新形勢下航空製造發展探討

　　—— 訪航空科技專家張聚恩研究員

　　作者簡介

　　張聚恩，1969 年畢業於北航，先後參加多型空空導彈研製，參與組織領導某國家重點工程。從1992 年10 月始，轉入系統工程研究和科技管理工作，曾任原中國航空系統工程研究所（現發展研究中心）總師、中國一航科技部部長、中國航空研究院常務副院長等。參與領導和組織了多輪航空科技發展戰略研究與規劃制定及多項科技發展專項的實施。現任航空工業科技委顧問，中國航空學會常務理事、科技獎勵工作委員會副主任，《航空知識》、《航空模型》雜誌編委會副主任。

　　航空製造網：我們知道，您擔任過多年的中國航空工業集團有限公司科技部部長。在您心中，是如何看待制造和航空製造的？

　　張聚恩：我是非常看重製造技術的，對製造技術有很深的情結。這源於兩點：第一，航空工業本質上是裝備製造業，我們一切工作的目標都是爲了造出好用的、物化的航空產品，造福社會，加強國防；作爲一個航空人，當然要本能地關注製造。第二，我曾經長時間在基層工作，從工廠到研究所，在一線從事製造技術實踐，當過工人、技術員、設計員、車間主任、涉外工程辦公室主任、生產部長、總工程師等，懂得一件現代化的複雜航空產品是如何造出來的，深知這個過程是何等的艱辛。

　　如果從理性上探究，製造幾乎可以看作技術的代名詞。技術一詞來自希臘語，原本指技能，指手的技巧；技術也被稱爲“工藝科學”。狹義的技術，就是指人類勞動工具的延伸與擴展。廣義的技術，是指人類爲實現社會需要，或生產產品，或提供服務，或完成特定的目標，而創造和發展出來的手段、方法和技能的集合。在某種意義上，人類全部生產活動，就是將資源轉化爲工具，再利用工具去加工資源。這不就是“製造”嗎？因此，製造與技術具有最本源、最天然、最密切的聯繫，製造在技術的領域裏佔有至高的地位。

　　在人類迄今創造和開展的所有大規模生產活動中，航空製造具有最高端的全部屬性。它既不同於純流水線的化工、汽車等產品，又不同於單件或科研型的航天器製造；航空製造要在滿足用戶需求的前提下，以成熟的工藝性和極高的一致性，完成一定批量的規模化生產。其技術門類覆蓋全面，產品零組件數量巨大，常爲百萬量級，結構重量與結構效率的約束極高，對現代製造和極端製造的需求極強烈。

　　航空製造所涉及的技術門類覆蓋全面，涉及數字化設計與製造、飛機裝配、機械加工、複合材料構件製造、功能結構件製造、非金屬材料成形、特種加工、電氣互連組裝、表面工程、檢測技術、超精密加工、樣機制造、熱加工及精密成形、連接、工藝裝備等，而新的技術門類還在不斷問世。對全社會各領域產生廣泛影響的大部分創新模式源於航空製造的需要；而相當數量的新制造使能技術也是在航空領域發端、率先應用和逐步成熟的。

　　航空製造網：在航空工業發展的歷程中，材料與製造起了什麼樣的作用？它們又是怎樣互動而發展的？

　　張聚恩：當我們回首現代航空的百年發展進程時，可以清楚地看到“一代材料、一代飛機”的規律。這句話被航空界廣泛認同。但同時，也顯示着“一代材料、一代製造”的特點。早期，飛機用料爲木材、亞麻時，是作坊式製作；由於金屬的使用，興起機械加工；逐步發展成爲工廠化的高效綜合作業，進而開啓規模化、數字化以及伴生的新組織樣式融合發展的現代格局。所以，全面的說法應該是：一代材料、一代製造、一代飛機。

　　現在，飛機的用料是混合式的，以結構用料爲例，有金屬、高性能金屬，還有正在越來越廣泛應用的各種複合材料。製造技術也是混合式的，金屬加工仍有發展的巨大空間，高效高精度的加工手段還在進步，新的革命性技術，譬如增材製造已經出現。而更深刻的變化在於，新材料技術越來越與製造技術不可分割，以發動機熱部件和大型承力整體結構件爲代表，以高性能複合材料和超材料技術的出現爲信號，材料製造一體化的時代真正到來了。

　　航空製造網：您認爲當前航空製造技術領域最值得關注，也是未來有可能產生重大影響的技術有哪些？

　　張聚恩：首先，我想談一點宏觀認識，由於航空製造的特殊性，我們必須關注使能技術與生產模式的結合，關心若干技術聚合而產生的集羣效應。在這個意義上，應從現代製造和極端製造的視角來看待航空製造。現代製造的四大要素是：

　　1 兩化（工業化與信息化）深度融合；

　　2 面向製造的設計；

　　3 基於模型的系統工程；

　　4 先進使能技術與基礎技術構築的支撐環境。

　　在航空工業實施最早、效果也最好的CIMS工程，就有兩個含義，一是計算機集成製造系統（Computer IntegratedManufacturing System），二是現代集成製造系統（Contemporary IntegratedManufacturing Systems）。一字之差，涵義有很大擴展。隨着工程的深入，我們越來越多地使用後面的定義，反映了對於“現代製造”的認知。而極端製造是指製造極大或極小，以及極高性能、極高精度的器件、分系統以及整機產品，小到大容量集成電路和基於納米技術的微機電，大到對安全性、可靠性有至高要求的航空產品，尤以航空發動機爲最。今後，航空製造仍將對現代製造和極端製造技術保有旺盛需求，同時，航空工業也是這兩類製造技術培育更豐碩果實的土壤。

　　說到具體的關鍵製造技術，當然有很多，每一項都不能偏廢和忽視，應使它們得以協調、配套的發展。相對而言，我認爲，對復材製造、增材製造和智能製造這3 項技術應給以更高的關注。它們帶來的影響可能更全面、更深刻。

　　以碳纖維爲增強材料的複合材料正是在20 世紀50 年代順應航空航天之急需而出現的，現已成爲結構用料的主體，在現代軍、民機結構中的用量比例已分別高達30% 和50%以上。當前，復材製造的許多基礎性問題，如面向復材製造的設計、自主保障、低成本復材、非熱壓罐成形等，尚未解決，而複合材料用於熱結構（特別是金屬基/ 陶瓷基複合材料）和智能/ 自適應結構等特殊結構樣式時，還有一些新的挑戰。這些問題都要在成本約束和滿足高加工效率的要求下來解決和應對，這就更增添了困難。

　　蓬勃發展的增材製造，正在顛覆傳統的減材製造，將帶來更高的質量與效率，並挑戰和推動傳統設計的變革，如整體性、極簡化等。智能製造則不僅是以人工智能技術爲基礎的一系列新技術的集成應用，還將帶來航空製造組織與流程的再造。

　　航空製造網：能否介紹一下增材製造技術的前景？關於如何加快這項技術的應用和發展，您有什麼具體建議？

　　張聚恩：我們必須對增材製造的技術前景有足夠的認識，因爲它的顛覆性作用已經初顯，還有巨大的發展潛能有待釋放。我曾走進北航王華明院士的實驗室，較深入地瞭解他取得重大成就的金屬激光成形增材製造的情況。王華明團隊研發的成套技術，很好地解決了難熔、難加工、高性能、非平衡新材料製備與結構製造一體化難題，一舉擺脫了傳統冶金對材料製備與構件性能的原理性制約，在激光成形的同時，實現了冶金技術的變革；而且，隨着技術突破和裝備改進，生產效率也已提高到可基本適應規模化工業生產的水平。我爲他和他帶領的團隊所取得的世界領先的成果喝彩，同時又深感產業化的急切需求。

　　我梳理了一下，有6件大事要做：

　　1、在增材製造的寬廣領域（非金屬、金屬、生物等），就技術體系和航空領域的廣泛應用，進行規劃與戰略佈局；

　　2、以軍民融合爲契機，找到產學研聯合的適當形式，以加快產業化進程；

　　3、探究機理，優化工藝，改進設計，擴大飛機大型金屬結構件的增材製造應用；

　　4、重視航空發動機領域增材製造技術應用，研究現行技術體系下應用該技術的可能性，研究與結構整體化的互動關係；

　　5、預判該技術的未來發展，探討該技術對傳統設計的反作用，促進設計、工藝理念與方法變革，尋找跨越和超越的路徑；

　　6、研製系列化增材製造裝備，推動與保障增材製造技術發展和應用的迅速擴展。

　　航空製造網：在航空製造技術講座中，您特別提到了“產能”問題，請問提出這個問題的初衷是什麼？

　　張聚恩：對於航空而言，不管是軍機，還是民機，除了能生產出來這樣一個“門檻”式的要求外，還有一個必須引起高度重視的產能問題。當F-35 的預期產量達到3700 架（美國國內佔2/3）、美國洛馬公司將在兩年內使其年交付量達到360 架時，當2017 年波音、空客當年交付的客機數雙雙突破700 架、各自又手握萬億美元儲備訂單時，對比我們的現狀，應該生出空前的壓力和緊迫感。當前，我國的軍、民機研發形勢都很好，但產能明顯不足，不能適應需求。製造技術本身雖不能解決產能提升的全部問題，但先進製造技術能產生支撐和保障作用，爲產能提升做出重要貢獻。這就是我提出這個問題的初衷。

　　航空製造網：你還提出了一個“大製造”的概念，大家對此都很感興趣，可否對“大製造”概念做更多一點的解讀？

　　張聚恩：我的這個想法是受中國飛機強度研究所王彬文所長的啓發，我在聆聽他的一場學術報告時，深爲他所提出的“大強度”概念所折服。“隨着航空技術的發展，飛機強度的研究對象已經從過去較爲單一的結構，演進爲涵蓋材料、結構、設備、系統、全狀態飛機的大範疇，我們稱之爲大強度，”他說，“現代強度內涵中的外力應該是一個廣義的外力，抵抗破壞更應該是一種廣義的破壞，因此強度的廣義內涵應該這樣闡述：研究對象在設計狀態下保持其目標品質的能力。”

　　按照這一哲思，爲了更好地認識和規劃航空製造技術的發展，是否也可以探討和提出一個“大製造”的概念？即製造不應只被認爲是使能技術，而應被看作是“爲滿足用戶需求，實現設計預期，確保全壽命期目標品質實現的一種綜合能力”。

　　“大製造”概念的主體是“三個綜合”，一是生產組織、流程與使能技術的綜合；二是材料製造技術的綜合（或稱材料製造一體化）；三是設計製造的綜合（或稱設計與製造技術的集成與優化）。在第三個綜合裏，工藝設計本就是設計的一部分，但這裏提出的綜合，更加強調設計對新制造技術的牽引，和新制造技術對設計的反作用，它們之間需要迭代和雙向互動。

　　來源：《航空製造技術》雜誌 記者：李丹