Spirit AeroSystems 在北卡羅來納州金斯頓實施了空客A350中央機身和前翼梁的智能設計。

第一架空客 A350 XWB A350-900 正在組裝中。主要機身和機翼部件將從 Spirit AeroSystems 位于北卡羅來納州金斯頓的工廠運往歐洲，并于明年年底在法國圖盧茲進行總裝。資料來源：空中客車公司

這段長 18 米/59 英尺、直徑超過 6 米/19.7 英尺的 A350機身段是有史以來第二次制造，緊密反映了 A350 XWB 機身的最終設計。盡管它是由 12 塊面板組成的，但生產段使用的面板將延伸到桶的長度。資料來源：空中客車公司

這臺 Electroimpact（華盛頓州穆基爾特奧）S-15 雙頭自動纖維鋪設（AFP）機器將在堪薩斯州威奇托的Spirit AeroSystem 位于北卡羅來納州金斯頓的工廠為A350 的中央機身（15 段）形成壁板

A350 機翼蒙皮是用一個由 MTorres（西班牙 Torres de Elorz）制造的自動鋪帶機（ATL）在一個巨大的工具上一體鋪設的。來源：MTorres

空客 A350 VWB 機身生產裝配圖

A350 XWB 機翼生產裝配圖

A350 機翼內部翼梁的早期版本是使用 TORRESLAYUP AFP系統生產的，該系統由 MTorres（西班牙 Torres de Elorz）制造。資料來源：吉凱恩航空

漫長的等待即將結束。

第一架空客（法國圖盧茲）A350 XWB 中型客機A350-900 的總裝于2011年年底開始，并于 2012 年第四季度完成，及時趕上預定的首次飛行。其主要機身和機翼部件的組裝工作目前正在進行中。前部和中部將從法國圣納澤爾的空中客車工廠發貨，后部機身將從德國漢堡的空中客車廠發貨。對于生產的每架飛機，圖盧茲的新總裝線將接收已經配備了線束、液壓系統和機艙系統（如空調）的三部分機身。飛機的機翼將由空客在英國布勞頓組裝，并在其德國不來梅工廠進行裝備，然后再送往圖盧茲。

中央機身（空中客車公司表示為 15 段）是三個機身中最長的，為 65 英尺/20 米。第 15 節由 Spirit AeroSystems 公司（堪薩斯州威奇托市）制造的六塊大型復合材料板組成。這些部件在 Spirit 公司的 682000-ft2/63360m2 工廠制造，該工廠于去年 7 月在美國（北卡羅來納州金斯頓市）開業。這些部件體現了空中客車公司采用的獨特設計方法，不僅追求復合材料的重量和性能優勢，還追求解決潛在問題的方法，例如缺乏導電性，而不會增加成本。

Spirit Kinston 公司的 A350 工作范圍還包括機翼的三段式全復合材料 102 英尺/31.2 米前翼梁。由三段組成的前翼梁有助于空客布勞頓機翼工廠的組裝，并避免了瓶頸（如 A380 和波音 787 項目中遇到的瓶頸），這將有助于最大限度地提高月產量。

對于中央機身和前翼梁，Spirit 公司的“智能設計”也融入了“智能制造”實踐。大型部件由更簡單、更容易制造的子部件組成，這些子部件也更容易維修和維護。

智能制造概念也激發了 Spirit Kinston 工廠的許多功能，包括改進工作流程的物理布局和提高生產力的最新自動化纖維鋪設技術。Spirit 專門設計了金斯頓工廠，以實現增長并輕松適應新技術。工廠布置在中央運輸通道周圍，潔凈室、熱壓罐和噴漆室從這里散發出來。該布局加快了零部件在工廠中的流動。這種配置還允許工廠主管在必要時添加額外的處理模塊，以緩解瓶頸。而且它將適應未來的新流程。適應客戶空中客車不斷變化的生產需求的能力是Spirit 的重點。Spirit 副總裁兼金斯頓工廠總經理 Dan Wheeler 指出，目前空客 A350 XWB 的 574 架訂單“數量巨大”。他補充道，“我們已經在這里建立了生產線，以便能夠在產量增加時滿足空客的時間表。”

 

智能設計：機身

A350 設計的一個顯著特點是主機身由三個長段組成。前部和后部各由四塊大型復合板（頂部、龍骨和兩側）制成。但機身中央增加了兩個橫向聯接板，有助于將機身連接到機翼。段件面板連接到復合材料和金屬框架的組合上。相比之下，787 的機身使用了四個較短的一體式復合材料機身?？罩锌蛙嚬具x擇了大型機身面板，而不是單元化的完整機身筒體部分，因為它們可以根據機身每個段承受的不同載荷，根據層壓順序和厚度進行定制。據報道，這使得機身能夠針對性能和重量進行優化。使用更少、更長的截面也意味著更少的接頭，據說這些接頭可以更好地進行負載和重量優化。這種設計有望避免波音公司在加入第一批使用完全不同的工裝方法制造的 787 機筒時遇到的裝配問題，并通過更容易的零件處理、更不復雜和更輕的工裝以及更便宜和更快的分段生產來促進制造和組裝。

由于機身段的碳纖維復合材料不像鋁合金結構那樣導電，雷擊產生的電流將尋找任何可用的金屬路徑，如緊固件。出于這個原因，787 和 A350 都戰略性地使用了金屬部件。根據零件在一些高負載區域提供必要結構加固的能力進行選擇，同時促進內部電氣系統和設備的電氣回路。A350 的所有金屬部件——包括鋁座椅導軌，以及用于下框架和客艙結構地板格柵梁的鋁、鋁/鋰合金和鈦的混合物——都具有雙重功能。每個部分都有一個結構功能，它也構成了飛機內整體電氣結構網絡（ESN- electrical structure network）的一部分。A350 的復合材料面板包含一個外部銅網，以管理閃電的直接影響，它們與 ESN 一起工作，以維持法拉第籠原理，在機身周圍引導電流，而不是讓電流通過，損壞緊固件和操作結構。這種多功能性避免了與專用 ESN 組件相關的額外結構，以及由此產生的重量損失，這將抵消 CFRP機身的輕量化優勢。因此，中央機身的六個組裝部分，長 64.6 英尺/19.7 米，直徑 22 英尺/6.7 米，重量僅為9000 磅/4082 公斤。

 

智能設計：機翼

A350 機翼的設計還得益于拓撲優化，這是一種基于有限元的分析，可確定結構最有效的材料布局。這項技術被用于構成 A380 機翼的各種結構，包括前緣加勁肋，其優點已得到證明。對于 A350，由于空中客車公司以更低的成本在更高效的設計過程中尋求更高的性能，拓撲優化被更早、更廣泛地采用。

除了全復合材料前翼梁外，先進的復合材料還能夠實現被動和主動載荷控制機制，從而提高 A350 機翼的空氣動力學和結構性能。被動自適應是通過氣動彈性剪裁實現的，這是一種氣動表面的設計技術，其強度和剛度與可能施加在其上的氣動載荷相匹配。A350 復合材料機翼還利用了機動載荷減輕（MLA- maneuver load alleviation），這提供了主動載荷控制。MLA 是一種用于減少飛機操縱過程中機翼彎曲力矩載荷的系統。數字飛行控制系統沿機翼跨度自動調整控制面偏轉，以優化和均勻地管理從翼根到翼尖的載荷。

這種設計的另一個方面是可變外傾角。A350 將是第一架能夠實現這一功能的空中客車飛機，該飛機將依靠機翼襟翼系統，該系統允許不同的內外襟翼設置。變速箱和電機安裝在外襟翼和內襟翼之間，使每個襟翼收回后能夠對其角度進行差速控制。提升位置的中心也可以改變以進行負載管理。例如，內部襟翼可以稍微向下設置，在重物情況下將升力中心向內側移動。還可以將兩個襟翼一起向上或向下移動一小部分，這通過調整峰值升阻比來提高機翼性能。在巡航過程中，襟翼功能將由飛行控制系統計算機自動控制，這些計算機持續感測來自飛行管理系統的數據。

總體結果是一個非常高效的機翼，可以用更少的重量產生更多的升力，并且能夠具有先進的載荷處理性能，這也有助于減少飛機的燃料消耗。

制造：中心機身機身 15 段不僅是機身最大的段，也是最復雜的段。它的四個面板具有恒定的輪廓表面，但由于它靠近機翼，兩個橫向連接面板（見第 59 頁“中央機身第 15 段”中的深藍色部分）具有凸起和凹陷的曲率，這為全復合材料翼盒提供了空氣動力學整流罩和結構連接。

15 段的制造始于 Electroimpact 股份有限公司（華盛頓州穆基爾托）S-15 雙頭自動鋪絲（AFP）機器，該機器是專門為這些大型結構設計的。ElectroImpact 設計了 S-15，使其在客戶放置公差范圍內的斜坡復雜表面上進行飛行進給和切割以及全雙向鋪放，并由操作員完全控制進給速度，速度高達 2000 英寸/分鐘（50.8 米/分鐘），通過重新設計剪切機式切割系統，優化進給、牽引路徑、筒子架和機器控制系統，實現了高速。

該機器將來自 Hexcel（康涅狄格州斯坦福德）的Hexply M-21E 碳纖維/增韌環氧樹脂預浸料放置在凸因瓦工具上。（第一塊 15 段冠面板于 2010 年 11 月完工。）

所有 15 段的面板都包含集成的 CFRP 長桁，這些長桁是使用 MTorres（Torres de Elorz，西班牙）為高速二維層壓而制造的懸臂型 AFP 機器生產的。然后將長桁放置在復合板疊層上，并在真空下在兩個 80 英尺/24.4 米長、22 英尺/6.7 米直徑的熱壓罐中的一個熱壓罐中共同固化。（第一個已經安裝；第二個將隨著產量的增加而增加。）

一個自動 TORRESMILL 銑床將窗戶和門的切口從大側板上移除。MTorres 還提供了 Spirit 公司的兩臺5m/16.4 英尺高的柱狀超聲波（UT- ultrasonic）檢查機，每臺都有一個單獨的 UT 掃描儀陣列，以實現對每個機身面板的內外蒙皮的同時檢查。檢查后，將完成的復合材料面板連接到機身框上。大多數框架是復合材料的，但也有少數是鋁的，以支撐 ESN。此外，艙門周圍為鈦合金。框架和周圍都配有自動化設備。

完成后， 15 段面板將嵌套在 70 英尺/21 米的集裝箱中。它們將通過公路運輸到北卡羅來納州莫爾黑德市或該州的另一個港口，然后通過船運到圣納澤爾的 Spirit AeroSystems 工廠，該工廠位于法國西北部的空客 Aerolia工廠附近。Spirit 位于圣納澤爾的 60000-ft2/55574m2 工廠是一個僅用于組裝的工廠（于 2010 年 7 月 23 日正式開業，并于當年晚些時候投入運營），三個上殼體面板與前后乘客地板連接在一起。剩下的三塊面板是散裝運輸的，由空中客車圣納澤爾公司安裝在 15 段組件上。之后，該部分將與中央翼盒配合，該翼盒將從空中客車南特（位于東部 50 英里/80 公里處）抵達，并配備管道和其他系統。然后，中央機身/翼盒單元將空運至圖盧茲進行飛機總裝。

 

生產前翼梁

A350 的前翼梁是一個 102 英尺/31.2 米長的結構，是 Spirit 有史以來最大的翼梁，也是 Spirit 的第一個全復合材料翼梁。該結構從根部到頂部包括三個部分：一個7m/23 英尺長的內翼梁、一個 12.7m/42 英尺長的中翼梁和一個 11.5m/38 英尺長的外翼梁。

翼梁部件由多達 100 層 CFRP 制成，從內翼梁根部的 6 英尺/1.8 米的寬度逐漸變細到外翼梁尖端的大約 1英尺/3.3 米的寬度。

MTorres 一直是開發 Spirit 公司梁生產能力的關鍵合作伙伴。該公司的兩個 TORRESFIBERLAYUP AFP 系統經過專門設計，可提供比傳統龍門式或立柱式機器更大的靈活性和生產力。據報道，這些 AFP 系統能夠實現高達 2360 英寸/分鐘（60 米/分鐘）的上籃速率，比以前可能的上籃速度高出一個數量級，這是使金斯頓的梁生產工藝在經濟上可行的關鍵。MTorres 已向吉凱恩航空（GKN Aerospace）（英國沃徹斯特郡雷迪奇）位于英國菲爾頓（Filton）附近的新工廠交付了類似設備，用于生產 A350 后翼梁。這些機器的開發是為了實現沿翼梁部件邊緣的緊密 U 形幾何形狀——當 45°材料應用于90°角時，會出現許多問題。鋪放頭還提供了成功加工相對低粘度的 Hextply 材料所需的更高溫度和更大的壓實壓力，該材料與用于鋪設機身面板的 M-21E 增韌環氧預浸料相同。每臺 MTorres 機器都可以在 15m/49 英尺的因瓦心軸上同時鋪設兩個梁，然后將其轉移到熱壓罐中進行固化。

使用基于龍門架的 TORRESonIC UT 自動檢測機對固化的翼梁部件進行質量檢查，該檢測機長 15m/49.2英尺，寬 2m/6.6 英尺。MTorres 制造了框架，并連接了Kuka Roboter GmbH（德國奧格斯堡）的商用機器人，電子產品由 Tecnatom SA（西班牙馬德里）提供。完成的翼梁部分被運送到 Spirit 位于蘇格蘭的 Prestwick 工廠，在那里它們被連接在一起，與固定的前緣和其他固定裝置配合，然后作為一個完整的前緣組件運送到空客的Broughton 工廠，與 A350 機翼進行最終組裝。第一個完整的外翼梁于 2010 年 12 月 10 日出廠。

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注：原文見，《 A350 XWB update: Smart manufacturing 》2011.9.11

楊超凡 2023.4.18