复合材料和电子双胞胎正在改变飞机制造

A350 是一款双引擎客机,是空客产品系列中的佼佼者,在该公司位于法国图卢兹的工厂里以每月十架的速度生产。每架成品飞机位于遍布全球的供应链系统的顶端,将 350 万个组件整合到一件产品中。A350 的机体由七个部分组成。其中三个部分组装成机身:两个在法国另一个地点生产,另一个在德国制造。两翼在英国打造,然后运到德国做最后加工。垂直尾翼和水平尾翼组件在西班牙制造。

所有这些部件都是装在特殊的运输机上飞往图卢兹。这种运输机叫「Beluga」,因为它们的外形像一条「大白鲸」(而不是这个词的另一个意思「鲟鱼」)。它们主要由碳纤维增强塑料 (CFRP) 制成。这种复合材料不能以铆接金属的方式拼接,因为这会对纤维造成损坏。因此,不同的部分重叠在一起的凸缘上打了一万个特殊钻孔,再插入锁定螺栓把它们固定在一起。

将各部分连接起来的步骤包括:将它们拼在一起,钻孔 (这道工序造成的破坏比铆接小),再拆开,清洁钻孔和周围区域的碎屑,在凸缘上涂上密封剂,再次将部件拼在一起,插入锁定螺栓。这时,再把已预先安装到机体各部分中、用来让现代飞机保持飞行的无数根电缆连接起来。

然而,在最终拼合之前,机身部分要安装所谓的「建造物」。它们是一部分设备——厨房、机组休息仓等——因体积太大而无法在后期通过舱门入内。之后会完成其余的装修工作,飞机会涂上客户的专用色彩和图案标志,再完成关键的「最后一笔」——装上一对发动机,每个机翼下面一个。整个过程大约需要一个月。

空客及其美国同行波音主宰了民用航空业几十年。空客重组于 2000 年,不过它直到 2014 年才有了现在这个集团名字,之前被称为欧洲航空国防航天公司 (EADS)。1997 年,波音接管了民航业务的最后一位美国竞争对手——麦克唐纳-道格拉斯公司 (McDonnell Douglas)。

空中客车最近吸收了加拿大庞巴迪公司的部分业务,波音则收购了巴西航空工业公司 (Embraer) 的一大部分,使市场变得愈发集中。这两家公司是西方最后的 (哪怕只是名义上) 独立客机制造商。来自中国的竞争对手中国商飞 (COMAC) 可能最终会加入进来。而在昔日苏联的残余中,由若干苏联时代的公司合并而成的联合航空制造公司 (UAC) 苟延残喘。但是,不管从什么意义上来说,客机制造业目前属于双寡头垄断。

秘密手段

空客的供应链遍布西欧大部分地区,这种怪异的安排可能是缘于该公司的前身是多国企业,并且关闭外围工厂在政治上十分难堪,公司不想因此激怒他人。但波音也好不到哪里去。对于 A350 的竞争对手 787「梦想客机」来说,由于这款飞机在其发展的早期阶段就决定将机体部件的制造外包给其他公司,它的供应链比 A350 的还要错综复杂。然而,尽管「任性」到这种程度,两家公司之间的竞争非常激烈。双方所在的司法管辖区都会敏锐地发现另一方的监管机构企图支持自家公司的任何诡计,并不惜在世贸组织中对这些安排提出质疑。这一切有助于推动技术进步。

就机体而言,最大的技术转变是无形的,从金属合金转向复合材料——主要是 CFRP。A350 的机体有 53% 是复合材料。空客声称这款飞机因此变得更轻,从而使得它在燃油消耗方面的效率比前代飞机高出 25%。这对全球航空公司来说节约了一大笔钱。据行业组织国际航空运输协会 (IATA) 称,燃料占航空公司运营支出的近四分之一,2018 年时达 1800 亿美元。

波音自然不甘落后。梦想客机的机体有 50% 为复合材料——与前代产品相比效率也提高了约 20%。复合材料带来的优势还不止是轻。它们不像金属会生锈,也不会因金属疲劳而断裂,因此需要的维护较少。不过它们也带来了问题。一则是损坏处不如金属那么明显,因为它们不会弯曲或凹陷。这就是空客在 A350 上安装包括电压表和应变计在内的数百种传感器的原因之一。这些仪表可以就肉眼看不到的问题发出警报。复合材料的另一个缺点是不像金属那样具有延展性,但这一点正逐步解决。

由复合材料制成的部件用所谓的「铺层」工艺建造。它将碳纤维织物的条带或小薄片与树脂一起压到成型模具上,当整个部件在热压罐中烘烤时,树脂会硬化。铺层工作最初是手工完成的,后来出现的自动铺带机速度更快、更可靠。如今又有了进一步改善。巨型织机将碳纤维带编织成庞大的片材。这些织机可以改变经纱和纬纱的张力,替代了成型模具的工作,让片材从一开始就反映出其构成部件的形状。这让铺层大大简化,从而进一步加快了生产速度。

现在登机

在民用航空中,加速生产将变得至关重要。根据空客在 2017 年公布的预测,未来 20 年内,航空交通量将以每年 4.4% 的速度增长,将需要约 36,600 架新客机和 830 架货机,总价值达 5.8 万亿美元 (见图表)。波音的预测还要乐观:交通量年增长率为 4.7%,新飞机超过 41,000 架,总价值 6.1 万亿美元。

要满足这种需求,两家公司都需要更上一层楼,而它们确实在这样做。奥纬咨询公司去年在一份报告中表示,预计空客 A320 和波音 737 飞机的产量将从 2015 年的每月 40 架左右增加到今年的每月 60 架。在最近的 737 事故发生后,这些数字可能需要稍作调整,但趋势确定无疑。

像使用织机来改进零部件制造这样的技术有助于增长。但更宏伟的计划已经启动。空客的首席技术官格拉齐亚·维塔迪尼 (Grazia Vittadini) 说,未来的关键是网络连接。

如果不是每架 A350 上都有那么多传感器的话,你可能觉得这无非是营销部门想出来的一个时髦说法罢了。它们每天要传输 30 吉字节 (Gigabyte) 的数据,其他空客机型传输的数据量也差不多 (也可能略少一些)。这些数据是一个叫做 Skywise 的系统的基础,该系统让空客及其客户得以跟踪整个机队的状况。

最终,这将导致每架飞机都有一个地面上的电子双胞胎。喷气发动机已经建立了这样的系统。制造商为其生产的每台发动机都创建了一个计算机模型,在每次飞行期间或之后用采自真实发动机的传感器数据来更新它。这样,电子模拟机就可以密切跟踪对应的实体发动机,标记潜在问题,并比人为规定的维护计划更好地预测何时需要更换零部件。适用于发动机的做法可以很容易地扩展到整架飞机——甚至可以在飞机诞生之前的某个时间就开始在组装中跟踪部件。这样,组装过程可以被监控、集成和加速。

在更长远的未来,新一代飞机的计划已经开始酝酿。例如,有人在谈论对 CFRP 做重大改造。目前用于将纤维片材和条带粘合在一起的树脂是所谓的「热固性」塑料。一旦烘烤,它们的形状就将永远保持。然而,外行人在听到「塑料」这个词时会想到的大部分材料都不是这样——它们是「热塑性」塑料,可以通过加热软化,然后无限次地重塑。换句话说,它们就像金属一样。而且,它们和金属一样可以铆接——比使用锁定螺栓来组装更容易。它们还能回收利用,从而节省资金,并让公司的绿色形象更加闪亮。

天然织物

看得再久远一些,空客正在试验用蜘蛛丝制造飞机部件。这种蜘蛛丝是由转基因微生物以工业规模生产的。这种丝比几乎任何人造材料都更牢固、坚韧和轻盈。此项工作仍处于试验阶段。但空客正在与德国生物技术公司 AMSilk 合作开发丝增强聚合物,有朝一日可能成为 CFRP 的替代品。

至于机体本身的设计,普遍的做法是谨慎的改进而非激进的变革。没有人忘记「音速巡航机」(Sonic Cruiser) 的教训。虽然这架并未建成的飞机的设计保留了圆柱形机身供乘客乘坐,但它的后部有三角翼,前部有一对鸭翼以保持稳定。顾名思义,它会以 0.98 马赫的速度巡航,只比音速略低。

结果它一败涂地。没人要它,主要是因为油耗太高了 (比起快速到达,大多数乘客似乎还是宁可机票便宜)。其别扭的形状也是个问题,因为这使其难以接入全球机场现有的基础设施。

这并不意味着机体特别是机翼的设计无法改进。例如,今年1月,波音宣布它正在制定一项提案,一旦实施将会大大改变飞机的外观。该公司称其为「跨音速桁架支撑机翼」。它将在机身上方固定一对机翼,每个均由固定在机身下方的支架支撑。这种设计让主翼既薄 (减轻整体重量) 又长 (减少阻力)。其结果是更好的燃油经济性这一永恒的追求。

与此同时,空客正在研究「刀锋」(BLADE,全称「欧洲突破性层流飞机验证机」)。这是一个实验性的机翼设计,今年正在试飞。「刀锋」试图打造一种没有不规则性的机翼,不会扰乱表面流畅的气流。这也是为了减少阻力。「刀锋」机翼没有接头,因此没有铆钉或紧固件,拥有顺滑而有光泽的表面。它们也可能配有在起飞和着陆过程中驱散昆虫的襟翼。

不过,三角翼的梦想不大会完全消散。理论上,为固定翼飞机提供升力的最佳形状是三角形,机翼和机身融合在一起,让整个结构都能提供升力。此类机型设计不时出现,并可能打造出高效的货机。然而,乘客会不会喜欢它还不好说。大多数座位都离窗户很远,在紧急情况下可能很难撤离。