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                西科斯基在為美陸軍“未來垂直起降飛行器”競爭中應用數字科技

                近年來,在母公司洛馬公司的影響和支持下,專注于直升機的西科斯基公司在其位于美國康涅狄格州的斯特拉特福德制造工廠投資了約10億美元,為該工廠配備了先進的數字技術,作為生產美陸軍下一代直升機計劃的一部分。該工廠如今坐擁超級計算機,3D打印實驗室和一系列仿真模擬器,允許工程師和飛行員試驗尚未建造的飛機。執行團隊稱其為“數字工廠”,并堅信這一概念將降低生產成本、簡化維護,以支撐西科斯基更好地參與到美國陸軍的未來垂直起降飛行器(FVL)競標中。

                美國洛馬公司/西科斯基公司圖片

                西科斯基公司在2015年11月被洛馬公司收購,目前正在進行大量投資,以確保除已有主要產品外的未來競爭力。

                一、打造數字生產力勢在必得

                隨著技術以閃電般的速度發展,武器設計的新方法也在發展,從飛機上的3D打印到可以在網絡空間進行試驗的真實系統的虛擬副本。5月18日,前美陸軍代理部長約翰·惠特利在一篇專欄文章中表示,美國防部必須采取更多措施來擁抱科技競賽,通過構建更靈活的流程來開展創新業務實踐,如數字轉型和采購能力即服務。同時,他提到了國防工業領域也正在為國防部帶來這種轉變,例如洛馬(西科斯基)正在使用數字設計來解決CH-53K的集成挑戰,并支撐開展FVL相關工作。

                在西科斯基公司康涅狄格州斯特拉特福德工廠生產的CH-53K運用了大量數字技術(美國洛馬公司/西科斯基公司圖片)

                目前美陸軍FVL專注于兩種平臺,西科斯基均已進入原型機競爭環節:一是替代已有40年歷史的UH-60“黑鷹”,即未來遠程突擊機(FLRAA),另一種是替代退役的貝爾OH-58“基奧瓦”偵察直升機,即未來攻擊偵察直升機(FARA)。西科斯基公司與波音公司合作,在FLRAA競標中推出了“挑釁”(Defiant) 飛機,西科斯基的斯特拉特福德工廠已經配備了人員準備開始生產第一架FLRAA,陸軍將于2022年9月宣布對FLRAA的選擇;其“掠襲者”X(Raider X)也已被選中進入未來攻擊偵察機(FARA)原型機制造階段,該項目的飛行試驗預計在2023年底進行。

                西科斯基-波音設想的 FLRAA“掠襲者”X 旋翼機機隊吊掛火炮前進(美國洛馬公司/西科斯基公司圖片)

                面向未來業務發展,西科斯基公司下定了數字轉型的決心。數十年來,UH-60“黑鷹”一直是西科斯基公司支柱業務,第5000架“黑鷹”將于2022年四季度下線。盡管該公司已經獲得了包括生產美海軍陸戰隊的CH-53K“種馬王”重型直升機,和美空軍的HH-60W戰斗救援直升機等幾個大合同,但西科斯基認為如果不能獲得FVL合同,意味著可能將要裁撤斯特拉特福德工廠的6500名員工。當然,西科斯基公司無意讓這種情況發生,其斯特拉特福德工廠已經開展了數字改造,“機器學習”、“數據輸入”和“虛擬現實”等詞匯正在被用于描述工廠中的制造活動。

                西科斯基的FARA競爭原型“掠襲者”X于2022年3月在佛羅里達州西棕櫚灘的西科斯基發展飛行中心展出(美國洛馬公司/西科斯基公司圖片)

                二、工廠中的得力“魔法機器”

                1、大型高精度復合機床

                西科斯基工廠中用于生產飛機零部件的銑床與20世紀生產線上的車床和銑床相差甚遠,封閉的機器中有的有單層建筑大小。這些銑床是由世界各地的公司專門為西科斯基制造的,單臺銑床就能自動將原材料成型、車削和鉆削制成飛機零件,而過去這一過程需要用到多臺機床和人工操作。

                整個數字工廠概念的目標是降低勞動力成本,提高精度,縮短生產時間。過去需要數天時間在幾臺機床上完成的工作,現在只需10~15分鐘就可以由一臺復合機床完成且誤差更小。類似變速箱這樣的部件,包含了幾十個不同大小的孔和表面,其誤差容錯度不到百萬分之七英寸(約合0.18微米)。加工單元每次加工操作之后都會進行非接觸式檢查以生成工件的三維模型。檢查會生成“熱圖”,以驗證金屬去除過程的準確性。

                現代加工車間網站圖片

                紅色和橙色陰影表示存在公差帶之外的余量,可能是由于刀具偏斜、夾緊力或殘余應力。如有必要,研究和糾正這些差異的根本原因可避免零件直接進入下一階段,直到工件與工程模型匹配。同時,可以更新數字工藝流程以反映真實世界的表現,在未來的仿真模擬中量化和解釋工具偏轉。

                加工零件的三維模型都匯集在Vericut仿真軟件中,以創建程序員用來優化流程的虛擬加工場景。最終,仿真模擬結果體現在虛擬模型中,這些虛擬模型定義了零件在不同加工階段的外觀。確定要實現的幾何形狀的加工過程不同于典型的粗加工、半精加工、精加工。例如,第一階段的粗加工仍然旨在最大限度地去除材料,但工件必須與控制三維模型精確匹配。何時何地在該模型上留下額外的余量取決于設計的哪些部分仍在開發中,在加工開始時必須“保護”。這種策略可以在設計完成前幾周而就配置所有必要的制造基礎設施,包括NC程序、切削刀具和夾具。同時,程序員可以著手優化下一階段的加工。與過去的類似項目相比,第一階段加工后的齒輪箱的三維模型有助于改進和驗證第二階段加工的準確性,所需時間減少了約48%。例如,某主變速箱第一件零件的加工于2020年7月開始,大約在該零件的設計工作完成前10周。

                現代加工車間網站圖片

                兩款VTC 2500立式車床都配備有2500毫米的工作臺,最大旋轉擺動量為1560毫米,垂直z軸行程1750毫米,以及用于提高剛度和 X 軸的靜液壓柱塞從中心左右移動,可以從任意一側切削。

                2、高質量3D打印機

                精度是西科斯基節約成本戰略的重要支柱。斯特拉特福德工廠擁有自己的650平方米的3D打印實驗室,共有18臺打印機在現場生產各種熱塑性部件,包括作業工具和航空零部件。西科斯基公司希望在年底前交付兩臺能夠生產金屬部件的新型打印機。

                3D打印技術也被稱為增材制造,與傳統的減材工藝相比可以更快、更便宜地生產零部件,并減少材料浪費。西科斯基公司制造工程總監鮑勃?珀查德表示,他們的3D打印部件現在已經100%可靠地通過了質量控制。過去使用傳統方法制造一個部件需要4.5kg的原材料,現在只需要1.3kg。重要的是,過去需要四五個子部件組裝的部件現在可以完整打印成一個一體化的部件。同時,這項技術的成熟度已可用于生產金屬結構部件。

                3、增強現實與智能工具輔助傳統手工

                在工人仍在從事擰緊鉚釘等傳統制造工作的地方,西科斯基在技術上投入了大量資金,以使生產過程更快、更容易、更可靠。

                在西科斯基的生產線上,屏幕和平板電腦上的原理圖取代了傳統的紙張設計(美國洛馬公司/西科斯基公司圖片)

                在CH-53K生產線上,沒有紙質的原理圖,手工工具都是數字化集成的,工人們都有增強現實眼鏡輔助。西科斯基的內部IT部門利用現成的扭矩扳手并將其與Wi-Fi連接。在產線上,增強現實眼鏡會提示工人哪些鉚釘需要擰緊,擰緊的順序是什么。當放置在適當的位置時,聯網的扳手可以自動按照正確的規格擰緊鉚釘并記錄工作,以便進行質量控制。

                內部開發的智能扭矩扳手配備了增強現實眼鏡和Wi-Fi,以幫助提高準確性(美國洛馬公司/西科斯基公司圖片)

                而在過去,工廠制造的每一架傳統直升機,都會有員工閱讀作業指導書,使用扳手完成工作說明,然后把扭矩值寫回作業指導書。如今,這一過程已經大大簡化。西科斯基公司制造工程總監表示,新流程非常簡單,員工第一天上班就可以輕松掌握。

                三、用高性能計算打破“飛-修-飛”循環

                高科技制造可以在制造飛機的所謂“后端”節約成本,但西科斯基還在改進設計過程上進行了大量投資,也就是所謂的“前端”改造。呈現形式則是一臺價值1000萬美元的現場超級計算機和一組模擬器,讓工程師和飛行員無需制造昂貴的原型機就能對飛機設計進行虛擬試驗。

                這臺超級計算機由兩萬五千多個核心處理器組成,為飛行模擬器和飛機數字模型提供動力,允許設計師探索擬定的設計在不同的大氣和飛行條件下的表現。

                其中,計算機可以仿真模擬復雜的變量,比如旋翼周圍的流體動力學和機體的物理應力等;飛行模擬器可以結合實時響應飛行員動作的飛機機械系統的工作模型,使得工程師無需建造整架飛機,就能了解設計在物理世界中的實際表現。這種“虛擬飛行”不僅大大降低了試飛員的風險,還大大降低了修正設計問題的成本,即“飛-修-飛”循環。

                傳統上,當發現一個設計問題時,工程師和試飛員會開發出潛在的解決方案,并在原型上實現這些改變,但無法保證會解決問題且不會產生新的問題,這種“飛-修-飛”的循環會很快導致成本超支和進度延期。例如在CH-53K的早期設計中,在試驗時識別出發動機尾氣再吸入的問題,西科斯基使用超算模擬設計變更而非修改物理原型,并確定解決方案。與“飛-修-飛”的方法相比,使用虛擬的重新設計節省了兩年時間和數百萬美元。

                未來,西科斯基公司希望其計算機模型可以強大到足以納入更微妙的變量的影響,例如在沙質環境中操作的影響。

                四、贏在數字空間

                “掠襲者”X共軸反轉旋翼槳轂及內部傳動數字設計動圖(美國洛馬公司/西科斯基公司圖片)

                雖然基于數字手段的設計和制造可以降低成本,縮短建造時間,但西科斯基為FVL合同押注的是其高管所謂的“數字血統”概念。也就是,每架從西科斯基公司生產線上下線的飛機都將有一個與其尾號相關聯的數字孿生模型。直升機上發生的任何事情都將在這架飛機的專屬數字孿生中重現。這一過程從工廠開始,并在飛機達到可運行狀態后繼續進行。

                飛行過程中的所有操作都由機載傳感器記錄和記載,相關維護工作也有日志記錄。理想情況下,這能讓機械師對機體內各個部件所承受的應力有更高顆粒度的了解。此外,來自機載傳感器的數據輸入數字孿生模型,也有助于開發算法,以預測飛機特定級別的機械問題。這條貫穿直升機整個壽命周期的虛擬鏈條就是西科斯基公司所稱的從概念設計到實際運行的“完整連續的數字線索”。不過,該概念已先行在美國海軍陸戰隊的CH-53K上推出;正在開發 Raider X的數字化制造環境的核心則是達索的3DX 設計和制造軟件,為虛擬 Raider X 設計的每個零部件的3D模型建立了存儲庫,稱為整個項目團隊的“權威真相源”,并通過相關輸入不斷刷新和完善。

                總的來說,在美國防部和陸軍的牽引和要求下,在洛馬的引領和指導下,西科斯基以過往經驗為基礎,致力于推進數字研制來降低風險、成本并提高未來垂直起降系統的效率,通過在設計、研制、生產和維護過程中拉動數字線索,使實現高成本效益的持續保障過程成為可能。此外,文化也是轉型的關鍵一環。西科斯基開發了許多專有的創新手段,強化了其智能工廠框架對車間機器性能的改善。但其制造專家強調,在西科斯基,數字制造被視為一項涉及每個人的團隊努力事項,從設計和制造工程師到操作人員和設施經理。成功的最重要因素并不是任何“秘方”,而是每個人都采納并接受了一種數字方法,使他們能夠更有效地協作,進而使“實物未動,虛擬先行,虛實結合,精準高效”成為現實。

                關鍵詞: 垂直起降

                來源:空天防務觀察
                編輯:GY653

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