未來，圍繞金屬和復合材料部件的成形、加工與裝配，飛機制造將朝著“大”、“精”、“省”的方向進一步發展，從而帶來新的挑戰。針對這些趨勢和挑戰，本文關注了未來飛機制造的6個熱點主題，這些主題將是今后一段時間內飛機制造領域的發展重點，也將是航空制造業競爭力的集中體現。

　　白與黑的較量

　　波音787和空客A350客機在復合材料用量上的競爭一度是業界的焦點，也讓人們認識到，碳纖維復合材料已經首次替代鋁合金，成為未來雙通道客機的首選材料。碳纖維復合材料這種黑色塑料似乎一夜之間橫掃了其白色前輩——鋁合金。

　　面對碳纖維復合材料咄咄逼人的攻勢，以美鋁公司為首的鋁合金供應商也展開了反攻，針對復合材料的弱項開發更先進的鋁合金材料。第三代鋁鋰合金就是這“白與黑的較量”中的重要籌碼。新開發的2099型鋁鋰合金，比現有的7150型鋁合金在對抗片狀剝落腐蝕上要高出一大截。與碳纖維復合材料相比，鋁鋰合金材料不僅氣動性好、防腐能力強、可回收，并且重量還要輕10%，制造、運行、維修成本要低30%，總體的風險更低，而且已經用到了波音787、空客A350和龐巴迪C系列飛機上。

　　與此同時，碳纖維復合材料制造商也在研究降低成本、提升質量的方法。非熱壓罐（OOA）成形一直是業界創新研究的重點，包括先進的常溫固化樹脂體系、自加熱的制造工裝，以及模壓成形、微波固化和激光固化等方法。目前在非熱壓罐領域，已經取得了眾多豐碩的成果，比如洛馬制造出的先進全復合材料運輸機（ACCA）、波音和洛馬分別應用非熱壓罐成形的自動絲束鋪放（AFP）工藝制造大型部件等。此外，為了解決復合材料切削和鉆孔中的分層、速度慢和刀具磨損問題，洛馬聯合刀具供應商開發了化學氣相沉積（CVD）金剛石涂層刀具，大大提升了加工效率和質量；洛馬和波音還在積極破解復材-鋁/鈦金屬板材鉆孔的尺寸精度難題，并取得了積極效果。

　　在可預見的未來，碳纖維復合材料和先進鋁/鋁鋰合金的競爭還會加劇，這對于飛機制造業來說是一個好消息，因為這個競爭將使得飛機機體結構在重量、成本、可靠性、維修性上有較大的提升和改進空間，并給帶來他們更多的設計選擇。

　　加法與減法

　　2012年，增材制造的火熱引起了人們對于未來飛機制造到底應該使用“加法”還是“減法”的思考。相對于傳統的去除材料的加工方法，增材制造可以大幅降低工裝需求，減少材料消耗，縮短制造時間，它還可以成形常規方法無法實現的新穎零件和復雜結構，可能引起產品在設計和制造上的重大變革。

　　也正因為增材制造在產品設計和制造上的革命性潛質，使其能滿足未來飛機制造對于結構件的整體化輕量化要求。波音在軍民用的10個飛機平臺上應用了200多個增材制造的零件，還擁有一套為增材制造項目量身定做的技術成熟度等級（TRL）指南；洛馬P-175復合材料無人機的研制中，讓碳納米管和基體粉末在輸送過程中由激光燒結成形機體結構是最大亮點。

　　增材制造技術的誘惑力無疑是極大的，然而目前它在飛機制造中還存在著諸多的挑戰，在實體零件生產方面，其推廣速度一直緩慢。美國防務分析研究所（IDA）認為技術和制造成熟度不足、缺乏人才和商業化環境、標準和規章制度不健全是三個主要原因，他們認為短期內，增材制造技術的發展應該在過程改進、速度提升、質量控制和材料發掘這四個方向上進行努力，而政府和業界也應該重視這項技術的商業化。

　　在“減法”方面，圍繞未來國防領域采購數量最大的F-35的金屬加工，相關制造商也一直在開發先進技術滿足其精密、高效、低成本需求。例如，美國Creare公司開發了稱作間接冷卻系統（ICS）的低溫加工技術，使用一種惰性液態受壓流體實現刀具的非間接冷卻，對鈦合金（Ti-6Al-4V）的車削來講，將刀具壽命延長了160%。目前看來，盡管F-35中也將引入增材制造技術，但僅限于制造幾種非承力的小型管道和鉸鏈零件，而在無法證明其大批生產的經濟性、大型制造的可行性之前以及大承力下的可靠性，“減法”加工還將長期統治未來飛機制造的舞臺。

　　機器人總動員

　　“機器人總動員”已經不再是一部電影的名稱，而是未來飛機制造中的一個鮮活場面。機器人可以運用到飛機零件成形、加工、焊接、裝配和噴涂等各個領域，執行復合材料預形件編織、預浸料絲束鋪放、金屬粉末激光增材制造、無損檢測、零件切割、切削、表面精整、激光噴丸、攪拌摩擦焊、激光焊、鉆孔、鉚接、輔助定位、搬運、噴漆和涂層厚度測量等一系列的工作。尤其是在F-35、A400M、A350、C系列等先進飛機的裝配和噴涂上，機器人幾乎已經成為標配，成為了快速、高精度、低成本的代名詞。而在機器人金屬焊接和復合材料成形等領域，以波音、EADS為首的制造商以及以MAG、EI為首的設備供應商也在聯合開發適用的機器人系統，進一步擴大機器人在大型零件制造方面的應用范圍。

　　但同時應該看到，機器人在未來飛機制造中的普及還受制于4個有待解決的問題，即傳統觀念與傳統工藝的革新、系統設計與系統集成的復雜、工作空間與負載能力的限制、專用工裝與周邊設備的配套。相信在這些問題解決之后，我們將會迎來飛機制造的機器人時代。

　　好馬配好鞍

　　俗話說“好馬配好鞍”，一個精密零件的高效成形和裝配，既離不開優良的制造設備，也離不開優良的制造工裝（模具）。進入到復合材料時代，其獨特的熱膨脹和壓力變形特性使這一點顯得更加重要。今后復合材料飛機的競爭，將既取決于制造商的設計水平、制造工藝和生產能力的優劣，也取決于其選用的工裝技術的好壞。

　　在復合材料成形領域，針對熱壓罐固化和非熱壓罐（OOA）固化，國外發展了多種新工裝材料和技術。在金屬工裝方面，所作的工作是大幅減少殷鋼重量，開發新金屬材料，如在F-22前機身上試驗的殷鋼/復材混合工裝；在復合材料工裝方面，著眼于提升復合材料性能，引入納米增強技術，如用于A350機身壁板的各向同性HexTOOL材料工裝；在自加熱工裝方面，則關注減少加熱周期和能源消耗的自加熱技術，如用于RQ-7B機翼蒙皮的高效電加熱工裝。

　　在復合材料裝配領域，制造商采用先進的柔性工裝和夾具將成為縮短周期、降低成本的重要手段，空客公司在A350上就采用了兩種創新的柔性理念。一種是基于并行運動機械裝置（PKM）的柔性夾具，消除了只能有一個心軸/裝配工具的數量限制；另一種是經濟可承受的可重配置工裝（ART），由標準鋼組件包拼裝而成，依靠度量系統快速組裝，并且可調整和重新組合。

　　愛拼才會贏

　　飛機裝配既是體現一個企業乃至國家制造技術水平的環節，也是縮短飛機制造周期、降低飛機制造成本的關鍵過程，正所謂愛拼才會贏。未來飛機制造，如何裝配，是決定勝負的關鍵。波音、空客都在致力于建立空前的柔性裝配系統，這個系統中有6個主要的特征，即自動化鉆孔與鉚接、數字化測量與控制、模塊化裝夾與定位、無人化搬運與輸送、序列化裝配與集成、虛擬化仿真與現實。其中，前4個特征已經得到了充分地體現，而后2個特征也在不斷豐富其內涵和應用案例，向人們描繪著未來飛機裝配的發展方向。

　　空客為A350機身壁板設計了一條柔性脈沖移動裝配線（PML），可以允許最多7種壁板同時進行鉆孔操作，每種壁板按照任務量不同分配適當的鉆孔機器人，這種方法既節省空間又可以支持壁板的高效與透明化裝配。為了監控總裝線上的所有物體和人員，以安全地裝卸部件并精確地定位自動化裝配機床，波音參與開發了一套工廠三維激光掃描成像系統，并且在747-8總裝線進行了試驗性部署，該系統一旦收入使用，將可能顛覆目前的飛機裝配管理流程，顯著提升生產效率。

　　今天你成熟了嗎

　　對于飛機制造項目中的制造風險，過去沒有科學的、統一的衡量和管理方式，美國國防部在總結了大量經驗教訓之后，開發出了制造成熟度這一管理工具，試圖將制造風險的衡量和管理標準化，并取得了顯著的效果。制造成熟度著眼于制造系統實現項目最終目標的能力，在技術和工業基礎、制造管理、制造管理、設計、材料、過程能力和控制、設施、人員、成本和投資等維度對其進行衡量，統一了描述制造風險的語言。現在，如P-8A巡邏機、MQ-9無人機、KC-46加油機等美國國防部眾多采辦項目，都要設定制造成熟度里程碑，用以監控并降低制造風險。

　　未來飛機制造的競爭已經超越了工藝技術本身，實質上成為了技術成熟度和制造成熟度的競爭。工藝技術的創新和工業基礎的完善是前提，設計仿真能力、材料供應能力、過程控制能力、設備研制能力、人才技術能力都是核心競爭力，供應鏈管理、成本管理、質量管理、制造過程管理、設施管理、人員管理、計劃和進度管理則是必要的保障。這也要求我國航空工業轉變轉念，做好充分的準備，迎接未來飛機制造領域更加系統、更加復雜的競爭。（中國航空工業發展研究中心助理研究員：劉亞威）