刘亚威 ¦ 智能技术助力美军航空装备保障

工业4.0时代，诸多智能技术在航空制造业中大放异彩，成为智能制造的助推利器，颠覆了传统制造模式。制造领域和保障领域有许多技术是共通的，美军以及波音、洛马等国防制造商正在研究将一些智能技术由制造领域向保障领域推广。笔者从工业机器人、增材制造、数字线索／数字孪生、虚拟现实／增强现实这四个领域，展示了美军最新的研究和应用进展。这些技术的不断成熟与大规模应用，将给航空装备保障的带来前所未有的变革性机遇。

一、工业机器人

工业机器人已经广泛应用于航空制造，特别是灵巧机械臂，因其结构轻巧、操作灵活和高定位精度，在狭小空间装配中正成为主力，并且这一特征也助力它们进入航空装备维修领域。以往，当军用机库或现场人员对难以到达的航空组件（如飞机机翼内部）执行例行检查时，他们首先要移除机翼，然后移除机翼内的额外结构，以便检查人员能用特制设备够到那里。而灵巧机械臂可以伸到狭小空间内进行查看，从而不需要移除机翼来执行检查。

2017年1月，美空军研究实验室演示了一款柔性、蛇形机械臂——远程进入无损评价系统（RANDE）。RANDE非常轻便，可以用小车推到检查区域快速安装和使用，机械臂采用一个类似游戏的摇杆控制器操作，一台笔记本电脑记录全部机器人运动、视频摄像头图像和检测数据。使用时，维修人员只需要移除必需的外部检查面板并让机械臂通过一个直径3英寸的检查孔，这一简化的流程减少了维护小时，消除了检查准备工作导致损伤的可能性。

图1  RANDE蛇形机械臂

机械臂的末端是一个多轴操作头，包括多盏灯、小型摄像头和一个端口，让检查人员很容易放置各种可互换的无损检测工具，包括涡流探针。以往，检查人员在材料表面手动运行手持涡流探针，以寻找缺陷或表面裂纹。RANDE使用空军研究实验室开发的保形涡流探针，可以全自动地定位并与表面接触，增加检测可靠性和探测概率。RANDE可用于许多难以达到的空间，可以安装许多探针以检测平面区域以及凸头紧固件和边缘，对执行无损涡流试验的维修人员而言，RANDE将成为一个重要工具。

总之，RANDE为无损检测工程人员和检查人员提供了一种新型、更好部署的解决方案。除了减少完成检查所需的时间，RANDE还极大减少了劳动力和飞机的停飞时间，从而降低了成本。而且，由于减少了飞机拆卸的需要，飞机潜在损伤也减少了，维修人员的安全也得到提升，因为检查不需要再爬上飞机或钻入狭小空间。

除了狭小空间检查，去除飞机涂层也将用上灵巧机械臂。2018年5月，空军研究实验室展示了一种新的机器人系统——面向敏捷航空航天应用的先进自动化（A5）机器人。A5安装在一个移动平台上，便于在飞机周围移动，可在有限空间内完成车间维修作业。它采用传感器反馈，借助传感器收集的数据形成路径规划，指导维修作业，不再需要对系统进行重新编程。据称，A5将使飞机涂层去除时间减少50%，计划2018年秋季在一架C-17上进行额外测试。

图2  A5机器人及其操作示意

二、增材制造

增材制造在航空制造、维修和后勤中早已得到应用，然而近年来，随着增材制造设备和技术的成熟，美军开始在前线大规模部署增材制造能力，大幅提升军队装备完好性，同时降低保障周期和成本。2017年1月，美海军北岛航空站演示了一个修理飞行器零件的冷喷涂工艺，可以修复零件已经因腐蚀、磨损或机械损伤而丢失的关键外形特征，这些以往只能替换的零件未来可以使用低成本的增材方法完成维修，美军将因此节省巨大成本。

增材制造能够在战争前线快速补充过时淘汰或临时需要的关键零件，极大缩短后勤链。美空军正在为30年前建造的飞机定制化制造复杂几何外形特征的小批量零件，这项工作利用三维成像设备及软件扫描极难找到备件的零件，编译为精确的计算机辅助设计模型，然后通过增材制造快速生产替换零件，帮助维持老旧飞行器机队延长服役寿命。空军正计划在后勤组织中广泛实施，使老旧飞行器不仅可以维修，还可以改变使命任务，满足全球作战需求的持续变化。美军在未来规划中着重强调增材制造的应用，一些国防部采购合同已经详细规定零件要包含替换零件的增材制造文件，以及零件建造参数和后处理程序。

图3  美海军航空装备增材制造应用范围

增材制造正在深层次渗透到美军的作战行动组织中，美海军计划利用增材制造在三个不同层级提升机队维修和使用水平：第一层是组织层，增材制造将用在中队层级进行使命任务保障，即飞行器服务和零件替换；第二层级是机队完好性中心的中间层，增材制造将制造发动机零件，执行预定的维修和在役修理工作；第三层级是机库层级，增材制造将辅助预定的维修、修改、在役修理、驻地小队在役修理和制造。美海军目前已经有9个配备增材制造技术的机队完好性中心（FRC），5个在东海岸，3个在西海岸，1个在日本，现在这些中心可以一夜之间实施快速重构，以满足新的使命任务需求。

三、虚拟现实和增强现实

虚拟现实（VR）和增强现实（AR）很早就用于在航空制造中指导工人进行复杂操作，随着这些技术的发展，对维修保障人员进行训练和指导也成为了虚拟现实和增强现实设备和技术的重要方向。虚拟现实和增强现实可以在早期进行虚拟确认并培训拆解、维修和组装程序，实时指导维修，节省可观的维修成本；其应用还可包括：工具可入性审查、确认与培训，维修、修理与大修（MRO）操作可行性分析，虚拟操作培训与零培训操作，以及基于数字线索的维修等。

美国洛马公司2010年花费500万美元建造人类协同沉浸实验室，包括全尺寸立体虚拟背景环境、空间动作捕捉系统、快速建模与训练设备，率先将虚拟现实技术用于F-22和F-35项目的维修保障，实施了诸如面向成本划算的维修性分析、维修性任务验证与路径规划等项目。目前，仅沉浸式工程就为F-35项目节省超1亿美元，投资回报率达15倍。

图4  洛马人类协同沉浸实验室空间动作捕捉系统

利用增强现实技术，不仅可以指导工人按步骤实施维修，还能够精确定位不直接可见的零件并将其可视化，从而确认要进行测试的零件并将之修理或替换。洛马公司正在使用基于爱普生智能眼镜的增强现实平台加速F-22和F-35的维修过程，检测员能够通过眼镜看到投影于战斗机上的零件编号和计划，在飞机旁边就可以记录要修理的区域，减少操作错误。这个交互式的三维增强现实平台能够让MRO机械师与三维模型、零件规格、库存信息、实时数据、图像和视频进行虚拟交互，来自每个机械师的新数据可以在平台上共享，由系统分析并集成来自每架战斗机的信息，以实施故障预测与维护规划。该增强现实平台能够让机械师的工作速度提高30%，操作精度上升96%。

图5  F-35保障增强现实平台

四、数字线索和数字孪生

美空军在2013年发布的《全球地平线》顶层科技规划文件中，将数字线索和数字孪生视为“改变游戏规则”的颠覆性机遇。数字线索旨在通过先进的建模与仿真工具建立一种技术流程，提供访问、综合并分析系统寿命周期各阶段数据的能力，使军方和工业部门能够基于高逼真度的系统模型，充分利用各类技术数据、信息和工程知识的无缝交互与集成分析，完成对项目成本、进度、性能和风险的实时分析与动态评估。通过数字线索在系统模型中映射物理实体的基本要素，还可对已建造系统进行精准复制形成数字孪生模型，从而实现对制造性、检测性和保障性的评价与优化，支撑航空装备的生产、使用和保障。

数字线索能够更好地实现使用和保障之间的数据双向传递，提升健康诊断和寿命预测能力。通过在役飞行器的数字孪生及实时数据采集，能够对单个机体结构进行跟踪：使用所有的可用信息（如飞行数据、无损评价数据）并基于物理特性（如流体动力学、结构力学、材料科学与工程），进行有充分根据的分析；使用概率分析方法量化风险，并使数据闭环流动（如自动更新概率）。

美空军与波音公司合作构建了F-15C机体数字孪生模型，开发了分析框架；综合利用集成计算材料工程等先进手段，实现了多尺度仿真和结构完整性诊断；配合先进建模仿真工具，实现了残余应力、结构几何、载荷与边界条件、有限元分析网络尺寸以及材料微结构不确定性的管理与预测。综上所述，即可预测结构组件何时到达寿命期限，调整结构检查、修改、大修和替换的时间。

图6  美空军人员演示F-15C数字线索

结合增强现实等智能技术，数字线索还将进一步提升现场实时维护能力。通过数字线索提供实时的数据、检查清单和反馈，F-22和F-35维护人员的活动被记录并添加到数字线索中，未来的维护人员可在任何地点及时看到一架飞机己完成的相关活动流，以优化持续保障活动。

数字线索和数字孪生的应用，将使航空装备实现个体化、综合化、可预测和预防性的“使用前保障”。单个产品的历史数据将对操作、维修和工程人员开放，可以针对每个产品定制预先维修／翻新方案。未来的维修将是基于对损伤和损伤先兆的早期分析识别，大部分保障工作转变为寿命周期中的损伤预测、预防和管理。

五、结束语

美军正不断探索工业机器人、增材制造、数字／数字孪生、虚拟现实／增强现实等智能技术在保障领域的应用，并且已经收到一定成效。当前，我国航空装备保障技术整体上还比较落后，这些智能技术的应用几乎还是空白。因此，我们应该持续关注智能制造领域中的技术发展和应用创新，探索并研发适合我国实际的智能保障技术，更好地让制造业创新成果为航空装备保障服务，提升我国航空装备保障的整体能力和水平。

刘亚威先生已为《空天防务观察》提供54篇专栏文章，如下表所示：

序号	篇名	发表日期
1	美国数字制造与设计创新机构助力美国智能制造	2015年2月16日
2	非热压罐成形技术用于MS-21机翼主承力构件生产	2月23日
3	热塑性复合材料加速进入民机主承力结构	2月25日
4	轨道加工工艺颠覆航空异种材料构件制孔	2月27日
5	增材制造（3D打印）——“美国制造，美国能行！”	3月11日
6	2014，美国国家制造创新网络雏形初现	4月8日
7	揭秘莫纳什大学增材制造中心——澳大利亚增材制造先锋	4月22日
8	美国通用电气公司“工业互联网”——两大革命共鸣下的智能制造新前景	5月27日
9	美国通用电气公司——高端增材制造技术的领军者	6月1日
10	“数字制造”VS“智能制造”	8月17日
11	你应知道的集成光子学和集成光子学制造创新机构	8月24日
12	波音采用创新技术制造NASA新概念飞机机身	9月28日
13	无人机复合材料结构低成本制造技术（节选）	10月9日
14	你应知道的柔性混合电子学和柔性混合电子学制造创新机构	10月14日
15	解读美国国家制造创新网络中制造创新机构的分级会员制	11月23日
16	德国“工业4.0”之“智慧工厂”计划（上）、（中）、（下）	12月18日、21日和23日
17	美国国家增材制造创新机构的技术路线图和项目概览（上）、（下）	2016年1月8日、15日
18	美国国家制造创新网络计划2015年实施亮点	2月15日
19	美国政府发布首份国家制造创新网络年度报告和战略计划	2月22日
20	美国国家制造创新网络战略计划要点	3月4日
21	工业互联网联盟与工业4.0平台的合作始末	4月1日
22	航空制造领域即将发生五个变革	4月6日
23	你应知道的革命性纤维与织物和革命性纤维与织物制造创新机构	4月8日
24	美国国家制造创新网络的知识产权管理	5月11日
25	十八张图说新工业革命与未来航空制造	5月17日
26	十七张图说波音创新制造新概念飞机机身和民机主承力构件非热压罐制造	5月23日
27	人——航空智造转型之路的核心资产	5月30日
28	定位高端——航空增材制造技术	6月6日
29	美空军“未来工厂”愿景与专项计划	6月29日
30	美国政府提出先进制造业优先技术领域（上）、（下）	7月5日、7月7日
31	美国智能制造领导力联盟——美国国家智能制造创新机构的领导者（上）、（下）	7月11日、7月13日
32	“增强现实”助力航空智能制造	9月8日
33	美国制造创新机构运行效果的评价	10月19日
34	美国数字制造与设计创新机构的项目机制	10月21日
35	美国洛马公司深度参与国家制造创新网络	10月24日
36	飞机部装迈向智能化	11月21日
37	新工业革命下航空智能制造的三大典型范例	11月30日
38	航空制造改变未来制造业：再次认识制造与未来航空制造	12月26日
39	航空制造改变未来制造业：重新定义制造业	12月28日
40	美国防部发布增材制造路线图	2017年3月1日
41	解读美国先进生物组织制备制造创新机构	3月8日
42	解读美国防部先进机器人制造创新机构	5月8日
43	英国高价值制造战略与航空制造创新	5月17日
44	美国防部先进轻量化材料制造创新机构一览	5月24日
45	虚拟现实／增强现实技术支撑航空智能制造转型	5月31日
46	浅谈智慧院所／智能车间信息化能力建设需求	8月30日
47	五大航空制造商制造创新实体	9月13日
48	数字线索助力美空军航空装备寿命周期决策	9月27日
49	AS6500标准将协助美军加强采办项目制造成熟度管理	12月6日
50	美军希望扩展制造成熟度应用范围（上）、（下）	12月15日、12月18日
51	美国洛马公司利用数字孪生提速F-35战斗机生产	12月27日
52	管窥美军数字工程战略——迎接数字时代的转型	2018年2月11日
53	浅析美国军民一体化制造创新——对美国国家制造创新网络运行逻辑的独家透视	8月1日
54	智能技术助力美军航空装备保障（即本篇）	8月15日

有兴趣的读者，可点击上表中“篇名”列的原文链接阅读。

（中国航空工业发展研究中心  刘亚威）

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本篇供稿：系统工程所                                              编  辑：adr晨c~