如何通过航空零件设计创新保持领先于竞争对手

在航空航天领域，争夺天空霸权的竞争始于更智能的飞机部件。零部件设计创新正成为制造商关注的焦点。各大公司正在重新思考关键部件的形状、重量、功能和结构。

更加注重零部件设计可以大幅降低成本。产品生命周期成本的约 70% 到 80% 是在设计阶段确定的，这使得设计阶段成为生产过程中成本杠杆率最高的阶段。工程师们正在努力减轻飞机重量，将机翼改造成模块化座舱，并围绕性能、效率和可持续性设计下一代飞机。

为什么零件设计是航空业新的创新战场

航空业领导者大力投资更具战略性的零部件设计来管理成本和供应链的不确定性。

达美航空和空客近期拓展了双方数十年的合作伙伴关系，以加速零部件和系统创新。通过空客的UpNext实验室，双方正在测试从先进机翼设计到飞机辅助系统等各种技术，旨在提高新机队和现有机队的燃油效率和结构响应能力。

达美航空通过参与测试和持续的设计反馈循环深度参与了空客的工程流程。

与此同时，达美航空还与JetZero合作，将一种截然不同的飞机结构推向市场。新结构采用翼身融合（BWB）设计，有望将燃油消耗降低高达50%。至关重要的是，这些BWB设计使用的是当今的发动机——这证明燃油效率的提升并不一定需要对推进系统进行大规模检修。

从传承到腾飞：超越传统设计

大多数传统飞机的设计并未考虑当今的燃油成本或排放目标。过去的飞机针对量产进行了优化，而如今的机身设计正在经历彻底的重塑。

JetZero 的 BWB 模型摒弃了狭窄的管状机身，转而采用直接集成在机翼上的宽体框架。该设计利用现有的发动机和机场基础设施，同时提供更大的升力、更小的阻力和更均匀的重量分布。

与此同时，空客启动了“超强性能机翼”项目，旨在探索新型可变形机翼，使其能够在飞行过程中进行调整，从而实现最高的气动效率。这些新型性能机翼的设计灵感来源于鸟类的飞行行为，其结构能够动态地响应气流条件。

在这两个示例场景中，推动突破的并非新材料或推进系统，而是对零件能够做什么、应该做什么的全新思考。

增材制造正在改变零部件行业

从理论上讲，增材制造 (AM) 可以让工程师打印几乎任何东西，减少浪费，省去模具，并加快迭代速度。实际上，波音公司已经使用增材制造为其飞机打印了超过 70,000 个部件，其中一些部件如今仍在飞行，其强度重量比甚至优于机加工部件。

这项技术带来的优势远不止于重量和成本。增材制造技术解锁了设计的功能，例如晶格结构、空心内部结构和内部冷却通道等复杂的几何形状，这些曾经被认为是传统加工无法实现的。而增材制造技术让这些设计变得触手可及。这些创新技术能够带来更佳的热性能、减振性能和疲劳寿命，尤其是在恶劣的飞行环境中。

波音公司打印的环境控制管道就是一个突出的例子。工程师们利用3D打印技术重新设计了内部结构，将零件总数从几十个减少到一个，从而大幅减少了装配工时，减轻了重量，并提高了气流效率。

增材制造的广泛应用让当今的设计团队可以自由地重新思考什么是可能的。

增材制造与混合制造的结合：多工艺零件制造的兴起

虽然增材制造为复杂几何形状的制造打开了大门，但它并非最终的解决方案。越来越多的制造商将增材制造工艺与数控加工等减材制造技术相结合，以实现严格的公差、更光滑的表面或结构增强。

这种混合方法有时被称为“增减制造”，它正应用于需要内部晶格结构来减轻重量，但又需要加工表面以便螺栓连接或与传统部件配合的部件。该模型允许设计灵活性和配合精度。

波音公司和其他原始设备制造商已开始投资混合机床，这些机床可在同一设置中在激光沉积和铣削之间切换，从而降低废品率并能够更快地对以前无法制造的零件进行迭代。

采用混合方法的航空航天设计团队可以利用制造业作为更大胆想法的跳板。

仿真在下一代零件设计中的作用

设计更智能的部件始于建模软件。航空航天行业的领导者高度依赖仿真工具，在部件投入生产之前对其进行虚拟压力测试。这些数字化评估，无论是针对热应力、流体动力学还是随时间推移的疲劳，都使工程师能够更有效地及早发现问题、快速迭代，并省去昂贵的物理原型设计环节。

波音和空客等公司已经在使用西门子 NX、Ansys 和达索系统等工具来验证新部件、预测材料疲劳并模拟整个系统的性能。对于复杂的增材制造部件，这种模拟至关重要。波音的增材制造团队使用建模来测试拓扑优化（高效、轻量化的几何形状）的部件，而这些部件是无法用传统方法进行评估的。

这些工具对于规模化生产也至关重要。随着零件变得越来越复杂，仿真减少了多次昂贵的构建和物理测试的需求，从而在不影响安全或认证标准的前提下，以更快、更经济的方式进行创新。

精益、敏捷、经过飞行测试

创新的部件设计只有在可扩展的情况下才有意义。因此，现代设计团队正在将敏捷开发、基于仿真的验证和实际反馈循环相结合，以安全地加速周期。

达美航空与空客的合作包括“fello’fly”的实时飞行测试——这是一种模拟大雁迁徙时V字形飞行的技术。领头飞机产生的上升气流，尾随飞机可以借此减少阻力并节省燃油。这项空气动力学优化技术是通过在试飞开始前进行精心的系统设计和广泛的模拟才得以实现的。

与此同时，像 JetZero 这样的公司正在将精益原则应用于整个飞机设计流程。通过专注于更少、多功能的部件，并构建数字孪生通过早期研发飞机，他们能够更快地进行迭代，并与达美航空和美国空军等合作伙伴进行更深入的合作。

这种快速设计、经常测试、不断尝试的方法正日益成为先进航空航天项目的标准。

跨行业灵感：借鉴汽车和国防

航空航天业或许正在不断突破飞行极限，但其一些最明智的零部件设计策略却来自行业之外。汽车和国防领域长期以来一直是轻量化、模块化和面向制造设计实践的先驱，而如今，这些领域的洞见正渗透到航空领域。

例如，汽车行业对生成式设计软件的使用为优先考虑材料效率的飞机零部件铺平了道路。通用汽车的3D打印安全带支架——一个零件取代了八个组件——在概念上与波音公司将数十个管道部件精简为一个增材制造部件的方式类似。

与此同时，国防部门在模块化武器和无人机系统方面的悠久历史，也促使人们重新思考飞机内饰和维护规程。空客对模块化货舱和乘客区的探索直接借鉴了国防设计，因为国防设计需要快速重新配置任务。

这些跨界策略表明，零件设计的创新无需从零开始。有时，优势来自于对已在高风险环境中得到验证的经验的运用。

如何确保您的零件设计流程面向未来

你无需像空客或达美航空那样，也能实现方法的现代化。你只需采取一体化的设计方法即可。最具前瞻性的航空航天团队从一开始就将设计、测试、制造和可持续性视为一个整体。

这意味着：

人为因素：运营商和维护人员如何影响设计

航空领域最智能的部件设计兼具空气动力学、成本效益和人性化。制造商在设计部件时越来越重视维护人员、飞行员和操作员的需求——因为即使是最先进的部件，如果在实际条件下难以使用或维修，也会出现故障。

达美航空技术运营部门的工程师与设计合作伙伴紧密合作，减少紧固件数量，并简化关键系统的接入点。一些看似微小的改变，例如调整锁扣方向或添加视觉指示器，每年都能为整个机队节省数千小时的工时。

飞行员也会影响设计。空客推出侧杆控制器和平视显示器，正是源于驾驶舱反馈，旨在减轻认知负荷，提高高压力情况下的反应时间。

随着客舱模块化和科技化程度的提高，航空公司员工越来越多地被要求就用户体验进行咨询。达美航空参与JetZero的内饰规划不仅仅是为了美观。员工的意见有助于确保服务人员能够高效地使用储物空间，为行动不便的乘客提供支持，并在飞机上安全地移动。

那些与最终用户互动的公司，会超越理论性能，根据实际情况进行设计。这种常被忽视的人为反馈回路，往往是制胜的竞争优势。

替代推进设计

向氢能、电力和可持续航空燃料 (SAF) 的转变正在改变设计师从第一天起必须规划的内容。

例如，氢推进需要低温储存和高压密封。这会改变一切，从重心到结构加固的位置。空客的ZEROe项目（其中包括一架氢燃料商用飞机）推动了早期部件设计的创新——从隔热罩到在强烈冷却循环下不会断裂的材料。

电动飞机带来了不同的权衡。电池很重，容易过热，这意味着其他部件的轻量化以及更智能的气流设计至关重要。热管理和冗余要求也促使设计团队重新思考电机、管道甚至客舱设备的传统布局。

总体而言，设计更环保的推进系统意味着重新设计其周围的环境，而这从零件层面开始。

竞争性制造商的启示

如果您仍将零件设计视为线性流程中的固定阶段，那么您就有绝佳的机会重新思考整个产品生命周期，降低成本，加速开发，并从头开始打造更具弹性、面向未来的飞机。

波音公司正在设计五年前根本不存在的零部件。空客正在以雁行飞行作为航线效率的模型。JetZero 正在重新思考飞机是。这些不是附带项目；它们是由优先考虑安全性和可持续性的跨职能、模拟优先文化所实现的主要举措。

飞行的未来在于细节。旧方法行不通。新的设计，在智能工具和来之不易的经验教训的磨练下，最终铸就了竞争优势。这就是飞机经受考验的方式：精简、高效、准备就绪。

准备好构建下一步了吗？预约一次快速对话；今天我们就来聊聊。

资源：

CIRP年鉴

达美新闻

达美新闻

波音智商

空中客车创新中心

空客 ZEROe