俄罗斯直升机制造业在创新中砥砺前行
本文由空天防务观察（ID：AerospaceWatch）授权转载，作者：张慧 中国航空工业发展研究中心
苏联积累的丰富直升机研制生产能力大多被俄罗斯继承，至今俄罗斯在重型直升机、共轴直升机的研制方面处于世界领先地位，并建立了雄厚的工业基础。当前，俄罗斯直升机工业仍旧具备除重直发动机外的几乎全部研制生产能力，产品仍旧以中、重型军机为主，轻型直升机研制生产能力相对较弱。俄罗斯从事直升机制造的主要企业大都是俄罗斯直升机公司（以下简称俄直公司）的成员单位，负责总装的企业包括“喀山直升机厂”股份公司、“乌兰乌德航空厂”股份公司、罗斯托夫直升机股份公司以及俄直公司与阿古斯塔-韦斯特兰的合资企业HeliVert公司；从事配套产品生产的企业包括库梅尔套航空制造厂、阿尔谢耶夫“进步”航空厂、减速器－PM公司等。俄直公司及下属企业作为直升机制造业整体能力的集中体现，目前正在采取多种手段措施谋求创新，加速工艺改造，以满足国内和军贸需求，增加产品市场竞争力。
一、推进复合材料及其工艺进步
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复合材料应用也逐步增加，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，罗斯托夫直升机公司在为全球现役最大的重型直升机米-26生产旋翼和舵面桨叶时，桨叶的大梁采用玻璃纤维浸透后组成带状材料缠绕（图 1），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。
图1 玻璃纤维浸透后组成带状缠绕直升机桨叶大梁
1. 一个篱笆三个帮
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帮助。俄直公司和联合飞机制造公司2015年9月签署长期战略伙伴协议，联合研制和生产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。
2. 他山之石
复合材料在航空领域应用扩大的趋势是因为特有的性能优势，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。俄直公司对联合飞机制造公司下属的“航空复合材料”公司的技术途径颇有兴趣，特别是在窄体客机MS-21上应用的非热压罐技术，用该技术可以在较少的装配工序中制备大尺寸集成结构。对于直升机来说，大型结构件的制造也是不可回避的问题。由于取消了热压罐，该工艺可降低零件制造人工成本，减少能源消耗、提高生产效率，但工艺质量控制难度较大，零件孔隙率难控制，有效解决了这些技术难题之后，采用非热压罐技术制造大型结构件甚至承力结构件能够简化工艺提高效率。同时尽管复合材料价格昂贵、生产复杂，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。为此，俄直公司打算学习联合飞机制造集团的成功经验，进一步利用航空复合材料公司乌里扬诺夫分支机构的最新的自动化设备完成直升机部件的制造。
3. 工欲善其事
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。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。米里直升机厂拥有了最早应用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（图 2），快速高效的建立了符合人机工程学的外形。
图2 3D打印的控制杆模型
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的增材制造具有广阔的前景，未来或将用于制造机体、旋翼的承力部件。
二、多举措促进管理水平提升
当前激烈的竞争环境对生产者提出了苛刻的要求，面对紧迫的复杂柔性生产决策，有必要借助数字模型管理生产过程。2014年俄直公司制定了提高效率和商业活动成果的政策，在设计过程、生产工艺准备过程、样件制造及服务支持过程引入数字化技术提高管理效率。
1. 全寿命管理的PLM系统
俄直公司从2008年开始积极采用3维设计和全寿命周期管理，推动了数字化技术在直升机生产过程中的应用。当前俄直公司下属企业正在持续发展在自动化生产过程方面的信息技术并引入数值概念，促使大部分样品拥有电子模型，推进无纸化生产过程等。当前市场条件和信息技术发展提高了对产品的要求，一成不变的固化的数据已经不能满足样品生产和服务需要，需采用实时信息在线完成任何工艺点的输出和数字控制，并将所有生产过程和生产对象数字化。为此，在俄直公司下属企业开始应用设计和生产全寿命周期管理系统（PLM），用于设计和工艺准备，当前任务是模拟生产过程，评估车间能力和参与的工作岗位，并在设备开始投入使用之前开展生产过程模拟。
2. 全过程监控的ERP系统
为高效率获得成果和集中能力学习掌握新信息技术方向，俄直公司提出了“数字化生产”的概念。此概念建立的基础是在统一的数据空间形成一致的设计工艺准备决策、计划和生产监控、产品品质、后勤保障和售后服务。为建立从直升机订货到车间交接班的设计和生产监控系统，俄直公司2016年开始引入企业资源计划（ERP）系统。目前制定和引入ERP的计划已经在俄罗斯直升机公司管理机构和罗斯托夫直升机公司运行，目的是保障公司计划和生产监控，打通 “公司－工厂－车间”的联系。俄直公司非常关注信息技术，预计将在公司包括直升机总装的全部业务领域积极应用并持续发展。在设计到工艺生产准备阶段，ERP系统将全生产周期的数据和过程作为设备和生产监控的初始数据，通过并行启动总装的决策，建设统一的信息空间。
3. 全员参与的“精益”思想
精益生产不是最新的事物，俄罗斯和国外企业已经多年前就开始形成相似的系统。俄直公司认为精益生产是合理开展业务的有效途径，包括需求研究、优化过程、完善所管辖的基础设施和发展人的思维和能力等方面工作，其核心思想是形成柔性的适应公司水平的人员和业务管理能力、日常自我完善的制度等。
俄直公司2011年开始引入精益生产的思想，形成了由40个专家组成的团队，力争提高过程有效性和建立持续自我完善的能力。2015年，俄直公司批准了精益生产经营系统领域的政策，出台了精益生产项目管理标准，标准规定所有项目优化都包含几个重要阶段，如诊断、设计、飞行等。每个阶段都有需要重点关注的问题，例如在诊断阶段，需从狭小的位置详细研究过程的信息，分析和确定问题。任何设备或系统在引入后必须能够发展、优化和持续完善，而不是简单的引入与废除。精益思想需要融入到每个员工的思想和行动中，因此，俄直公司未来将吸引企业工人参与到持续完善过程管理系统当中，从而提高工作效率。
三、搭建创新平台支持工艺改进
俄罗斯航空装备虽然总体设计出色，但在细节上往往给人留下“傻大笨粗”的印象。俄直公司当前的主要任务是利用积累的经验和现有的技术工艺能力，生产高品质和在世界市场上有竞争力的产品。为此，近几年来愈加注意生产设备及工艺的改造，并打造创新的平台作为实施工艺改进的基础。
1. 建设“专业化”中心
为更好的完成部件的生产，集中科研和生产技术资源用于产品研制生产的关键方向，落实《俄罗斯2025年前航空工业发展规划》，俄罗斯直升机公司成立了多个专业中心，在彼尔姆减速器公司成立了传动部件和试验台研制生产中心；在“进步”公司和彼尔姆减速器公司成立镁铝合金和钢结构的铸造生产中心，引进了3D系统、ExOne等现代化机床设备；在斯杜宾机械制造厂成立直升机升力系统部件研制生产中心；成立未来复合材料桨叶研制生产中心。
俄直公司的专业中心通过重构当前能力、集中工艺步骤、新建一系列现代化专项生产能力，优化生产场地规模，建立生产体系，成为了更有效的技术改造平台，为俄罗斯直升机制造业降低成本，提高产品质量，缩短研制生产周期奠定了基础。
2. 打造直升机制造中心
为提升制造能力，俄直公司不断加强基础设施发展。在俄直公司创新战略中提出，建立创新基础设施的重要方式之一是成立直升机制造国家中心，国家中心将集中公司全部的科研系统，包括直升机工程中心科研、结构设计、信息计算、试验研究、实验生产和飞行试验等部分。国家中心的主要任务是集中和强化增加科研试验和功能能力，提高创新产出率，缩短周期降低研制成本，保障俄罗斯具有较高竞争力的现代化直升机产品。通过基础设施建设保证提高劳动生产率和生产效率的同时，国家中心还将提高人员技能、建立质量经营系统、完善售后服务系统等，保证在2020年前新直升机的研制周期缩短到5－7年，产品成本降低12%～15%等目标。
3. 成立直升机制造园区
园区建设是俄罗斯发展直升机部件制造能力的重要途径之一。2015年10月，俄直公司开始实施生产能力和基础设施的整合方案，以便实现地理位置相近的生产过程再分配。该方案关键点是在喀山直升机厂和库梅尔套航空制造厂基础上成立统一的直升机制造园区，生产不同类型和用途的直升机。喀山直升造厂和库梅尔套航空制造厂分别是鞑靼斯坦和巴什科尔托斯坦非常重要的航空企业（图3），两家企业生产能力联合后，利用协同效应可以加大“米”系列和“卡”系列直升机的生产数量，提高收入指标和净利润。通过园区投资还将优化2018－2023年直升机产品生产和修理能力的分布、使财政资金在工艺改造上充分得到利用并均匀分配企业专业生产力，并在库梅尔套和喀山培养掌握创新工艺过程和高科技产品及部件生产的跨专业人才，使高技术人才数量及其专业水平不断提升。
图3 喀山直升机厂和库梅尔套航空制造厂的地理位置（红色：喀山，蓝色：库梅尔套）
除搭建创新发展平台外，俄直公司在生产工艺上不断进步，其下属多家制造企业都在积极引入先进加工技术，稳步提升工艺水平。表1中汇总了俄直公司当前应用的主流制造工艺及主要应用企业。
表1 俄直公司主要制造工艺应用
序号 | 应用企业 | 生产工艺 |
1 | 喀山直升机公司 | 橡皮液压成型法金属加工 |
激光钻孔 | ||
自动化生产线 | ||
2 | 罗斯托夫直升机公司 | 金属拉伸成型 |
在3D打印设备“S-MAX”上模型制备和成形 | ||
大尺寸样件加工 | ||
缠绕法桨叶生产 | ||
电镀生产 | ||
自动化部件装配 | ||
3 | 斯杜宾机械制造公司 | 磨料水射流切削 |
4 | “进步”航空公司 | 磨料水射流切削 |
混合冷凝成形 | ||
在3D打印设备“FORTUS 900MC”上模型制备和成形 | ||
在3D打印设备“S-MAX”上模型制备和成形 | ||
大尺寸样件加工 | ||
5 | 减速器—PM公司 | 大型减速器壳体加工 |
金属零件的化学热处理加工 | ||
齿轮切削 | ||
6 | 库梅尔套航空制造厂 | 织物浸润（预浸件制备） |
蜂窝结构铣切 | ||
7 | 米里直升机公司 | 铺层方法生产桨叶 |
8 | 乌兰乌德直升机厂 | 采购成品检验(基于地面自动检测诊断系统NASKD-200-171) |
9 | HeliVert公司（俄直与阿古斯特-韦斯特兰合资企业） | 水雾冲洗 |
涂装 |
总之，俄罗斯直升机产品要在国际市场上参与竞争，必将面临着更严格的性能、成本及售后服务要求，提升制造能力是俄直公司持续发展的基础，其工艺改进过程中折射出的创新思想、采取的切实措施及取得的实际效果都值得持续关注。
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