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赛威短舱(从航空钢材到触觉传感器)

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  • 2024-03-15 06:01
  • 龙泉小编

航空发动机短舱

航空发动机核心部件

航空发动机作为飞机的核心,为飞机提供动力,其技术难度极高,尤其是在军用发动机方面,作为三代机、四代机的核心装备。据测算,未来20年民用大中型的航空发动机市场空间超过1.6万亿元。未来20年中国需要新增民航大中型飞机超过6300架以上,潜在民用航空发动机新增需求超过1.3万台。

如果说发动机是飞机的核心,那么发动机短舱则是确保核心能够正常运转的保护罩,是飞机飞行的关键设备,涉及飞机性能、操作安全性、系统可靠性、重量、成本和环保等相关的关键航空技术。

短舱是在飞机上安放发动机的舱室,主要由发动机进气道、整流罩、内部固定装置、反推装置和尾喷口组成。短舱主要作用是固定发动机,优化发动机气流,保护发动机免受外部损害;发动机短舱将发动机包裹其中,保护和发动机,并为发动机部分附件提供安装平台。短舱通过发动机后端与飞机连接,短舱需要保障发动机在各种飞行状态下均能正常工作,并将发动机的推力转化为飞机的动力,在飞行时实现推进和转向等操作。

国内外短舱主要厂商

短舱作为发动机核心设备,其重要性不言而喻。但世界上能研制民用大涵道比发动机的共有3家公司,分别是美国通用电气(GE)、普拉特·惠特尼集团公司(Pratt &;Whitney Group )和英国的罗尔斯·罗伊斯(Rolls-Royce)。

而能独立研制高推力大涵道比涡扇发动机短舱的公司仅有两家。一个是航空顶级制造商美国古德里奇(GoodRich),生产新一代大涵道比航空发动机短舱,运用于波音787和空客A350/A320neo等,也包括庞巴迪C系列和巴西航空公司的E系列支线飞机。另一个是奈赛公司(Nexcelle),由美国通用和法国赛峰合资,向波音737、A330等飞机的推进系统提供短舱。

目前我国尚无自主研制短舱的专门机构,高校也未设置相关学科。西安赛威短舱有限公司(SAVI),是由赛峰短舱公司与中航飞机股份有限公司(中航飞机000768.SZ)共同出资组建;致力于生产喷气发动机短舱组件,这在中国尚属首家。该公司现负责为所有的A320系列CFM56发动机生产短舱反推装置门,同时将生产中国商飞C919集成推进系统中的短舱组件。

触觉传感器

传感器市场现状

传感器作为一种检测装置,通过接收被测量的信息,按一定规律变换成电信号或其他方式的信息输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。传感器的特点包括:微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化;它是实现自动检测和自动控制的首要环节。因为传感器的存在,让物体有了触觉、味觉和嗅觉等器官。随着物联网技术的发展,传感器在物联网发展中所扮演的角色越来越重要,目前传感器产品需求大幅增加,并且重心逐渐转向技术含量较高的MEMS传感器领域,MEMS传感器的精确度决定了所收集信息的品质。物联网2017市场规模为1.16万亿,同比增长26%;预计物联网的高增长将带来传感器市场的行业景气,2017年传感器销售额125.71亿元,同比增长16%;预计2018年传感器销售额将达到133.06亿元。

传感器主要以人类的五感划分为五大类:

分别包括视觉传感器(光敏)、听觉传感器(声敏)、嗅觉传感器(气敏)、味觉传感器(化学)以及触觉传感器(压敏、温敏、流体传感器);由于触觉是接触、滑动、压觉等机械刺激的总称,而大部分生物的触觉器遍布全身,而且种类不一,因此通过皮肤的感知的触觉只能定性而无法定量,因此触觉传感器的技术难度远远高于一般传感器。

目前触觉传感器主要应用于四个方面:

1)让假肢获得接近真实的触觉;目前假肢可以让截肢者拥有部分功能但是并不能获得触觉,而触觉传感器可以通过模拟皮肤中的神经元传导信号,即“电子皮肤”;

2)力传感器赋予工业机器人手腕触觉,可以感知机器人和机台的所有力,富士康于2017年引入数千机器人取代工人更是证明了未来制造业采用工业机器人是大势所趋;

3)触觉传感器应用于仿生机器人,它们可以在严苛的工作环境下进行作业,替代人类但同时又可以获得相应的感知数据;

4)穿戴式触觉传感器,近年来便携式智能电子产品发展日新月异,出现了众多多功能的可穿戴设备。而穿戴式触觉传感器是可模仿人与外界环境直接接触时的触觉功能,主要包括对力信号、热信号和湿信号的探测。同时穿戴式电子产品朝集成化方向发展,将成为具有良好柔性、空间适应性和功能性的穿戴式平台。除此之外,触觉传感器的适用范围将大大拓宽,在人机交互系统、智能机器人、移动医疗等领域具有巨大的应用前景。

国内触觉传感器市场归因

与国外相比,国内触觉传感器的发展仍有较大差距,目前国内市场中消费的绝大多数的触觉传感器均来自于欧美日韩等地区。国内市场市场和科研进展缓慢,主要集中于以下几个方面。

生产商制造工艺欠缺。目前国内有100多家企业进行传感器的生产,但是国内传感器企业大多从事生产气体、温度等类型。触觉传感器最重要的要求就是精确,而这一要求将我国触觉传感器的发展拒之门外。我国大部分关键零件依赖国外进口,主要原因是在于其缺乏稳定性和一致性,因此进一步阻碍触觉传感器的发展,形成了依赖进口、内生乏力的恶性循环。

制作材料纯度欠缺。除了生产工艺之外,制备材料也是制约行业发展的重要因素。石墨烯作为未来触觉传感器柔性发展的重要材料,目前只达到生产的标准,而尚未达到可以制作传感器的标准。因为材料纯度不够,将会影响电流传递,进而影响传感器的稳定性和灵敏度。

技术复杂,扩大发展鸿沟。日本在触觉传感器产业化方面较为领先,而其他国家大多处于实验室阶段。国产产品由于技术鸿沟将长期处于落后:一片巴掌大小的日本阵列式传感器售价10万元,并能保持严格的均一、稳定性;而国内产品多为一点式的,售价100元左右。但是其中的品质相差巨大。

国内主要公司

国内对触觉传感器的发展早有布局,但目前仅限于实验室阶段。

我国在触觉传感器的一种——多维力传感器的研究方面,很早就进行了布局。1987年东南大学和中国科学院合肥机械智能研究所获得863重点专项的支持,研制六维力传感器。目前静态精度已经达到误差率仅为1%—2%,和世界先进水平差不多;但是动态精度还有较大差距,动态耦合误差在5%—10%左右,还尚未达到工业机器人所需的使用要求。目前一个工业机器人的平均造价为12万元,而六维传感器的成本占据1/4,目前国内工业机器人还不具备规模化生产的要求。

可穿戴电子元件将成为未来传感器的发展趋势,其中“电子皮肤”将是重要的发展方向。得益于新材料和新工艺的出现,电子皮肤触觉传感器发展迅速,其性能在多方面已能模仿甚或超越人类皮肤,研究成果已逐渐应用于生产生活、康复医疗等多领域。在“电子皮肤”引领的新型传感器制造产业链中进行布局,或将有望“弯道超车”。

航空钢材

航空钢材发展

航空用超强度钢材,一般因为其具有超强硬度的特性,被应用于大飞机等的起落架上。因为无论飞机是起飞还是落地,起落架作为支撑飞机的唯一部件,尤其是在飞机降落阶段,其承载的载荷不仅仅来自机身重量,还有垂直方向的巨大冲力。因此,起落架的强度必须达到一定要求,以适应频繁的起落滑行。

超高强度钢材可分为低合金、中合金和高合金三类,飞机起落架用的钢材,是典型的低合金钢,对“氢脆”非常敏感。因此未来钢材的发展需要重点关注超强度钢材的纯净度,否则将会影响航空器件的使用寿命。

国内外发展情况

目前以起落架钢材的使用情况来看,美国的300M钢使用范围最广,其强度在1900MPa-2100MPa,迄今为止,美国九成以上军民用飞机起落架材料使用的就是这种钢材。反观国内,首架C919飞机下线试飞时,起落架用钢材仍依赖于进口。

目前,我国的超高强度钢材研制水平与欧洲、俄罗斯相比基本相当,但在材料创新基础研究能力,尤其是高纯度熔炼技术方面与美国还有较大差距。

超精密抛光工艺

超精密研磨抛光方法

超精密加工技术标志着一个国家机械制造行业的上限,因为其在电子行业作为最后一道工序,对产品质量影响巨大。超精密加工是指加工误差小于0.01μm、表面粗糙度小于Ra0.025μm的加工,目前超精密加工已进人纳米级。而在超精密加工中,除了超精密切削、超精密磨削等高限制的工艺之外,超精密研磨抛光因为其独特的加工原理和设备,已成为超精密加工技术的重要组成部分。

事实上,研磨和抛光是两种工艺。研磨是通过研具与工件在一定压力下的相对运动对加工表面进行的精整加工;加工精度可达IT5~IT1,表面粗糙度可达Ra0.63~0.01微米。而抛光是利用机械、化学或电化学等方法,使工件表面粗糙度降低,以获得光亮、平整表面的加工方法。可以简单地将抛光看作是研磨的升级版。

全球抛光工艺

超精密抛光工艺在现代电子产业中,不仅仅是需要平坦化不同的材料,还需要平坦化多层材料;正因为抛光工艺,使得在方寸之间,可以形成上万至百万个晶体管组成的集成电路。可以说,如果没有抛光工艺,电子产业还处在庞然大物阶段。

过去的抛光工艺以物理抛光为主,但是摩尔定律使得传统手段无法满足变化需求,因此逐渐被现在的超精密抛光工艺取代;目前已经应用于多个领域,包括:集成电路制造、医疗器械、汽车配件、数码配件、精密模具、航空航天等等。

但就目前而言,顶级的抛光工艺仅有美日等少数国家掌握。主要是因为,抛光机的核心器件“磨盘”的技术垄断,使得美日拥有绝对的话语主导权。超精密抛光对“磨盘”的材料构成和技术要求非常苛刻。当抛光机处于高速运转状态时,需要控制热膨胀导致磨盘的热变形,否则就无法保证基片的平面度和平行度,而由热变形引起的误差在产品中将会形成“蝴蝶效应”放大。因此超精密抛光机的磨盘不仅要满足自动化操作的纳米级精密度,还需要确保精确的热膨胀系数。

美国日本等国际顶级的抛光工艺已经可以满足60英寸基片原材料的精密抛光要求,基于该项技术,牢牢把握住市场的主动权。日系抛光机的研磨盘均为定制,不进行批量生产,直接限制了他国仿制;而美国的抛光设备售价一般都在1000万元以上,而且订单已经排至2019年年底。

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