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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、A400M運輸機、787和A350寬體客機等美歐新一代軍民用主力產(chǎn)品全面進入批生產(chǎn)階段，復合材料主承力結(jié)構(gòu)非熱壓罐替代、發(fā)動機核心零件設計制造增材化和非金屬化、機體裝配智能化提升等降本增效技術成為研發(fā)重點。同時，一批新型金屬材料在航空制造業(yè)展現(xiàn)出巨大的應用前景和產(chǎn)業(yè)價值。航空制造業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)在技術和市場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。

▲ 復合材料在航空領域中運用越來越廣泛

復材制造技術變革

2015年3月，美國國家航空航天局（NASA）開始對未來翼身混合體飛機概念的非圓柱形復合材料壓力艙驗證件進行試驗，該驗證件由波音的非熱壓罐工藝制造。4月，俄羅斯航空復合材料公司交付了MS-21干線客機第一套非熱壓罐工藝制造的復合材料中央翼盒，該機機翼蒙皮也由非熱壓罐制造，這對大型民機而言還是首次。

熱塑性復合材料在承力部件中受青睞的程度越來越高?？湛屯嘎镀湓贏350之前就已應用超過1500個零件，并一直在歐盟框架計劃下從事大型熱塑性復合材料主承力結(jié)構(gòu)研究。龐巴迪公司公開了一項新型熱塑性復合材料托架技術，適用于飛機機翼、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%。極光飛行科學公司公布了目前最快、最大的增材制造無人機，其機體采用了熱塑性復合材料，可通過熔融沉積成型等工藝制造出來。

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

發(fā)動機研制概念顛覆

2015年2月，GE90-94B發(fā)動機高壓壓氣機中采用增材制造的T25傳感器通過美國聯(lián)邦航空局（FAA）適航認證，成為首臺采用增材制造部件的現(xiàn)役發(fā)動機，GE航空還在GEnx上試驗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來生產(chǎn)發(fā)動機的壓氣機靜子和同步環(huán)支架。2015年6月，羅羅公司生產(chǎn)了有史以來最大的增材制造發(fā)動機組件——“遄達”XWB-97發(fā)動機直徑1.5米的鈦合金前軸承，組件包含的48個葉片也采用增材制造技術生產(chǎn)。

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

此外，還有三個里程碑事件值得關注：

澳大利亞聯(lián)邦輕金屬中心采用法國賽峰集團的設計，完全采用增材制造技術生產(chǎn)了兩臺噴氣發(fā)動機概念驗證機。

NASA和霍尼韋爾公司等正在進行的“以增材制造實現(xiàn)非金屬燃氣渦輪發(fā)動機”項目，制造出了CMC高壓渦輪噴嘴等一系列復合材料構(gòu)件。

德國弗勞恩霍夫研究所在整體葉盤增材制造研究的基礎上，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年及未來幾年，增材制造和復合材料技術的成熟將顛覆現(xiàn)有發(fā)動機設計和制造概念，甚至將導致主要采用增材制造或復合材料生產(chǎn)的發(fā)動機出現(xiàn)，這就可以理解GE為何將增材制造和CMC等復合材料部件的技術能力牢牢抓在手中，因為這代表著航空發(fā)動機的未來。

▲ 陶瓷基復合材料開始運用在發(fā)動機制造上

飛機裝配智能化

2015年初，英國GKN公司表示將領導幾家業(yè)內(nèi)企業(yè)進一步完成歐盟“未來機翼結(jié)構(gòu)賦能制造技術的驗證與集成”項目，研發(fā)有市場前景的機翼設計、制造和裝配技術，提升自動化和智能化水平。

同年7月，波音展示了其“黑金剛石”項目，其目標之一是推進基于模型的工程，驗證將更多的自動化裝配技術融入復雜的飛機結(jié)構(gòu)制造中。2016年1月，波音又獲得了一項“機身全自動化制造工廠”專利，展示了基于自動導向車和移動機器人的自動化、可重構(gòu)、可移動智能生產(chǎn)概念。

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

此外，2015年10月，美國數(shù)字制造與設計創(chuàng)新機構(gòu)啟動了“自動裝配規(guī)劃”以及美國國防高級研究計劃局（DARPA）“自適應運載器”的后續(xù)項目——“機械裝配的自動公差分配”，兩項研究成果被機構(gòu)核心成員波音、洛克希德·馬丁、GE航空、羅羅公司等應用后，將進一步提升航空裝配的智能化水平。

基于實時原位建模仿真的自適應加工，裝配指令的自動化生成，基于先進測量和柔性理念的自動化裝配，人與可移動機器人的協(xié)同工作等將是美歐航空制造商的幾個主攻方向。2016年及未來幾年，飛機裝配領域?qū)⒙氏葘崿F(xiàn)智能技術的大規(guī)模應用，并延伸至其他制造以及設計領域。屆時，航空制造也將越來越“趨于前端”，越來越依靠“運籌帷幄”，航空工業(yè)的博弈將從“賽博空間”開始就能夠分出勝負。

2016年及未來幾年，航空制造領域的基礎供應體系必將產(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材料及部件供應鏈的寡頭壟斷程度反超金字塔頂端的主承包商，甚至對未來產(chǎn)品研制的話語權(quán)產(chǎn)生重要影響。

來源｜《大飛機》雜志2016年增第1期

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