大型飞机总装配中的若干问题

newmaker    来源：航空制造技术

欢迎访问e展厅 展厅 8 航空与航天设备展厅 直升机, 无人机, 航空发动机, 航空材料, 飞机座椅, ... 飞机装配是整个飞机制造的龙头，牵动着飞机研制各个方面的工作。传统的飞机装配过程和方法，百年来已形成完整的技术和管理体系。产品数据以实物的模拟量形式传递，环环相扣，看得见摸得着，从企业上层领导到生产一线的技术人员都熟知和掌握这一技术。虽然传统技术使产品数据在传递过程中产生精度不高、误差大的问题，但它适应当时飞机新产品的研制要求，且研制过程不易出现“颠覆性”问题。上世纪的波音707、737、747以及半数字化技术研制的波音777都如期上天。 如今数字化研制新技术渗透到飞机研制的各个层次、环节和方面。但是，从企业管理层到技术人员对这一新技术的理论和应用缺乏深入的理解，尚无完整的数字化装配技术和管理规范体系及其应用模式可遵循，我国企业也无完整的数字化信息支撑系统。另外，各公司在硬件设备上投入大量资金研制数字化钻铆装备以及机体对接装配中利用激光跟踪仪等先进技术，在一定程度上忽略了对完整的数字化装配体系的建立，且对数字化装配协调的数据管理未予以足够的重视。这是一个重大的决策性失误。再加上数字化技术和大型飞机本身的复杂性，无论是发达国家的波音和空客公司在研制新机中，还是我国的新机（不包括仿制和改型）研制中，无不在研制的最后阶段（即飞机的总装配和全机测试阶段）出现严重影响飞机的研制质量和进度的带“颠覆性”的重大问题。如本世纪研制的空客A380、A400M和波音787、747-8的研制进度无不推迟1~3年。 波音和空客大型飞机总装配的技术现状 现代社会对大型民用运输机的安全性、舒适性、经济性和环保性等要求越来越高，导致大型民用运输机产品越来越复杂。波音747有600万个零部件，波音777有300万个零部件，空客A380有400万个零部件。A380的250万个零部件由遍布全球30个国家的1500个公司生产（其中来自美国的供应商800个，日本的供应商21个）。且A380客机3个机身段在对接装配连接时就需要10000个螺钉，A380的外部所用涂漆（底漆加外层漆）的重量为531kg。为此，负责A380计划的主管查尔斯·钱皮恩（Charles Champion）说，A380的装配过程堪称一个耗费脑力、极其复杂的技术奇迹。这个过程涉及4个国家的工程中心以及无数难以想象的繁琐复杂的后勤工作。怎样把如此多的零部件用数字化方法准确无误地装配到一起，顺利地把飞机送上蓝天是一项技术难度大、工程艰巨、协作面广、管理困难，并且需要投入巨额资金的综合性课题。 空客公司研制的A380超大型客机于2005年4月首飞成功，比原计划推迟近2年；欧洲大型军用运输机A400M于2009年12月在西班牙成功完成首飞 ，比原计划推迟3年；空客公司已宣布目前正在研制中的A350客机将推迟3年投入航线服务；波音公司研制的大型客机787于2009年12月首飞成功，比原计划推迟了2年半；在波音747-400基础上改型设计的波音747-8F大型货机于2010年2月首飞成功，比原计划晚了1年多。这些大型飞机的研制都采用了先进的数字化技术，它们推迟研制进度的原因是多方面的，但公司尚未有完整的数字化装配技术体系是其中的重要原因。 A380客机总装配阶段中的惨重教训 空客公司在研制A380飞机的过程中有严格的进度计划（从1999年确定A380飞机的构型开始到2006年交付使用的进度计划）。由于空客公司本身是由多国公司组成的松散式联邦集团，虽然数字化技术在各公司内的应用也很广泛和深入，但是整个空客公司内的数字化工作缺乏统一的规划、控制和管理，各国的分公司用着相同软件的不同版本。如特别重要的设计软件CATIA系统，德国在A380部件的设计制造中使用的是CATIA的4版本；法国负责A380客机总装的单位在设计制造中使用是CATIA的5版本。他们并没有注意到4版本和5版本的CATIA系统之间有着很大的差异，因为5版本的CATIA是重新设计过的软件，其系统内部的数据结构与原有的是不一样的。另外，在A380客机研制过程中，由于当时条件的限制，也未构建单一产品数据源（SSPD），且A380的数字样机也是后来逐步建立起来的。这样，在协同设计、制造不同单位之间的数据传输和交换时造成了很大的麻烦，形成了A380产品数据不一致性的致命伤。遗憾的是这一看来简单的问题，由于空客高层领导的疏忽，事先未意识到它存在的严重后果，直到在德国制造和装配的A380前机身和后机身18段，运到法国与中机身和其他部件对接总装时，才发现在德国安装的机身段上的电缆与在法国装配中的机身段的结构不协调、对接不上等一系列问题。问题的严重性是显而易见的，技术人员在现场无法弄清，必须把德国制造的巨大机身段运回到原来工厂重新装配。最后空客公司不得不把A380飞机的交货时间推迟近两年。这一重大失误酿成空客50亿欧元的损失。 正如国外评论说的那样，基于PLM的数字化是波音的梦想、空客的噩梦（Boeing’s Dream, Airbus’Nightmare）。当然话说回来，研制如此超大型客机的难度和复杂性是前所未有的，公司在技术或管理上出现一些问题也是难免的。空客公司正在研制的A350客机，为了避免在A380总装配中出现的重大问题，为正在研制的A350客机的机身段做了实物样机（physical mock up），这在技术上是一个倒退。 波音787客机总装配阶段中的惨重教训 波音公司在总装配787客机过程中的日子很不好过。在总装配787时出现了预想不到的困难，先后5次宣布推迟787客机首飞和交付时间，耗时达2年半之久。为此波音公司的股票大幅缩水，公司收益降低一半。各相关航空公司纷纷要求经济赔偿，致使波音公司的处境极其困难。但是后来的全球经济危机，航空公司又纷纷要求波音推迟交货，才暂缓了这一矛盾。波音787客机因总装配困难而推迟交付时间共有4个原因，除一个经济原因外，其余全是技术和管理问题： （1）长寿命螺栓供应不上及其装配质量问题； （2）前机身对接装配中，两机身段（分别为美国造41段与日本造43段）外形对接不协调； （3）787全机静力试验中发现翼根处出现裂纹； （4）2008年9月波音27000人相继罢工。 波音787机体各段总装配阶段要使用的四种不同类型的螺栓情况，这些螺栓就是我们通常所说的长寿命螺栓，其在787总装配时未能及时到位。更严重问题是，这些螺栓安装在机身上后，螺栓和蒙皮间存在较大间隙，即螺栓与蒙皮未贴合。产生这个问题的原因是在机体的蒙皮上划窝的深度和宽度不够，装配管理和装配件数字化定义或装配工艺不当。 下图显示出美国Spirit公司造的前机身（41段）与日本造的中机身段（43段）在对接装配时，机身的前左侧出现的机身外形严重不协调问题，前后两段机身外形的阶差达0.762cm。这与数据传输或部件的成形、装配或变形有关，后来波音公司在机身内侧加垫板临时解决了这一问题。 波音787客机的机翼与机身对接处出现裂纹是在2008年7月8日经全机静力试验时发现的。787飞机在作全机静力试验时，可以听到“嘎嘎”作响的声音，这是由于机翼左、右翼根处与中央翼盒连接的地方产生裂纹的原因，是机翼和中央翼盒的上部长桁与上蒙皮的内侧有应力集中现象，促使复合材料的蒙皮层间产生剥离现象，导致翼根处的强度不够。为此波音公司不得不进行十分昂贵和极其费时的修补工作，在翼根处加上U型加强件并用钛合金螺栓连接件来连接，来解决这一问题。下图具体指出了需加强的位置区域。这一问题产生与产品的结构设计和装配件数字化定义不当有关。 上述总装配中出现的问题若不在首飞前及时解决，将会带来不堪设想的严重后果。由此也可看出，飞机装配是一个极其复杂而困难的工作。即使像波音公司那样有着相应的数字化信息系统的支持，也难免出现上述严重的问题。 结束语 大型飞机的总装配无论从管理还是从技术角度看都是一个极其复杂的难题，也是世界飞机制造业共同面临的重大问题。为此，应从飞机制造的全局角度，从系统地研究波音和空客现有的先进装配技术入手，清楚地掌握波音和空客在大型飞机装配方面的经验和教训，总结出现代先进的飞机装配技术体系及其数据的管理方法，提炼出适合我国的研制大型飞机装配方面的技术。这不仅对我国的大型民机研制具有重要意义，对大型军用运输机、重型直升机以及其他军机的研制具有同样重要的作用。(end)

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