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详解·空客公司推出“明日之翼” (Wing of Tomorrow)计划

空客公司推出了“明日之翼” (Wing of Tomorrow)计划,这是其为加快下一代飞机的注入能力而做出的最明显的努力。

研究和开发工作主要在:

空客英国菲尔顿的机翼制造工厂;

英国政府支持的,在布里斯托尔的综合中心(NCC);

英国政府支持的,在谢菲尔德的先进制造研究中心(AMRC);

以及商业合作伙伴如:

诺斯罗普·格鲁曼公司(犹他州, 美国);

GKN(布里斯托尔,英国);

通用航空(汉布尔,英国);

Spirit AeroSystems(威奇托,堪萨斯州,美国)。

NCC 首席执行官理查德·奥德菲尔德(Richard Oldfield)表示,“明日之翼”项目的目标是开发一种高速商用飞机机翼结构制造工艺,在几乎所有可衡量的方面,该工艺都比目前的机翼制造技术好一个数量级。这意味着更好的自动化,更少的部件,更好的部件集成,更快的周期时间,更快的 NDI(C 扫描无损检测) 和更快的组装。他表示:“该计划旨在实现飞机制造领域的根本性变革。”

“明日之翼” 的目标所面临的最艰巨的挑战归结于速度。如果像预期的那样,复合材料被用于制造 A320 替换机型的机翼,根据[ CompositesWorld ]分析,可能的生产速度是每月100 架,也就是每天 3 架以上。 目前, 与 A320 同类型的、俄罗斯的 MC-21 复合材料机翼,“从预制件的组装到交付组装,复合部件的整个制造周期,到目前为止,大约需要两个月的时间” 。 “注入树脂和固化需要 20 个小时” 。显然, 这种材料和工艺技术,不能满足每天 3 架的生产速率。 树脂注入工艺是否可以充分优化,以满足这一目标 ?

NCC 的目的是找出答案。奥德菲尔德说,“明日之翼”的合作伙伴正在与 NCC 合作,通过和在一个分阶段的项目开发树脂注入翼梁、 长桁和蒙皮。 (AMRC 正在单独开发机翼箱。 )奥德菲尔德说,空中客车公司已经给出了 NCC 的每个部件的成本、速度和技术成熟度(TRL) 目标。根据 NCC 的研究, 奥德菲尔德说,“树脂注入似乎是最有潜力的技术。为此,该中心将开发一体化的蒙皮和梁结构,采用工业树脂系统进行树脂注入。所有这些工作都需要大量的空间和资本支出。 为此, NCC 正在为“明日之翼”项目扩建设施,并增加 10 台新设备,包括干纤维放置机、模具和计量系统。

NCC 的工作将通过制造 1米、3米、5米的机翼和17的多次迭代来进行。奥德菲尔德说,对机翼蒙皮和翼梁的全面试验和测试预计将于 2019 年第三季度和 2020 年开始,预计到 2020年年底交付组装成一个完整的机翼结构(机翼箱、蒙皮、翼梁)。整个机翼的测试预计将在 2021 年之前完成。

奥尔德菲尔德表示“我们的目标是让空客及其合作伙伴 :在准备就绪时做出(材料和工艺)决定。”“这是空客做出的正确技术选择吗?”目前前景一片光明。”

编译后的感言:

1、“明日之翼”明确表示,将开发一体化的蒙皮和梁结构。 在 2019 JEC 巴黎复合材料展会上,已经展出了这种新结构。东丽也展出了这种结构的尾翼试验件(见《东丽也造飞机结构试验件》)。

2、“明日之翼”采用的工艺是: 铺放干纤维带 – 注入树脂 – 高温炉固化。 长期以来,空客一直使用赫氏(Hexcel) 的复合材料。 目前赫氏公布的航空航天创新新材料是, Hexcel 的 HiTape®和 HiMax™干碳增强剂是为了补充新一代 HiFlow™树脂系统而开发的,使用树脂注入工艺生产高质量的航空航天结构。 HiTape®是为预制件的自动铺放而开发的,而 HiMax™是一系列优化的无卷曲织物(NCF)。两种产品都包含一个增韧面膜,以增强机械性能,满足航空航天部件的结构要求。

在 2019JEC 的展会上一个集成的机翼板件演示器和一个I 型梁,两者都是由 HiTape® AS7 增强材料制造的,以及一个由 HiMa™NCF 制造的翼肋。 翼肋和 I 梁均采用 C-RTM(压缩树脂转移成型)制造。 它们被注入了赫氏的 HexFlow RTM6树脂,整个过程耗时不到 5 分钟。这两个部件的总制造周期只有 4.5 小时。

东丽展示的一体化的蒙皮和梁结构的尾翼试验件,采用的工艺是: 铺放预浸树脂的纤维带 - 高温炉固化。目前东丽不用热压罐固化的环氧树脂基材是3960,于它相配合的碳纤维是 T1100。东丽一直是波音主要受力结构,复合材料供应商。 T800/3900 系列就是从 777 尾翼应用开始,直到 787机身、机翼成功使用 T800S/3900-2B。因此可以看出,T1100/3960 系列将是波音新一代 737 主结构使用的碳纤维环氧树脂基复合材料。

3、下一代窄体、单通道民机的复合材料机翼技术,波音和空客采取了不同的材料和制造工艺。 C919 准备用哪种技术?

参考资料:

《Russian renaissance: Leading the OOA revolution? 》 1/1/2014

《Resin infusion: Taking off ? 》 2/17/2016

《Dry fiber placement: Surpassing limits》 2/18/2016

《Infused wing sheds light on aerocomposites future》 8/1/2018

《JEC World 2019: Hexcel》 3/28/2019

《Hexcel’s Composite Innovations For Aerospace, Automotive,
Energy And Marine Applications At JEC World 2019》 4 /3/ 2019

Large, high-volume, infused composite structures on the aerospace horizon》 6/4/2019

Spirit AeroSystems invests in qualification program with Toray prepre》 6/6/2019

《东丽也造飞机结构试验件》 6/8/2019

—2019.6.18 完成—

作者简介:杨超凡,飞机制造高级专家,近年专攻民机复合材料。原航空工业部首批研究员级高级工程师,享受国务院特殊津贴。

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