制造通航复材飞机

 

　　

 

　　DarkAero 1是一架远程、高速、双人、实验性全复合材料飞机。整个机身主要由碳纤维/环氧树脂制成，重量约200磅。

 

　　通用航空是一个广义的术语，包括所有非大规模、定期货运和客运业务的民用航空。这意味着从超轻型到多引擎涡轮螺旋桨飞机和涡扇喷气式飞机。出于本文的目的，我们将主要关注通常用于商务或娱乐旅行的活塞动力固定翼飞机。在美国，约有17.5万架飞机飞往约5000个公共机场，其中只有约10%有定期商业航班。

 

　　经过认证和试验的通用航空公司已经采用纤维增强复合材料60多年了。20世纪50年代末，派珀飞机 （Piper Aircraft ）公司（美国佛罗里达州维罗海滩）制造了一款全玻璃纤维的原型 PA-29 Papoose。20世纪60年代，滑翔机制造商一直希望减轻重量，提高升阻比，开始广泛使用玻璃纤维。经过八年的认证过程， 1969 年，Windecker Eagle I 成为第一架获得美国联邦航空管理局（FAA）认证的全复合材料动力飞机，其无纺玻璃纤维“Fibaloy ”和泡沫结构。

 

　　复合材料实验（自制或套件）通用航空飞机在 20 世纪 70 年代初真正起飞，当时 Burt Rutan 的 VariEze （以及 Long EZ 等衍生产品）非常受欢迎。鲁坦 （ Rutan ）的创新之一是使用夹层泡沫作为“工具” ，实现复合材料的“无模”制造。20世纪90 年代，通用航空开始使用碳纤维复合材料，并从20世纪80年代开始慢慢走出衰退。Cirrus Aircraft 和 Diamond Aircraft Industries 等主要通用航空制造商推出了仍然流行的单引擎认证飞机系列。实验飞机很快就转向了不断增加的碳纤维含量，新的轻型 运动飞机（LSA-Light Sport Aircraft）类别为复合材料带 来了更多的机会。

 

 

　　通用航空固定翼飞机的三个主要类别（认证、实验和LSA）都给复合材料带来了不同程度的挑战。经过认证的飞机是政府批准的（由美国联邦航空局批准），需要多年的开发和测试来证明设计和制造过程。实验飞机大多由个人根据计划或套件建造，虽然有一些政府监督，但它更为宽松，因此可以进行更多创新。LSA在某种程度上是其他两个类别之间的桥梁。这些飞机没有经过严格的认证（使用行业共识标准而不是政府授权），因此可以进行更多的创新，但通常制造商制造的飞机比实验飞机具有更多的过程控制。LSA的设计在飞机重量、乘客数量和速度方面也受到限 制，尽管正在考虑制定新的规则来扩大这些限制，并可能增加一个新的类别，即轻型个人飞机。

 

　　实验飞机 M&P

　　

　　复合材料和加工因通用航空类别而异。但从广义上讲，重点是低成本和中等性能，标准的未渗透环氧树脂和E-玻璃纤维增强材料非常常见（尽管标准模量碳纤维越来越普遍）。对于实验类，无论是玻璃纤维还是碳纤维，基本的湿法叠层工艺在历史上都占主导地位。低粘度、由 两部分组成的室温固化环氧树脂以精确的重量比手动混合，然后手动铺在干布上，然后切割成型并铺在简 单的工具或成型泡沫上，这可以作为三明治结构的轻型工具。近年来，真空辅助树脂转移模塑（VARTM-vacuumassisted resin transfer molding ）等灌注加工越来越受欢迎。干织物包括7781玻璃纤维和/或2x2碳斜纹（主要是玻璃纤维和少量碳纤维的混合叠层很常见），然后用增粘剂 将其叠放在模具中并装袋；低粘度的两部分环氧树脂 在真空下被拉入叠层中。像Arion Lightning或DarkAero的DarkAero1这样的飞机正在利用输液可以 提供的不那么混乱、质量更好、纤维体积更大的部件。

 

　　

 

　　Lantor Soric可熔芯用于DarkAero 1座舱盖后部的玻璃纤维整流罩。

 

　　DarkAero（美国威斯康星州麦迪逊市）由三位工 程师兄弟组成的团队认为，碳纤维是通过改进空气动力学形状和最佳结构效率来实现其激进性能目标（每小时275英里巡航六个多小时）的关键。DarkAero 的设计主要使用平纹布，在一个方向上承受大部分或全 部载荷的区域使用单向（UD）织物进行局部加固。局 部刚度由芳族聚酰胺蜂窝、泡沫或Lantor（荷兰 Veenendaal）Soric不溶芯的混合物提供。对于更小、更 复杂的几何形状，如碳纤维旋转器（螺旋桨前面的锥形部分），DarkAero使用2x2斜纹，以获得卓越的悬垂性和舒适性。零件在注入后在工具上进行室温固化， 然后与粘合的子组件同时进行后固化。

 

　　DarkAero的下部结构采用4×8英尺大的碳纤维织物夹心板，保持简单和低成本。最终的子结构形状是数控加工的，子组件在高温下用糊状粘合剂粘合在一 起。固化在烘箱中进行；热压罐太贵了，而且材料正在改进到烤箱固化就足够了。

 

　　DarkAero在复合材料应用方面超越了普通的蒙皮和下部结构，甚至飞机的支架、硬点和钟形曲柄都是 通过加工注入的多轴无卷曲碳纤维织物的实心坯料制成的，这使该公司能够快速构建准各向同性层压板。

 

　

 

　　碳纤维/环氧树脂覆盖芳纶蜂窝板由4×8英尺的板材制成，然后通过数控切割成型，为 DarkAero 1制造结构高效的肋、抗剪腹板和舱壁。

 

　　DarkAero认识到，在设计和制造高性能单引擎飞 机方面存在许多挑战，但正如创立Dark Aero的卡尔三兄弟之一基根·卡尔所说， “理解复合材料设计和制 造的细微差别是难题的关键。”

 

　　轻型运动飞机 M&P

　　

　　与实验飞机非常相似，LSA复合材料经常使用湿 法叠层或浸渍，但预浸料越来越多地用于提高质量和 性能。Flight Design GmbH（德国 Hoerselberg Hainich） 是LSA最受欢迎的制造商之一，已将其新的F2-LSA （该公司也在努力认证为F2-C23）从湿铺转移到赫氏 （Hexcel-美国康涅狄格州斯坦福德）的 M79预浸料。

 

　　不仅在陆地和空中可以找到 LSA——Icon Aircraft （美国加利福尼亚州瓦卡维尔）非常运动的A5是一种 两栖动物，这意味着它可以降落在跑道或湖泊或海湾 等水体上。Icon 从最初的设计就决定使用预浸料，以 获得其独特的陆海应用的最大性能效益。此外，它还 看到了预浸料的制造优势：与湿法叠层相比，人工更少，加工更快，结果更一致。

 

　　

 

　　Icon A5 LSA 的碳纤维/环氧树脂预浸料的中心翼梁叠层。

 

　　Icon选择复合材料是因为它们使公司能够轻松制造非常复杂的形状，并且具有耐腐蚀性，对于一架可能在水上或水周围度过相当长一段寿命的飞机来说， 后者是一个非常重要的考虑因素。Icon LSA结构的95%以上是使用2x2碳纤维斜纹/环氧预浸料与UD标准模量碳纤维预浸料的一些局部区域制成的，以加固高负载（和高方向负载）区域。

 

　　为了降低生产成本并提高可重复性，Icon CNC切割所有帘布层细节，并在手动铺放过程中使用激光投影仪和模板在工具中定位帘布层。在某些区域，为了增加结构刚度，不需要增加额外的层，而是根据需要使用闭孔泡沫芯来增加结构的刚度，以实现非常小的 重量损失和高成本节约。泡沫芯是数控加工的，并增加了一个斜边斜坡，以方便帘布层过渡。然后可以将其加热成型。复合材料零件通常是通过烘箱固化的， 但对于某些高负载结构，如翼梁，使用热压罐来减少孔隙率，并尽可能获得最佳的质量和性能。

 

　　

 

　　碳纤维增强环氧树脂正被手工铺设在图标A5 独特形状的主后舱壁上。几台Virtek（Waterloo，安大略省，加拿大）激光投影仪加快了铺层细节的定位。

 

　　组装主要是使用喷砂和溶剂擦拭进行表面处理的糊状粘合（环氧树脂）。接合间隙设计在组件中，并使用接合夹具进行控制。糊状粘合剂的混合和应用都是手工完成的。初始固化是在室温下，然后是升高的后固化。

 

　　

 

　　Icon A5水陆两栖飞机机身、中央翼盒和舷侧（在水面上保持稳定）的粘合组件。

 

　　尽管在潜在的恶劣条件下飞行，但复合材料的性能似乎证明了最初设计选择的合理性。Icon的工程总监Rodolfo Correa表示，经过八年的服务历史和几架飞行时间超过1000小时的机身，粘结接头或层压部件没有出现故障。该公司对结果非常满意，Icon除了继续提供A5的LSA模型外，还开始认证A5。

 

　　认证飞机 M&P

 

　　

　　具有高复合材料含量的第一代通用航空认证飞机 （大量生产），如Diamond Katana/DA-20或Cirrus SR20，由于其成本低且易于检查（半透明，强烈的背光可以通过简单的目视检查发现大多数缺陷），通常为 E 玻璃。然而，Diamond DA-42或Cirrus SR22等第二代飞机越来越多地使用碳纤维和/或S2玻璃，而DA-62、 SF50 Vision Jet 和 Epic的E1000等第三代飞机正转向大 部分或全部碳纤维结构，以提高其结构效率。类似地，树脂系统的趋势是选择性能更高（更硬、玻璃化转变温度（Tg）更高）的环氧树脂，使油漆颜色更深，并提高抗损伤性。加工通常是用烤箱或热压罐手工叠放预浸料。

 

　　Cirrus Aircraft（美国明尼苏达州德卢斯）系列 SR 飞机据说是近年来最畅销的单引擎活塞通用航空飞机，自20世纪90年代末问世以来一直是全复合材料飞机。虽然该公司的最新复合材料进展尚未公开，但Cirrus与东丽（Toray Advanced Composites-TAC， Tacoma，Washington，U.s.）使用其BT250环氧树脂系统和TC275-1建立了长期的关系。后者是SF50 Vision Jet上使用的仅275°F固化真空袋（VBO-vacuum bag only）环氧预浸料。加工是传统的手工粘贴组件。

 

　　

 

　　Diamond Aircraft 设计并建造了自己的内部按需设备，用于控制树脂在干燥织物上的应用，以产生“湿预浸料”。

 

　　Cirrus在全复合材料认证通用航空市场的主要竞争 对手之一是Diamond Aircraft（奥地利Wiener Neustadt）。利用其玻璃纤维动力帆飞机，Diamond仍然使用“湿法预浸”作为一种半自动化的方式来帮助控制湿法沉积树脂的应用。与Cirrus非常相似，随着时间的推移，Diamond在其设计中的碳纤维比例从早期DA20 C1型号的10% （而玻璃纤维的比例为90%）提高到了 DA42 的 50%，而在最新的设计DA50 RG和DA62中，碳纤维 的比例已完全翻到 90%，而玻璃纤维仅为10%左右。Diamond 使用了高强度和标准模量的碳纤维，这增加了材料的可用性（以及相关数据），并提高了机身性能，推进其使用增加。

 

　　Diamond “湿法预浸”工艺产生按需的内部预浸料 （或湿法叠层，取决于您的观点）。干纤维卷通过定制设计的设备运行，该设备测量一定量的低粘度环氧树脂，以生产湿预浸料，该预浸料可立即切割成型并放置在模具中。DA20、DA40 和 DA42 中使用的原始树脂是Momentive（Esslingen am Neckar，德国）的L160或L285环氧树脂。较新的设计（DA42-VI、DA50-RG和 DA62）因其Tg高而被西湖（Westlake）环氧树脂公 司（前身为美国俄亥俄州哥伦布市的Hexion）采用RIM935灌注环氧树脂。早期型号的 Diamond由于L285的Tg低而仅限于大多数或全部白色油漆方案；转移到采用RIM935使该公司能够添加新的、引人注目 的配色方案，这些配色方案通常是客户喜欢的。

 

　　

 

　　为Diamond DA50 RG的右侧机身铺设碳纤维/环氧树脂“湿预浸料”

 

　　湿预浸料层的处理可能具有挑战性，有时会有点混乱；Diamond已经考虑引入自动铺放技术，以帮助减少循环时间并减轻技术人员的工作量。Diamond还在其加工工艺中添加了树脂注入(resin infusion)——将其用于孔隙率更关键的零件，如碳纤维翼梁（出于结构原因）和玻璃纤维雷达罩（较低的孔隙率可获得更好的电磁传输，从而获得更好的雷达性能）。

 

　　Diamond的粘合组件使用剥离层和砂纸进行表面处理。粘合线树脂与天然湿预浸料相同，但用棉片或微球增稠成糊状。混合和涂抹都是手工完成的。粘合剂在室温下固化，随后整个结构（层压板和粘合线） 接受高温后固化。

 

　　

 

　　Diamond DA50 RG 机身半部和框架正在准备进行最终组装粘合。请注意，垂直安定面是大型机身总成的组成部分

 

　　根据Diamond 40年的经验，该公司表示从未有过 飞机因复合材料问题退役。机身每飞行6000小时进行一次检查，通常不需要任何发现或维修工作。“复合材料是我们的DNA， ”Diamond Aircraft的设计组织负责人Robert Kremnzer说，他回顾了Diamond产品的广泛使用寿命。“我们不会有任何不同的想法。我们不会有任何不同的设计。我们认为这是一种很棒的材料。”

 

　　Epic Aircraft（美国俄勒冈州本德）将一架流行的套件（实验）飞机变成了性能最高的认证涡轮螺旋桨飞机之一。E1000，现在的E1000 GX，由一台普惠加拿大公司（加拿大QC Longueuil）的 PT6A-67A涡轮螺旋桨发动机（其古老的 PT6 发动机家族最近刚刚超过10亿飞行小时）提供动力，可以在压力舒适的条件下 以每小时380英里的速度巡航，航程2000英里，最高可达34000英尺。

 

　　

 

　　这款Epic E1000 GX机身的一半采用了Toray 2510碳纤维/环氧树脂预浸料。请注意，蜂窝芯隔间采用紫色Henkel EA 9696环氧薄膜粘合剂

 

　　正是性能和耐久性（例如，抗疲劳性，尤其是对 加压机身至关重要）首次将Epic吸引到碳纤维复合材料中。在获得美国联邦航空局型号和生产认证的七年 过程中，它通过测试和重新测试学习并改进了设计， 最终实现了一个非常坚固的复合材料机身，测试的载 荷约为服役期间预期最高载荷的两倍。2021年，Epic认证了E1000 GX，该产品现在是该 公司的 标准生产构型。GX升级了航空电子设备，并在PT6A-67A涡轮螺旋桨的前部安装了一个五叶复合螺旋桨。新型复合材料螺旋桨提高了起飞性能，同时降低了噪音，增加了乘客的舒适度。Epic的首席工程师 Brock Strunk 在 Lancair获得了复合材料认证，并在全行业支持共享复合材料数据库以帮助通用航空方面拥有丰富的经验。这些努力包括先进通用航空技术实验（AGATE）、国家先进材料性能中心（NCAMP）和CMH-17。Strunk 是公共数据库 的主要支持者，公共数据库允许小型飞机公司更容易 地将先进的复合材料纳入其设计中。

 

　　

 

　　Epic E1000 GX 机身半部、隔板和防火墙已准备好进行粘合。前景是一种碳纤维/环氧树脂一体式（实际上从翼尖到翼尖）翼梁，这是两种用于飞行载荷冗余的翼梁之一

 

　　Epic手工铺设TAC的碳纤维和玻璃纤维2510环氧树脂预浸料，在每个架次中制造大约550个复合材料零件。与复合材料和粘合材料供应商的密切技术关系至关重要，Epic利用其技术专长帮助优化制造工艺。此外，通过选择已经合格并拥有公共数据库的复合材料，Epic能够利用节省下来的资金，更深入地了解工艺可变性如何影响最终性能，从而实现强大的复合材料生产系统。Epic的大部分零件由具有高负载结构的织物预浸料制成，如使用 UD 预浸料的机翼和水平翼梁。局部刚度通常由Hexcel芳纶/酚醛蜂窝在膨胀（OX-overexpanded）芯上和汉高（美国密歇根州麦迪逊高地） Loctite EA 9696 Aero环氧树脂膜粘合剂提供，其中泡沫芯主要在复杂几何形状中的有限使用，在该几何形状中泡沫芯可以热成型。装配是粘贴粘贴胶接；同样来自汉高的环氧糊状粘合剂混合了额外的增稠剂，有助于在机身半体粘合和机翼关闭过程中防止坍落。

 

　　

 

　　Epic E1000 GX 的最终结构组件。前机身碳纤维结构是一个压力隔板，也是防火墙的一部分。蓝色区域是含有铜防雷保护的表面膜。请注意，机翼的前缘保持裸露状态，以便稍后粘合充气除冰靴系统

 

　　未来潜在进展

　　

　　通用航空复合材料的技术增长可能由一个单一因 素驱动：成本。通用航空原始设备制造商愿意探索新的、轻量化的选择和加工技术，以使机身更具燃油效 率（甚至电动或氢动力），但从久经考验的材料和工艺转向成本高昂。不仅从原材料的价格，还从鉴定和认 证新型复合材料结构的时间和成本。

 

　　NCAMP和CMH-17等已发布的数据库对小型制造 商采用新材料有很大帮助；材料供应商应考虑在他们 推向市场的任何新的结构复合材料系统中纳入一套基本的容许值。

 

　　在通用航空飞机上复合材料的市场预测以及先进的空气机动性（AAM-advanced air mobility）的推动下，复合材料行业正在开发性能更高的复合材料，同时降低材料、加工和使用成本。

 

　　增韧环氧树脂的进步在较低的温度和压力下实现 了更快的固化，同时仍然提供类似热压罐的性能，从 而能够使用 UD 形式的更硬的中间模量碳纤维。UD 纤 维的效率比织物高出大约 25-50%。总之，可以显著减 轻重量，占用更少的内部机翼空间，为燃料留出更多空间。

 

　　聚醚醚酮（PEEK）和聚醚酮酮（PEKK）等高性 能半结晶热塑性树脂的价格将继续下降，与环氧树脂 甚至增韧环氧树脂相比，其法向和耐损伤性能将更 好。高温加工要求带来了一系列挑战，但新的加工和 建模可以帮助解决这些挑战。

 

　　碳纤维，特别是中等模量的碳纤维，由于其无与伦比的结构性能，特别是刚度，将在通用航空的主要结构中得到应用。

 

　　大型丝束碳纤维的新进展和具有额外碳纤维产能的新生产工厂加起来降低了碳纤维的成本，进一步推动了其在通用航空中的应用。新型复合材料工艺的研发，包括先进的纤维铺设 （AFP）和自动铺带（ATL），不仅可以获得非常高质 量和一致的复合材料结构，还可以利用UD碳纤维实现最高的结构效率，还可以制造大型、集成、复杂的 结构，降低组装成本。另一种加工技术，冲压成型， 使用加热工具和机械力进行固化，可以将零件加工周 期从数小时或数天缩短到几分钟。

 

　　关于加快实施创新的适度建议

　

　　当前本地和区域航空运输（如AAM 一词所示）的革命，包括垂直起降（VTOL-vertical takeoff and landing）、短距起飞和垂直降落（STOVL- short takeoff and vertical landing） 和短距起飞与降落（STOL- short takeoff and landing），以及 传统的固定翼运输，为通用航空公司提供了一个独特的机会，利用材料和技术推动其行业向前发展。

 

　　想象一下，一家已成立的通用航空公司与一个新 兴的 AAM 集团合作（或者合作可能涉及通用航空和 AAM 的多个合作伙伴）。他们与材料供应商合作，共同确定一套材料（预浸料、粘合剂等）的成本、加工和性能目标。这些材料通过美国联邦航空管理局批准 的数据系统（如NCAMP或CMH-17）进行鉴定，低成 本加工是通过政府/学术界的复合材料制造研发设施开 发和验证的，例如美国堪萨斯州威奇托的国家航空研究所（NIAR）航空航天系统先进技术实验室 （ATLAS）中心，多用途生产设施或每个利用知识和数据创建自己的工厂。

 

　　通过合作，AAM组织从通用航空公司多年来开发的复合材料设计、分析和制造专业知识中获得了宝贵 的知识。与此同时，通用航空公司获得了新的资源， 以帮助降低非经常性成本，从而实施新的结构高效材料和降低成本的工艺。

 

　　总的来说，通用航空所有领域的复合材料前景光明。利用正在为其他市场开发的材料和工艺，将实现显著的性能提升（走得更远、更快，燃烧的燃料更少），同时提高耐用性并降低采购成本。

 

　　注：原文见，《 Composites manufacturing for general aviation aircraft 》 2023．7．26．

 

　　杨超凡 2023.8.8