未來航空制造的四大關(guān)系

隨著時代日新月異的進(jìn)步，航空制造體系已經(jīng)發(fā)生了顛覆性變化。從傳說中魯班設(shè)計的木鳥，古人嬉戲的“紙鳶”，到萊特兄弟發(fā)明的第一架飛機(jī)--“飛行者一號”，到現(xiàn)在我國研發(fā)的C919中型客機(jī)，機(jī)體上很多的結(jié)構(gòu)仍然是用纖維做的，可以說跨越了2500年的航空制造，我們從纖維回到了纖維。在面對未來航空制造問題，我們將圍繞材料選擇、制造模式、人機(jī)智能、數(shù)字工程等多方面結(jié)合發(fā)展。我們不僅要依靠現(xiàn)在的工業(yè)技術(shù)，也要有敏銳的科技情報發(fā)現(xiàn)它的動向，掌握它的整個發(fā)展趨勢。

未來航空制造的快速發(fā)展主要包括四大關(guān)系：黑與白之戰(zhàn)、加與減之間、人與人之爭、虛與實之合。

▌黑與白之戰(zhàn)：材料選擇顛覆制造體系

隨著航空制造的發(fā)展，有色金屬及其合金體系也在不斷完善和進(jìn)步，如鋼、鋁、鈦、鋰甚至鈹?shù)却罅繎?yīng)用在航空制造中；但是，正如哲學(xué)上所講，事物的發(fā)展總是在矛盾中進(jìn)行，新的競爭對手--纖維和樹脂的出現(xiàn)，顛覆了整個航空制造體系。

舉個例子，在大學(xué)里的金工實習(xí)，我們往往做的都是金屬的車削和銑削；但是在波音和空客制造機(jī)翼或機(jī)身的一些工廠里，這樣的金屬體系幾乎很難發(fā)現(xiàn)，往往都是纖維和樹脂構(gòu)成的材料。在這里，可能完全用不到我們學(xué)到的金屬相關(guān)的知識和技術(shù)，它完全顛覆了傳統(tǒng)的制造體系。簡單來講，這里所說的“黑”與“白”的問題就是碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP，Carbon-Fiber-Reinforced-Plastics）與有色合金之間的問題。

那么黑材料對白材料的顛覆具體體現(xiàn)在哪里呢？我們以波音787的機(jī)翼的蒙皮壁板為例，它的制造成型實際上是靠鋪絲機(jī)一層一層的鋪放纖維絲束，就像納鞋底一樣，這與傳統(tǒng)的鑄鍛焊、擠壓成型是不一樣的，經(jīng)過幾天時間，鋪疊出一定的結(jié)構(gòu)形狀，再通過使用熱壓罐或非熱壓罐設(shè)備進(jìn)行固化，使其從軟軟的材料變成硬邦邦的可供使用的結(jié)構(gòu)。

下面我們從一組數(shù)據(jù)上來體會黑材料對白材料的顛覆。早在1995年這種材料在波音777上的用量就達(dá)到9%，2000年之后在空客A380上的使用量達(dá)到25%，到波音787上的使用量更是達(dá)到50%。實際上現(xiàn)在看一架波音787飛機(jī)，除了起落架、發(fā)動機(jī)和尾部的一些地方以外，所有你能看得到的地方全都是這種材料。所以說從外表看,講波音787就是個“塑料飛機(jī)”一點(diǎn)也不為過。其實這種復(fù)合材料在很多直升機(jī)的用量早就超過60%，有些無人機(jī)90%都是它制成的，這就完全顛覆了我們之前認(rèn)為的飛機(jī)是金屬做的概念。

這樣大的顛覆帶來的直接問題就是，因為兩種材料體系的不同而使其從原材料到設(shè)計、加工工藝都要付出很大的更換代價；不過應(yīng)用這種黑材料的直接的好處就是減輕結(jié)構(gòu)重量、減少零件個數(shù)。我們知道上天的飛機(jī)減1g都是一個巨大的突破。以波音787為例，為了提高艙壓增加舒適度，應(yīng)用復(fù)合材料后艙壓的提高僅使機(jī)身結(jié)構(gòu)增加了70公斤，如果使用常規(guī)的鋁合金機(jī)身，結(jié)構(gòu)將增加1噸。

總體來看，更換這種材料不僅僅是選材這么簡單的問題，黑、白材料的背后是兩種不同的制造體系，復(fù)合材料產(chǎn)品和工藝設(shè)計緊耦合，面向金屬的設(shè)計理念和生產(chǎn)流程必須變革；黑、白材料的長期共存、共同發(fā)展是主流方向，必須解決好金屬-復(fù)合材料的異種材料的連接問題；黑與白選擇不僅是技術(shù)問題，復(fù)合材料已經(jīng)是飛機(jī)的標(biāo)配先進(jìn)性的標(biāo)志，就像手機(jī)不全屏、沒有后置“四攝”就是落后，復(fù)合材料的用量更是雙通道客機(jī)重要的市場宣傳指標(biāo)；此外，黑材料還在因樹脂的不同而持續(xù)自我顛覆，黑吃黑可能成為另一種未來，這就是另一個話題了。

▌加與減之間：手段變革顛覆思維模式

我們從GE航空在短期內(nèi)收購瑞典Arcam和德國概念激光兩大3D打印設(shè)備巨頭，并一舉從3D打印行業(yè)最大的用戶之一躋身于3D打印市場最大的設(shè)備和服務(wù)供應(yīng)商，不難看出GE航空正在進(jìn)行一場豪賭--布局制造業(yè)模式變革。增材制造技術(shù)相比于傳統(tǒng)加工技術(shù)確實很有顛覆性。它不僅可以實現(xiàn)復(fù)雜、革命性設(shè)計與制造，如拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計、復(fù)雜的三維形狀打印等；還可以實現(xiàn)敏捷、整體、低成本制造，如全數(shù)字化、無需工裝模具、整體一次成型等。

我們這里舉幾個簡單的例子，以空客A320的一個鉸鏈為例，經(jīng)過拓?fù)鋬?yōu)化以后實現(xiàn)了一個簡單、輕盈但強(qiáng)度和功能沒有改變的新結(jié)構(gòu)；GE LEAP發(fā)動機(jī)燃油噴嘴構(gòu)件，傳統(tǒng)加工方法需要對20多個零件進(jìn)行焊接加工，但是應(yīng)用3D打印可以迅速實現(xiàn)一體化成型，大大減少工藝流程；對于價格昂貴的鈦合金，如果利用傳統(tǒng)的加工方式，經(jīng)過切削加工后不僅浪費(fèi)了大量材料，而且成本也大大提高。但是如果應(yīng)用3D打印技術(shù)，一體化成型就會大大減少這樣的問題。

同時，增材制造本身具有多樣性、顛覆性的特點(diǎn)。從能量種類（激光束、電子束、等離子束、超聲、冷凝）、材料形態(tài)(液體、粉末、絲材、薄片)、送料方式（預(yù)先鋪放、同步送料）、增材形式（選取燒結(jié)、熔絲沉積、焊接、膠接）可多樣搭配。隨著近幾年的發(fā)展，在航空制造中搭配組成的常用的增材制造方法有SLS/SLM、DLM/DED、EBM、FDM、SPD等。同時，3D打印技術(shù)還在不斷地深入航空制造應(yīng)用：向大型金屬承力構(gòu)件擴(kuò)展，向加減一體化加工模式擴(kuò)展，向復(fù)合材料整體結(jié)構(gòu)件擴(kuò)展，向復(fù)合材料工裝擴(kuò)展，向飛機(jī)內(nèi)飾減重結(jié)構(gòu)擴(kuò)展。

我們以首架3D打印的噴氣動力（Jet-Powered）飛機(jī)為例，這架無人機(jī)重達(dá)15公斤，翼展3米，時速可達(dá)241.4千米，通過3D打印機(jī)器人上裝置多個打印頭，并且可以放置不同的原料，很快就可以完成機(jī)翼打印，可大幅提升設(shè)計制作3D打印飛機(jī)的效率；還有波音777X的機(jī)翼加工工裝，如果應(yīng)用傳統(tǒng)的加工方式完成工裝需要3個月，而采用3D打印技術(shù)30個小時就可以完成，這樣的工作效率顯而易見。但是，由于3D打印技術(shù)發(fā)展時間短，水平還不夠成熟仍存在這樣那樣的弊端，高效，大規(guī)模的減法加工即傳統(tǒng)加工方法依然絕對主流。

總體來講，加與減不存在太大的競爭關(guān)系，增材目前更多地是解決超越減材加工極限的問題，以及不經(jīng)濟(jì)的設(shè)計，增材無法實現(xiàn)凈成型，仍需減材等后處理；加與減的創(chuàng)新不在一個維度，增材是一種可完全顛覆設(shè)計人員工程思維的手段，面向增材的設(shè)計實際就是遵從自然界本質(zhì)和質(zhì)量守恒；加與減選擇還有一系列約束，增材制造相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范還十分缺乏，受軟件、材料、精度等問題制約，而且其數(shù)字線索存在賽博安全風(fēng)險；加與減合一是相當(dāng)好的概念，加減復(fù)合機(jī)床將為大幅提升增材制造的效率提供解決方案。

▌人與“人”之爭：賽博空間顛覆生產(chǎn)組織

賽博空間（Cyberspace）是哲學(xué)和計算機(jī)領(lǐng)域中的一個抽象概念，指在計算機(jī)以及計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)里的虛擬現(xiàn)實。傳統(tǒng)技術(shù)工人加工模式是通過“人腦→人手→人腦”的流程；自動化加工模式是通過“人腦→人手→電腦→機(jī)械手→電腦→人腦”的流程。我們以F35戰(zhàn)斗機(jī)進(jìn)氣道的鉆孔為例，進(jìn)氣道的直徑最寬處只有0.5米，正常工人幾乎無法進(jìn)入，而應(yīng)用機(jī)器人就可以很容易完成并且精度很高，原來的工人就可以操作電腦、監(jiān)測鉆孔過程，這樣我們就實現(xiàn)了由人腦控制人手，人手操作電腦（賽博空間編程），程序控制機(jī)械手，機(jī)械手回傳數(shù)據(jù)到電腦最終傳給人的自動化過程。機(jī)器人在航空領(lǐng)域，從加工、連接、成型、裝配等方面得到了很多的應(yīng)用，大大減少了人力的應(yīng)用，比如切割、鉆孔、激光焊、增材制造、測量等。

同時，機(jī)器人在航空領(lǐng)域的發(fā)展也產(chǎn)生了很多創(chuàng)新，這里以復(fù)合材料鋪放機(jī)器人為例，用于復(fù)合材料的纖維和樹脂等會使人類的工作環(huán)境變得不健康，但機(jī)器人并不在乎這個環(huán)境。使用鋪放機(jī)器人進(jìn)行纖維增強(qiáng)聚合物材料的成形可以增加產(chǎn)能，同時保護(hù)工人免受有毒纖維粉末和有害氣體的侵?jǐn)_。而對于航空制造未來發(fā)展，單個機(jī)器人的發(fā)展已不再是大問題，多個機(jī)器人協(xié)作更顯得尤為重要。

機(jī)器人協(xié)作問題不是簡單的編程問題，還需要大量的仿真計算和傳感器，它的一些交互實際上就是把物理世界的東西在賽博空間預(yù)先做仿真編程，通過通信手段去控制物理世界的操作，再把物理世界發(fā)生的事情，通過傳感器回傳數(shù)據(jù)到賽博空間去分析，然后再形成新的、更優(yōu)化控制方案或者指令。這個本身就是賽博空間和物理世界互動的過程，也可以說賽博空間賦予了機(jī)器人能力。以空客公司在美國建設(shè)的機(jī)器人實驗室為例，它可同時應(yīng)用9臺機(jī)器人來完成無人機(jī)結(jié)構(gòu)加工和裝配過程，9個機(jī)器人處在不同位置，配備不同功能末端執(zhí)行器的機(jī)械手，完成從焊接、鉆孔、噴漆、檢測等全過程，而實現(xiàn)這一高度協(xié)同工作背后依靠的是強(qiáng)大的賽博空間。

機(jī)器人需要與人協(xié)作嗎？答案是肯定的。人和機(jī)器人沒有絕對的替代關(guān)系，機(jī)器人與人之間很多時候要協(xié)作。歐盟很多項目都是考慮機(jī)器人跟人之間怎么能夠共同一起工作，甚至人教機(jī)器人、機(jī)器人教人。以前的機(jī)器人像動物園里的老虎一樣關(guān)在籠子里，絕對不能讓他跟人接觸，因為機(jī)器人致人死亡的案例并不鮮見。反觀現(xiàn)在我們消除了心理恐懼感，跟機(jī)器人在一塊工作，本身就說明了機(jī)器人的進(jìn)步，它是一個新的生產(chǎn)組織關(guān)系，機(jī)器人可以自由地跟人接觸，甚至可以自由地在工廠里移動去幫助人做事，跟人一起完成特定任務(wù)，這個本身就是一個新的生產(chǎn)形態(tài)。

但是，仍有一些事情是機(jī)器人無法勝任的！舉個例子，在C919上安裝電線，一共700多種線束，固定線束零件3000多種，零件總數(shù)超過15萬個，機(jī)器人是做不到這一點(diǎn)的，讓人完成也是很困難的，就像我們買家具安裝零件需要看說明書，15萬個零件的說明書根本看不過來。這時候就需要一個能實時指導(dǎo)我們安裝的設(shè)備，如波音和谷歌嘗試用谷歌眼鏡，在眼鏡上是把數(shù)字的說明書信息疊加到攝像頭拍到的真實畫面中，實時地告訴你如何操作，這就是增強(qiáng)現(xiàn)實（AR）的概念。這里也可以看出賽博空間的賦能，人是不能孤立于生產(chǎn)系統(tǒng)而存在的，所有相關(guān)信息都要連接到人，通過AR技術(shù)就把人與賽博空間無縫的連接了起來。

總體來看，人與“人”都具備獨(dú)特能力，人類靈巧的雙手和隨機(jī)應(yīng)變的能力是當(dāng)前機(jī)器人不具備的，而機(jī)器人則能夠不知疲憊地重復(fù)完成高質(zhì)量任務(wù)；人與“人”不是說換就能換，必須更好地權(quán)衡自動和人工，謹(jǐn)慎地設(shè)計自動化流程、方法和工具；人與“人”協(xié)作將成為主流，未來自動化的設(shè)計，一定是機(jī)器人更多地與人進(jìn)行接觸、交互；人與“人”將改變組織結(jié)構(gòu)，通過工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，工人將獲得全新的角色管理機(jī)器人單元甚至班組。

▌虛與實之合：數(shù)字世界顛覆管理范式

美軍在發(fā)展工業(yè)4.0時，提出建立數(shù)字工程生態(tài)系統(tǒng)，以數(shù)字模型為中心，以數(shù)據(jù)和模型為依據(jù)謀事做事。

以數(shù)字工程生態(tài)系統(tǒng)去助力兩個戰(zhàn)略的實現(xiàn)，一個是第三個抵消，即以快制慢，以技術(shù)突襲來應(yīng)對別人的技術(shù)突襲，用虛擬試驗大量減少試驗時間，在數(shù)字空間中去把很多問題解決掉。就好比別人的飛機(jī)10-20年更換一代，而我們就可以跟汽車一樣1-2年更換一代；另外就是更加購買力，以更少買更好，這是世界最有錢客戶的看法，值得我們深入研究。

以數(shù)字模型為中心的的基礎(chǔ)是海量和全過程的模型，比如飛機(jī)設(shè)計，從分子建模、有限元、計算、仿真到全尺寸都可以建立數(shù)字模型來仿真分析，而且這是多逼真度的物理特性模型，按物理公式而不是簡單數(shù)學(xué)差值計算進(jìn)行建模；以數(shù)據(jù)和模型為依據(jù)謀事做事，就是飛機(jī)從產(chǎn)品設(shè)計、分析、制作、裝配、工廠運(yùn)行、使用、保障等過程都是依靠模型來預(yù)先驗證，利用數(shù)據(jù)來監(jiān)測和校準(zhǔn)，甚至在設(shè)計時就能通過模型，快速地給你提供上千種方案可供選擇。

簡單來看，虛與實就是數(shù)字世界與物理世界的相互貫通。從數(shù)字世界先行的目的是深層理解降低風(fēng)險，把問題消滅在數(shù)字空間。比如設(shè)計空客A350的機(jī)身壁板裝配線，它是一個顛覆傳統(tǒng)的壁板脈動式向前運(yùn)動的流程，機(jī)器人是固定的，應(yīng)用程序控制機(jī)器人鉆孔，這時候就需要在數(shù)字世界先計算、仿真來判斷哪里會出現(xiàn)問題；反過來，從物理世界反饋的目的是真實掌握狀態(tài)，把數(shù)據(jù)傳回數(shù)字世界來驗證對比、學(xué)習(xí)提升。其中虛實共生--數(shù)字孿生的概念，在美軍看來是指，使用最佳的可用模型、傳感器信息以及輸入數(shù)據(jù)，對已建造系統(tǒng)的一個多物理、多尺度和概率性的集成仿真，以鏡像和預(yù)測相對應(yīng)的物理孿生體生命周期的活動/性能。數(shù)字孿生可簡單的理解為你在鏡子里看到的自己的實時動態(tài)。

那么數(shù)字孿生到底有什么作用呢？首先，數(shù)字孿生可以改變產(chǎn)品質(zhì)量管理，通過真實生產(chǎn)數(shù)據(jù)回傳到模型，分析實物的應(yīng)力集中等存在的潛在問題；改變工廠資產(chǎn)管理，通過粘貼RFID芯片，對物品直接定位，實時跟蹤物品的位置以及歷史軌跡；改變飛機(jī)壽命管理，結(jié)構(gòu)管理單元通過數(shù)字孿生分析對飛機(jī)進(jìn)行損傷診斷，減少不必要的維修費(fèi)用。

總體來講，虛與實結(jié)合創(chuàng)造更多的機(jī)遇，隨著物理世界大量隱藏數(shù)據(jù)可感知，以及數(shù)字世界的仿真計算能力飛躍發(fā)展，兩者結(jié)合帶來巨大前景；虛與實的連接集成是門學(xué)問，將多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合并集成到多專業(yè)模型中，給建模和數(shù)據(jù)處理提出了難題，更需要從設(shè)計開始轉(zhuǎn)變思路；虛與實賦能的管理水平提升，以往靠開會討論、評審報告的管理決策方式，將可能被基于模型和數(shù)據(jù)的風(fēng)險概率仿真與權(quán)衡分析所取代；虛與實共生將會成為新常態(tài)，以前CAD模型只是理想的幾何模型，未來基于物理特性的數(shù)字孿生將伴隨物理產(chǎn)品生命周期，不斷更新。

總結(jié)：未來航空制造的發(fā)展是離不開材料選擇、制造模式、人機(jī)智能、數(shù)字工程等方面的技術(shù)，我們應(yīng)關(guān)注多學(xué)科的融合發(fā)展，相互結(jié)合，創(chuàng)新研發(fā)，敏銳地把握航空制造發(fā)展的有利趨勢。