【科技觀察】劉亞威：航空製造領域即將發生五個變革
本文由空天防務觀察(AerospaceWatch)授權轉載
作者：航空工業發展研究中心 劉亞威
2015年，隨著F-35戰鬥機、A400M運輸機、B787和A350寬體客機等美歐新一代軍民用主力產品全面進入批生產階段，複合材料主承力結構非熱壓罐替代、發動機核心零件設計製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重點；同時，一批新型金屬材料在航空製造業展現出巨大的應用前景和產業價值。航空製造業產業結構在技術和市場力量的作用下也在發生巨大變化。2016年的世界航空製造業技術架構和產業格局將延續2015年的變革性發展態勢。
一、非熱壓罐替代引發複合材料製造體系變革
非熱壓罐工藝進入熱固性複合材料主承力結構製造領域。2015年3月，NASA開始對未來翼身混合體飛機概念的非圓柱形複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建造。4月，俄羅斯航空複合材料公司交付了MS-21幹線客機第一套非熱壓罐工藝製造的複合材料中央翼盒，該機機翼蒙皮也由非熱壓罐製造，這對大型民機而言還是首次。
熱塑性複合材料在承力部件中受青睞程度越來越高。空客透露其在A350之前就已應用超過1500個零件，並一直在歐盟框架計划下從事大型熱塑性複合材料主承力結構研究。龐巴迪公司公開了一項新型熱塑性複合材料托架技術，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、最大的增材製造無人機，其機體採用了熱塑性複合材料通過熔融沉積成型等工藝製造出來。
2016年及未來幾年，隨著技術成熟、成本降低，更多複合材料結構件製造商將從經濟性和周期短的角度，選擇非熱壓罐材料與工藝，這將在複合材料結構件設計、製造流程，以及原材料和製造裝備供應鏈中掀起新的變革。
二、增材製造和陶瓷基複合材料技術顛覆現有發動機概念
增材製造進入發動機核心部件生產環節。2015年2月， GE航空GE90-94B發動機高壓壓氣機採用增材製造的T25感測器通過美國聯邦航空局（FAA）適航認證，成為首台採用增材製造部件的現役發動機，GE航空還在GEnx上試驗了增材製造的鈦鋁合金低壓渦輪葉片。普惠公司表示將在業界首次採用增材製造技術來生產發動機的壓氣機靜子和同步環支架。6月，羅羅公司生產了有史以來最大的增材製造發動機組件——「遄達」XWB-97發動機直徑1.5米的鈦合金前軸承，組件包含的48個葉片組件也採用增材製造技術生產。
陶瓷基複合材料（CMC）取得發動機應用重要突破。2015年，GE航空通過F414發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、耐高溫CMC部件，展示了其極強的耐高溫和耐久性能力；此外，公司還在GEnx上試驗了燃燒室襯裡的內外環、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註：一是澳大利亞聯邦輕金屬中心採用法國賽峰集團的設計，完全採用增材製造技術生產了兩台噴氣發動機概念驗證機；二是美國國家航空航天局（NASA）和霍尼韋爾公司等正在進行「以增材製造實現非金屬燃氣渦輪發動機」的項目，製造出了CMC高壓渦輪噴嘴等一系列複合材料構件；三是德國弗勞恩霍夫研究所在整體葉盤增材製造研究的基礎上，提出將傳統增材製造轉向新型數字光子生產的「生產2.0」概念。
2016年及未來幾年，增材製造和複合材料技術的成熟將顛覆現有發動機設計和製造概念，甚至將導致主要採用增材製造和/或複合材料生產的發動機出現，這就可以理解GE為何將增材製造和CMC等複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動機的一種未來。
三、飛機裝配領域率先發生智能化革命
智能自動化在飛機大部件裝配領域嶄露頭角。2015年初，英國GKN公司表示將領導幾家業內企業進一步完成歐盟「未來機翼結構賦能製造技術的驗證與集成」項目，研發有市場前途的機翼設計、製造和裝配技術，提升自動化和智能化水平。7月，波音展示了其「黑金剛石」項目，其目標之一是推進基於模型的工程，驗證將更多的自動化裝配技術融入複雜的飛機結構製造中。2016年1月，波音又獲得了一項「機身全自動化製造工廠」的專利，展示了基於自動導向車和移動機器人的自動化、可重構、可移動智能生產的概念。
增強現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實平板工具，機械師可以看到現實世界中他正在裝配的扭矩盒單元，也可以看到數字化的指導書、零件和箭頭，以增強現實世界中的視野。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座艙座椅的複雜度，節省完成任務的時間，目前該技術正在為A330座艙安裝進行工業化。
此外，2015年10月，美國數字製造與設計創新機構啟動了「自動裝配規劃」以及美國國防高級研究計劃局（DARPA）「自適應運載器」的後續項目「機械裝配的自動公差分配」，兩項研究成果被機構核心成員波音、洛克希德·馬丁、GE航空、羅羅公司等應用後，將進一步提升航空裝配中的智能化水平。
基於實時原位建模模擬的自適應加工，裝配指令的自動化生成，基於先進測量和柔性理念的自主化裝配，人與可移動機器人的協同工作，利用增強現實和智能可穿戴的工人提升，是美歐航空製造商的幾個主攻方向。2016年及未來幾年，飛機裝配領域將率先實現智能技術的大規模應用，並延伸至其它製造以及設計領域，屆時，航空製造也將越來越「趨於前端」，越來越依靠「運籌帷幄」，航空工業的博弈將從「賽博空間」開始就能夠分出勝負。
四、新型材料徹底改變金屬結構製造體系
新型鋁合金產品化為新一代航空裝備減重、降本做出貢獻。洛克希德·馬丁使用一種名為「Beralcast」的材料降低了F-35製造成本，該材料是一種鈹鋁合金，剛度是鋁的4倍，而質量只有其1/5，預計該材料及其快速、高產的製造工藝將帶來30%~40%的成本降低。德國MTU發動機公司為普惠公司齒輪風扇發動機（GTF）開發的新型鈦鋁合金於2015年12月取得適航認證，該合金結合了鎳金屬和陶瓷材料的優點，用於渦輪葉片設計可比現有鎳合金組件輕一半，極大優化渦輪盤的設計，實現發動機減重。
革命性新型金屬材料有望用於航空結構件製造。波音在2015年10月展示了世界上最輕的金屬材料，它是一種微晶格鎳磷合金，具有壁厚僅為100納米的中空管結構，比碳纖維還輕10倍，但非常堅硬，且壓縮50%後也能完全恢復，具有超高吸能能力。2016年1月，雷神公司公布了一種超強輕質結構金屬，材料主要由鎂組成，並注入了密集且均勻分布的陶瓷碳化硅納米微粒，從而具有「創紀錄」的比強度和比模量，而且能夠批產。
2016年及未來幾年，基礎研究的突破和集成計算材料工程（ICME）的進展，還將使得這樣的新材料不斷湧現，如果技術和製造成熟度的提升使其能夠實現產品應用，將徹底顛覆當前航空產品設計及製造工藝。
五、航空製造基礎供應鏈體系發生巨變
航空鈦合金供應市場風雲突變。2015年7月，美國鋁業公司在不到9個月的時間內完成對英國福瑞盛、德國TITAL和美國RTI國際金屬公司的收購，加速布局航空鈦合金以及增材製造市場。8月，巴菲特宣布將以372億美元收購精密鑄件公司，大舉進軍航空製造業。面對來自資本巨頭的競爭，美鋁公司於9月做出拆分決定，加速向下游金屬服務和加工企業轉型，2015年簽署總金額90億美元長期供貨合同的航空航天業務是其轉型的關鍵。
航空複合材料供應市場集中度陡增。2015年12月，比利時蘇威公司斥資55億美元完成對美國氰特公司的收購，坐上航空複合材料原材料供應商次席。受此影響，2016年1月，業界老大赫氏公司也把一年前只收購了一半的英國Formax公司全盤買下。此外，2015年7月和8月，加拿大Avcorp工業公司和英國梅吉特公司分別提出了對德國SGL旗下Hitco公司和英國科巴姆公司複合材料業務的收購計劃，進一步攪動碳纖維複合材料結構件供應市場。
2016年及未來幾年，航空製造領域的基礎供應體系必將產生劇變，範圍更廣的整合、層次更深的重組，將成為航空製造產業格局轉變的重要里程碑，其結果，很有可能是航空基礎材料及製件供應鏈的寡頭壟斷程度，反超金字塔頂端的主承包商，甚至對未來產品研製的話語權產生重要影響。
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