國外航空工業(yè)數(shù)字化的發(fā)展及啟示

朱長征/文

“二戰(zhàn)”以后，隨著計算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化技術(shù)逐漸成熟并大范圍進(jìn)入工業(yè)領(lǐng)域。20世紀(jì)80 年代至今，國外先進(jìn)航空制造企業(yè)，包括飛機(jī)公司、發(fā)動機(jī)公司和機(jī)載系統(tǒng)公司，如波音飛機(jī)公司、空中客車公司、蘇霍伊公司、羅·羅公司、普惠公司等，為提高經(jīng)濟(jì)效益，同時獲得相對技術(shù)優(yōu)勢，主動將數(shù)字化技術(shù)引入航空工業(yè)領(lǐng)域，催生了航空工業(yè)數(shù)字化。數(shù)字化技術(shù)進(jìn)入航空工業(yè)領(lǐng)域以后，極大改變了航空工業(yè)以往的科研生產(chǎn)模式，表現(xiàn)出了一些顯著性特點。

國外航空工業(yè)數(shù)字化的發(fā)展歷程

第一階段，以20 世紀(jì)90 年代的波音777 飛機(jī)研制為標(biāo)志，通過數(shù)字化技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用，使波音777飛機(jī)成為世界上第一型完全以計算機(jī)三維輔助技術(shù)完成設(shè)計的民用飛機(jī)，整個設(shè)計過程中都沒有采用傳統(tǒng)繪圖紙的方式，而是事先“建造”一架虛擬的波音777，為此波音飛機(jī)公司總共動用了2200 臺終端計算機(jī)。

第二階段，以21 世紀(jì)初波音787 飛機(jī)和洛克希德.馬丁F-35 戰(zhàn)斗機(jī)的研制為標(biāo)志，率先采用了基于模型的系統(tǒng)工程理念與方法流程，實現(xiàn)了基于模型的定義和工程，以及全數(shù)字量協(xié)調(diào)的制造與裝配，并且打通了從設(shè)計制造、試驗鑒定到訓(xùn)練保障的數(shù)字線索，建立了產(chǎn)品壽命周期管理體系。波音787 飛機(jī)通過全球協(xié)同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境實現(xiàn)了協(xié)同研制，支持全球72 個不同廠所的45000 名員工在40000 多臺工作站上同時工作。洛克希德.馬丁F-35 戰(zhàn)斗機(jī)一開始就采用數(shù)字化設(shè)計，是全數(shù)字化設(shè)計的第一型軍用飛機(jī)，在軍用飛機(jī)設(shè)計史上具有里程碑意義。

第三階段，以2018 年6 月美國國防部發(fā)布“數(shù)字工程戰(zhàn)略”為標(biāo)志，通過下一代空中主宰項目論證、低成本可消耗飛行器研制以及F-35 批產(chǎn)，航空裝備采辦實踐正進(jìn)一步向需求連續(xù)傳遞、模型貫穿始終、數(shù)據(jù)驅(qū)動決策的數(shù)字工程與智能制造轉(zhuǎn)型，引領(lǐng)美軍建立全面數(shù)字化的總體論證、需求工程、工程分析、設(shè)計確認(rèn)、生產(chǎn)管理、維修規(guī)劃、保障分析和預(yù)先維修流程，推動以模型和數(shù)據(jù)為核心范式的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

在推動航空工業(yè)數(shù)字化發(fā)展過程中，還有一些知名企業(yè)也做出了自己的貢獻(xiàn)。美國通用電氣公司下屬的GE航空集團(tuán)不斷向基于模型的數(shù)字化企業(yè)持續(xù)邁進(jìn)，業(yè)務(wù)模式的變化包括建立知識驅(qū)動的產(chǎn)品研發(fā)模式，推廣基于模型定義（MBD）技術(shù)的應(yīng)用，建立可配置的數(shù)字樣機(jī)等；三維數(shù)字化模型實現(xiàn)了設(shè)計、工藝、制造和服務(wù)全生命周期的貫穿應(yīng)用。英國羅·羅公司積極推進(jìn)面向全球化設(shè)計和全球化制造的設(shè)計制造一體化，全面采用系統(tǒng)工程思想及三維主模型技術(shù)，進(jìn)行整機(jī)及系統(tǒng)層面的數(shù)字化設(shè)計，實現(xiàn)了“遄達(dá)”（Trent）系列發(fā)動機(jī)的自頂向下設(shè)計；同時，隨著將物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)應(yīng)用到制造現(xiàn)場，提升了生產(chǎn)質(zhì)量和管理效率。俄羅斯雷賓斯克土星公司開展了物聯(lián)網(wǎng)和數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用，通過建立生產(chǎn)車間數(shù)字化雙胞胎，監(jiān)控計劃指標(biāo)（品種計劃、運輸能力、生產(chǎn)周期、費用）執(zhí)行情況，模擬各種變化并計算其接近實際情況的效果。

可以看出，通過近30 年的發(fā)展，先進(jìn)航空制造企業(yè)的數(shù)字化建設(shè)已經(jīng)覆蓋了需求論證、設(shè)計研制、生產(chǎn)制造、維修保障各個環(huán)節(jié)。

航空工業(yè)數(shù)字化的特點

一是在項目論證環(huán)節(jié)，可獲取最優(yōu)總體方案。在論證環(huán)節(jié)，將形成體系級的架構(gòu)設(shè)計和仿真分析能力，建立“聯(lián)合作戰(zhàn)概念—體系能力—武器裝備”的數(shù)字化統(tǒng)一論證手段，能夠利用由作戰(zhàn)、裝備系統(tǒng)和技術(shù)高度集成的聯(lián)合一體化能力體系架構(gòu)，支撐對海量總體方案進(jìn)行效能、風(fēng)險和壽命周期成本的權(quán)衡分析，獲取最優(yōu)總體方案。

二是在研制階段，可縮短研制周期，降低研發(fā)成本。在研制環(huán)節(jié)，將形成覆蓋氣動、結(jié)構(gòu)、機(jī)械、電子、熱推進(jìn)、控制等多專業(yè)聯(lián)合仿真分析能力，建立高逼真度系統(tǒng)級建模手段，以及集成的產(chǎn)品與工藝數(shù)字化開發(fā)流程，能夠?qū)崿F(xiàn)對復(fù)雜裝備系統(tǒng)的準(zhǔn)確表達(dá)、一致理解和數(shù)字化的驗證與確認(rèn)，支撐在研制早期就識別設(shè)計缺陷，在大幅減少物理試制和試驗的同時，確保設(shè)計一次生成且正確無誤，因此，相比原有非數(shù)字化研發(fā)模式，顯著縮短了研制周期、降低了研發(fā)成本。在F-35 研制過程中，由于采用了數(shù)字化設(shè)計，使不同參研單位研制的零件配合很好，首架F-35 飛機(jī)的裝配“幾乎接近完美”。例如，洛·馬公司研制的10.5 米寬的機(jī)翼與諾·格公司研制的中機(jī)身在一分鐘內(nèi)即裝配成功，這種情況在使用數(shù)字化研制前是不可想象的。

三是在生產(chǎn)環(huán)節(jié)，可大幅提高生產(chǎn)質(zhì)量和管理效益。在生產(chǎn)環(huán)節(jié)，將形成基于多物理量的復(fù)雜工藝建模仿真能力和基于生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實時分析預(yù)測能力，建立全面數(shù)字化的生產(chǎn)流程和賽博物理生產(chǎn)系統(tǒng)基礎(chǔ)條件，構(gòu)建生產(chǎn)線的數(shù)字孿生模型，能夠?qū)崿F(xiàn)制造活動基于模型、數(shù)據(jù)驅(qū)動的優(yōu)化、運行和控制，大幅提升質(zhì)量水平和管理效益。例如，在F-35批產(chǎn)過程中，由于采用了數(shù)字化生產(chǎn)，做到了將F-35 的三種機(jī)型（A，B，C）放在同一條生產(chǎn)線上進(jìn)行裝配，同時節(jié)省了裝配空間、提高了裝配生產(chǎn)率。隨著工藝的完善，F(xiàn)-35 的年產(chǎn)量不斷提高。

四是在保障環(huán)節(jié)，可顯著提高裝備完好性。在保障環(huán)節(jié)，將形成融入制造、使用、維修數(shù)據(jù)的數(shù)字孿生模型構(gòu)建能力，建立針對裝備個體的維修規(guī)劃手段和記錄共享平臺，構(gòu)建針對裝備個體的數(shù)字孿生模型，能夠通過實時數(shù)據(jù)更新并持續(xù)進(jìn)行在線、離線分析，實現(xiàn)基于預(yù)測性分析的裝備壽命管理，顯著提高裝備完好性。比如，基于數(shù)字化技術(shù)，羅·羅公司實施了“智能發(fā)動機(jī)”（Intelligent Engine）項目，使羅·羅公司可以全天24小時不間斷地監(jiān)控分析遍布全球的由羅·羅公司生產(chǎn)的航空發(fā)動機(jī)的運行情況，一旦在飛行或中途停留過程中，航空發(fā)動機(jī)出現(xiàn)緊急技術(shù)問題，抑或需要置換零部件或模塊，羅·羅公司可第一時間得知。

綜上，國外航空工業(yè)采用數(shù)字化技術(shù)后，對原有科研生產(chǎn)模式帶來的改變是顛覆性的。比如，由串行研制變更為并行研制。數(shù)字化后的航空工業(yè)，由于呈現(xiàn)出了上述特點，又推動了數(shù)字化技術(shù)的快速發(fā)展。

對我國航空工業(yè)等制造業(yè)發(fā)展的啟示

第一，必須堅定不移地走數(shù)字化發(fā)展之路。實踐已經(jīng)證明了工業(yè)數(shù)字化的優(yōu)勢，我國只需奮力趕超就可以了。在此過程中，要努力實現(xiàn)工業(yè)數(shù)字化核心技術(shù)的自主可控；在推進(jìn)高端制造業(yè)數(shù)字化的同時，也要同步推進(jìn)中、低端制造業(yè)數(shù)字化改造升級，進(jìn)一步鞏固我國中、低端制造業(yè)在全球競爭中的優(yōu)勢。

第二，數(shù)字化技術(shù)不但適用于規(guī)模化工業(yè)大生產(chǎn)，而且也適用于“多變短小”（多品種、計劃多變、交貨周期短、產(chǎn)品批量?。┑亩ㄖ粕a(chǎn)方式。

第三，堅持推進(jìn)工業(yè)數(shù)字化技術(shù)全面應(yīng)用的同時，要吸取國外的教訓(xùn)，堅決避免產(chǎn)業(yè)空心化。制造業(yè)是國家技術(shù)創(chuàng)新的源泉、經(jīng)濟(jì)增長的源動力，甚至與國家安全息息相關(guān)。需要警惕的是：制造業(yè)的衰落，總是從生產(chǎn)外包開始的，總是從低端產(chǎn)業(yè)外流開始的。工業(yè)數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，使生產(chǎn)外包更加方便。生產(chǎn)外包在降低成本、分散風(fēng)險的同時，帶來的問題也很明顯：交付延遲、技術(shù)外溢、利潤外流。這三大問題處理不好，不可避免地導(dǎo)致產(chǎn)業(yè)空心化、產(chǎn)品質(zhì)量不可控、自主創(chuàng)新能力下降。在這方面，歐洲空客公司和美國波音公司的做法值得我們借鑒。空客公司一直將核心的生產(chǎn)保留在歐盟內(nèi)部，主制造商基本上都是四個創(chuàng)始國的核心企業(yè)。即使為了開拓中國市場，外包給我國的也僅僅是不那么重要的部分。比如，天津的A320 總裝線，以及西安飛機(jī)制造公司負(fù)責(zé)的A320 翼盒。而波音公司的大規(guī)模生產(chǎn)外包，讓波音公司的核心能力不斷外流和下降。在波音727 項目中，外國供應(yīng)商的工作量只占2%；到波音777 項目，這一數(shù)據(jù)升至30%；而到波音787 項目中，達(dá)到驚人的70%。正是由于波音公司沒有解決好生產(chǎn)外包引起的質(zhì)量不可控問題，導(dǎo)致了波音737MAX在2018年10月和2019年4月接連發(fā)生兩起空難。因此，我國在推動制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級中，一定要堅決避免出現(xiàn)產(chǎn)業(yè)空心化。