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航空制造的过去、现在和未来

作者:admin发布时间:2020-09-15分类:产业动态浏览:4评论:0


导读:原标题:航空制造的过去、现在和未来以下文章来源于数字工业知识中心,作者宁振波数字工业知识中心为中国制造高质量发展提...
原标题:航空制造的过去、现在和未来

以下文章来源于数字工业知识中心 ,作者宁振波

数字工业知识中心

为中国制造高质量发展提供全球视野下正本清源的数字工业知识内容,帮助企业明确转型升级规划方法和技术发展路径,提升中国制造全球竞争力。

航空制造的过去、现在和未来

宁振波

中航工业信息中心

原首席顾问

“航空制造距今已有百年的历史,作为高精尖技术战略产业,它是随科技进步的发展而逐渐优化的。由于航空产品是一个不可分解的复杂产品,具有严格的气动外形要求、内部结构复杂、设计专业面广、设计更改频繁、对材料要求严苛、空间十分紧凑、零部件数量巨大、系统分布密集等特点,使其成为一个技术难度大、研制周期长、协作面广、费用昂贵、管理复杂的系统工程,各项任务之间既要相互联系,又要相互制约。作为这样一个复杂的航空产品,我们不仅要从全局、从整体出发,更要精通各种单项技术,严格规范管理飞机的全生命周期,对飞机研制全过程进行管理和监控。正是现代飞机的这一特点,它迫切需要信息化技术从根本上来改变传统的航空制造的研制模式、方法和过程,大幅度地改善飞机研制质量、缩短研制周期和降低成本。”

航空制造的过去、现在和未来

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谈及到航空制造的过去,我们就不由得想到莱特兄弟研制的第一架有动力的飞机-飞行者一号。它是航空史上第一次有动力、载人、持续、稳定、可操控的飞行器,虽然只有短短的12秒,飞行高度也仅有36米,但是在航空史上具有深远的意义,标志着飞机时代的来临。莱特兄弟在发明出飞机之后,于1909年创建了世界第一家飞机制造企业——莱特公司,并迅速获得了美国军方的订单,这标志着航空工业的诞生,开启了航空制造的”活塞动力时期“。

航空制造的过去、现在和未来

由于20世纪初期航空制造业对于材料、制造工艺、发动机的研发不足,使得这个年代飞机的设计还基于手绘图纸,整机由木头、帆布打造,甚至连发动机还应用的是改良后汽车发动机。在这样一个战乱的年代,航空制造的水平根本无法满足军需。1914年爆发了第一次世界大战,正是这次大战的到来,各国军事需求剧增,推动了航空制造业的第一次爆发式发展。全世界飞机制造商达到了200余家,战争期间生产的飞机达到了20多万架。飞机也逐渐由木制向硬铝、钢结构转变,向制造全金属飞机转变。一战后期,一些著名的飞机制造企业已经逐渐在市场上站稳了脚跟,与此同时苏联也着手建立独立的飞机设计局,并且开始建设专业化航空工业制造厂。

随着一战的结束,军需情况锐减,使得飞机制造业深受打击,大部分企业从此倒闭,只有少部分企业通过转型转产谋求多元化发展勉强度过了危机。20世纪30年代末期,世界飞机制造业基本形成了美、苏、欧、日四大体系。随着第二次世界大战的爆发,飞机制造企业纷纷转而为战争研发新型军用飞机,再一次刺激了航空工业的大发展。全世界飞机总产量约100万架,二战简直可以被称为“活塞发动机飞机的黄金时代” 。二战结束后,航空工业逐渐由活塞动力转为喷气动力飞机,但是由于喷气式动力飞机较为复杂,对于科技人员、工程人员、材料研制、工艺设计等要求都需要最好的,投资也是最昂贵的。

1950 ~1980年,美苏两大集团冷战和军备竞赛提供了稳定的军用飞机市场,美苏两国引领世界飞机工业发展,军备竞赛使喷气作战飞机高速发展。同时,各国进入了飞机制造业的整合时代,空中客车公司(Airbus)与波音公司(The Boeing Company)逐渐成为并列的世界干线客机两大巨头;GE和罗尔斯·罗伊斯公司(Rolls Royce)逐渐成为干线客机发动机市场的一对大鳄。

而我国航空制造业在新中国成立之后才刚刚起步。1949年10月1日的阅兵式上,经过天安门上空的17架飞机,尚无一架是属于中国人自己研制,都是战场博弈的战利品;在抗美援朝的战斗中,中国人民志愿军空军以击落敌机330架,击伤敌机95架的战绩,创造了米格走廊的传奇,而传奇的重要角色飞机却非中国制造。

周恩来总理曾说:“我们的飞机要保卫祖国的领空,买别人家的飞机是不行的。”中国要自立于世界航空工业之林中,必须能够设计出自己的飞机,建立独立的航空科研体系。

到20世纪50年代末期,中国航空工业先后成立了材料、技术情报和飞行试验等专业研究院所及飞机、发动机和航空仪表设计室,创办了航空研究院和22个航空专业设计所、研究所,在相对短时间内建立起了航空工业体系。

党的十一届三中全会之后,中国航空工业逐步调整工作重点,在全面推进各项改革的同时,开展了大规模的“军转民、内转外”的战略转变,开创出了一个改革开放、保军转民、实行战略转移的新时代。

20世纪七八十年代,中国大飞机的研制历经三起三落。这让比欧洲空客起步仅晚两年的中国大飞机制造业举步维艰,但航空人对大飞机求索的脚步却从未停止。在此期间,中国与美国麦道公司 McDonnell-Douglas Corporation 和法国空客公司(Airbus) 寻求国际合作,但项目先后被迫终止,这让中国人看到研制大飞机没有捷径可走,必须独立自主,自力更生。

进入20世纪90年代以来,随着航空工业对轻量化和功能性的要求越来越高,传统的材料研制、设计制造等很难适应目前的设计方案,飞机制造商需要采用全新的研制模式、制造模式、管理模式,以保证飞机的先进性。

以波音、洛马(Lockheed Martin Space Systems Company)和空客公司为代表的世界航空工业正在全球范围内形成设计、生产与市场的全球化。波音777飞机作为世界上第一个采用全数字化定义和无图纸生产技术的大型项目工程,是20世纪90年代制造业应用信息化技术的里程碑。

航空制造的过去、现在和未来

波音公司在研制波音777飞机的过程中就已经全面采用由传统串行向高度并行协同的研制模式转变并建立基于构型控制的数字化制造系统。所谓并行协同是指飞机研制过程中有两个方向的并行协同,一个产品轴,是在工程研制阶段的多学科协同设计,涉及到声、光、热、电、力等多专业、多学科的协同优化设计;另一个是过程轴,是研制过程的设计、制造和使用维护的横向并行协同,主要体现在需求分析、设计、制造和使用维护的协同上,以构建完整的产品数字化定义,实现产品的全生命周期管理。

建立基于构型控制的数字化制造系统是指由于用户对产品的需求多变,在设计一个基本的构型以后,有大量的改进改型,从而形成系列化产品。同时为了更好地管理产品数据,各飞机制造商以满足多变的用户需求开发了数字化制造系统。具体体现在全机零部件100%三维数字化模型设计,进行产品的数字化预装配和组织设计制造协同,管理了波音公司在产的所有飞机,支持分布在72个不同场所的45000名员工和上万台工作站同时进行工作,通过网络还支持全球供应商的有关产品的数据管理。

那波音是如何做到全协同工作的呢?技术上应用统一软件的同一版本,并在研制过程中有着一套严格的模式、制度、方法、规范和各种手册,供全体参研人员使用。通过建立单一产品的数据源,使有关产品的数据流通准确地由研制的上游向下游流动,同时各部门之间的数据快速、准确地交换,真正实现了产品的并行协同设计和制造,大大缩短了生产周期。应用信息化技术设计、制造、管理的优越性在当下已愈来愈凸显出来。

正如我国自主协同数字化研制的大型运输机运-20,“强国需重器。大飞机是我国堪称大国、强国的重要标志之一,中国一定要具备自主研制能力,一定要有自己的强大航空运输能力。”接到任务之时,中国大型运输机总设计师、有着30多年飞机研制经验的唐长红院士就在心里下定了决心。这是对中国航空工业前所未有的挑战,也是一次考验战斗力的机会。通过运20总设计师唐长红院士领导下的技术创新、一飞院副院长冯军的“拼命三郎”力推在线设计和关联设计(2013年运20首飞,因此项创新成果,一飞院副院长冯军获得2014年全国五一劳动奖章),就这样运-20的设计研发从二维图纸全部转化到三维设计制造上来。历时三年半,从观念的彻底转变到各大主机厂完成培训,全三维设计制造技术真正实现了大型运输机研制,全范围设计制造和检验的一条龙。 “当玩命也完不成任务的时候,只有创新,创新一词始终贯穿大型运输机研制全过程,成为航空人的共识”。 大型运输机总设计师系统跳出常规路线的思维,试图通过设计手段的创新,提出了必须使用先进设计工具—在线关联设计技术,使飞机设计的各个环节始终处于同一平台,上游数据发生更改,数据自动同步更新,充分实现数据共享。在线关联设计技术完成一次全机强度校核,由过去的几个月压缩到短短几天。

同时把机载系统也纳入进来,形成了涵盖总体气动结构机载系统,覆盖分布全国的各参研单位的整机设计系统,大型运输机迭代设计的效率由此提高了40%。一飞院在7个月内发放三维数字模型数万余个,技术条件数据量超过200G,可见如果没有一个强大的数字化制造系统,而是全依靠人来处理将会多费时费力。大型运输机的信息化建设和数字化技术创新,不仅有力保证了型号研制的节点,同时推动了中国数字化设计制造技术大踏步前进。

又如洛克希德·马丁公司应用Teamcenter软件建立起跨越17个时区,30多个国家的全球协同工作平台来研发F-35战斗机。F-35开创了数字化生产方式:产品数字化(采用产品数组建模和预装配,并行产品定义);设计数字化(进行飞机构型定义和控制及多变公用模块设计,减少零件分立);试验数字化(采用功能样机、性能样机,减少物理实验);制造数字化(采用数字化生产线,大幅度减少工装模具);飞行数字化(构建虚拟飞行环境);管理数字化(建立全球虚拟企业)。

该平台中包括10个来自不同软件供应商的独立信息管理系统和一个统一的PLM系统,保证从用户需求、详细设计、数字样机、生产计划、工艺规程、加工仿真和维修服务等阶段的产品数据存放在一个公共的数据平台上,从而实现降低成本、缩短周期、易于跟踪维修的目的。数字化技术作为完成F-35战斗机的关键核心,使其设计周期缩短35%,节省了上亿美元的资金投入。

从波音777到洛克希德·马丁公司的F-35到空客公司的A380,还有我们国家的运-20、ARJ21、C919飞机等等,开始逐步摒弃了由一家公司研制一架新飞机的模式,在基于建立全球的虚拟数字化协同平台上,构建了多国、多公司参与研究的虚拟企业架构,形成了符合当下信息化发展的全新的研制体系。

早在30年前我就讲过,未来的飞机将是“会飞的计算机”。未来航空制造的发展有三大趋势:全过程数字化,即产品从市场需求开始,在概念设计、初步制定、详细设计、仿真实验、生产制造、市场营销、售后服务,直至产品报废,全寿命周期的各个环节均实现数字化;全方位数字化,同一产品涉及的各个设计院所、企业、公司总部等在科研、生产、管理及经营中全面实现数字化;全产品数字化,产品本身及其包含的机械系统、动力系统、光学系统、强/弱电系统、电磁系统等所有配套产品都采用三维数字化设计,形成全机数字产品模型。不但在几何上,而且在属性上也采用数字化方式描述。实现数字化转型最重要的就是集成电路和软件,有了集成电路和工业软件就可以迅速搭建我们常说的“云、大、移、物、智”体系,从而实现设计、分析、制造、试验和管理、回收的全过程智能化。

我认为,国家应该把工业软件的发展重视起来,生产芯片依赖的重要的工业软件就是EDA,破解工业软件受制于人的局面,如果一旦被终止授权,国内很多先进的高科技公司将面临重大冲击。未来的航空制造不会完全基于一家企业来完成整个产品的制造流程,而是需要更多领域里的发展势态优良的企业加入进来,通过建立主承制商与合作商之间的全新的工作模式,构造国内/全球协同研制环境,在加密增强型网络平台上实现虚拟工作。

三维数字化设计在航空制造中的应用完全颠覆了传统的物理样机和模型,已经被三维数字化样机所替代。三维模型定义的效益已经被反复验证,基于模型的定义(MBD)作为全过程数字化设计解决方案,其主导的思想不只是简单地将二维图纸的信息反应到三维数据中,而要充分利用三维模型所具备的表现力,提供便于用户理解、更有效率的设计信息表达方式。从传统二维图纸文化跳出来,首先应针对概念设计、初步设计、详细设计、生产准备、评估与检验等每个阶段弄清楚产品制造中所必须的信息。可以讲,MBD不是简单的三维标注,是一种新型的数字化研制理念,需要产品设计、制造、检验和维护的人员共同参与。MBD技术的应用势必为提高航空制造数字化能力打下坚实的基础。航空的数字化设计与制造,必将推动未来航空工业产生革命性的巨变,引领航空工业迈上新的台阶。(编辑整理/朴一男)

航空制造的过去、现在和未来

总结:我们既要铭记航空制造发展的这段历史,更要充分利用信息化技术的有利趋势,结合多学科、多专业的融合,大力创新发展航空制造业。认真研究航空制造中的设计、分析、试验、生产、交付、服务、维修以及所有相关管理过程的每个环节,将其流程先行固化,采用当前先进的信息技术,优化业务流程,将是我们今后航空制造信息化的重点任务。

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