杨超凡：未来商用飞机上的复合材料
来源：杨超凡 2021-12-15 14:14:11
本文阅读次数:388
原文：http://shenzhen.chinacompositesexpo.com/cn/news-detail-12-11682.html 波音 787 和 A350 使用的复合材料占每架飞机的 50%以上(按重量计算)，是复合材料应用于主结构的里程碑。然而，由于对这些飞机的材料需求不足，对用于制造这些飞机的复合材料(纤维、树脂、粘合剂)的需求受到了抑制。此外，由于航空复合材料供应链相对较小，需求的这种变化可以强烈地感受到。因此，疫情大流行对为航空复合材料行业服务的材料供应商和制造商尤其具有挑战性。
然而，即使在疫情大流行之前，波音和空客就通过其供应链发出了强烈的信号，表明它们对下一代飞机——尤其是下一代单通道 SA（single-aisle）飞机——的材料和工艺(M&P)需求。假设这两家公司都可能在 2025-2030 年的某个时候宣布一款全新的单通道SA（single-aisle ）飞机。对于这两家飞机制造商来说，新的单通道 SA（single-aisle）可能会以目前 737 或 A320 没有采用的方式使用复合材料。这将包括复合材料机翼、复合材料尾翼和复合材料机身(可能不太可能)。此外，两家公司都预测新单通道 SA（single-aisle）的建造速率在每月 60-100 个范围内。所有这些都意味着用于制造 787 和 A350 结构(热压罐固化预浸料)的材料和工艺可能不足以满足单通道 SA（single-aisle）速率要求。因此，整个航空复合材料供应链都在追求高度自动化、高效、非热压罐(OOA)技术，以满足这些需求。
“ Wing of Tomorrow（明日之翼）”项目空客首个全尺寸原型机翼上壁板
补充说明：下壁板已经由 Spirit 制造出 7 米长的试验件。 碳纤维用 Teijin 的单向带（UD）和无卷曲织物（NCF）。 铺放的蒙皮是净尺寸。树脂用 Solvay 的单组份环氧树脂 基材。热灌注树脂、模具表面加热。3 小时制造一块壁板。
疫情大流行可能推迟了新单通道 SA（single-aisle）的开发时间，但它没有改变空客或波音对干净单通道 SA（single-aisle）的基本材料和工艺要求。空客尤其对其供应商表示，有必要加速复合材料技术的成熟，使其为高速飞机生产做好准备。这不是一个微不足道的过程。航空航天工业充斥着高质量的材料，这些材料已经使用了几十年。它将是容易的机身制造商继续使用这些材料，除了他们中的许多需要热压罐固化。从热压罐中出来并使用液体树脂灌注、树脂转移成型(RTM)、压缩成型或热塑性复合材料将需要一定程度的材料鉴定，而鉴定是一个耗时、昂贵的过程。然而，如果最终的回报是一个高质量的结构高效和成本效益，资格鉴定和需求将可以接受。
GKN 航空航天公司最终设计、制造的热塑复材翼肋将位于WOT（明日之翼）演示机翼上的第 14 翼肋
这种努力在航空复合材料行业的几个项目中最为明显。最引人注目的项目是空中客车公司的“明日之翼”( WOT-Wing of Tomorrow )项目，这是一个由一级合作伙伴组成的联盟，开发面向对象的复合材料材料和工艺技术，用于为单通道 SA（single-aisle）大小的飞机制造机翼。WOT（Wing of Tomorrow）的合作伙伴包括 Spirit AeroSystems(威奇托，堪萨斯州) 制造机翼下蒙皮。GKN 航空航天公司(英国，雷丁奇) 制造梁、肋，Daher 公司(巴黎，法国) 制造梁、肋，FACC 公司(Ried im Innkreis，奥地利) 制造襟翼和空客公司本身制造机翼上蒙皮。空中客车公司于 2021 年9 月 22 日宣布，已经组装了第一架 WOT（Wing of Tomorrow）原型机。总共将制造三个全尺寸的原型机翼。第一个将用于理解系统集成，第二个将进行结构测试，以与计算机模型进行比较，第三个将进行组装，以测试规模化生产，并与工业模型进行比较。
值得注意的是，WOT（Wing of Tomorrow）正在评估制造翼肋的热塑性复合材料。这一点很重要，因为即使是在 787 和 A350中，翼肋也是铝合金制造的。翼肋向复合材料的转变将是一个重要的里程碑。两家一级航空航天制造商开发了用于翼肋制造的复合材料和工艺。英国 GKN 航空航天公司的第 14 号翼肋的演示使用了苏威复合材料公司(Alpharetta, Ga。美国)碳纤维/PEKK UD 预浸单向带在压缩成型过程。总部位于法国的 Daher 公司使用类似的工艺开发了 5 个演示翼肋，应用了东丽先进复合材料公司(Morgan Hill, california, U.S.)的碳纤维/PAEK UD 预浸单向带。
Daher 公司还为 WOT（Wing of Tomorrow）生产了 2 米长的内翼梁，使用的是真空袋(VBO-Vacuum Bag Only ) OOA 热固性材料。M56 350°F 固化 OOA 环氧树脂，预浸到 Hexcel AS4 碳纤维织物和 IM7 UD 碳纤维单向带中。用于制造梁的设备是使用科里奥利复合材料(法国 Queven)系统的自动纤维放装置 (AFP)，该系统将材料应用于凸模模具上。
另一项为航空结构开发复合材料材料和工艺的显著努力是“清洁天空 2 (Clean Sky 2) ”，这是欧盟的一个项目，目标是使用复合材料和非复合材料为各种飞机部件和系统提供技术。《清洁天空 2》中引人注目的复合材料相关项目旨在将热塑性树脂应用于机身结构、热塑性塑料焊接、树脂灌注翼盒、3D 打印、热悬空成形等领域。
即使航空航天工业专注于高速航空结构制造，一些类型的飞机—商务机、通勤飞机—将以更低的数量制造，并可能受益于更有效地使用复合材料。这是一个名为 OPTICOMS 的清洁天空项目的重点，该项目是由以色列航空航天工业(IAI, Lod，以色列)领导的财团，包括科里奥利、技术模块工程(TME, Coudes，法国)和Danobat (Elgoibar，西班牙)。OPTICOMS 是一个由多个部分组成的程序，旨在执行一系列非常详细的贸易研究，以评估和确定最佳的机翼设计、材料组合和 OOA 制造工艺，从而实现小体积全复合材料机翼盒的自动化制造。以上根据 2021.12.3 《 Composites end markets: Aerospace (2022)》中有关翻译。
扩展信息：原文介绍的未来商用飞机复合材料，主要是针对未来单通道 SA（single-aisle）飞机。但是仅对机翼的材料和工艺做了介绍。对机身的材料和工艺一笔而过。其实，在欧盟资助的 “清洁天空 2”中，对机身使用先进的、高性能热塑性聚芳醚酮（PAEK）、聚醚醚酮（PEEK）和聚醚酮酮（PEKK）碳纤维复合材料和焊接工艺，做了大量的研发工作。具报道，今年要完成直径 4 米、长度 8 米的机身桶体试验件。
文章来源：http://shenzhen.chinacompositesexpo.com/cn/news-detail-12-11682.html
