那些改變業態的顛覆性技術

任治潞

創新，是航空業永恒的主題。在過去的2018年，航空業依舊沒有停下創新的步伐，一系列顛覆性技術正在一場制造業生態系統的變革中發揮著關鍵作用，以數字孿生、人工智能、可再生能源等為代表的新技術正在改變航空制造業的游戲規則。

數字孿生技術

數字孿生（Digital Twin）的概念最早出現在2003年，由Grieves教授在美國密歇根大學的產品全生命周期管理課程上提出。后來，美國國防部將數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動機技術的進步和維修方式的改進已經使得維護成本大幅降低，但維護成本依舊占據了航空公司運營成本相當大的比例。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鍵。為此，制造商和航空公司開始嘗試利用數字孿生技術。

數字孿生指的是實物資產、流程和系統的數字復制品。數字孿生的信息源包括現實生活中對應的數據、人類專家的知識及其他相類似數據等。2018年，GE已為部分發動機制造了數字孿生器件。此外，GE還開發了世界上第一種用于飛機起落架的數字孿生技術，通過將傳感器設置在物理設備的典型故障點上，如液壓和制動的溫度節點，可以提供實時數據，幫助航空公司預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字孿生技術躍躍欲試。空客與Ubisense集團合作，通過后者開發的“智能空間”解決方案，在A350XWB總裝生產線上采用了數字孿生技術。這一解決方案通過將定位技術集成到單一的生產運行視圖中，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的分布情況也能一目了然。如今，“智能空間”解決方案已經在包括A330、A380和A400M的生產線上得到了應用。

在“智能空間”解決方案中，空客通過在關鍵工裝、物料和零部件上使用視頻識別技術（RFID），生成了A350XWB總裝線的數字孿生，從而能夠通過模型預測生產中可能遇到的瓶頸，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，連接了總裝設備安裝流程的額外區域，以支持生產提速。同時，該解決方案還提供對資產的實時跟蹤和定位，自動更新ERP系統的資產位置和狀態數據，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。所有這些數據都會在相應的圖表或實時位置中得以呈現，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內人士的關注。根據歐盟的規劃，到2050年，要力爭實現至少40%的飛機使用低碳可持續燃料。為實現這一目標，歐盟各國高度重視并加速尋找清潔航空燃料，旨在研發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、對水和土壤等環境要求低，可在世界多個貧瘠地區大量種植。2010年，以國際民航組織為代表的機構開始制定指導性文件，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都加大了對新能源研發的力度。例如，波音公司與UOP能源公司聯合，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原料，開發從木質纖維、海藻中提取生物燃料的方法。

同時，相應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，實現了首次使用生物燃料的跨太平洋飛行。

已經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

盡管3D打印技術在航空領域的應用早已不是什么新鮮事，但如今發動機制造商們卻已經開辟了3D打印技術應用的新戰場。

羅羅公司繼用3D打印技術生產了Trent XWB-97發動機的最大組件，并成功將其應用于A380飛機后，如今又開始嘗試將這一技術應用于其下一代Advance3發動機的研制。

GE早在10年前就開始布局3D打印技術。如今，這一前瞻性的布局已經開始收獲成效。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，該中心已經為LEAP系列發動機生產了2.5萬個發動機噴嘴。

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渦扇發動機、Catalyst渦槳發動機和GE9X渦扇發動機等都取得了突破性進展，這些型號的發動機在零件制造上都大量應用了3D打印技術。

此外，GE還宣布美國聯邦航空管理局已批準將3D打印支架用于GEnx-2B發動機，該支架將取代傳統的電動門打開系統（PDOS）支架。GE表示，與傳統制造方式相比，3D打印技術將減少高達90%的材料浪費。

百年來，飛機裝配生產技術經歷了從手工裝配、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揮了重要的作用。

空客公司已經確定將在2020年前優化7條裝配生產線，主要優化手段之一就是增加自動化技術的應用。從2015年起，空客飛機生產線上機器人的數量逐年增加，其中包括用于處理特殊工作任務的輕量化機器人、小型加工系統等。此外，空客還在生產線上采用輕量化單臂機器人，它能夠自主沿著飛機機身內部移動，實現結構支架的流水線安裝。

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線的新概念。在波音的設想中，飛機裝配車間的地板以視頻識別（RFID）技術標識出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。中央控制臺根據生產速度和訂單分派任務，通過運送部件的自動引導運輸車（AGV）控制工作和運動時間，AGV可以自主地根據任務在等候區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域的先進水平，其不僅具備發動機葉片高度自動化的制造能力，也是全球為數不多的航空航天生產廠中，產量接近汽車工業級別的。在布魯蒙特工廠中，有超過150個制造機器人，由超過160臺協作測量機配合，自動進行零件檢查。

虛擬現實技術（VR）、增強現實技術（AR）和大數據的應用，徹底顛覆了傳統的飛機制造、維修、培訓方式，航空智能制造的發展翻開了新篇章。

發動機制造商普惠公司近期展示了其正在研發的GTF發動機VR培訓模擬器。公司表示，過去傳統的發動機維修培訓需要給每位學員準備厚厚的紙質材料，有了VR培訓模擬器后，將不再需要這些材料。

借助VR技術，參加培訓的工程師和維修人員可以直接看到發動機各部件在實際工作時是如何運轉的，這是絕大多數人第一次目睹這一場景。VR培訓模擬器將發動機維修人員從過去傳統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發動機中的各個零部件是如何相互配合進行運轉的。

空客則將AR技術應用于水管安裝、艙內連接器和客艙開發過程中。在客艙開發時，空客使用AR技術在通用的設計樣機/銷售樣機上疊加虛擬設計概念或用戶配置，能夠迅速讓設計人員和用戶體驗到最終效果。此外，空客還聯合戴姆勒公司，利用AR系統、計算流體力學（CFD）軟件和溫度傳感器等，實現座椅空間氣流、溫度的可視化，幫助設計人員進行客艙開發。