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罗尔斯·罗伊斯:以数字化引领航空制造的未来

图:罗罗遄达XWB发动机

  罗罗所有业务(包括船舶和核能)在中国的年采购额约2~3亿美元,中国航空制造商越来越多地参与包括遄达1000、遄达7000和遄达XWB等在内的航空大型发动机项目;在技术开发领域,早在2009年,罗罗就与中国科学院沈阳金属所签署合作备忘录,共同研发钛铝合金,利用新材料和新工艺生产低压涡轮叶片;罗罗与中国民航局合作开展的中国民航中青年领导干部培训已经进行了20年;而在市场方面,目前国内在役的罗罗商用航空发动机有千余台,遄达系列发动机20%的订单出自大中华区,罗罗在北京新设立了面向客户的大中华区服务中心,为客户提供更优质的服务。

  200多年前,蒸汽机的轰鸣拉开了第一次工业革命的大幕,工业化发展势不可挡,影响力覆盖各个行业、延伸至世界的每个角落。百年来,每一次历史性变革都伴随着科技的划时代突破,工业由传统机械化走向电气化再走向自动化。下一步,工业发展将走向何方?2013年,德国率先提出工业4.0战略,工业4.0的热浪就此席卷全球:美国随后提出工业互联网,日本推出第四次工业革命,而新兴经济体中国也提出中国制造2025。这股工业浪潮同样影响着英国,百年航空发动机制造商罗尔斯罗伊斯公司拿出了自己的应对之法以数字化引领航空制造的未来。

  数字化:工业变革的金钥匙

  作为国际一流的航空发动机及燃气轮机制造企业,历经110年的发展与积淀,罗罗在民用航空、国防、船舶和能源四个市场中占领先地位。罗罗全球研究和技术总监保罗斯坦恩将罗罗的成功归结对市场的敏锐洞察、强大的技术实力和对客户需求的深刻理解。正是基于这种行业敏锐与技术先行,工业4.0成为高端制造业的风向标,保罗斯坦恩认为,数字化制造将成为大势所趋。

  与过去的工业革命由单一核心技术引导所不同,工业4.0虽然包含了很多新一代的制造工艺,但是这些技术本身并不是革命性的,而是它所处的整个制造业生态体系的变革。 在保罗斯坦恩看来,数字化就是实现体系革命的重要载体:数字化不光改变制造业、将会给几乎所有行业都会带来深远影响。他向记者描绘了一幅数字化深刻改变工业的图景:以航空发动机为例,在设计初期,小到每个零件、大到完整的装配体能够通过计算机建立出全数字化的模型,通过计算流体力学(CFD)进行模拟计算和优化,让这台虚拟的数字发动机满足客户对于推力、油耗、碳排放的需求。

  随后,数字模型被送入智能工厂,在这里,不仅每台制造、加工设备都通过大数据智能相连,让生产装配的每个流程都自动化智能化,连供应链上的生产、仓储、交付等各环节也能在全球化平台上运行和处理,极大提升生产制造效率。当发动机交付给航空公司客户后,每一台运行中发动机的海量数据都会实时上传到制造商的数据库,通过云计算、数据分析来监测发动机的健康状况,保证后续运营维护的高效性。不仅如此,与发动机性能相关的数据还会反馈给设计与制造部门,从而促进制造商改进发动机设计、提高产品竞争力,形成涵盖航空全产业链的良性循环。

  这一切,在罗罗已经逐步走向现实之中,数字化设计已融入罗罗设计研发中,先进的计算手段让设计工作更高效可靠。罗罗遍及全球的智能工厂已实现了数据互联,无缝连接的全球化供应链管理系统保证了制造的品质与效率。在售后服务方面,罗罗采用健康管理系统(EHM)跟踪全球10万台在世界各地的运营发动机的健康状况,遇到问题会及时通知航空公司维修、调整。今年7月,罗罗与微软签署合作协议,罗罗将微软高效的物联网云计算解决方案整合进罗罗的TotalCare维护服务中,对大量发动机数据进行智能分析和预测,来帮助航空公司进行排故、维修预测、航油管理、航线规划等。

  不过,保罗斯坦恩认为,决定工业4.0概念成功与否的重要因素在于标准化。全世界都在积极推动数字化、智能化的工业改革,各行标准很难达成共识,只有统一的标准才会促进全球工业化几何式增长。目前罗罗正积极参与工业4.0标准的制定,并与欧洲和美国的政府展开相关合作。

  技术创新带来变革源动力

  正如保罗斯坦恩所说,新时代的工业革命虽然不再聚焦于单一技术的突破,但是对于新技术的研发力度丝毫不能减弱,且在数字化时代,前沿技术的集成化更为重要,制造企业在技术创新上将面临更大挑战。

  从20世纪40年代世界上首台投入使用的民用涡扇发动机,到70年代的三转子发动机,再到如今占据全球宽体客机发动机市场半壁江山的遄达系列发动机,罗罗一直在技术创新上大步前行,长期引领着航空发动机前沿技术的发展。 保罗斯坦恩透露,全集团每年花在研发上的投入达14亿英镑,这相当于罗罗全年收入的10%;罗罗还在全球31所大学设立了技术研究中心,聚焦最先进的技术。大量的资金与资源投入,只为确保罗罗在核心业务上的行业领跑地位。

  与几十年前不同,当人们谈起罗罗的航空发动机,所想到的不仅是三转子,罗罗在宽弦风扇叶片、3D打印等革新技术上的应用亦取得了卓越的成效。在罗罗最新的遄达XWB商用涡扇发动机上,设计与工艺创新的成果随处可见。仅空心钛合金风扇叶片中涉及的技术专利就超过60项,罗罗花费10年的时间不断改进风扇叶片技术,在大尺寸、低密度与高强度上获得平衡。风扇叶片由3片超薄的钛合金材料扩散焊接而成,而后在近1000C的熔炉中用氩气使外侧的两片钛板膨胀,中间层被拉伸成Z字形,最终形成三维空心叶片。这种结构类似建筑上的瓦楞结构,具有重量轻、刚性强的特点,加上大直径宽弦超掠叶片的设计,为发动机带来高效率、低噪声和抗外物损伤性等优势。压气机部件的整体叶盘设计减轻了15%的重量;燃烧室采用的陶瓷涂层隔热材料在保证部件可靠性的基础上将燃烧室温度提高到2000℃,从而提升燃油效率。多项创新技术的应用,使得遄达XWB发动机的油耗比同类型产品降低10%,仅这一项就能为客户每年每架机节省250万美元,因此空客最新的远程宽体客机A350WXB选用了该款发动机作为唯一的动力来源。遄达XWB发动机已于2015年投入运营,累计订单超过1500台。

  此外,罗罗还将3D打印技术用于遄达XWB的制造。2015年,罗罗采用3D打印技术生产了遄达XWB-97发动机上直径1.5米的钛合金前轴承座,该部件是目前最大的3D打印航空发动机组件,组件包含的48个叶片也采用3D打印技术生产。保罗斯坦恩介绍,不仅在航空发动机上,罗罗的船用柴油发动机、燃油喷射系统都有3D打印技术的应用。不过3D打印并非魔法,它主要针对的是结构复杂的几何体、模具或一次性产品,对于制造工艺成熟、质量要求高的零部件还需采用传统的制造技术。

  为了更好地推进技术创新,罗罗以20年为周期规划和推进科研投入。5年愿景着眼短期,将成熟技术融入产品;10年愿景关注能应用于实际的新技术;20年愿景则放眼长远,聚焦新兴科技,任何新技术都有可能改变未来。在罗罗的下一代航空发动机Advance 3中,可以看到许多目前热门的航空新技术,比如碳钛合金风扇、复合材料机匣、陶瓷基材料等。Advance 3预计2020年后投入使用,其涵道比高达11,总压比超过60,目标是较第一代遄达发动机的燃油消耗降低20%。

  基于Advance 3发动机,罗罗的10年规划中包括了下一代UltraFan发动机。在新的发动机上,罗罗放弃了传统的三转子结构,取消低压涡轮,采用齿轮箱将可变桨距复合材料风扇与低压压气机相连。通过齿轮传动,让风扇和压气机各自工作在最优效率之下,从而加大风扇直径,以实现涵道比15、总压比超过70、燃油消耗降低25%的目标。事实上,齿轮传动并非全新技术,竞争对手美国普惠公司就以齿轮传动作为新一代静洁动力齿轮传动涡扇发动机的核心技术,并且在投入运营后获得了高效节能的良好反馈,可见齿轮传动技术应用于主流发动机研制的高效可靠。罗罗的后发源自厚积:已经投入使用的美国F-35B战斗机的升力风扇就是采用了罗罗的齿轮传动技术。2015年,罗罗与利勃海尔宇航在德国成立平股合资公司,开发和制造用于UltraFan发动机的动力齿轮箱。

  放眼未来,保罗斯坦恩还谈到了开放式转子技术与混合电力驱动技术。罗罗现研的全新核心机可以适用于开放式转子发动机,不过该技术最终是否投入商用则取决于飞机制造商的需求。而混合电力驱动技术则是罗罗20年愿景中的重要部分。正如保罗斯坦恩所说,罗罗的创新是一系列接连不断地改进、突破与变革,是用对未来的无尽想象保持现在的持久生命力与竞争力。

  奏响全球化的乐章

  全球化的发展思路是罗罗践行数字化发展的关键,帮助罗罗在国际市场保持竞争优势,也能弱化政治和其他突发因素带来的不利影响。

  今年6月,英国举行全民公投,最终脱离欧盟。英国脱欧对于像罗罗这样的大型航空制造企业而言并非利好消息,罗罗全球近50000名员工中有四分之一来自除英国之外的欧洲大陆,很多工厂和客户也来自欧洲地区。如今的结果虽然并非罗罗希望看到和选择的,但保罗斯坦恩强调,罗罗始终保持对英国的信心和承诺。从短期来看,英国脱欧对罗罗的直接影响较小, 保罗斯坦恩将原因归结于罗罗的全球化:罗罗是一家全球化的公司,有超过三分之二的全球收入、超过四分之三的订单额来自于欧洲以外的国家。

  罗罗的全球化体现在产业发展的方方面面。罗罗建立的融合工业部门、企业和高校资源的全球先进制造体系(AxRC)由7个研发制造中心构成,其中5个位于英国,剩下两个在美国和新加坡。罗罗的全球供应网络覆盖70个国家的8000多个供应商,其中2000多个来自北美,500多个来自亚太地区。在罗罗的制造成本中,约70%的价值用于向世界各地的供应商购买产品和服务。罗罗就像一支庞大交响乐队的总指挥,有条不紊地指挥着覆盖全球的研发制造网络的运行,为来自全球的客户奏响航空动力的美妙乐章。

  在罗罗的全球化征程中,罗罗与中国的合作历程已有50余年,包含供应链采购、生产制造、科研合作与商贸合作等。罗罗所有业务(包括船舶和核能)在中国的年采购额约2~3亿美元,中国航空制造商越来越多地参与包括遄达1000、遄达7000和遄达XWB等在内的航空大型发动机项目;在技术开发领域,早在2009年,罗罗就与中国科学院沈阳金属所签署合作备忘录,共同研发钛铝合金,利用新材料和新工艺生产低压涡轮叶片;罗罗与中国民航局合作开展的中国民航中青年领导干部培训已经进行了20年;而在市场方面,目前国内在役的罗罗商用航空发动机有千余台,遄达系列发动机20%的订单出自大中华区,罗罗在北京新设立了面向客户的大中华区服务中心,为客户提供更优质的服务。

  现在,中国制造2025行动计划的出台不仅是对国内制造企业的政策红利,也给罗罗融入中国市场提供政策支持。一方面,中国制造2025把宏观的产业目标细化到具体行动计划,能够更好地聚集各方资源,加速产业发展的步伐;另一方面,中国制造2025鼓励高端制造业的国际合作,营造更优的全球化合作环境,保罗斯坦恩说。不仅如此,互联网+制造的中国模式与罗罗用数字技术变革航空业的思路不谋而合,双方将通力合作,在航空工业发展的新旅途上实现更加全面深入的互利共赢。

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