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1940:美国飞机工业换上战争档   

2017-05-25 23:55:58|  分类: 航空知识 |  标签: |举报 |字号 订阅

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1940:美国飞机工业换上战争档 - 司古 - 司古的博客
如果从飞机工业诞生的时间算起,二战前美国的飞机制造业并不算老成,当时飞机工业领导者而言,他们刚刚凭借可怜的订单撑过30年代中期的萧条时光。等到政府订单一下子铺天盖地纷至沓来,他们现在担心的再也不是可怜的订单,而是生产能力的巨大缺口。然而,美国飞机工业最终完成了这一历史使命,政府需求不仅得到了满足,还被最终反超。推究其中原因,我们会发现美国工业军民融合(事实上当年还没有这样的词汇)的特色发挥了历史性的作用。
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二战时期美国堪萨斯州堪萨斯城北美公司内批量总装的B-25“米切尔”轰炸机

大家一起造飞机
战争时期,美国政府动员了一大批很少或从未从事过航空生产的企业加入飞机工业,它们为飞机工业快速扩充产能立下了汗马功劳。其中最为值得一提的是福特柳林工厂,该厂创下了单一工厂机身年度产量的最高纪录。用一连串的数字来讲述美国飞机工业的战争故事也许更加直观:整个二战期间(1942~1945),美国飞机工业总计生产了超过300 000架飞机,平均每年95 000架。如果从产值上来看,战争开始前,飞机工业在全美各行业排名仅位居第44,战争结束时跃升到第1位。这些数字在向我们讲述一段相当惊人且堪为案例的融合式发展故事。
战争初期,美国飞机工业面临的还是一种相对简单的“线性挑战”,当时美国政府要求加速生产和交付那些已经完成测试和验证的飞机,虽然这项工作并不轻松,但通过增加相应的人员和设备就能完成。此时,美国大规模飞机制造工业尚不存在,飞机产量太少,熟练工人太少,生产设施太少,工装设备太少。面对战争的需求,一切都显得无法适应。战时担任洛克希德公司总裁的罗伯特?格洛斯说,“飞机工业被唤醒了,过去它们只生产几十架飞机,现在要生产上千架。这就像要一个初中还没毕业的年轻人立即去上大学一样。”
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1938年英国发出的200架洛克希德“哈德逊”(Hudson)轰炸机订单对于战前美国飞机工业是创纪录订单,这一数字与后来几何级数增加的产量相比几乎不值一提。

要想理解美国飞机工业在战争中创造的奇迹,必须先了解战前的美国飞机工业现实状况。1938年算是个很好的参照点,当年美国飞机工业交付的军用飞机总数是900架。整个飞机工业雇员总数为36 000人,在劳动力数量上甚至还排在针织袜业之后。那时一张50架飞机的订单都能挂上可观的标签。也是在这一年,飞机工业开始扩张,不过扩张的动力并非来自美国政府,而是英法两国。1938年6月,洛克希德接到了英国空军200架飞机的订单,这是两次大战之间美国飞机工业拿到的最大订单——利用洛克希德14型运输机改造而成的“哈德逊”轻型轰炸机。到战争结束,洛克希德累计制造了近3 000架“哈德逊”。日本不经意间帮助了洛克希德——英国发出这笔200架的订单时,洛克希德的经营已经跌到谷底。当时公司的经营,几乎全部都维系于来自日本的14型运输机订单,公司几乎看不到任何未来的希望。如果不是军民结合,洛克希德就坚持不到太平洋战争爆发。洛克希德一位原高管回忆说,“如果没有日本的订单,洛克希德就面临停产,而英国也不大可能向一家停产的企业发出如此大笔订单。也许我们应该感谢日本,他们的订单让洛克希德坚持到美国政府按下飞机工业的战争模式键。”
其他一些飞机制造企业和发动机工厂也都得到了一些来自国外的订单,到1939年产量出现了难得的上升,但产品交付的速度与即将到来的战争需要完全不是一个量级。即便拿着国外订单,1939年美国飞机工业也仅仅造出了2 250架飞机军用飞机。

罗斯福总统:狮子大张口
1940年5月,罗斯福总统抛出了一枚重磅炸弹——要求美国制造出50 000架军用飞机。“当总统提出著名的‘50 000架飞机说’时,”时任普惠公司总经理霍尔纳回忆。“我们并不知道他指的是年产量还是总产量。后来总统明确说是年产量,我们全都震惊了。”即便是总产量,这一数字也足以令航空工业大吃一惊。罗斯福总统立即建立相应政府机构来协助扩大飞机生产,政府花费了几个月时间,此后才开始向各公司发出订单。
这几个月的延迟似乎有足够的理由。在大多数美国人看来,远在欧洲的战争是一场遥远的大火,不大可能会波及到5000千米外的大洋彼岸。此外,当时美国政府也没有合适的动员方案。在制品的飞机型号也不多。如果做个统计,你会发现美国在二战中装备使用过19种主要飞机型号中,在1940年中期只有4种型号在批量生产。
1940年7月时,美国军队的采购程序还相当繁琐,必须在耗费时日的采购竞标评估程序之后才能下达订单。而没有政府确认订单,银行不会为生产企业提供必须的融资服务,当时也没有向政府企业提供融资的机制。一些意识到战争形势紧张的企业开始自己筹集可怜的资金来扩充生产,另一些企业原本能着手扩充,却苦于没有资金,只能等待。
在这几个月里,美国政府开始着手建立政府–工业的关系机制,其中包括程序制度、合同程序以及利润限制等政策。美国政府意识到,他们需要把另一些设施较为完善的其他企业纳入到飞机生产计划中。除了陆军航空队、莱特航空制造公司和通用汽车公司凯迪拉克分部之间制定过一个生产协调方案外,当时美军也没有在飞机制造企业和其他工业企业间建立起预动员协调机制。
在这些困难局面下,1940年美国也才生产了6 000架军用飞机。到1941年中期,政府和飞机制造工业终于解决了一些困难,重建融资公司开始为新企业提供资金。军方开始发放订单,一些新型飞机开始进入批量生产。美国军用飞机年产量飙升到20 000架。美国飞机工业开始从一档调速到二档,但这仍然不是战争所需要的速度。
再后来,就是珍珠港的升腾烈焰。3个星期后,国防咨询委员会生产分会干脆抛开了那个原本已难以企及的50 000架年产目标,提出了新目标:到1944年把军用飞机年产量提高到66 000架!

融合特质实现飞机工业模式切换
鉴于军用订单在一战结束后大幅度萎缩,美国飞机制造工业很大程度上依赖民用产品维持经营,其雇用劳动力数量与订单规模呈正相关变化。政府提出的产量目标面临最大困难是劳动力不足,珍珠港事件之前,飞机制造业雇员总数已经扩充到约350 000人,但仍显短缺。飞机制造工业开始在社会上紧急征召工人,好在战前美国民用工业在规模化产业化过程中,积累了庞大的工人群体,相对较好的社会教育水平,也为熟练产业工人的养成准备了条件。一时间,各行各业的人纷纷涌入飞机制造业,其中包括大量妇女,有效缓解了好动力的短缺问题。各个飞机制造工厂快速转入24小时生产体制,在本地劳动力不足的情况下,总装厂开始考虑在其他劳动力充足的地区建立部附件工厂,就近利用劳动力资源,同时免除了工人们长途奔波问题。也就是在这一时期,美国飞机工业开始逐步走向了总装中心和部附件加工供应网络的格局。
融合型飞机制造工业的一个显著特点是具有很强的应变能力,并在此方面发挥了很高的主动性和创造性。过去专注于民用飞机生产的企业,在战时生产中面临的另一个问题是设计变更。一款军用飞机的改进完善,会一直持续到这款飞机退役。在漫长的制造过程中,飞机的设计会不断变更。在和平时期,制造企业还可以慢条斯理地处理变更,但战争时期,设计变更就为满负荷生产的企业提出了全新挑战。
设计变更的原因五花八门,有些是原始设计中遗留的Bug(缺陷),有些则是使用和测试中提出的改善需求,还有一些则是战场形势的变化产生的修改意见。随着越来越多的飞机投入前线,越来越多的飞行员驾驶它们参战,各种各样的抱怨和建议纷至沓来,设计人员必须对原始设计进行改动。
有些设计变更很容易对付,但另一些属于重大设计变更,需要企业停止某一型号的批生产,重新考虑制造工艺问题。好不容易完成了某项重大改进,生产线刚刚重新理顺,恢复到满负荷状态,另一项重大改进要求又到了,必须立即实施。通用汽车公司东方飞机分部是战争时期格鲁曼的授权分包商,负责制造海军F4F“野猫”战斗机。当时海军向该厂发出的一项改进需求是增加飞机的机枪数量,这听起来好像很容易,但实际上却涉及上千项设计变更。
共和公司P-47“雷电”是二战中最为著名的盟军战斗机,该机于1940年7月开始设计,短短10个月内,共和公司就完成了验证机的制造,并初步建成了一条生产线。初期飞行测试中,工厂发现了一些设计缺陷,通过设计变更解决了这些问题。在测试完成前,第一架飞机就走下了生产线,后续测试又发现了一些问题,这导致首批飞机无法参加空战。在生产线上,这些问题逐步得到解决。但即便如此动作迅速,P-47直到1943年才真正大规模投入作战。随着作战,作战部队又提出了更多变更需求。陆军发现其昼间轰炸机必须在战斗机护航下才能有效参战,于是选择了P-47担负护航,这就要求飞机的航程和速度有较大的提升,为此飞机必须换装新型发动机,加装机腹油箱,结果是飞机必须进行重大结构改动。战争结束时,共和公司总计生产了B/C/D/G等6种主要型别,每一种型别都有几种Block(批次),每一个批次都体现了细微的技术改动。
普惠公司的R-1830活塞航空发动机和公司的其他委托产品都常常被认为是一个单一型号,但事实上在这个型号下却有着6种主要型别,从型号后面横线后缀的数字上就反映了这一点。统计显示R-1830总计有24个型别,这些型别之间几乎没有完全的互换性。当年在美国飞机制造企业的生产线上,工程技术人员不得不经历这种难熬的变更时光:他们必须在苛刻的时限内解决一个又一个变更问题。

生产方式革命:向汽车工业学习
    对于飞机工业,军用产品和民用产品只有用户要求的不同,其产品本质并无差异,为了用户需求,融合型企业必须解决一切生产技术问题。1942年时,美国航空工业还在应用工艺车间模式。工艺车间集中使用通用设备,从这里制造的零部件会被送往装配区分期分批实现总装。战争前这种方式颇受推崇,也能适应当时的产量要求。但一旦生产速度要求火力全开,这样的方式就出了问题,因为这样的生产节奏是间断而不是连续式的。以这样的方式,企业永远满足不了政府的需求。
线式生产,或者叫做流水线生产开始被应用起来。在流水线作业中,各种基本产品和零部件会以一种可控的,渐进式的流速进入作业区域,这种方式早已被美国汽车等工业所采用。但这对于飞机工业却是全新的——战前瘦削的订单让企业根本无法应用这样生产方式。飞机工业做出这种转变,不仅仅是重新布置工厂和设备的问题。工厂必须建立起一系列产品通道,通过大量繁琐细致的规划工作,让各种正确的零件在正确的时间抵达正确的位置。为了满足流水线生产的要求,工厂必须设计全新的工装设备、工艺方法和制造技术。这在任何时候都绝不是轻松的任务,现在企业要在不断变更设计的需求中完成这些,难度可想而知。美国汽车工业早就成功运用了流水线方法,其主要原因是企业在批量生产前会先冻结设计方案,但战争的急需使得飞机设计方案无法冻结,制造企业必须一面进行生产流程再造,一面紧锣密鼓地在生产线上完成制造变更。
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战争时期底特律汽车城迅速变身为坦克城。这是克莱斯勒公司坦克工厂的M3中型坦克总装线,可以看到三条总装线同时作业:汽车工业早已驾轻就熟的大规模流水线作业立即被用于坦克生产。然而对于工程复杂程度更高的飞机,从小规模制造到流水线作业的转变则相当困难。

哈佛大学商学院研究组在战后进行的二战飞机工业分析报告曾这样表述飞机制造业的重大转折:飞机工业最终在制造工艺中引入了柔性制造理念,从而能在不断变更设计的环境中成功运用流水线生产方式,为大工业生产的管理科学做出了重大贡献。
虽然流水线作业方式可以从汽车等行业借鉴,但飞机的机身结构和发动机的固有特点使得飞机工业无法全盘采用汽车工业的成熟流程,必须进行重大的改变。参与战时生产的许多非航空企业,现在必须对他们的工厂来一次乾坤大挪移,他们必须满足和平时期生产中从未遭遇过的严格公差要求,重新训练他们最为熟练的工人,建立庞大的供应商网络。非航空企业从飞机原始制造商那儿取得了和平时期用来指导生产的工艺图表、工时规划方法、产品物流规划表等其他一切工艺资料,但是发现这些他们真正需要的东西并不存在——原有飞机制造企业也都在摸索着向流水线式生产转化,他们也只能依靠自己。
另一方面,航空企业也不得不分出宝贵的管理和技术力量来帮助那些被授权的非航空企业尽快转入战时生产状态。他们必须制造基本的零部件和工艺装备,为非航空企业建立临时装配线。普惠公司每年都要抽调100个生产管理和工程技术人员,来指导福特、别克、雪弗兰和纳什-凯尔文纳特等非航空企业来实施航空发动机的批量生产。
美国融合型工业体系在战争时期帮了大忙,这种体系的重要特征是能够以一定的自主方式进行调控和联动。飞机工业和铝业的自主联动就是一个鲜明的例子。战争前随着轻量化的高强度铝材被逐步用于飞机制造——先是机身结构件,再后来是机翼和机身蒙皮,美国铝业开始缓慢提速,随着1939年美国飞机生产开始提速,铝业也挂上了快档。1938年,美国铝业龙头企业美利坚铝业公司(Alcoa)铝制品产量为13万吨,此后开始快速增产:为了满足飞机结构件、蒙皮、发动机、螺旋桨和其他部件的需求,Alcoa生产了大量的铝铸件、铆钉、拉伸件、线缆、连杆、管路和各种铝板。Alcoa还为美军开发了用于搭建快速简易机场的着陆区铝垫板,为空运油料开发了专用铝制油桶。到二战结束,Alcoa生产的铝制品总计达到了518万吨,其中绝大部分投入了战争。

战时生产与战后潜力
民用商业企业的特点,还决定了美国飞机工业在满负荷生产的同时,时刻保持一定的力量进行更新型产品的研发工作。波音的341方案就很能说明问题。1939年,波音B-17已开始初步量产,其航程可达5 000千米。早在军方更新的型号需求出台之前,波音就意识到战争将会需要航程更远的轰炸机,新轰炸机航程需要比B-17增加三分之一甚至更多,并且为此提前展开了研制工作。波音研制团队提出的341方案最初是一种22吨、航程7 200千米,时速620千米的轰炸机,但随后陆军航空队要求波音研制起飞重量38吨、航程8 500千米的新型轰炸机,飞行速度和高度更大。波音于是重新回到绘图板,在341方案基础上发展出345方案,这种新轰炸机重量超过50吨,飞行速度和航程与341相当。经过修改,该方案起飞重量进一步增至55吨,这项工作发展的最终结果是B-29的诞生。美国飞机工业的融合性特质促使各企业始终保持着一支具有活力的柔性研发技术团队,他们密切关注着各种航空相关设备制造商的技术进展,如新型增压器、更安全的油箱、新型除冰系统、新型武器等等,利用一切可能加以采用,提升产品性能。
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商业企业的特质决定了美国航空工业在面对巨量规模生产的需求时,想法设法提高效率,为此它们把许多非航空企业纳入供应链条,构建了遍及全美的零部件供应网络。图中是战争时期美国法乔尔汽车公司为柯蒂斯公司制造的C-46运输机尾椎部段。

商业企业的特性,还让飞机制造企业并不以飞机交付作为完成义务的终点。一些公司向海外派驻了大量人员,建立了维修和改装中心。洛克希德公司就在北爱尔兰贝尔法斯特就建立了一个大型维修基地,高峰时雇员达6 000人。在两年半时间里,这个中心改装了超过3 000架飞机,维修飞机超过11 000架,维修部件达450 000件。除了这种维修服务,几乎所有飞机制造厂商都向战区派驻了技术代表小组,专门负责调查产品在战区使用的表现,并据此制定改进方案。
总计有14家企业参与了美国战斗机和大型运输机的制造,如果看看产量排名前三的企业,可能就很容易发现美国战后民用飞机制造业的巨头是如何诞生的:道格拉斯飞机公司、联合-伏尔梯飞机公司(后来通用动力公司康维尔分部)和波音公司。其余按照产量排序,你会看到一大堆著名企业——北美航空、洛克希德飞机公司、柯蒂斯-莱特公司、格伦?马丁公司、福特汽车公司、共和航空公司、格鲁曼飞机工程公司、贝尔飞机公司、通用汽车公司东方飞机分部、联合飞机公司钱斯沃特分部、固特异飞机公司。
航空动力方面,如果按照交付发动机的功率总额排名,位列第一的是拥有3家工厂的莱特航空公司(占功率总额24.6%),位列第二的是拥有两家工厂的普惠(占功率总额17.2%),第三名又要感谢临时加盟的民企——通用汽车公司的艾利逊分部(占功率总额10.8%)。此外,作为普惠的授权制造商,福特、雪佛兰、别克和纳什-凯尔文纳特几家公司贡献了总额的30.4%!莱特公司的授权加盟者、原卡车制造商史蒂贝克公司也制造了9.9%!
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波音维奇塔工厂内正在吊装机翼的B-29轰炸机。美国航空工业在繁重的批生产压力下仍然保持一支具有活力和柔性的研发队伍,保证了美国航空装备在战争时期仍能频繁更新升级。


战时管理科学助力战后商业竞争
航空工业始终无法解决的严峻挑战是管理问题。管理层一方面要解决重大技术问题,另一方面要面对大量的管理策划工作。首先,航空企业需要从零开始建立管理机制,这种机制要能够指挥超过10万人规模的工厂有效运行,在扩产之前,工厂员工数目一般只有三四千人。管理层每天需要做出上百个决策,而这些决策必须能够在整个管理系统中协调处理,以确保公司的每一项行动都能与其他行动协调一致。在整个战争期间,各企业都感到缺乏高素质的管理人员。这些需求与实践,也直接催生了战后美国工业企业管理体系科学化进程的加速。
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没有长期从事民用商业产品制造的经验,美国航空工业就不可能应对大规模生产的挑战。图为联合飞机公司B-24轰炸机的部段装配工艺流程图,流程的科学优化不仅为战争做出贡献,也为战后美国企业赢得竞争优势埋下伏笔。
随着各公司单一生产设施逐步达到甚至突破产能极限,它们不得不开设分厂,这样不仅分散了原本已经稀少的管理人员,还增加了公司内部协调的复杂性。即便只增加一个分厂,也足以让管理问题增加不少压力,更何况许多大公司要同时运营多家分厂。道格拉斯就拥有6家大型工厂,分部于加利福尼亚、俄克拉荷马和伊利诺伊。联合-伏尔梯公司也有4家工厂,而且位于4个不同的州。柯蒂斯-莱特公司的飞机分部要运营5家工厂,其发动机分部还另有3个。这样一来,各公司不得不想法设法让管理流程高效化,用捉襟见肘的管理人员去完成复杂的指挥协调工作。
美国飞机工业面临的另一项难题是要同时管理多个型号的并行生产。每一个型号的飞机都有自己的生产设施、工艺装备和供应链条,管理一个型号的生产就如同管理一个独立工厂。有些大公司拥有10条或更多的生产线,如洛克希德就同时生产12个型号的飞机,道格拉斯则有11个型号,普惠则有10个发动机型号。
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二战时期美国航空工业火力全开场景之一:大批普惠单排气缸星形航空发动机曲轴箱壳体毛坯件正待精加工。大规模生产,使得美国航空制造业在工艺设备水平、质量管理和效率规划上都迈上了好几个台阶。

分包商也对企业管理提出的更高的要求。与那些负责制造整个机体或发动机的授权生产商不同,那些分包商生产的仅仅是零件或组件,这就要求主机厂的管理团队设法对来自成百上千家分包商的海量零部件实施有效管理,确保这些零件“溪流”能够在正确的时间以可接受的状态抵达总装线。
1942年末,飞机工业顺利完成高速挡切换,当年生产飞机47 675架,1943年时,飞机月交付量已经超出了政府要求速度,全年生产飞机85 433架。到1944年飞机工业产量的巅峰时刻到来,超过200万名雇员为战争提供了95 272架飞机!
战时生产的强烈需求,让美国航空工业必须挂上高速档,而航空工业融合发展的传统,让它们成功克服种种困难,最终实现了顺利换档。我们看到,当以上这些林林总总的问题得到解决之后,其积累的经验很快成为美国航空工业在战后全球竞争中获得优势地位的基石。战时生产所发展出来的管理科学在战后技术进步中起了重要作用,管理动辄千万乃至上亿规模的合同,几乎成为航空工业与制造水准等价的重要技术。战争考验所产生的最为重要的结果,是美国飞机工业展现了迎接挑战的实力——这种实力很大程度上来自战前融合发展的事实,这种表现坚定了美国政府对于这一产业的信心,开始把航空工业作为政府重大技术工程的稳固合作伙伴加以利用。
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航空工业建立较早的现实,让美军面对最早的军事航空需求时,就转向了民营商业企业,这种合作模式到二战时发展到巅峰。军事需求与商业竞争的需求结合在一起,美国航空企业在这种军民兼修的融合模式下,实现了整个航空产品系统性的创新和高水平的运营,这是美军航空装备技术领先优势的重要基石。图为1963年美国麦克唐纳-道格拉斯F-4B/C“鬼怪”战斗机总装厂房内景。
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