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管理中。一段時間后，這一技術(shù)又被引入到飛機售后維護市場。

對于航空公司來說，盡管新一代飛機和發(fā)動機技術(shù)的進步和維修方式的改進已經(jīng)使得維護成本大幅降低，但維護成本依舊占據(jù)了航空公司運營成本相當(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利用數(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。

飛機制造商也開始對數(shù)字孿生技術(shù)躍躍欲試?？湛团cUbisense集團合作，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到航空燃油標(biāo)準。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。英國維珍大西洋航空公司用1架A380客機進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客機的一臺發(fā)動機使用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)動機的最大組件，并成功將其應(yīng)用于A380飛機后，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)動機生產(chǎn)了2.5萬個發(fā)動機噴嘴。

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、Catalyst渦槳發(fā)動機和GE9X渦扇發(fā)動機等都取得了突破性進展，這些型號的發(fā)動機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將3D打印支架用于GEnx-2B發(fā)動機，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90%的材料浪費。

百年來，飛機裝配生產(chǎn)技術(shù)經(jīng)歷了從手工裝配、半機械/半自動化裝配、機械/自動化裝配到柔性化裝配的發(fā)展歷程。目前，國外先進飛機制造商正朝著智能裝配的方向邁進，機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，空客飛機生產(chǎn)線上機器人的數(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器人，它能夠自主沿著飛機機身內(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)，通過運送部件的自動引導(dǎo)運輸車（AGV）控制工作和運動時間，AGV可以自主地根據(jù)任務(wù)在等候區(qū)和各單元之間搬運機器人和工裝。

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)域的先進水平，其不僅具備發(fā)動機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個制造機器人，由超過160臺協(xié)作測量機配合，自動進行零件檢查。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VR）、增強現(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)動機制造商普惠公司近期展示了其正在研發(fā)的GTF發(fā)動機VR培訓(xùn)模擬器。公司表示，過去傳統(tǒng)的發(fā)動機維修培訓(xùn)需要給每位學(xué)員準備厚厚的紙質(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)動機各部件在實際工作時是如何運轉(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)動機中的各個零部件是如何相互配合進行運轉(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/銷售樣機上疊加虛擬設(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)計人員進行客艙開發(fā)。