制造通航復材飛機

 

　　

 

　　DarkAero 1是一架遠程、高速、雙人、實驗性全復合材料飛機。整個機身主要由碳纖維/環氧樹脂制成，重量約200磅。

 

　　通用航空是一個廣義的術語，包括所有非大規模、定期貨運和客運業務的民用航空。這意味著從超輕型到多引擎渦輪螺旋槳飛機和渦扇噴氣式飛機。出于本文的目的，我們將主要關注通常用于商務或娛樂旅行的活塞動力固定翼飛機。在美國，約有17.5萬架飛機飛往約5000個公共機場，其中只有約10%有定期商業航班。

 

　　經過認證和試驗的通用航空公司已經采用纖維增強復合材料60多年了。20世紀50年代末，派珀飛機 （Piper Aircraft ）公司（美國佛羅里達州維羅海灘）制造了一款全玻璃纖維的原型 PA-29 Papoose。20世紀60年代，滑翔機制造商一直希望減輕重量，提高升阻比，開始廣泛使用玻璃纖維。經過八年的認證過程， 1969 年，Windecker Eagle I 成為第一架獲得美國聯邦航空管理局（FAA）認證的全復合材料動力飛機，其無紡玻璃纖維“Fibaloy ”和泡沫結構。

 

　　復合材料實驗（自制或套件）通用航空飛機在 20 世紀 70 年代初真正起飛，當時 Burt Rutan 的 VariEze （以及 Long EZ 等衍生產品）非常受歡迎。魯坦 （ Rutan ）的創新之一是使用夾層泡沫作為“工具” ，實現復合材料的“無模”制造。20世紀90 年代，通用航空開始使用碳纖維復合材料，并從20世紀80年代開始慢慢走出衰退。Cirrus Aircraft 和 Diamond Aircraft Industries 等主要通用航空制造商推出了仍然流行的單引擎認證飛機系列。實驗飛機很快就轉向了不斷增加的碳纖維含量，新的輕型 運動飛機（LSA-Light Sport Aircraft）類別為復合材料帶 來了更多的機會。

 

 

　　通用航空固定翼飛機的三個主要類別（認證、實驗和LSA）都給復合材料帶來了不同程度的挑戰。經過認證的飛機是政府批準的（由美國聯邦航空局批準），需要多年的開發和測試來證明設計和制造過程。實驗飛機大多由個人根據計劃或套件建造，雖然有一些政府監督，但它更為寬松，因此可以進行更多創新。LSA在某種程度上是其他兩個類別之間的橋梁。這些飛機沒有經過嚴格的認證（使用行業共識標準而不是政府授權），因此可以進行更多的創新，但通常制造商制造的飛機比實驗飛機具有更多的過程控制。LSA的設計在飛機重量、乘客數量和速度方面也受到限 制，盡管正在考慮制定新的規則來擴大這些限制，并可能增加一個新的類別，即輕型個人飛機。

 

　　實驗飛機 M&P

　　

　　復合材料和加工因通用航空類別而異。但從廣義上講，重點是低成本和中等性能，標準的未滲透環氧樹脂和E-玻璃纖維增強材料非常常見（盡管標準模量碳纖維越來越普遍）。對于實驗類，無論是玻璃纖維還是碳纖維，基本的濕法疊層工藝在歷史上都占主導地位。低粘度、由 兩部分組成的室溫固化環氧樹脂以精確的重量比手動混合，然后手動鋪在干布上，然后切割成型并鋪在簡 單的工具或成型泡沫上，這可以作為三明治結構的輕型工具。近年來，真空輔助樹脂轉移模塑（VARTM-vacuumassisted resin transfer molding ）等灌注加工越來越受歡迎。干織物包括7781玻璃纖維和/或2x2碳斜紋（主要是玻璃纖維和少量碳纖維的混合疊層很常見），然后用增粘劑 將其疊放在模具中并裝袋；低粘度的兩部分環氧樹脂 在真空下被拉入疊層中。像Arion Lightning或DarkAero的DarkAero1這樣的飛機正在利用輸液可以 提供的不那么混亂、質量更好、纖維體積更大的部件。

 

　　

 

　　Lantor Soric可熔芯用于DarkAero 1座艙蓋后部的玻璃纖維整流罩。

 

　　DarkAero（美國威斯康星州麥迪遜市）由三位工 程師兄弟組成的團隊認為，碳纖維是通過改進空氣動力學形狀和最佳結構效率來實現其激進性能目標（每小時275英里巡航六個多小時）的關鍵。DarkAero 的設計主要使用平紋布，在一個方向上承受大部分或全 部載荷的區域使用單向（UD）織物進行局部加固。局 部剛度由芳族聚酰胺蜂窩、泡沫或Lantor（荷蘭 Veenendaal）Soric不溶芯的混合物提供。對于更小、更 復雜的幾何形狀，如碳纖維旋轉器（螺旋槳前面的錐形部分），DarkAero使用2x2斜紋，以獲得卓越的懸垂性和舒適性。零件在注入后在工具上進行室溫固化， 然后與粘合的子組件同時進行后固化。

 

　　DarkAero的下部結構采用4×8英尺大的碳纖維織物夾心板，保持簡單和低成本。最終的子結構形狀是數控加工的，子組件在高溫下用糊狀粘合劑粘合在一 起。固化在烘箱中進行；熱壓罐太貴了，而且材料正在改進到烤箱固化就足夠了。

 

　　DarkAero在復合材料應用方面超越了普通的蒙皮和下部結構，甚至飛機的支架、硬點和鐘形曲柄都是 通過加工注入的多軸無卷曲碳纖維織物的實心坯料制成的，這使該公司能夠快速構建準各向同性層壓板。

 

　

 

　　碳纖維/環氧樹脂覆蓋芳綸蜂窩板由4×8英尺的板材制成，然后通過數控切割成型，為 DarkAero 1制造結構高效的肋、抗剪腹板和艙壁。

 

　　DarkAero認識到，在設計和制造高性能單引擎飛 機方面存在許多挑戰，但正如創立Dark Aero的卡爾三兄弟之一基根·卡爾所說， “理解復合材料設計和制 造的細微差別是難題的關鍵。”

 

　　輕型運動飛機 M&P

　　

　　與實驗飛機非常相似，LSA復合材料經常使用濕 法疊層或浸漬，但預浸料越來越多地用于提高質量和 性能。Flight Design GmbH（德國 Hoerselberg Hainich） 是LSA最受歡迎的制造商之一，已將其新的F2-LSA （該公司也在努力認證為F2-C23）從濕鋪轉移到赫氏 （Hexcel-美國康涅狄格州斯坦福德）的 M79預浸料。

 

　　不僅在陸地和空中可以找到 LSA——Icon Aircraft （美國加利福尼亞州瓦卡維爾）非常運動的A5是一種 兩棲動物，這意味著它可以降落在跑道或湖泊或海灣 等水體上。Icon 從最初的設計就決定使用預浸料，以 獲得其獨特的陸海應用的最大性能效益。此外，它還 看到了預浸料的制造優勢：與濕法疊層相比，人工更少，加工更快，結果更一致。

 

　　

 

　　Icon A5 LSA 的碳纖維/環氧樹脂預浸料的中心翼梁疊層。

 

　　Icon選擇復合材料是因為它們使公司能夠輕松制造非常復雜的形狀，并且具有耐腐蝕性，對于一架可能在水上或水周圍度過相當長一段壽命的飛機來說， 后者是一個非常重要的考慮因素。Icon LSA結構的95%以上是使用2x2碳纖維斜紋/環氧預浸料與UD標準模量碳纖維預浸料的一些局部區域制成的，以加固高負載（和高方向負載）區域。

 

　　為了降低生產成本并提高可重復性，Icon CNC切割所有簾布層細節，并在手動鋪放過程中使用激光投影儀和模板在工具中定位簾布層。在某些區域，為了增加結構剛度，不需要增加額外的層，而是根據需要使用閉孔泡沫芯來增加結構的剛度，以實現非常小的 重量損失和高成本節約。泡沫芯是數控加工的，并增加了一個斜邊斜坡，以方便簾布層過渡。然后可以將其加熱成型。復合材料零件通常是通過烘箱固化的， 但對于某些高負載結構，如翼梁，使用熱壓罐來減少孔隙率，并盡可能獲得最佳的質量和性能。

 

　　

 

　　碳纖維增強環氧樹脂正被手工鋪設在圖標A5 獨特形狀的主后艙壁上。幾臺Virtek（Waterloo，安大略省，加拿大）激光投影儀加快了鋪層細節的定位。

 

　　組裝主要是使用噴砂和溶劑擦拭進行表面處理的糊狀粘合（環氧樹脂）。接合間隙設計在組件中，并使用接合夾具進行控制。糊狀粘合劑的混合和應用都是手工完成的。初始固化是在室溫下，然后是升高的后固化。

 

　　

 

　　Icon A5水陸兩棲飛機機身、中央翼盒和舷側（在水面上保持穩定）的粘合組件。

 

　　盡管在潛在的惡劣條件下飛行，但復合材料的性能似乎證明了最初設計選擇的合理性。Icon的工程總監Rodolfo Correa表示，經過八年的服務歷史和幾架飛行時間超過1000小時的機身，粘結接頭或層壓部件沒有出現故障。該公司對結果非常滿意，Icon除了繼續提供A5的LSA模型外，還開始認證A5。

 

　　認證飛機 M&P

 

　　

　　具有高復合材料含量的第一代通用航空認證飛機 （大量生產），如Diamond Katana/DA-20或Cirrus SR20，由于其成本低且易于檢查（半透明，強烈的背光可以通過簡單的目視檢查發現大多數缺陷），通常為 E 玻璃。然而，Diamond DA-42或Cirrus SR22等第二代飛機越來越多地使用碳纖維和/或S2玻璃，而DA-62、 SF50 Vision Jet 和 Epic的E1000等第三代飛機正轉向大 部分或全部碳纖維結構，以提高其結構效率。類似地，樹脂系統的趨勢是選擇性能更高（更硬、玻璃化轉變溫度（Tg）更高）的環氧樹脂，使油漆顏色更深，并提高抗損傷性。加工通常是用烤箱或熱壓罐手工疊放預浸料。

 

　　Cirrus Aircraft（美國明尼蘇達州德盧斯）系列 SR 飛機據說是近年來最暢銷的單引擎活塞通用航空飛機，自20世紀90年代末問世以來一直是全復合材料飛機。雖然該公司的最新復合材料進展尚未公開，但Cirrus與東麗（Toray Advanced Composites-TAC， Tacoma，Washington，U.s.）使用其BT250環氧樹脂系統和TC275-1建立了長期的關系。后者是SF50 Vision Jet上使用的僅275°F固化真空袋（VBO-vacuum bag only）環氧預浸料。加工是傳統的手工粘貼組件。

 

　　

 

　　Diamond Aircraft 設計并建造了自己的內部按需設備，用于控制樹脂在干燥織物上的應用，以產生“濕預浸料”。

 

　　Cirrus在全復合材料認證通用航空市場的主要競爭 對手之一是Diamond Aircraft（奧地利Wiener Neustadt）。利用其玻璃纖維動力帆飛機，Diamond仍然使用“濕法預浸”作為一種半自動化的方式來幫助控制濕法沉積樹脂的應用。與Cirrus非常相似，隨著時間的推移，Diamond在其設計中的碳纖維比例從早期DA20 C1型號的10% （而玻璃纖維的比例為90%）提高到了 DA42 的 50%，而在最新的設計DA50 RG和DA62中，碳纖維 的比例已完全翻到 90%，而玻璃纖維僅為10%左右。Diamond 使用了高強度和標準模量的碳纖維，這增加了材料的可用性（以及相關數據），并提高了機身性能，推進其使用增加。

 

　　Diamond “濕法預浸”工藝產生按需的內部預浸料 （或濕法疊層，取決于您的觀點）。干纖維卷通過定制設計的設備運行，該設備測量一定量的低粘度環氧樹脂，以生產濕預浸料，該預浸料可立即切割成型并放置在模具中。DA20、DA40 和 DA42 中使用的原始樹脂是Momentive（Esslingen am Neckar，德國）的L160或L285環氧樹脂。較新的設計（DA42-VI、DA50-RG和 DA62）因其Tg高而被西湖（Westlake）環氧樹脂公 司（前身為美國俄亥俄州哥倫布市的Hexion）采用RIM935灌注環氧樹脂。早期型號的 Diamond由于L285的Tg低而僅限于大多數或全部白色油漆方案；轉移到采用RIM935使該公司能夠添加新的、引人注目 的配色方案，這些配色方案通常是客戶喜歡的。

 

　　

 

　　為Diamond DA50 RG的右側機身鋪設碳纖維/環氧樹脂“濕預浸料”

 

　　濕預浸料層的處理可能具有挑戰性，有時會有點混亂；Diamond已經考慮引入自動鋪放技術，以幫助減少循環時間并減輕技術人員的工作量。Diamond還在其加工工藝中添加了樹脂注入(resin infusion)——將其用于孔隙率更關鍵的零件，如碳纖維翼梁（出于結構原因）和玻璃纖維雷達罩（較低的孔隙率可獲得更好的電磁傳輸，從而獲得更好的雷達性能）。

 

　　Diamond的粘合組件使用剝離層和砂紙進行表面處理。粘合線樹脂與天然濕預浸料相同，但用棉片或微球增稠成糊狀。混合和涂抹都是手工完成的。粘合劑在室溫下固化，隨后整個結構（層壓板和粘合線） 接受高溫后固化。

 

　　

 

　　Diamond DA50 RG 機身半部和框架正在準備進行最終組裝粘合。請注意，垂直安定面是大型機身總成的組成部分

 

　　根據Diamond 40年的經驗，該公司表示從未有過 飛機因復合材料問題退役。機身每飛行6000小時進行一次檢查，通常不需要任何發現或維修工作。“復合材料是我們的DNA， ”Diamond Aircraft的設計組織負責人Robert Kremnzer說，他回顧了Diamond產品的廣泛使用壽命。“我們不會有任何不同的想法。我們不會有任何不同的設計。我們認為這是一種很棒的材料。”

 

　　Epic Aircraft（美國俄勒岡州本德）將一架流行的套件（實驗）飛機變成了性能最高的認證渦輪螺旋槳飛機之一。E1000，現在的E1000 GX，由一臺普惠加拿大公司（加拿大QC Longueuil）的 PT6A-67A渦輪螺旋槳發動機（其古老的 PT6 發動機家族最近剛剛超過10億飛行小時）提供動力，可以在壓力舒適的條件下 以每小時380英里的速度巡航，航程2000英里，最高可達34000英尺。

 

　　

 

　　這款Epic E1000 GX機身的一半采用了Toray 2510碳纖維/環氧樹脂預浸料。請注意，蜂窩芯隔間采用紫色Henkel EA 9696環氧薄膜粘合劑

 

　　正是性能和耐久性（例如，抗疲勞性，尤其是對 加壓機身至關重要）首次將Epic吸引到碳纖維復合材料中。在獲得美國聯邦航空局型號和生產認證的七年 過程中，它通過測試和重新測試學習并改進了設計， 最終實現了一個非常堅固的復合材料機身，測試的載 荷約為服役期間預期最高載荷的兩倍。2021年，Epic認證了E1000 GX，該產品現在是該 公司的 標準生產構型。GX升級了航空電子設備，并在PT6A-67A渦輪螺旋槳的前部安裝了一個五葉復合螺旋槳。新型復合材料螺旋槳提高了起飛性能，同時降低了噪音，增加了乘客的舒適度。Epic的首席工程師 Brock Strunk 在 Lancair獲得了復合材料認證，并在全行業支持共享復合材料數據庫以幫助通用航空方面擁有豐富的經驗。這些努力包括先進通用航空技術實驗（AGATE）、國家先進材料性能中心（NCAMP）和CMH-17。Strunk 是公共數據庫 的主要支持者，公共數據庫允許小型飛機公司更容易 地將先進的復合材料納入其設計中。

 

　　

 

　　Epic E1000 GX 機身半部、隔板和防火墻已準備好進行粘合。前景是一種碳纖維/環氧樹脂一體式（實際上從翼尖到翼尖）翼梁，這是兩種用于飛行載荷冗余的翼梁之一

 

　　Epic手工鋪設TAC的碳纖維和玻璃纖維2510環氧樹脂預浸料，在每個架次中制造大約550個復合材料零件。與復合材料和粘合材料供應商的密切技術關系至關重要，Epic利用其技術專長幫助優化制造工藝。此外，通過選擇已經合格并擁有公共數據庫的復合材料，Epic能夠利用節省下來的資金，更深入地了解工藝可變性如何影響最終性能，從而實現強大的復合材料生產系統。Epic的大部分零件由具有高負載結構的織物預浸料制成，如使用 UD 預浸料的機翼和水平翼梁。局部剛度通常由Hexcel芳綸/酚醛蜂窩在膨脹（OX-overexpanded）芯上和漢高（美國密歇根州麥迪遜高地） Loctite EA 9696 Aero環氧樹脂膜粘合劑提供，其中泡沫芯主要在復雜幾何形狀中的有限使用，在該幾何形狀中泡沫芯可以熱成型。裝配是粘貼粘貼膠接；同樣來自漢高的環氧糊狀粘合劑混合了額外的增稠劑，有助于在機身半體粘合和機翼關閉過程中防止坍落。

 

　　

 

　　Epic E1000 GX 的最終結構組件。前機身碳纖維結構是一個壓力隔板，也是防火墻的一部分。藍色區域是含有銅防雷保護的表面膜。請注意，機翼的前緣保持裸露狀態，以便稍后粘合充氣除冰靴系統

 

　　未來潛在進展

　　

　　通用航空復合材料的技術增長可能由一個單一因 素驅動：成本。通用航空原始設備制造商愿意探索新的、輕量化的選擇和加工技術，以使機身更具燃油效 率（甚至電動或氫動力），但從久經考驗的材料和工藝轉向成本高昂。不僅從原材料的價格，還從鑒定和認 證新型復合材料結構的時間和成本。

 

　　NCAMP和CMH-17等已發布的數據庫對小型制造 商采用新材料有很大幫助；材料供應商應考慮在他們 推向市場的任何新的結構復合材料系統中納入一套基本的容許值。

 

　　在通用航空飛機上復合材料的市場預測以及先進的空氣機動性（AAM-advanced air mobility）的推動下，復合材料行業正在開發性能更高的復合材料，同時降低材料、加工和使用成本。

 

　　增韌環氧樹脂的進步在較低的溫度和壓力下實現 了更快的固化，同時仍然提供類似熱壓罐的性能，從 而能夠使用 UD 形式的更硬的中間模量碳纖維。UD 纖 維的效率比織物高出大約 25-50%。總之，可以顯著減 輕重量，占用更少的內部機翼空間，為燃料留出更多空間。

 

　　聚醚醚酮（PEEK）和聚醚酮酮（PEKK）等高性 能半結晶熱塑性樹脂的價格將繼續下降，與環氧樹脂 甚至增韌環氧樹脂相比，其法向和耐損傷性能將更 好。高溫加工要求帶來了一系列挑戰，但新的加工和 建模可以幫助解決這些挑戰。

 

　　碳纖維，特別是中等模量的碳纖維，由于其無與倫比的結構性能，特別是剛度，將在通用航空的主要結構中得到應用。

 

　　大型絲束碳纖維的新進展和具有額外碳纖維產能的新生產工廠加起來降低了碳纖維的成本，進一步推動了其在通用航空中的應用。新型復合材料工藝的研發，包括先進的纖維鋪設 （AFP）和自動鋪帶（ATL），不僅可以獲得非常高質 量和一致的復合材料結構，還可以利用UD碳纖維實現最高的結構效率，還可以制造大型、集成、復雜的 結構，降低組裝成本。另一種加工技術，沖壓成型， 使用加熱工具和機械力進行固化，可以將零件加工周 期從數小時或數天縮短到幾分鐘。

 

　　關于加快實施創新的適度建議

　

　　當前本地和區域航空運輸（如AAM 一詞所示）的革命，包括垂直起降（VTOL-vertical takeoff and landing）、短距起飛和垂直降落（STOVL- short takeoff and vertical landing） 和短距起飛與降落（STOL- short takeoff and landing），以及 傳統的固定翼運輸，為通用航空公司提供了一個獨特的機會，利用材料和技術推動其行業向前發展。

 

　　想象一下，一家已成立的通用航空公司與一個新 興的 AAM 集團合作（或者合作可能涉及通用航空和 AAM 的多個合作伙伴）。他們與材料供應商合作，共同確定一套材料（預浸料、粘合劑等）的成本、加工和性能目標。這些材料通過美國聯邦航空管理局批準 的數據系統（如NCAMP或CMH-17）進行鑒定，低成 本加工是通過政府/學術界的復合材料制造研發設施開 發和驗證的，例如美國堪薩斯州威奇托的國家航空研究所（NIAR）航空航天系統先進技術實驗室 （ATLAS）中心，多用途生產設施或每個利用知識和數據創建自己的工廠。

 

　　通過合作，AAM組織從通用航空公司多年來開發的復合材料設計、分析和制造專業知識中獲得了寶貴 的知識。與此同時，通用航空公司獲得了新的資源， 以幫助降低非經常性成本，從而實施新的結構高效材料和降低成本的工藝。

 

　　總的來說，通用航空所有領域的復合材料前景光明。利用正在為其他市場開發的材料和工藝，將實現顯著的性能提升（走得更遠、更快，燃燒的燃料更少），同時提高耐用性并降低采購成本。

 

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

 

　　楊超凡 2023.8.8