ARE包括一種新的、較短的配置，具有前掠水平尾翼（HTP），可節省重量和層流空氣動力學以節省燃料。圖片

 

先進后機身端部(ARE-Advanced Rear End)演示機是2015年“清潔天空 2”技術計劃的工作包之一，旨在開發全碳纖維增強聚合物(CFRP)后機身，為下一代中短程大型客機(LPA-large passenger aircraft)提供顯著的重量節省技術。 

 

 

ARE最初是為了幫助實現安裝在后機身上的開式轉子發動機，目標是大幅降低重量、噪音和二氧化碳 排放。2017年，ARE進行了重新配置，以實現一種全新的空氣動力學設計，可以與包括電動在內的一系列推進系統相匹配。全碳纖維增強塑料結構的目標仍然存在，但新的前掠水平尾翼(HTP- horizontal tail plane)設計縮短了機身截面，需要新的后機身端部設計和空氣動力學分析，以及新的系統布局。

 

 

清潔航空聯合事業(CAJU)的項目官員Pierre Durel解釋道：“清潔天空2”項目有兩個主要流程:第一個是技術檔案，第二個是我們將于今年完成的全尺寸演示器。 

 

 

 

空中客車公司（西班牙赫塔菲）機身工程尾翼研發負責人、ARE演示項目負責人Enrique Guinaldo指出：“第一份（技術檔案）更多的是一個虛擬流。” ， “我們分析空氣動力學、制造限制以及這種新配置將如何融入整體系統設計和機身設計。第二個流更具物理性，我們有兩個相關的演示者：上殼，它是全尺寸后機身的一部分，但沒有下殼，然后是側板，它代表下殼的三分之一。” 

 

 

這兩個演示者的結構旨在探索許多不同的技術， 并解決新ARE配置中的關鍵挑戰。側板由德國航空航天中心(DLR，Stade)使用frameS子項目中開發 的工具制造，使用氙閃光燈而非激光加熱的自動纖維放置(AFP)(見我的微信短文《熱塑復材AFP的氙閃光燈加熱模擬》)。同時，由一級供應商Aernnova （西班牙米尼亞諾）管理的上殼演示機將不包括HTP、垂直尾翼(VTP-vertical tail plane)或下機身，Durel解釋道，“但只包括帶有集成加勁肋的上機身蒙皮和一個用于連接VTP的配件。該配件已從鋁重新設計為復雜的3D復合材料零件。” 

 

 

全新設計，全新復合材料框ARE演示器中驗證的新設計需要三個多凸緣復合材料框-如渲染圖（頂部）和實際RTM零件（底部）所示，它們可以將載荷從VTP轉移到機身，以前框是鍛造鋁和機加工制造的

 

Guinaldo解釋說，上殼是這種新的后機身配置中最復雜的部分，這就是為什么它被選為工業演示機的原因。“其余部分是熱固性和熱塑性復合材料技術的混合，”他說。“蒙皮和桁條是預浸料，高負載框架是使用樹脂傳遞模塑(RTM)工藝制成的。我們試圖探索哪種技術最適合每種應用。” ARE是五個大型“清潔天空 2”演示者之一，旨在推進創新結構和生產系統，并在LPA創新飛機演示平臺(IADP)內組織。它于2021年2月通過了技術準備水平(TRL)3，從而凍結了設計，并于2021年完成了零部件生產。這些將于2022年組裝，所有測試將于2023年項目結束前完成。

 

 

 

ARE的總體目標包括與傳統的單通道飛機設計相比，在成本和重量方面節省20%。但為了實現這一點，許多創新必須結合起來共同努力，Guinaldo說。 “這包括新的工具和新的高負載復合材料框設計，以及模擬、機械測試和材料研究，所有這些都使這種全新的后機身和尾翼配置成為可能。”

 

 

多個合作伙伴，徹底重組

 

 

ARE涉及10多個子項目，包括空客領導的TAILSURF、IMPACT和MONNALISA，以優化后機身和尾翼形狀，驗證空氣動力學和氣動彈性升力增強 裝置，并研究除冰技術；空中客車公司領導CHRZASZCZ優化輔助動力裝置（APU-auxiliary power unit）進氣和消聲器系統；由Fraunhofer Gesellschaft （德國慕尼黑FHG）領導的HEGEL完成疲勞分析； 和FALCON，由Aernnova領導，為高負載RTM復合材料框開發低成本智能工具，以及INNOTOOL為 ARE上殼體演示器開發組裝工具和用于生產熱塑性復合材料ARE閉合框的沖壓成型工具。在CERES和TABASCO，空中客車公司領導了ARE測試項目，其中包括Aernnova高負載RTM框。

 

 

使新的ARE設計變得激進的關鍵方面之一是其前掠水平尾翼。與傳統的后掠相反，該設計的目標是改善尾部的層流，從而減少空氣動力學阻力和燃料消耗。它還縮短了后機身，節省了重量，并為擴展客艙 （或氫燃料存儲）創造了潛在的空間。 然而，這種縮短的端部也向前推動APU，使其位于垂直尾翼下方。Guinaldo說：“這需要解決APU起火或轉子故障的風險，將高能碎片送往與垂直尾翼的接口。”  “我們的反應是在APU周圍設計一個復合材料安全殼，以保護機身的關鍵區域。”合作伙伴德國航空航天中心和法國航空航天實驗室Onera（Palaiseau） 測試了各種材料-編織增強材料、碳纖維、高密度聚乙 烯纖維、熱塑性預浸料以及不同厚度和疊層。“我們進行了一次完整的彈道撞擊測試活動，包括物理測試和虛擬模擬，以了解其行為。我們將物理測試結果進行了關聯，以改進模擬方法。通過這項工作，Onera和DLR能夠定義該安全殼結構的幾何結構并詳細說明解決方案。”該盒子還將包括防火墻。“該防火墻的全面 開發不在該項目的范圍內，但不被視為技術挑戰，很可能會使用與我們今天使用的類似的防火材料。” 

 

 

高負載、多凸緣

 

 

大多數 “CW-Composite World”的讀者都見過CFRP機身框，這些彎曲的部件帶有角度的“腳”，連接在機身蒙皮上，并在機身縱向長桁穿過的地方有“老鼠洞” 。 “這些就是我們所說的普通框，”Guinaldo說。“它們基本上保持了加壓機身的形狀，但并不打算傳遞界面載荷。我們為ARE開發的框必須將界面載荷從垂直尾翼傳遞到機身，這會產生一個非常高的局部載荷區域。到目前為止，這種載荷一直由復雜的鍛造和機加工金屬框承擔。但這些框價格昂貴，重量很大與周圍的復合材料結構相比，它也具有不同的熱膨脹系數 (CTE-coefficient of thermal expansion），在熱載荷下，這可能會增加機身其余部分的框和蒙皮之間的應力。”

 

 

與當今最先進的復合材料機身中使用的形狀框相比， 此處顯示的RTM框在其腹板上使用了增加的厚度和多個凸緣，以承擔ARE演示機垂直尾翼區域的高局部載荷

 

“將這些界面框轉換為復合材料無疑是一個超越，”他繼續說道。“這是我們第一次在復合材料框組件中引入如此高的載荷。”為此，Aernnova開發了一種新的設計并獲得了專利。它使用框內的幾個凸緣來提供所需的剛度和強度。而且，他指出，“這些后機身框的曲率半徑很小。再加上承載載荷所需的7-8毫米厚度，使復合材料框的制造變得更加復雜。” 

 

預成型多個凸緣接口框架的預成型使用Aitiip在FALCON子項目中開發的工具和一種靈活的工藝來壓制成HiTape UD干纖維疊層，在預成型過程中采集和分析數據，以在需要時糾正壓機和工具的驅動，以防止缺陷

 

Aernnova的執行項目經理Luis Aliaga說：“我們使用壓機熱成型扁平的C形和C形凸緣。 ”  “當加固材料彎曲時，緊密的曲率會產生褶皺。我們測試了許多不同的材料。”最終選擇的是來自Hexcel（美國康涅狄格州斯坦福德）的HiTape干單向(UD)膠帶和RTM6環氧樹脂。Aernnova與FIDAMC（復合材料研究、開發和應用中心，西班牙馬德里）合作，后者使用HiTape開發了AFP平面疊層，并支持FALCON子項目中的自動成型循環（見下文討論）。這種成形實現了多凸緣框的C形，并實現了高生產率的工業化。Aliaga指出：“我們完成了試片和組件級的機械測試以及許多模擬，以便在最后部分預測這種材料的行 為。” 。 “我們還完成了許多樹脂注射的模擬，以確認注射策略。”最后的一次注射過程使用了多個注射點， 以確保樹脂從復雜形狀的預成型件中適當潤濕。 但是為什么選擇RTM而不是提供更高韌性和耐熱性的熱塑性復合材料呢？“熱塑性塑料技術還不夠成熟，無法開發出高負荷的接口框， ”阿利亞加說。“但后機身的封閉框將是熱塑性塑料。”他指出，到項目結束時，ARE本身將達到TRL6，但由東麗先進復合材料（荷蘭 Nijverdal）LMPAEK材料制成的閉合框將僅達到TRL4。 “我們還沒有達到這些接口框所需的熱塑性工藝，”Aliaga說。

 

 

FALCON 框架工具

 

 

在FALCON項目中，Aitiip Centro Tecnológico （西班牙薩拉戈薩）開發了一種獨特的150噸級鋼制沖壓工具，用于預成型框腹板和法蘭。該公司還制造了RTM固化工具。這些工具設計用途廣泛，能夠為承受不同載荷水平的不同機身截面生產復合材料框。其目的還在于將模具成本降低40%，生產時間降低30%，生產成本和能源各降低20%。為了實現這一目標，獵鷹還創新了軟件、控制、監控和模塊化的使用。

 

 

在FALCON子項目中，Aitiip開發了一種獨特的伺服電機驅動150噸沖壓工具，用于為不同的機身截面預成型多種尺寸的復合材料框

 

預成型和RTM工具都使用了多個心軸。預成型工具可以為高負載框以及較小的C形凸緣成形平坦的C形腹板。它的心軸有助于塑造織物的形狀并防止褶皺。Aitiip開發了一種獨特的伺服電機概念，使任何類型的預浸織物或UD帶的U形、T形和Z形桁條都能實現柔性沖壓成型。這種伺服成形概念在預成形期間獲取并分析數據，以在需要時校正工具和壓力機的致動。鋼預制件工具通過強制空氣輔助冷卻從成型機傳導熱量，兩者都通過工具中的嵌入式通道適應零件幾何形狀。 

 

 

框預制件隨后被放置到RTM固化工具中，該固化工具包括上模具和下模具，以及在注射和固化期間保持每個預制件的位置的心軸。預成型和RTM都使用閉環控制系統進行實時監控，避免了生產的尺寸和熱方面的誤差。結合一次性RTM方法，這實現了能源和材料的節約。 

 

 

與非自動化生產工具系統相比，獵鷹項目能夠顯示出堅固性和可重復性的優勢。提供給Aernnova的工具的模塊化和多功能性使其能夠輕松且經濟高效地適 應具有多種功能的新材料。Aernnova制造了六個高負載機架，并展示了一種能夠高速生產的方法。Aliaga 說：“每個零件的周期時間由RTM固化周期決定，即五個小時。因此，每個RTM固化工具每天最多可以有四個框。”

 

 

滑動成形（Glide Forming） 

 

滑動成型長桁，INNOTOOL組件

 

 

典型的機身桁條長4-12米，橫截面為Ω形?；瑒映尚问茿pplus+Laboratories（西班牙巴塞羅那）開發的 一種技術，用于從使用自動鋪帶（ATL）或纖維放置制成的預浸料疊層中生產不同長度、厚度、曲率和橫截面的桁條。疊層被夾在兩個加熱毯之間，然后放置在成型工具上。毯子將疊層加熱到合適的成型溫度， 基于機器人的滑動成型頭向下移動工具，在疊層成型時對其施加張力。連續成形過程是使用一臺接受許多不同工具的機器在單個循環中實現的。Aliaga說：“我們選擇滑動成形是因為我們想了解更多關于這個過程的信息。”  “與當前的成型技術相比，它提供了一種多功能的成型解決方案，投資低， 生產率高。一臺機器可以生產Ω形、T形和U形結構增強件，并允許使用不同且更簡單的工具，因為這些工具不需要加熱。也可以使用凸模具或凹模具，但成型不需要兩者，顯著降低了工藝成本和所用能源。與傳統的熱成型相比，它還可以生產更高質量的桁條， 在機器沿著工具前進并形成預浸料坯時消除褶皺。材料浪費也減少了，因為這種工藝允許不同厚度的定制設計。在傳統的熱成型工藝中，整個桁條的厚度是相同的，沒有減少的機會，因此即使在不必要的情況下也會使用額外的材料。” 

 

 

 

 

上蒙皮鋪放，INNOTOOL旋轉框架Aernnova開發了 FIDAMC使用的機身形狀金屬鋪放工具（頂部），用于AFP上機身蒙皮 鋪放。這與ARE演示器（中心）的滑動成型長桁和兩個普通框（非對接面框）共同拍攝。 然后使用INNOTOOL子項目中開發的旋轉工具將該蒙皮桁條組件與RTM框組裝在一起（底部） 

 

長桁以兩種方式形成（但未固化）。第一個是由Applus+實驗室使用Hexcel 的 UD碳纖維/環氧樹脂預浸料，并交付給FIDAMC。第二種是通過FIDAMC在凸模工具上使用熱真空成型。在FIDAMC，長桁與半固化輪廓框和ARE演示機的上機身蒙皮疊層相匹配， 該疊層使用AFP和相同的UD預浸料制成。

 

 

 

長桁和蒙皮工具都是由Aernnova設計和生產的。 然后將成型框和長桁蒙皮一體化疊層真空裝袋并在熱壓罐中共固化。固化后，這個組件被送到阿爾諾瓦的阿利亞加團隊。接下來，RTM的高負載框將被連接。然而，它們首先必須以非常精確的方式定位在蒙皮長桁組件上。 

 

 

 

用于此目的的定位工具由Tekniker（Gipuzkoa，西班牙）在INNOTOOL子項目中開發，并得到了Aernnova的設計協助。Aliaga說：“該工具位于一個由電機驅動的框架上，并旋轉固定蒙皮桁條組件的工具。” “這款蒙皮長3米，直徑2.5米，對于這款演示機使用的中程飛機規格來說，這是全尺寸的。” 

 

 

 

組裝過程從激光跟蹤器開始，以建立固化蒙皮長桁組件的參考模型。接下來， 一個自動化過程定義了在放置高負載框期間用于參考的最佳固定點。每個機架由裝配操作員識別，裝配操作員在控制軟件中選擇要測量和裝配的負載機架。該軟件指導裝配操作員完成測量過程以及裝配過程中執行的最終移動命令。自動測量由外部計量框架執行， 并由激光跟蹤器使用事先使用模擬定義的策略驅動。 裝配順序是一個復雜的過程，其中執行多項任務，結合手動和自動操作，包括自動鉆孔和鉚接。

 

 

 

復雜的挑戰，未來的希望INNOTOOL裝配工具和計量輔助過程是ARE計劃如何探索數字和自動化技術以減少制造時間和成本的一個例子。“這種工具突出了一個特殊的挑戰，”Guinaldo說，“因為這個后機身端部有雙曲面， 這是蒙皮復雜性的一部分，也是為什么制造這種演示機和高負載框如此復雜的原因。” 這些框確實是阿利亞加在Aernnova項目中最具挑戰性的部分。然而，對于作為演示者領袖的吉納爾多來說，最大的挑戰是將一切結合在一起。“這個項目比看上去更復雜，”他說。“對我來說，挑戰在于將后機身的航空設計與機身的可制造性、組裝和系統安裝結合起來，以集成如此多的不同部件，從而實現整體性 能的積極目標。”他說，下一步是完成框的物理測試。 “然后，我們將用非線性有限元模型進行虛擬測試，以在整個后機身的背景下驗證框。”這項虛擬測試將于明年進行。

 

 

 

盡管在這個項目中管理這么多合作伙伴也是一個挑戰，但正是這個龐大的社區使解決這么多方面問題 和開發創新解決方案成為可能。“團隊中的每一個人都 在為實現這一目標做出貢獻，”他說。“大多數人認為這只是一個后機身，我們只是在建造一些從一開始就很清楚的東西，但事實并非如此。我們正在開發一種新的機身和系統概念，這對下一代飛機來說是極具創新性的，也很有希望。” 

 

 

 

注：原文見，《 Multi-flange RTM frames enable radical rear fuselage design 》

 

2023第一屆復合材料HP-RTM工藝技術交流會暨自動化成型裝備演示培訓會

?“2023第一屆復合材料HP-RTM工藝技術交流會”將于8月3-5日在天津市召開，同期舉辦“自動化成型裝備演示培訓會”。

 

 

 

會議共同探討HP-RTM工藝技術，推介復合材料新技術、新應用和新發展，搭建產業鏈上下游合作，進一步促進HP-RTM工藝技術進步，賦能企業創新發展；還將安排參觀天津市天鍛壓力機有限公司、廊坊市飛澤復合材料科技有限公司，觀摩成型裝備及生產現場操作演示，在實踐中學習高效、低成本、定制化的輕量化解決方案。

 

 

 

誠邀國內外復合材料生產企業、產業鏈上下游企業、專家學者和行業同仁蒞臨本次大會，進行學術交流和商務合作！