用航空復材制造下一代飛艇
LTA 研究復合材料密集型探路者1號飛艇
復合材料使下一代剛性飛艇設計成為可能。LTA Research 的探路者 1 號是其第一艘全尺寸電動原型飛艇，在美國加利福尼亞州山景城建造期間展示。該飛艇的許多結構都使用了復合材料，包括可以通過部分打開的飛艇外殼看到的碳纖維復合框架。
如今，大型硬框飛艇通常只能在 20 世紀上半葉的黑白照片中看到，當時德國弗里德里希沙芬的齊柏林飛艇和阿克倫號和梅肯號等軍用飛艇都很流行。這兩艘飛艇、德國興登堡號和其他飛艇的悲劇事故最終導致了乘客和貨物以及軍隊剛性飛艇時代的結束。自 20世紀 60 年代以來，今天的飛艇大多是非剛性飛艇。然而，幾家公司正在努力開發新一代剛性結構飛艇，與美國聯邦航空管理局（FAA）的法規合作，并使用現代技術和材料來確保更安全的制造和運營。
其中之一是飛艇公司 Lighter Than Air（LTA）Research（美國加利福尼亞州山景城），該公司旨在創造新一代飛艇，其本質上比以前建造的飛艇更安全、更快。
LTA 的首席執行官 Alan Weston 曾在空軍研究實驗室（AFRL）、美國國家航空航天局艾姆斯研究中心和中佛羅里達大學佛羅里達航天研究所工作，他創辦該公司的目標是減少航空運輸中的碳排放。他決定將重點放在電動或替代動力飛艇的現代化上，作為一種潛在的低排放或零排放航空運輸選擇。
2014 年，韋斯頓開始深入研究飛艇設計，從阿克倫大學的歷史學家和研究人員開始，并與德國漢莎航空公司和固特異輪胎橡膠公司等公司的飛艇設計師進行了交談。
探路者1號圖紙
隨著研究工作的進展，韋斯頓認識到他正在開發的飛艇有可能加強人道主義救援工作，例如向自然災害災區運送物資。飛艇幾乎可以?？吭谌魏蔚胤?，不依賴于完整的簡易機場或著陸區，可以長時間懸停接送人員或貨物，還可以設計成攜帶大型有效載荷，所有這些都可以很好地用于救援工作。
該公司于 2015 年正式成立，由谷歌聯合創始人謝爾蓋·布林支持。到 2016 年，LTA Research 有兩個地點：位于美國俄亥俄州阿克倫的一個研發實驗室，用于測試設計和制造技術，以及位于美國加利福尼亞州山景城的一個機庫。那年，LTA 在山景城建造并飛行了其首個小型飛艇模型，不久后開始生產其首個全尺寸飛艇 “探路者 1 號”。
設計探路者 1
探路者 1 號是 LTA 的概念驗證（POC- proof-of-concept）飛艇，為未來的迭代鋪平了道路，但它不是一個小規模的模型，長不到 400 英尺，直徑不到 66 英尺，由電動機驅動。根據美國聯邦航空管理局的資格認證指南，目標是證明材料和制造技術，并將任何經驗教訓用于開發下一代甚至更大的探路者飛船。
LTA Research 的工程副總裁 Daniel Morgan 解釋說，探路者1 號總體設計的最初目標是安全和簡化組裝過程。從一開始，該公司就決定采用剛性飛艇設計，而不是氣 球狀飛艇或半剛性設計。在完全剛性的設計中，氦袋仍 然提供飛艇的升力，但生活在一個由相互連接的管道組 成的骨架狀內部框架內，在這種情況下，由 Tedlar（美國特拉華州威爾明頓市杜邦公司生產）蒙皮覆蓋，稱為信封，用于支撐船下的吊艙，以容納乘客和貨物。
剛性設計為運載貨物以及現代導航和安全系統提供了最大的強度，但更多的結構部件也意味著整個飛艇的重量增加，可能會降低航程或有效載荷能力。
因此，LTA 認識到，復合材料可能會在一定程度上用于保持飛艇在最大強度下盡可能低的重量。
Morgan 解釋說，LTA 以 20 世紀早期的飛艇設計為基礎，采用當今的材料、制造技術以及推進和導航技術進行現代化改造，“復合材料屬于現代材料的范疇。傳統飛艇通常至少在一種情況下使用鋁甚至木材建造，但當你比較剛度和重量時，復合材料是我們應用的明確解決方案。”
西門子（美國佐治亞州 Alparetta）的 Femap 有限元分析軟件和 Ansys（美國賓夕法尼亞州 Canonsburg）的模擬軟件被用于設計每一艘飛艇的結構。
“復合材料被用于許多需要輕質結構的地方，”Morgan說。碳纖維、Kevlar 和玻璃纖維的使用取決于所需的重量、剛度和抗沖擊性能。
設計成果：
- 剛性飛艇設計包括近 3000 個鈦輪轂和 10000個碳纖維增強塑料管。
- Pathfinder 1 的框架管是卷包和烤箱固化的未來將研究更自動化的工藝。
- 碳纖維、Kevlar 和玻璃纖維等復合材料被用于整個飛艇。
復合材料組件包括由合作伙伴齊柏林飛船建造的吊艙；座艙連接支柱；多部件、多材料鼻錐，也是與齊柏林飛船合作建造的，包括 Kevlar 防護罩和碳纖維增強聚合物（CFRP）連接機構；鰭；玻璃纖維復合材料電機罩；卷包、熱壓罐外（OOA- out-of-autoclave）固化的復合材料電機掛架；手工鋪設和壓固化舷梯板；以及通過熱壓罐和 OOA 手工鋪設復合材料的混合物制造的外部進氣口和支架。
對于像探路者 1 號這樣的剛性飛艇來說，可以說最重要的結構元件——當然是除了外殼之外最大的—是 13 個管狀主機。Morgan 說，碳纖維復合材料從一開始就是最有力的競爭者。“從一開始，我們就對一種非常安全、非常堅固的東西感興趣。”
Pathfinder 1 框架的制造和組裝
Morgan 解釋道：“框架的設計考慮到了當今的材料。” “碳纖維與鋁或木材相比的抗壓強度會自動改變你開發的整體結構，因為它承載的負載不同。”同時，他說 LTA 不想完全重新發明輪子。“如果你看看飛艇的舊設計，它們使用了類似的測地模式，就像我們一樣，盡管其中許多是基于桁架的系統，”這意味著，在半剛性飛艇設計中，沿著結構底部的龍骨或構架支撐著上面的充氦外殼。
現代化的剛性飛艇框架。LTA 研究公司的機身以 20世紀的剛性飛艇為基礎，但采用了現代材料和新的、更安全的組裝技術。探路者 1 號的框架由10000多根連接到鈦輪轂的中空碳纖維復合管組成。
對于 LTA 的框架，高強度和低重量是首要考慮因素；此外，為了簡化鑒定過程，LTA 決定依靠現有的航空航天鑒定材料。這些目標導致了一種由航空級碳纖維預浸料制成的中空管的設計，該中空管由一系列專門設計的焊接鈦輪轂連接。整體探路者 1 號框架由近3000個焊接鈦輪轂組成，連接 10000 根多層 CFRP 管。
為了簡化組裝，LTA 決定采用兩種管道配置，直徑分別約為 3 英寸和 4 英寸，切割成各種長度，最長可達12 英尺。在測試了幾家供應商的樣品后，該公司與 Kilwell Fibrelab（新西蘭羅托魯瓦）合作，該公司專門生產各種應用的復合管。
對于 Pathfinder 1，管道是通過卷包工藝制造的，在卷包工藝中，預浸片材被切割成特定尺寸，然后用手在心軸周圍以指定的層鋪設。將加熱的收縮帶層添加到管中進行壓實，然后進行烘箱固化循環。使用來自東麗（日本東京）的航空航天合格的碳纖維預浸料，包括具有專有樹脂的平紋平紋編織中模量（IM）預浸料和單向高模量（HM）預浸片。
Kilwell 首席執行官 Craig Wilson 解釋說，卷包復合材料管是該公司的“面包和黃油”，但 Kilwell 的設施和工藝需要升級，以滿足 LTA 和 FAA 的質量標準，包括設施的溫度、濕度和顆粒物管理系統，以及每個零件每個工藝步驟的條形碼和數據跟蹤新流程。
Kilwell 生產經理 Jason Daniels 補充道：“與其他一些項目相比，我們開發了一個更專業的固化周期，需要更高的溫度和更長的固化周期才能滿足要求，并且所有數據都得到了監控和跟蹤。”
探路者 1 號飛船用碳纖維復合材料預浸管數英里的碳纖維增強塑料管。總部位于新西蘭的 Kilwell Fibrelab 采用卷包和烤箱固化工藝生產組裝在 Pathfinder 1 上的管道。
Wilson 指出，自 2016 年末制造出第一批樣品管以來，截至 2023 年夏末，Kilwell 已經生產了 24840 根總長超過 25 英里的樣品管，以支持 LTA 的探路者計劃。除了管子本身，對框架結構的另一個挑戰是組裝。Morgan 說，過去，飛艇的組裝非常耗費人力，需要來自數十個專業領域的數百人，其中許多人不得不在腳手架上危險地工作。他說：“今天，我們可以使用現代技術來預先加載流程，以工程師和自動化的方式使用更多，并大大減少接觸勞動力。”
復合材料密集型設計。除了 CFRP 框架外，LTA及其制造合作伙伴還在 Pathfinder 1 上使用了各種復合材料。這些包括鰭（如圖）、吊艙、發動機罩等。
事實上，LTA 已經為許多設備申請了專利，這些設備旨在促進更快、更安全的施工。從本質上講，主機管和輪轂部件連接到一個圓形通用主機夾具上，該夾具的直徑與飛艇的直徑相同，由支撐結構懸掛在地面上。地面上的技術人員將部件連接到夾具上，然后旋轉整個設備，將主機架的該部分提升到所需高度。
這種組裝方法，以及管道和輪轂本身，都被設計為易于擴展，因為 LTA 開始將目光投向未來更大的飛艇，超越探路者 1 號。Morgan 說：“這才是我們使用的架構真正改變游戲規則的地方，即可擴展性。如果我們想建造一艘不同尺寸的飛艇，我們可以使用相同的技術，使用相同的工具和分析技術來設計飛艇，并使用相同或相似的碳纖維管相對快速地建造。”
復合材料密集型設計。除了CFRP框架外，LTA 及其制造合作伙伴還在 Pathfinder 1 上使用了各種復合材料。這些包括鰭（如圖）、吊艙、電機蓋等。
為了支持飛艇尺寸的增加，LTA 需要更大的制造空間。2022 年，該公司收購了位于美國俄亥俄州阿克倫的 1175 英尺長、325 英尺寬、211 英尺高的阿克倫航空碼頭，這是一座由固特異齊柏林飛船公司（固特異和齊柏林飛船當時的合資公司）于 20 世紀 20 年代建造的大型歷史建筑，曾是許多飛艇、飛艇和其他飛機的建造地。Morgan 說：“當我們考慮建造一艘更大的飛船時，我們知道我們需要為它找到另一個家，而阿克倫是飛艇行業的起源。有很多歷史知識。”
目前正在籌劃的是探路者系列的下一艘飛艇，其設計與探路者 1號相似，但要大得多，長600英尺，直徑98英尺。
Morgan表示，下一代探路者“在設計上將在很大程度上追隨探路者 1 號的腳步，在飛艇上使用大量復合材料。這是一次設計演變，而不是一場革命。”，尤其是當該公司尋求適應更大的零件尺寸，并著眼于未來的商業生產、更高的制造量時。
CFRP框架構件就是一個典型的例子。Morgan 解釋道：“進入下一次迭代，我們正在尋找相同的應變重量比，框架組件的性能相同，但我們需要一種大批量的制造方法。”
大約三年前，LTA 在研究能夠更高效、更可擴展地制造框架部件的工藝時，與 Exel Composite（s 芬蘭萬塔）建立了聯系，該公司專門從事復合管和型材的拉擠和拉繞。Morgan 解釋道：“Exel 在批量制造和自動化制造方面的專業知識是我們選擇它們的原因。”
主要目標是可重復性和體積，同時滿足強度、耐久性、韌性和剛度要求。我們認為 Exel 的拉絲工藝是最合適的。拉伸纏繞本質上結合了細絲纏繞和拉擠：就像拉擠一樣，碳纖維絲束被引導通過樹脂浴，然后進入加熱模具，成型為最終零件。然而，在牽拉纏繞過程中，一些絲束不是以線性方式直接穿過，而是螺旋纏繞在心軸周圍，這允許各種排列的纖維增加強度和設計靈活性。與拉擠成型一樣，該過程是連續的，型材隨后被切割成一定長度。
飛行準備就緒。截至 2023 年夏末，探路者 1 號已全面建成，可在加利福尼亞州進行飛行測試。LTA 計劃將飛艇的設計、制造和操作知識融入下一代更大的、針對生產的飛艇中，該飛艇將在美國俄亥俄州阿克倫建造。
Exel Composites 美國地區銷售經理Marc Tagher解釋道：“這比手動包裝過程自動化得多，一致性非常高。這是一個連續的過程，可以精確地將每根纖維放置在需要的位置。”
Morgan 補充道：“拉伸纏繞技術讓我們有了更多的靈活性，因為這個過程使用絲束而不是織物，所以我們能夠專門安排纏繞的鋪設，以滿足我們的需求。”例如，將纖維纏繞在心軸上，即使管壁相對較薄，也能增加管的環向強度。此外，“與手動上卷包裝相比，拉卷速度大約快一個數量級，甚至在足夠大的生產周期內節省了成本。”
從目前的預浸料輥包裝工藝轉變為拉伸纏繞工藝也涉及到新材料的選擇。Exel 的管子由 HM 和 IM 碳纖維的混合物制成，并采用了一種專有樹脂，據說這種樹脂是為了結合高性能和與拉力纏繞工藝的兼容性而選擇的。
Exel 在芬蘭的研發團隊一直在優化各種迭代的管道，然后將其送往 LTA 進行機械測試。一旦這些管子開始大規模生產，Exel 計劃將生產轉移到美國肯州 Erlanger 的工廠。
飛行試驗和未來的飛艇
目前，探路者1號的成功是 LTA 的首要任務。第一艘飛艇于 2023年初在山景城完成，截至 2023 年年中，已經完成了幾次室內飛行測試。LTA 表示，在今年剩下的時間里，其目標是進入下一階段的戶外飛行測試，并繼續培訓其認證飛行員和經驗豐富的機組人員團隊。在探路者1號成功推出后，LTA的目標是最終在美國俄亥俄州阿克倫的機庫中制造一系列飛艇。
注：原文見，《Next-generation airship design enabled by modern composites》 2023.9.20
楊超凡 2023.9.21
