对航空制造业的五大期待

飞机那点事儿

来源：国际航空

　　航空基础供应体系将发生巨变

　　过去的一年，得益于航空工业的强劲增长，世界航空钛合金与碳纤维复合材料市场不断走高。

　　2015年7月，美国铝业(AA)公司在不到9个月的时间内，斥资约43.5亿美元完成对英国福瑞盛、德国TITAL和美国RTI国际金属公司的收购，迅速布局航空钛合金以及3D打印市场。2015年8月，巴菲特宣布将以372亿美元收购精密铸件(PCC)公司，大举进军航空制造业。面对来自资本巨头的竞争，美铝(Alcoa)公司于9月做出分拆决定，加速向下游金属服务和加工企业转型，而该公司于2015年签署的90亿美元的在航空航天领域的中长期供货的合同成为其转型的关键。

　　2015年12月，比利时苏威公司斥资55亿美元完成对美国氰特公司的收购，坐上航空航天复合材料供应商的次席。受此影响，赫氏公司于2016年1月也把一年前只收购了一半的英国Formax公司全盘买下。此外，2015年7月和8月，加拿大Avcorp工业公司和英国Meggitt公司分别提出了对德国SGL旗下Hitco公司和英国科巴姆(Cobham)公司复合材料业务的收购，进一步搅动了碳纤维复合材料供应链。

　　新型客机、直升机、无人机和发动机从外观来看已经难以找到铝合金身影，随着这些型号逐步进入全速批产，航空钛合金与碳纤维复合材料用量还将继续增长，这使得航空基础供应体系的巨变成为板上钉钉的事情，其结果很有可能是处于航空材料供应链底端的四级供应商对行业的垄断程度反超金字塔顶端的主承包商，甚至对未来产品研制的话语权产生重要影响。2016年及未来几年，范围更广的整合、层次更深的重组，将成为航空制造逐渐告别铝与钢、走向钛与碳的历史转变中的一个重要里程碑。

　　新材料将彻底改变金属结构的制造

　　过去一年，航空制造中金属与复合材料的斗争还在继续，新型铍铝合金、钛铝合金以及微晶格镍磷合金和纳米陶瓷镁合金相继问世。

　　IBC先进合金公司近净成形铸造的Beralcast材料在一定程度上降低了F-35的制造成本，该材料是一种铍铝合金，刚度是普通铝合金的4倍，而重量则只有其1/5，并且材料和工艺的改进将使其生产零件的成本降低30%~40%。2015年3月，MTU发动机公司历时7年开发出来的新型钛铝合金，结合了镍金属和陶瓷材料的优点，用于涡轮叶片设计，可比现有镍合金组件轻一半，极大地优化涡轮盘的设计，实现发动机减重。波音公司于2015年10月展示了世界上最轻的金属结构，这一种微点阵结构的镍磷合金由壁厚仅为100nm的中空管结构组成，重量仅为碳纤维的1/10，其体积压缩50%之后也能完全恢复，因此具有超高的能量吸收能力。2016年1月，加州大学洛杉矶分校与雷神公司联合创造出一种超强轻质结构金属，材料主要由镁组成，并在镁中注入了密集且均匀分布的陶瓷碳化硅纳米颗粒，具有极高的比强度和比模量，并且能够量产。

　　新材料是航空制造发展与变革的基础之一，上述四种新型合金中的前两种即将大量用于F-35和齿轮传动风扇(GTF)发动机;而后两种则更具革命性，如果能够应用于飞机制造，将彻底颠覆现有航空产品设计。2016年及未来几年，新材料还将不断涌现，它们也许很快就可以达到一定的技术成熟度和制造成熟度水平。

　　3D打印及非金属发动机将更进一步

　　过去一年，发动机领域成为新技术应用的主战场，这其中又以增材制造和陶瓷基复合材料(CMC)为主。

　　2015年2月，美国联邦航空局(FAA)向GE90-94B发动机高压压气机3D打印的T25传感器颁发了适航证。此外，GE航空还在GEnx上试验了增材制造的钛铝合金低压涡轮叶片。普惠公司表示将采用增材制造技术来生产发动机的压气机静子组件，这将是业界首次采用增材制造技术生产这一部件;用增材制造的PW1500G发动机试验部件，比用传统工艺制造的部件提前15个月完成且减重高达50%。6月，罗罗公司通过与英国制造技术中心、谢菲尔德大学和ARCAM公司合作，利用增材制造生产了遄达XWB-97发动机的钛合金前轴承，该组件直径达1.5m，是有史以来最大的民用航空发动机单个组件，而包含48个叶片的组件也采用增材制造技术生产。

图：波音采用3D预形件制成的中央试验件壁板

　　2015年，GE公司对首个CMC材料的F414发动机低压涡轮叶片进行了试验，验证了其极强的耐高温和耐久性能力，以及可广泛用于自适应变循环发动机和下一代商用发动机的潜力。GE公司还在GEnx上试验了将CMC材料用于燃烧室内衬的内外环、第一级高压涡轮隔热罩以及第二级高压涡轮导向器。GE公司还计划在美国本土建设碳化硅陶瓷纤维以及碳化硅陶瓷单向带的工厂，前者已得到美国空军的资金支持，目的是打破日本对该材料供应的垄断。

　　2015年，有三件事情值得注意：一是澳大利亚联邦轻金属中心基于赛峰集团的设计，采用增材制造生产了两台喷气发动机概念验证机;二是NASA的格伦研究中心和兰利研究中心携手霍尼韦尔公司等正在进行“以增材制造实现非金属燃气涡轮发动机”的项目，除了生产出进气道导流叶片、消声蜂窝衬垫等树脂基复合材料构件以外，还制造出了高压涡轮喷嘴等碳化硅陶瓷基复合材料构件;三是弗劳恩霍夫研究所在整体叶盘增材制造研究的基础上，提出了由增材制造转向数字光学生产的“生产2.0”概念。

　　热压罐将被更多复合材料制造商抛弃

　　过去一年，尽管大型飞机部件制造商还在不停购置大型热压罐以满足波音787和A350等飞机的制造，但同时已将研发的重点移向非热压罐材料与工艺。

　　2015年3月，NASA开始对“拉挤棒缝合高效组合结构”(PRSEUS)项目验证件进行试验，目标之一就是为未来翼身融合体(HWB)飞机的非圆柱形复合材料增压舱室寻求创新的制造工艺，波音为此开发了低成本非弯曲织物预形件的可控大气压力树脂注射(CAPRI)工艺。4月，俄罗斯联合飞机制造公司旗下航空复合材料公司向伊尔库特公司交付了MS-21飞机第一套非热压罐制造的复合材料中央翼盒，该飞机的机翼蒙皮也由非热压罐制造，非热压罐工艺在小型飞机上已经非常普遍，但在大型民用客机主承力结构上使用还是第一次。

图：A400M装配中的增强现实技术

　　同时，无需热压罐固化的热塑性复合材料的受关注程度也越来越高，例如，空客一直在欧盟框架计划下从事大型热塑性复合材料主承力结构制造的研究。6月，庞巴迪公司与英国专业公司共同开发了一种新的热塑性复合材料托架，适用于飞机机翼、中央翼盒的液压托架，以及油箱的托架等，据称可比金属部件减重至少40%，将专用于庞巴迪C系列客机和公务机。11月，极光飞行科学公司公布了其研发的3D打印无人机，也是世界首架由3D打印的喷气动力飞机，飞机机体采用了热塑性复合材料通过熔融沉积成型等工艺制造。

　　热压罐工艺从诞生之日起就伴随着各种非热压罐工艺的竞争，随着非热压罐工艺开始抢占飞机主承力结构制造领域，以及热塑性复合材料的技术成熟、成本降低、甚至能够制造主承力结构，热压罐工艺将受到更多的挑战。2016年及未来几年，热压罐虽然还会是大型飞机主承力结构制造的主流，但其生存空间将不断被挤压，更多复合材料制造商将从经济性和交付周期的角度选择非热压罐材料与工艺，这将在复合材料设计、制造与供应链领域掀起新的变革。

　　智能技术大举进入飞机制造领域

　　过去一年多，一些制造商已经展示了飞机装配向智能化迈进的过程。

图：极光飞行科学公司的3D打印无人机

　　GKN公司在2014年完成的“结构技术成熟化”(STeM)项目基础上，与庞巴迪、势必锐(Spirit)、GE等合作伙伴，进一步完成“未来机翼结构使能制造技术的验证与集成”(VIEWS)项目，研发有市场前途的机翼设计、制造和装配技术，提升自动化和智能化水平。2015年7月，波音展示了“黑金刚石”项目，以推进基于计算机详细模型的工程。在其计算机详细模型中包含有每个部件的所有物理特性，并验证将更多的自动化装配技术融入复杂飞机结构制造中。2016年1月，波音获得了一项“机身全自动化制造工厂”的专利，其中包括了可移动智能的概念：6个装配单元将基于生产速度和订单分派任务，通过运送物料的自动导向车控制工作流程和时间节点，一旦各就各位，可移动机器人将从等候区域进入装配单元开始工作。

　　2015年5月，波音在其加油机装配线演示了一个增强现实的平板电脑工具，机械师可以通过平板电脑的摄像头看到现实世界中正在装配的扭矩盒单元，并可以通过增强视景技术看到指导他工作的数字化指导书、虚拟的零件和指示箭头。6月，Accenture公司向空客交付了一种可穿戴技术的产品，能够帮助操作人员降低装配客舱座椅的复杂度，节省完成任务的时间，目前该技术正在为A330客舱安装进行工业化。此外，10月美国数字制造与设计创新机构(DMDII)公布“自动装配规划”和“机械装配的自动公差分配”项目，两者的研究成果被波音、洛克希德·马丁等应用后，将进一步提升飞机装配中的自动化和智能化水平。

　　基于实时原位建模仿真的自适应加工，装配指令的自动化生成，基于先进测量和柔性、精益的自主化装配，人与可移动机器人的协同工作，利用增强现实和智能可穿戴的设备提升工人的效率等，均为欧美航空制造商在智能化方面的主攻方向。2016年及未来几年，随着智能技术的不断成熟，飞机制造领域将实现大规模应用和智能化提升，航空工业的博弈将从“赛博空间”开始就能够分出胜负。