国外航空工业数字化的发展及启示

朱长征/文

“二战”以后，随着计算机技术和信息技术的发展，数字化技术逐渐成熟并大范围进入工业领域。20世纪80 年代至今，国外先进航空制造企业，包括飞机公司、发动机公司和机载系统公司，如波音飞机公司、空中客车公司、苏霍伊公司、罗·罗公司、普惠公司等，为提高经济效益，同时获得相对技术优势，主动将数字化技术引入航空工业领域，催生了航空工业数字化。数字化技术进入航空工业领域以后，极大改变了航空工业以往的科研生产模式，表现出了一些显著性特点。

国外航空工业数字化的发展历程

第一阶段，以20 世纪90 年代的波音777 飞机研制为标志，通过数字化技术的大规模应用，使波音777飞机成为世界上第一型完全以计算机三维辅助技术完成设计的民用飞机，整个设计过程中都没有采用传统绘图纸的方式，而是事先“建造”一架虚拟的波音777，为此波音飞机公司总共动用了2200 台终端计算机。

第二阶段，以21 世纪初波音787 飞机和洛克希德.马丁F-35 战斗机的研制为标志，率先采用了基于模型的系统工程理念与方法流程，实现了基于模型的定义和工程，以及全数字量协调的制造与装配，并且打通了从设计制造、试验鉴定到训练保障的数字线索，建立了产品寿命周期管理体系。波音787 飞机通过全球协同网络环境实现了协同研制，支持全球72 个不同厂所的45000 名员工在40000 多台工作站上同时工作。洛克希德.马丁F-35 战斗机一开始就采用数字化设计，是全数字化设计的第一型军用飞机，在军用飞机设计史上具有里程碑意义。

第三阶段，以2018 年6 月美国国防部发布“数字工程战略”为标志，通过下一代空中主宰项目论证、低成本可消耗飞行器研制以及F-35 批产，航空装备采办实践正进一步向需求连续传递、模型贯穿始终、数据驱动决策的数字工程与智能制造转型，引领美军建立全面数字化的总体论证、需求工程、工程分析、设计确认、生产管理、维修规划、保障分析和预先维修流程，推动以模型和数据为核心范式的数字化转型。

在推动航空工业数字化发展过程中，还有一些知名企业也做出了自己的贡献。美国通用电气公司下属的GE航空集团不断向基于模型的数字化企业持续迈进，业务模式的变化包括建立知识驱动的产品研发模式，推广基于模型定义（MBD）技术的应用，建立可配置的数字样机等；三维数字化模型实现了设计、工艺、制造和服务全生命周期的贯穿应用。英国罗·罗公司积极推进面向全球化设计和全球化制造的设计制造一体化，全面采用系统工程思想及三维主模型技术，进行整机及系统层面的数字化设计，实现了“遄达”（Trent）系列发动机的自顶向下设计；同时，随着将物联网、云计算、大数据等新一代信息技术应用到制造现场，提升了生产质量和管理效率。俄罗斯雷宾斯克土星公司开展了物联网和数字孪生技术的应用，通过建立生产车间数字化双胞胎，监控计划指标（品种计划、运输能力、生产周期、费用）执行情况，模拟各种变化并计算其接近实际情况的效果。

可以看出，通过近30 年的发展，先进航空制造企业的数字化建设已经覆盖了需求论证、设计研制、生产制造、维修保障各个环节。

航空工业数字化的特点

一是在项目论证环节，可获取最优总体方案。在论证环节，将形成体系级的架构设计和仿真分析能力，建立“联合作战概念—体系能力—武器装备”的数字化统一论证手段，能够利用由作战、装备系统和技术高度集成的联合一体化能力体系架构，支撑对海量总体方案进行效能、风险和寿命周期成本的权衡分析，获取最优总体方案。

二是在研制阶段，可缩短研制周期，降低研发成本。在研制环节，将形成覆盖气动、结构、机械、电子、热推进、控制等多专业联合仿真分析能力，建立高逼真度系统级建模手段，以及集成的产品与工艺数字化开发流程，能够实现对复杂装备系统的准确表达、一致理解和数字化的验证与确认，支撑在研制早期就识别设计缺陷，在大幅减少物理试制和试验的同时，确保设计一次生成且正确无误，因此，相比原有非数字化研发模式，显著缩短了研制周期、降低了研发成本。在F-35 研制过程中，由于采用了数字化设计，使不同参研单位研制的零件配合很好，首架F-35 飞机的装配“几乎接近完美”。例如，洛·马公司研制的10.5 米宽的机翼与诺·格公司研制的中机身在一分钟内即装配成功，这种情况在使用数字化研制前是不可想象的。

三是在生产环节，可大幅提高生产质量和管理效益。在生产环节，将形成基于多物理量的复杂工艺建模仿真能力和基于生产数据的实时分析预测能力，建立全面数字化的生产流程和赛博物理生产系统基础条件，构建生产线的数字孪生模型，能够实现制造活动基于模型、数据驱动的优化、运行和控制，大幅提升质量水平和管理效益。例如，在F-35批产过程中，由于采用了数字化生产，做到了将F-35 的三种机型（A，B，C）放在同一条生产线上进行装配，同时节省了装配空间、提高了装配生产率。随着工艺的完善，F-35 的年产量不断提高。

四是在保障环节，可显著提高装备完好性。在保障环节，将形成融入制造、使用、维修数据的数字孪生模型构建能力，建立针对装备个体的维修规划手段和记录共享平台，构建针对装备个体的数字孪生模型，能够通过实时数据更新并持续进行在线、离线分析，实现基于预测性分析的装备寿命管理，显著提高装备完好性。比如，基于数字化技术，罗·罗公司实施了“智能发动机”（Intelligent Engine）项目，使罗·罗公司可以全天24小时不间断地监控分析遍布全球的由罗·罗公司生产的航空发动机的运行情况，一旦在飞行或中途停留过程中，航空发动机出现紧急技术问题，抑或需要置换零部件或模块，罗·罗公司可第一时间得知。

综上，国外航空工业采用数字化技术后，对原有科研生产模式带来的改变是颠覆性的。比如，由串行研制变更为并行研制。数字化后的航空工业，由于呈现出了上述特点，又推动了数字化技术的快速发展。

对我国航空工业等制造业发展的启示

第一，必须坚定不移地走数字化发展之路。实践已经证明了工业数字化的优势，我国只需奋力赶超就可以了。在此过程中，要努力实现工业数字化核心技术的自主可控；在推进高端制造业数字化的同时，也要同步推进中、低端制造业数字化改造升级，进一步巩固我国中、低端制造业在全球竞争中的优势。

第二，数字化技术不但适用于规模化工业大生产，而且也适用于“多变短小”（多品种、计划多变、交货周期短、产品批量小）的定制生产方式。

第三，坚持推进工业数字化技术全面应用的同时，要吸取国外的教训，坚决避免产业空心化。制造业是国家技术创新的源泉、经济增长的源动力，甚至与国家安全息息相关。需要警惕的是：制造业的衰落，总是从生产外包开始的，总是从低端产业外流开始的。工业数字化技术的发展和应用，使生产外包更加方便。生产外包在降低成本、分散风险的同时，带来的问题也很明显：交付延迟、技术外溢、利润外流。这三大问题处理不好，不可避免地导致产业空心化、产品质量不可控、自主创新能力下降。在这方面，欧洲空客公司和美国波音公司的做法值得我们借鉴。空客公司一直将核心的生产保留在欧盟内部，主制造商基本上都是四个创始国的核心企业。即使为了开拓中国市场，外包给我国的也仅仅是不那么重要的部分。比如，天津的A320 总装线，以及西安飞机制造公司负责的A320 翼盒。而波音公司的大规模生产外包，让波音公司的核心能力不断外流和下降。在波音727 项目中，外国供应商的工作量只占2%；到波音777 项目，这一数据升至30%；而到波音787 项目中，达到惊人的70%。正是由于波音公司没有解决好生产外包引起的质量不可控问题，导致了波音737MAX在2018年10月和2019年4月接连发生两起空难。因此，我国在推动制造业数字化转型升级中，一定要坚决避免出现产业空心化。