如今數字化研制新技術滲透到飛機研制的各個層次、環(huán)節(jié)和方面。但是,尚無完整的數字化裝配技術和管理規(guī)范體系及其應用模式可遵循,各公司在硬件設備上投入大量資金研制數字化鉆鉚裝備以及機體對接裝配中利用激光跟蹤儀等先進技術,在一定程度上忽略了對完整的數字化裝配體系的建立,且對數字化裝配協(xié)調的數據管理未予以足夠的重視。這是一個重大的決策性失誤。
波音和空客公司在研制新機中,無不在研制的最后階段(即飛機的總裝配和全機測試階段)出現嚴重影響飛機的研制質量和進度的帶“顛覆性”的重大問題。如本世紀研制的空客A380、A400M和波音787、747-8的研制進度無不推遲1~3年。
現代社會對大型民用運輸機的安全性、舒適性、經濟性和環(huán)保性等要求越來越高,導致大型民用運輸機產品越來越復雜。波音747有600萬個零部件,波音777有300萬個零部件,空客A380有400萬個零部件。A380的250萬個零部件由遍布全球30個國家的1500個公司生產(其中來自美國的供應商800個,日本的供應商21個)。且A380客機3個機身段在對接裝配連接時就需要10000個螺釘,A380的外部所用涂漆(底漆加外層漆)的重量為531kg。為此,負責A380計劃的主管查爾斯·錢皮恩(Charles Champion)說,A380的裝配過程堪稱一個耗費腦力、極其復雜的技術奇跡。這個過程涉及4個國家的工程中心以及無數難以想象的繁瑣復雜的后勤工作。怎樣把如此多的零部件用數字化方法準確無誤地裝配到一起,順利地把飛機送上藍天是一項技術難度大、工程艱巨、協(xié)作面廣、管理困難,并且需要投入巨額資金的綜合性課題。
空客公司研制的A380超大型客機于2005年4月首飛成功,比原計劃推遲近2年;歐洲大型軍用運輸機A400M于2009年12月在西班牙成功完成首飛 ,比原計劃推遲3年;空客公司已宣布目前正在研制中的A350客機將推遲3年投入航線服務;波音公司研制的大型客機787于2009年12月首飛成功,比原計劃推遲了2年半;在波音747-400基礎上改型設計的波音747-8F大型貨機于2010年2月首飛成功,比原計劃晚了1年多。這些大型飛機的研制都采用了先進的數字化技術,它們推遲研制進度的原因是多方面的,但公司尚未有完整的數字化裝配技術體系是其中的重要原因。
空客A380客機的一組電纜
空客公司在研制A380飛機的過程中有嚴格的進度計劃(從1999年確定A380飛機的構型開始到2006年交付使用的進度計劃)。由于空客公司本身是由多國公司組成的松散式聯邦集團,雖然數字化技術在各公司內的應用也很廣泛和深入,但是整個空客公司內的數字化工作缺乏統(tǒng)一的規(guī)劃、控制和管理,各國的分公司用著相同軟件的不同版本。如特別重要的設計軟件CATIA系統(tǒng),德國在A380部件的設計制造中使用的是CATIA的4版本;法國負責A380客機總裝的單位在設計制造中使用是CATIA的5版本。他們并沒有注意到4版本和5版本的CATIA系統(tǒng)之間有著很大的差異,因為5版本的CATIA是重新設計過的軟件,其系統(tǒng)內部的數據結構與原有的是不一樣的。另外,在A380客機研制過程中,由于當時條件的限制,也未構建單一產品數據源(SSPD),且A380的數字樣機也是后來逐步建立起來的。這樣,在協(xié)同設計、制造不同單位之間的數據傳輸和交換時造成了很大的麻煩,形成了A380產品數據不一致性的致命傷。遺憾的是這一看來簡單的問題,由于空客高層領導的疏忽,事先未意識到它存在的嚴重后果,直到在德國制造和裝配的A380前機身和后機身18段,運到法國與中機身和其他部件對接總裝時,才發(fā)現在德國安裝的機身段上的電纜與在法國裝配中的機身段的結構不協(xié)調、對接不上等一系列問題。問題的嚴重性是顯而易見的,技術人員在現場無法弄清,必須把德國制造的巨大機身段運回到原來工廠重新裝配。最后空客公司不得不把A380飛機的交貨時間推遲近兩年。這一重大失誤釀成空客50億歐元的損失。
正如國外評論說的那樣,基于PLM的數字化是波音的夢想、空客的噩夢(Boeing’s Dream, Airbus’Nightmare)。當然話說回來,研制如此超大型客機的難度和復雜性是前所未有的,公司在技術或管理上出現一些問題也是難免的??湛凸菊谘兄频腁350客機,為了避免在A380總裝配中出現的重大問題,為正在研制的A350客機的機身段做了實物樣機(physical mock up),這在技術上是一個倒退。
波音公司在總裝配787客機過程中的日子很不好過。在總裝配787時出現了預想不到的困難,先后5次宣布推遲787客機首飛和交付時間,耗時達2年半之久。為此波音公司的股票大幅縮水,公司收益降低一半。各相關航空公司紛紛要求經濟賠償,致使波音公司的處境極其困難。但是后來的全球經濟危機,航空公司又紛紛要求波音推遲交貨,才暫緩了這一矛盾。波音787客機因總裝配困難而推遲交付時間共有4個原因,除一個經濟原因外,其余全是技術和管理問題:
(1)長壽命螺栓供應不上及其裝配質量問題;
(2)前機身對接裝配中,兩機身段(分別為美國造41段與日本造43段)外形對接不協(xié)調;
(3)787全機靜力試驗中發(fā)現翼根處出現裂紋;
(4)2008年9月波音27000人相繼罷工。
波音787機體各段總裝配階段要使用的四種不同類型的螺栓情況,這些螺栓就是我們通常所說的長壽命螺栓,其在787總裝配時未能及時到位。更嚴重問題是,這些螺栓安裝在機身上后,螺栓和蒙皮間存在較大間隙,即螺栓與蒙皮未貼合。產生這個問題的原因是在機體的蒙皮上劃窩的深度和寬度不夠,裝配管理和裝配件數字化定義或裝配工藝不當。
下圖顯示出美國Spirit公司造的前機身(41段)與日本造的中機身段(43段)在對接裝配時,機身的前左側出現的機身外形嚴重不協(xié)調問題,前后兩段機身外形的階差達0.762cm。這與數據傳輸或部件的成形、裝配或變形有關,后來波音公司在機身內側加墊板臨時解決了這一問題。
美國造的前機身與日本造的中機身段對接處的嚴重問題
波音787客機的機翼與機身對接處出現裂紋是在2008年7月8日經全機靜力試驗時發(fā)現的。787飛機在作全機靜力試驗時,可以聽到“嘎嘎”作響的聲音,這是由于機翼左、右翼根處與中央翼盒連接的地方產生裂紋的原因,是機翼和中央翼盒的上部長桁與上蒙皮的內側有應力集中現象,促使復合材料的蒙皮層間產生剝離現象,導致翼根處的強度不夠。為此波音公司不得不進行十分昂貴和極其費時的修補工作,在翼根處加上U型加強件并用鈦合金螺栓連接件來連接,來解決這一問題。下圖具體指出了需加強的位置區(qū)域。這一問題產生與產品的結構設計和裝配件數字化定義不當有關。
對波音787的機身與機翼對接處進行修補
上述總裝配中出現的問題若不在首飛前及時解決,將會帶來不堪設想的嚴重后果。由此也可看出,飛機裝配是一個極其復雜而困難的工作。即使像波音公司那樣有著相應的數字化信息系統(tǒng)的支持,也難免出現上述嚴重的問題。
大型飛機的總裝配無論從管理還是從技術角度看都是一個極其復雜的難題,也是世界飛機制造業(yè)共同面臨的重大問題。為此,應從飛機制造的全局角度,從系統(tǒng)地研究波音和空客現有的先進裝配技術入手,清楚地掌握波音和空客在大型飛機裝配方面的經驗和教訓,總結出現代先進的飛機裝配技術體系及其數據的管理方法,提煉出適合我國的研制大型飛機裝配方面的技術。這不僅對我國的大型民機研制具有重要意義,對大型軍用運輸機、重型直升機以及其他軍機的研制具有同樣重要的作用。
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