近年來，在母公司洛馬公司的影響和支持下，專注于直升機(jī)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(jìn)的數(shù)字技術(shù)，作為生產(chǎn)美陸軍下一代直升機(jī)計(jì)劃的一部分。該工廠如今坐擁超級計(jì)算機(jī)，3D打印實(shí)驗(yàn)室和一系列仿真模擬器，允許工程師和飛行員試驗(yàn)尚未建造的飛機(jī)。執(zhí)行團(tuán)隊(duì)稱其為“數(shù)字工廠”，并堅(jiān)信這一概念將降低生產(chǎn)成本、簡化維護(hù)，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(biāo)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(jìn)行大量投資，以確保除已有主要產(chǎn)品外的未來競爭力。

一、打造數(shù)字生產(chǎn)力勢在必得

隨著技術(shù)以閃電般的速度發(fā)展，武器設(shè)計(jì)的新方法也在發(fā)展，從飛機(jī)上的3D打印到可以在網(wǎng)絡(luò)空間進(jìn)行試驗(yàn)的真實(shí)系統(tǒng)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(gòu)建更靈活的流程來開展創(chuàng)新業(yè)務(wù)實(shí)踐，如數(shù)字轉(zhuǎn)型和采購能力即服務(wù)。同時(shí)，他提到了國防工業(yè)領(lǐng)域也正在為國防部帶來這種轉(zhuǎn)變，例如洛馬（西科斯基）正在使用數(shù)字設(shè)計(jì)來解決CH-53K的集成挑戰(zhàn)，并支撐開展FVL相關(guān)工作。

在西科斯基公司康涅狄格州斯特拉特福德工廠生產(chǎn)的CH-53K運(yùn)用了大量數(shù)字技術(shù)（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(jìn)入原型機(jī)競爭環(huán)節(jié)：一是替代已有40年歷史的UH-60“黑鷹”，即未來遠(yuǎn)程突擊機(jī)（FLRAA），另一種是替代退役的貝爾OH-58“基奧瓦”偵察直升機(jī)，即未來攻擊偵察直升機(jī)（FARA）。西科斯基公司與波音公司合作，在FLRAA競標(biāo)中推出了“挑釁”（Defiant） 飛機(jī)，西科斯基的斯特拉特福德工廠已經(jīng)配備了人員準(zhǔn)備開始生產(chǎn)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(jìn)入未來攻擊偵察機(jī)（FARA）原型機(jī)制造階段，該項(xiàng)目的飛行試驗(yàn)預(yù)計(jì)在2023年底進(jìn)行。

西科斯基-波音設(shè)想的 FLRAA“掠襲者”X 旋翼機(jī)機(jī)隊(duì)吊掛火炮前進(jìn)（美國洛馬公司／西科斯基公司圖片）

面向未來業(yè)務(wù)發(fā)展，西科斯基公司下定了數(shù)字轉(zhuǎn)型的決心。數(shù)十年來，UH-60“黑鷹”一直是西科斯基公司支柱業(yè)務(wù)，第5000架“黑鷹”將于2022年四季度下線。盡管該公司已經(jīng)獲得了包括生產(chǎn)美海軍陸戰(zhàn)隊(duì)的CH-53K“種馬王”重型直升機(jī)，和美空軍的HH-60W戰(zhàn)斗救援直升機(jī)等幾個大合同，但西科斯基認(rèn)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(dāng)然，西科斯基公司無意讓這種情況發(fā)生，其斯特拉特福德工廠已經(jīng)開展了數(shù)字改造，“機(jī)器學(xué)習(xí)”、“數(shù)據(jù)輸入”和“虛擬現(xiàn)實(shí)”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(dá)州西棕櫚灘的西科斯基發(fā)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(jī)器”

1、大型高精度復(fù)合機(jī)床

西科斯基工廠中用于生產(chǎn)飛機(jī)零部件的銑床與20世紀(jì)生產(chǎn)線上的車床和銑床相差甚遠(yuǎn)，封閉的機(jī)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(jī)零件，而過去這一過程需要用到多臺機(jī)床和人工操作。

整個數(shù)字工廠概念的目標(biāo)是降低勞動力成本，提高精度，縮短生產(chǎn)時(shí)間。過去需要數(shù)天時(shí)間在幾臺機(jī)床上完成的工作，現(xiàn)在只需10～15分鐘就可以由一臺復(fù)合機(jī)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(jìn)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(yàn)證金屬去除過程的準(zhǔn)確性。

現(xiàn)代加工車間網(wǎng)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(yīng)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(jìn)入下一階段，直到工件與工程模型匹配。同時(shí)，可以更新數(shù)字工藝流程以反映真實(shí)世界的表現(xiàn)，在未來的仿真模擬中量化和解釋工具偏轉(zhuǎn)。

加工零件的三維模型都匯集在Vericut仿真軟件中，以創(chuàng)建程序員用來優(yōu)化流程的虛擬加工場景。最終，仿真模擬結(jié)果體現(xiàn)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(shí)現(xiàn)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(shí)何地在該模型上留下額外的余量取決于設(shè)計(jì)的哪些部分仍在開發(fā)中，在加工開始時(shí)必須“保護(hù)”。這種策略可以在設(shè)計(jì)完成前幾周而就配置所有必要的制造基礎(chǔ)設(shè)施，包括NC程序、切削刀具和夾具。同時(shí)，程序員可以著手優(yōu)化下一階段的加工。與過去的類似項(xiàng)目相比，第一階段加工后的齒輪箱的三維模型有助于改進(jìn)和驗(yàn)證第二階段加工的準(zhǔn)確性，所需時(shí)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(shè)計(jì)工作完成前10周。

現(xiàn)代加工車間網(wǎng)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(zhuǎn)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(cè)切削。

2、高質(zhì)量3D打印機(jī)

精度是西科斯基節(jié)約成本戰(zhàn)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(shí)驗(yàn)室，共有18臺打印機(jī)在現(xiàn)場生產(chǎn)各種熱塑性部件，包括作業(yè)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(chǎn)金屬部件的新型打印機(jī)。

3D打印技術(shù)也被稱為增材制造，與傳統(tǒng)的減材工藝相比可以更快、更便宜地生產(chǎn)零部件，并減少材料浪費(fèi)。西科斯基公司制造工程總監(jiān)鮑勃?珀查德表示，他們的3D打印部件現(xiàn)在已經(jīng)100%可靠地通過了質(zhì)量控制。過去使用傳統(tǒng)方法制造一個部件需要4.5kg的原材料，現(xiàn)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(xiàn)在可以完整打印成一個一體化的部件。同時(shí)，這項(xiàng)技術(shù)的成熟度已可用于生產(chǎn)金屬結(jié)構(gòu)部件。

3、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)與智能工具輔助傳統(tǒng)手工

在工人仍在從事擰緊鉚釘?shù)葌鹘y(tǒng)制造工作的地方，西科斯基在技術(shù)上投入了大量資金，以使生產(chǎn)過程更快、更容易、更可靠。

在西科斯基的生產(chǎn)線上，屏幕和平板電腦上的原理圖取代了傳統(tǒng)的紙張?jiān)O(shè)計(jì)（美國洛馬公司／西科斯基公司圖片）

在CH-53K生產(chǎn)線上，沒有紙質(zhì)的原理圖，手工工具都是數(shù)字化集成的，工人們都有增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡輔助。西科斯基的內(nèi)部IT部門利用現(xiàn)成的扭矩扳手并將其與Wi-Fi連接。在產(chǎn)線上，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡會提示工人哪些鉚釘需要擰緊，擰緊的順序是什么。當(dāng)放置在適當(dāng)?shù)奈恢脮r(shí)，聯(lián)網(wǎng)的扳手可以自動按照正確的規(guī)格擰緊鉚釘并記錄工作，以便進(jìn)行質(zhì)量控制。

內(nèi)部開發(fā)的智能扭矩扳手配備了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡和Wi-Fi，以幫助提高準(zhǔn)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(tǒng)直升機(jī)，都會有員工閱讀作業(yè)指導(dǎo)書，使用扳手完成工作說明，然后把扭矩值寫回作業(yè)指導(dǎo)書。如今，這一過程已經(jīng)大大簡化。西科斯基公司制造工程總監(jiān)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(jì)算打破“飛-修-飛”循環(huán)

高科技制造可以在制造飛機(jī)的所謂“后端”節(jié)約成本，但西科斯基還在改進(jìn)設(shè)計(jì)過程上進(jìn)行了大量投資，也就是所謂的“前端”改造。呈現(xiàn)形式則是一臺價(jià)值1000萬美元的現(xiàn)場超級計(jì)算機(jī)和一組模擬器，讓工程師和飛行員無需制造昂貴的原型機(jī)就能對飛機(jī)設(shè)計(jì)進(jìn)行虛擬試驗(yàn)。

這臺超級計(jì)算機(jī)由兩萬五千多個核心處理器組成，為飛行模擬器和飛機(jī)數(shù)字模型提供動力，允許設(shè)計(jì)師探索擬定的設(shè)計(jì)在不同的大氣和飛行條件下的表現(xiàn)。

其中，計(jì)算機(jī)可以仿真模擬復(fù)雜的變量，比如旋翼周圍的流體動力學(xué)和機(jī)體的物理應(yīng)力等；飛行模擬器可以結(jié)合實(shí)時(shí)響應(yīng)飛行員動作的飛機(jī)機(jī)械系統(tǒng)的工作模型，使得工程師無需建造整架飛機(jī)，就能了解設(shè)計(jì)在物理世界中的實(shí)際表現(xiàn)。這種“虛擬飛行”不僅大大降低了試飛員的風(fēng)險(xiǎn)，還大大降低了修正設(shè)計(jì)問題的成本，即“飛-修-飛”循環(huán)。

傳統(tǒng)上，當(dāng)發(fā)現(xiàn)一個設(shè)計(jì)問題時(shí)，工程師和試飛員會開發(fā)出潛在的解決方案，并在原型上實(shí)現(xiàn)這些改變，但無法保證會解決問題且不會產(chǎn)生新的問題，這種“飛-修-飛”的循環(huán)會很快導(dǎo)致成本超支和進(jìn)度延期。例如在CH-53K的早期設(shè)計(jì)中，在試驗(yàn)時(shí)識別出發(fā)動機(jī)尾氣再吸入的問題，西科斯基使用超算模擬設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)節(jié)省了兩年時(shí)間和數(shù)百萬美元。

未來，西科斯基公司希望其計(jì)算機(jī)模型可以強(qiáng)大到足以納入更微妙的變量的影響，例如在沙質(zhì)環(huán)境中操作的影響。

四、贏在數(shù)字空間

“掠襲者”X共軸反轉(zhuǎn)旋翼槳轂及內(nèi)部傳動數(shù)字設(shè)計(jì)動圖（美國洛馬公司／西科斯基公司圖片）

雖然基于數(shù)字手段的設(shè)計(jì)和制造可以降低成本，縮短建造時(shí)間，但西科斯基為FVL合同押注的是其高管所謂的“數(shù)字血統(tǒng)”概念。也就是，每架從西科斯基公司生產(chǎn)線上下線的飛機(jī)都將有一個與其尾號相關(guān)聯(lián)的數(shù)字孿生模型。直升機(jī)上發(fā)生的任何事情都將在這架飛機(jī)的專屬數(shù)字孿生中重現(xiàn)。這一過程從工廠開始，并在飛機(jī)達(dá)到可運(yùn)行狀態(tài)后繼續(xù)進(jìn)行。

飛行過程中的所有操作都由機(jī)載傳感器記錄和記載，相關(guān)維護(hù)工作也有日志記錄。理想情況下，這能讓機(jī)械師對機(jī)體內(nèi)各個部件所承受的應(yīng)力有更高顆粒度的了解。此外，來自機(jī)載傳感器的數(shù)據(jù)輸入數(shù)字孿生模型，也有助于開發(fā)算法，以預(yù)測飛機(jī)特定級別的機(jī)械問題。這條貫穿直升機(jī)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(shè)計(jì)到實(shí)際運(yùn)行的“完整連續(xù)的數(shù)字線索”。不過，該概念已先行在美國海軍陸戰(zhàn)隊(duì)的CH-53K上推出；正在開發(fā) Raider X的數(shù)字化制造環(huán)境的核心則是達(dá)索的3DX 設(shè)計(jì)和制造軟件，為虛擬 Raider X 設(shè)計(jì)的每個零部件的3D模型建立了存儲庫，稱為整個項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的“權(quán)威真相源”，并通過相關(guān)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(lǐng)和指導(dǎo)下，西科斯基以過往經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，致力于推進(jìn)數(shù)字研制來降低風(fēng)險(xiǎn)、成本并提高未來垂直起降系統(tǒng)的效率，通過在設(shè)計(jì)、研制、生產(chǎn)和維護(hù)過程中拉動數(shù)字線索，使實(shí)現(xiàn)高成本效益的持續(xù)保障過程成為可能。此外，文化也是轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵一環(huán)。西科斯基開發(fā)了許多專有的創(chuàng)新手段，強(qiáng)化了其智能工廠框架對車間機(jī)器性能的改善。但其制造專家強(qiáng)調(diào)，在西科斯基，數(shù)字制造被視為一項(xiàng)涉及每個人的團(tuán)隊(duì)努力事項(xiàng)，從設(shè)計(jì)和制造工程師到操作人員和設(shè)施經(jīng)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(shù)字方法，使他們能夠更有效地協(xié)作，進(jìn)而使“實(shí)物未動，虛擬先行，虛實(shí)結(jié)合，精準(zhǔn)高效”成為現(xiàn)實(shí)。

關(guān)鍵詞： 垂直起降