专家观点 专家风采 工艺技术 标准专利
玻纤等复合材料、3D打印“扛大旗” 俄罗斯直升机行业大力推广面向未来的环保工艺
发布时间:2021/3/8 9:01:47   浏览次数:381

玻璃纤维浸透后组成带状缠绕直升机的桨叶大梁。

未来,大规模数字化设计以及人工智能的发展决定即将来临的人类史上第四次工业革命,但是工艺的迅猛发展,除了带来一系列优势以外,同时也伴随着相应的风险。以往工艺上的改革创新,在很大程度上提升了生产效率,让人类逃离周而复始的劳作,提升整个人类文明。但是,当工业史上的每一次创新呈螺旋式上升时,无法避免的是每一次源于技术改革而引发的环境污染将越来越严重,由技术创新与改革带来的后果是不可预料,包括气候变暖、大气污染、海洋和陆地生态急速恶化等。

当前,全球各国在发展新的工艺技术的过程中应该以恢复生态为前提进行改革与创新。解决上述问题的关键在于,各国应该推广更环保的工艺,以此来降低环境污染的损失。当下,国际社会面临的主要战略挑战之一是创造并推广一种尽可能接近大自然的技术工业,并将其引入大规模生产中。通过了解俄罗斯直升机行业中面向未来的环保工艺,来窥探全球大背景下未来环保工艺的发展趋势。

项目发展

当材料行业和工业生产行业做出了相应的改变后,那么在生态和技术领域之间将存在相对平衡的可能性。俄罗斯直升机公司(以下简称俄直公司)正在这方面努力做出相应的改变。

2019年,该公司创新部经理安德烈·施比托夫带领团队编制了俄直公司《2020年~2025年的创新发展规划》。其中包含13项基本创新方向,包括建立科技储备、生产工艺创新、国际合作、与俄罗斯主要高校,生态学家进行紧密联系、在动力能源方面进行创新等。

这项规划总体上涵盖了100个在不同领域的项目,其中超过半数的工作是为建立科技储备而存在。

先进科研工作的主要方向在于使用并推广更加有效的增材制造工艺,包括人工智能技术。这些工作与电气化系统相联系,致力于研制新型“电动直升机”。要想实现这个概念需要研发混合动力装置,并且从液压执行机构过渡到电动执行机构。

俄直公司越来越重视提升工艺设计与研发方法:模拟仿真,考虑到强度和气动性能将使用更为先进的程序与方法学,数字化仿型机等。

技术人员正在使用3D打印技术

推进复合材料工艺与发展

当前,复合材料俨然成为航空制造业发展的重要影响因素。俄罗斯直升机制造业对复合材料的应用也逐步增加,从叶片生产到零件结构,如舱盖、壁板的复合材料比重不断提升,具有高强度耐腐蚀低密度等性能的复合材料应用愈加广泛。例如,罗斯托夫直升机制造厂在为全球现役最大的重型直升机米-26生产旋翼和桨叶时,桨叶的大梁采用玻璃纤维,在浸透后组成带状材料缠绕,使叶片更加可靠,不易腐蚀,此项技术也在米-35M和米-28NE等直升机上使用。

联合飞机制造公司在复合材料研制方面为俄罗斯直升机制造业发展提供了巨大帮助。俄直公司和联合飞机制造公司自2015年9月签署长期战略伙伴协议以来,联合研制和生产了树酯基热塑性复合材料。“俄直技术”公司(俄直公司的子公司之一)是负责发展俄罗斯直升机未来技术的企业,与联合飞机制造集团的“航空复合材料”公司一起根据文件开展联合研究。

俄直公司的另一重要伙伴是“俄罗斯技术”国家公司下属的“RT-化学复合材料”公司,其为直升机制造业提供了25种产品,包括适用于各种天气条件的、用于头部整流罩的石英纤维和玻璃纤维;硅酸异质有机座舱玻璃;机载高亮度、高对比度滤光镜;树酯基蜂窝塑料用于制造桨叶;用于制造内部设备和承力机构的玻璃蜂窝塑料。“RT-化学复合材料”公司还在聚碳酸酯基础上研究光学结构,比普通硅酸盐玻璃的抗冲击性提高100倍,比有机玻璃提高10倍,可以在航空及其他领域应用。

复合材料在航空领域应用扩大的趋势是因为其特有的性能优势,其显著的低密度特点可在不增加重量的情况下提高气动或经济性能,并制成具有合适物理性能的任意形式零件。尽管复合材料价格昂贵、生产复杂,但是由于现代化加工设备的引入,劳动生产率极大提高,采用大量的复合材料部件仍经济可行。

3D打印的控制杆模型

增材制造技术

直升机制造业是现代化工业之一,本世纪开始面临技术革新,其中最有潜力的便是3D打印技术,该技术大大简化了零部件的模型制备工作,为复合材料结构件的快速制造提供了前提。

如今,各大公司根据两个主要方向来发展该项技术。首先明确,增材制造技术的作用在于提高生产效率,替代老旧工艺,例如,铸造。而该项技术可以提升制造单独的连接件和组件的生产效率,同时减少人工劳作以及污染环境的可能性。

俄直公司的3D打印技术不仅能重组零件,还能减轻其重量,减少制造周期。在未来,该公司致力于减少研发该项技术的成本。

在该项工艺的帮助下重组零件意味着对零件进行重新加工与重新架构。该公司设计师们在不断寻求工艺突破的过程中力求以保护环境为前提,进行仿生设计。

通过3D打印技术对零组件以及附件进行重组,最终可以采用环保材料与结构,例如,多孔材料、轻型材料、高强度多孔骨组织结构等。

如今,通过使用仿生设计能够优化特定载荷的零组件,使其表面、形状和结构达到最佳状态。这样的设计会形成一种独特的外观,在很多方面最后呈现出类似大自然的天然创造。仿生的过程并不是盲目的,而是经过严格的计算和数次试验最终得出相应结果。

在3D打印技术和仿生设计的帮助下制造零组件不是最终目的,最终目的是使得大自然与人类行为之间达到平衡,保持健康的设计理念与思想,形成生态平衡。

当一位设计师在研究某个零件的制造方法时,他会考虑不同的制造工艺:铸造、冲压模锻、机械加工、不同材料,并且思考不同生产之间的消耗。根据以上全套的工程分析得出解决方案,从而选择最优化和最有效的工艺方法。

如今俄直公司已经渐渐使用增材制造技术来完成零件批产。俄直公司预测未来使用增材制造技术的零件数量将成倍增长。

目前俄直公司的3D打印技术已经可以成功用于制造非承力部件:通风系统部件、内部装饰设备、多媒体系统的固定装置等。米里直升机厂拥有最早应用3D打印技术的经验,用该方法制造了米-38直升机控制杆模型,快速高效地建立了符合人机工程学的外形。

在采用3D技术的特点之一是从3D模型的研制到产品检测的所有工艺序列与数字化有关,所有过程都在包含数控设备的自动化系统上进行,数据资料自动传输。俄直公司正在尝试通过发展数字化生产的概念,引入数字技术的新方式,使生产能力达到世界水平。预计在最近10~15年内在直升机制造业零部件市场的增材制造方面具有广阔的前景,未来或将用于制造机体、旋翼的承力部件。

2019年俄直公司计划通过3D打印技术来完成近30个零件的重组任务,并且计划在2021年将这些材料用于批产。第一阶段总共包括80个零件。当前制造这些零件的工艺包括铸造、冲压模锻以及机械加工。未来,它们的制造方法将通过一系列试验逐渐转换为通过3D打印技术来进行制造。

至于直升机结构以及各附件系统的关键承力部件,到2020年末,俄直公司将决定是否准备在批产直升机上安装这些部件。

将从所有现有制造技术的角度对每个部件进行重新设计,并且对其进行耐久性试验。在此之后,作为测试的一部分,将有必要确认使用增材制造技术生产的零部件在其性能上与被替换的类似零部件是否等同于或者具备更优秀的性能。只有通过以上分析,才能在批产直升机上使用新的零部件。

电动技术

在不久的将来,混合动力装置可能成为一系列无人机和最大起飞重量约为2吨的轻型直升机的一部分,但是针对重型飞行器,电动技术将会是一项中长期需要解决的问题。

专家预计,对于重达200千克的轻型无人机,电动技术将从根本上解决所有问题。在大约5年的时间内,可以建立针对起飞重量约为2吨的配备混合动力装置商用轻型飞行器的批产链。在此之前,需要解决相应的飞行安全、经济效益以及针对取证的相关研制问题。

值得注意的是,当今世界中已经研制出一批样机、轻型直升机,它们使用了电动或者混合动力装置。配备该类装置需要达到两个目的,首先需要研制出高效的电动机和电池。配备混合动力装置的飞行器,其电动部附件所具备的独立参数数据库已经能够允许制造出其他相应的样机。尽管如此,但是与其他现有飞行器相比,这些配备混合动力装置或者电动装置的样机仍然不具备竞争力,因为缺乏取证基础以及缺乏对该类飞行器经济效益和飞行安全性的准确理解与评估。

未来直升机俄直公司的专家们一直致力于研究新型直升机的工作。力求打破常规设计方案,其讨论与分析的结果在未来将应用于具体的设计方案中。日前,俄直公司正在编制一款未来商用直升机的设计方案。而该款新型未来商用直升机将采用增材制造技术、新的装配工艺、采用新型复合材料、现代化旋翼翼型、先进的旋翼桨毂构型。

现在该项目还处于最早的设计阶段,专家们正在对其未来市场状况进行分析,已经研制出多种设计方案。

这个新的项目将会联结俄罗斯著名的直升机设计与制造厂,包括米里莫斯科直升机厂,卡莫夫和喀山直升机厂等。该项目将会在民用范围的框架下进行一系列研发工作,最终将会研制出一款先进的高速直升机。

人工智能

在军事技术中,长期以来一直有系统帮助操作员确定目标优先次序,控制武器系统和执行其他特定功能。民用飞行器系统也能够承担多种功能,在某些情况下协助飞行员,甚至可以取消他们的参与。

针对飞行器的机载人工智能系统现在已经处于研发过程中。那么一个关键的问题在于,它的实施力度有多大?如何更加广泛深入地使用人工智能系统来代替飞行员行为?这是个值得思考的问题,也是亟待解决的问题。

然而,甚至是在世界上最先进的无人飞行器都不能完全说是无人驾驶的。它们仍然需要地面操作员进行微调,只有在特定的飞行阶段才会是自动驾驶状态。

大家所谈论的完全特征下的“人工智能”,指的是具备完全不需要人为参与任务执行的能力。当一个人设置一个目标后,该型飞行器独立下达所有命令,完成所有决定并且选择最优方式达到目标指令。

当前,越来越多公司致力于研制倾转旋翼机、四轴飞行器以及其他新构型飞行器。随着新技术、新材料、新工艺的研发,使得各大航空企业有更多机会对其产品进行创新,针对传统的、共轴布局的直升机,各大航空企业对其装配、旋翼系统也进行改型设计。

未来,整片蔚蓝天空将随处可见各类有人/无人飞行器,包括执行客运、货运等任务用途。当下,不仅是俄罗斯航空企业,全世界的航空企业又一重要任务是研制出城市空中运输系统的飞行器。

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