā)從木質(zhì)纖維、海藻中提取生物燃料的方法。

同時，相應(yīng)的試飛工作也在逐步推進(jìn)。英國維珍大西洋航空公司用1架A380客機(jī)進(jìn)行了世界首次使用生物燃料的飛行試驗（按2：3的比例與傳統(tǒng)燃料混合）。德國漢莎航空公司開通了全球首條使用生物燃料的商用航線，在漢堡-法蘭克福航線上，1架A321客機(jī)的一臺發(fā)動機(jī)使用1：1混合燃料飛行了半年。波音公司1架787利用由廚余廢油提煉的生物燃料，實現(xiàn)了首次使用生物燃料的跨太平洋飛行。

已經(jīng)完成的大量試飛試驗表明，航空生物燃料可極大減少溫室氣體排放。國際民航組織通過對比加氫處理的生物燃料與傳統(tǒng)燃油，證實了生物燃料CO2排放量可降低60%～98%，能量密度可提高1%～2%，而且不排放氮化物、芳族化合物、鹵素等污染物。

智能化新技術(shù)

盡管3D打印技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用早已不是什么新鮮事，但如今發(fā)動機(jī)制造商們卻已經(jīng)開辟了3D打印技術(shù)應(yīng)用的新戰(zhàn)場。

羅羅公司繼用3D打印技術(shù)生產(chǎn)了Trent XWB-97發(fā)動機(jī)的最大組件，并成功將其應(yīng)用于A380飛機(jī)后，如今又開始嘗試將這一技術(shù)應(yīng)用于其下一代Advance3發(fā)動機(jī)的研制。

GE早在10年前就開始布局3D打印技術(shù)。如今，這一前瞻性的布局已經(jīng)開始收獲成效。目前，GE在美國運(yùn)營著一個足有3個足球場規(guī)模大小的3D打印制造中心，擁有近100臺3D打印機(jī)和300多名員工。截至2018年12月，該中心已經(jīng)為LEAP系列發(fā)動機(jī)生產(chǎn)了2.5萬個發(fā)動機(jī)噴嘴。

2018年可以說是GE公司型號研制的豐收年。這一年里，公司在研的Affinity渦扇發(fā)動機(jī)、Catalyst渦槳發(fā)動機(jī)和GE9X渦扇發(fā)動機(jī)等都取得了突破性進(jìn)展，這些型號的發(fā)動機(jī)在零件制造上都大量應(yīng)用了3D打印技術(shù)。

此外，GE還宣布美國聯(lián)邦航空管理局已批準(zhǔn)將3D打印支架用于GEnx-2B發(fā)動機(jī)，該支架將取代傳統(tǒng)的電動門打開系統(tǒng)（PDOS）支架。GE表示，與傳統(tǒng)制造方式相比，3D打印技術(shù)將減少高達(dá)90%的材料浪費。

百年來，飛機(jī)裝配生產(chǎn)技術(shù)經(jīng)歷了從手工裝配、半機(jī)械/半自動化裝配、機(jī)械/自動化裝配到柔性化裝配的發(fā)展歷程。目前，國外先進(jìn)飛機(jī)制造商正朝著智能裝配的方向邁進(jìn)，機(jī)器人在這個過程中發(fā)揮了重要的作用。

空客公司已經(jīng)確定將在2020年前優(yōu)化7條裝配生產(chǎn)線，主要優(yōu)化手段之一就是增加自動化技術(shù)的應(yīng)用。從2015年起，空客飛機(jī)生產(chǎn)線上機(jī)器人的數(shù)量逐年增加，其中包括用于處理特殊工作任務(wù)的輕量化機(jī)器人、小型加工系統(tǒng)等。此外，空客還在生產(chǎn)線上采用輕量化單臂機(jī)器人，它能夠自主沿著飛機(jī)機(jī)身內(nèi)部移動，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)支架的流水線安裝。

波音啟動了一個名為“機(jī)身全自動化制造工廠”的項目來展示其在智能工廠中提出的無工裝工廠和可移動生產(chǎn)線的新概念。在波音的設(shè)想中，飛機(jī)裝配車間的地板以視頻識別（RFID）技術(shù)標(biāo)識出6個裝配單元，鉆鉚機(jī)器人、柔性簡易工裝都是可移動的，平時不使用的時候可以放置在等候區(qū)。中央控制臺根據(jù)生產(chǎn)速度和訂單分派任務(wù)，通過運(yùn)送部件的自動引導(dǎo)運(yùn)輸車（AGV）控制工作和運(yùn)動時間，AGV可以自主地根據(jù)任務(wù)在等候區(qū)和各單元之間搬運(yùn)機(jī)器人和工裝。

位于加拿大魁北克省布魯蒙特的GE航空工廠代表了航空自動化領(lǐng)域的先進(jìn)水平，其不僅具備發(fā)動機(jī)葉片高度自動化的制造能力，也是全球為數(shù)不多的航空航天生產(chǎn)廠中，產(chǎn)量接近汽車工業(yè)級別的。在布魯蒙特工廠中，有超過150個制造機(jī)器人，由超過160臺協(xié)作測量機(jī)配合，自動進(jìn)行零件檢查。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VR）、增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)（AR）和大數(shù)據(jù)的應(yīng)用，徹底顛覆了傳統(tǒng)的飛機(jī)制造、維修、培訓(xùn)方式，航空智能制造的發(fā)展翻開了新篇章。

發(fā)動機(jī)制造商普惠公司近期展示了其正在研發(fā)的GTF發(fā)動機(jī)VR培訓(xùn)模擬器。公司表示，過去傳統(tǒng)的發(fā)動機(jī)維修培訓(xùn)需要給每位學(xué)員準(zhǔn)備厚厚的紙質(zhì)材料，有了VR培訓(xùn)模擬器后，將不再需要這些材料。

借助VR技術(shù)，參加培訓(xùn)的工程師和維修人員可以直接看到發(fā)動機(jī)各部件在實際工作時是如何運(yùn)轉(zhuǎn)的，這是絕大多數(shù)人第一次目睹這一場景。VR培訓(xùn)模擬器將發(fā)動機(jī)維修人員從過去傳統(tǒng)的平面二維世界帶入了立體的三維世界，通過詳盡的三維動畫短片，普惠公司可以向維修人員直觀地展示GTF發(fā)動機(jī)中的各個零部件是如何相互配合進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)的。

空客則將AR技術(shù)應(yīng)用于水管安裝、艙內(nèi)連接器和客艙開發(fā)過程中。在客艙開發(fā)時，空客使用AR技術(shù)在通用的設(shè)計樣機(jī)/銷售樣機(jī)上疊加虛擬設(shè)計概念或用戶配置，能夠迅速讓設(shè)計人員和用戶體驗到最終效果。此外，空客還聯(lián)合戴姆勒公司，利用AR系統(tǒng)、計算流體力學(xué)（CFD）軟件和溫度傳感器等，實現(xiàn)座椅空間氣流、溫度的可視化，幫助設(shè)計人員進(jìn)行客艙開發(fā)。