設計、制造發動機短艙
總部位于密歇根州的地面測試解決方案公司(GTS)生產用于飛機短艙測試版本的復合材料部件，發動機制造商將其用于飛行前測試，航空公司將其用于售后測試。
飛機短艙——飛機上容納噴氣發動機的多部件外殼——通常由復合材料制成。這些是復雜的部件，需要滿足溫度、耐火性和噪音阻尼等嚴格要求。
然而，在將發動機安裝到飛行短艙并放入飛機之前，它需要在地面上進行一系列測試，確保它能夠承受所需的溫度和高度、鳥類撞擊和其他條件。因此，試驗短艙與飛行短艙相似，但要求略有不同，是專門為在專門設計的地面試驗裝置中容納發動機而建造的。
地面測試解決方案公司(GTS，Grand Ledge，美國密歇根州)是為數不多的專門從事短艙測試的公司之一。GTS由總裁湯姆.哈梅爾(Tom Hamel)和現場服務經理馬克·杰弗里斯(Mark Jeffreys)于15年前創立。哈梅爾和杰弗里斯之前都在普惠公司工作，該公司除了生產飛機發動機外，還生產試驗短艙。
GTS 26000平方英尺的工廠雇傭了約40名員工，生產喇叭口進氣道、推力反向器、噴嘴和塞子、船尾和復雜管道，所有這些都是復合材料密集型的，專門為噴氣式飛機和直升機測試短艙建造，用于飛行前測試和售后市場。
根據哈梅爾的說法，世界上只有三家公司制造飛機試驗短艙：GTS、普惠和賽峰。“當然，GTS是迄今為止最小的。然而，我們為客戶提供的是最好的價值和最低的成本，”他說。
測試短艙和飛行機艙之間有什么區別？GTS的工程師尼克·多布森(Nick Dobson)解釋道：“由于它只用于地面測試，因此測試機艙不需要某些功能，比如外部空氣動力學蒙皮。”。“也就是說，我們建造測試機艙的方式確實與實際飛行機艙的重量和剛度等特性相匹配，以便進行測試。”
短艙要經過什么類型的測試？多布森(Dobson)說：“通常情況下，客戶會把這些東西放在一個封閉的測試室里，經過聲學處理以消除噪音問題，然后按照美國聯邦航空管理局(FAA)的指定，它將經歷多個不同的測試周期”。這些可以包括測試短艙的整體耐久性和隨時間推移的磨損、對鳥擊的耐受性、水封、高度性能、對結冰的抵抗力等。他補充說，美國聯邦航空管理局規定了發動機在服役前的測試要求，以及在飛行數小時后對在役發動機的重新測試要求，以確保它們仍然可以使用。
發動機測試裝置的一個例子，在中間是白色的試驗短艙。
01設計測試短艙
從設計到制造，每個測試短艙裝置大約需要一年的時間來開發和生產。哈梅爾(Hamel)說：“我們設計它，我們使用它，我們建造它。這一切都是垂直整合的。”。
設計過程從發動機制造商提供的設計規范開始。多布森(Dobson)說：“我們可以得到你使用的特定發動機的流道形狀、溫度和壓力。”。由此，GTS使用Dassault Systèmes（美國馬薩諸塞州沃爾瑟姆市）的SolidWorks生成和分析短艙的CAD模型，根據溫度和壓力負載模擬的模擬行為，調整材料、鋪層計劃、粘合劑和其他因素。多布森補充道：“我們確實將材料在溫度和強度方面推向了極限。”。
然后，GTS向客戶提交其設計方案，并根據需要進行調整，直到最終設計確定。
02復雜的工具和制造
接下來，工具是在內部設計和制造的，由玻璃纖維或碳纖維制成，或根據特定部件的需求由金屬加工而成。
測試短艙的大多數結構都是用碳纖維預浸料和蜂窩芯制成的，手工放在開放的模具上，然后在烤箱中真空固化。
多布森指出：“根據所需的溫度要求，我們使用的材料各不相同。”。對于一個典型的項目，GTS偶爾會用玻璃纖維制造結構，盡管來自東麗(Toray)的碳纖維預浸料更常見，通過Gerber(Tolland，Conn.，U.S..)CNC切割臺切割，并將鋁蜂窩夾在中間。這些結構被手工放置在內部建造的開放式模具上，然后在GTS的24×20英尺烤箱中的真空袋下固化。固化后，零件在噴漆室中完成。
GTS還為其設備提供維護服務。多布森說：“如果復合材料受損或出現磨損，我們將進入世界各地的領域進行修復。”。
建造這些部件所需的大部分時間和技能來自于必須為非飛行發動機重新設計短艙部件所帶來的復雜性。哈梅爾說：“所有的東西——復合材料部件、閂鎖、鉸鏈、金屬接口——都必須經過設計，使其重量和重心模擬飛行短艙，盡管這些部件在地面測試的設計上有點不同。”。“當然，它的設計必須比典型的飛行情況下承受更多的載荷，因為它的設計是為了測試到極限。”
例如，測試短艙的主要部件之一是喇叭口進氣道（如左圖所示），與典型飛行短艙上的進氣道不同，喇叭口進氣道設計有喇叭狀擴口，以便在沒有實際飛行產生的壓力和力的情況下更有效地將空氣帶入短艙。
多布森（Dobson）說：“在預浸料坯和蜂窩中鋪設是一個非常復雜的曲率。為此，我們使用了赫氏（Hexcel-美國康涅狄格州斯坦福德）的Flexcore蜂窩，因為它的設計能夠包裹曲線。”。他說，對于典型的喇叭口，每側可以使用大約8到20層Toray CMA碳纖維預浸料，將鋁蜂窩夾在中間。
多布森說：“其結果是形成了一個非常輕、堅硬的結構，用于將空氣引入發動機，以測量發動機性能的重要參數。”。
另一個復雜的部件是推力反向器——在這種情況下被稱為替代推力反向器，因為地面測試沒有實際的推力——它包圍了發動機的側面。多布森指出：“這些是我們建造的最復雜的結構。”因為它們必須分為兩半，可以像蛤殼一樣打開，以安裝和拆卸發動機進行測試。這兩半通過一個專門設計的金屬鉸鏈系統連接在頂部和底部。
設計能夠承受所需溫度的零件也是一個挑戰，尤其是對于直接包裹發動機的替代推力反向器和整流罩等零件來說。多布森說：“我們使用我們能找到的最高溫度的碳纖維預浸料，并在它真正變熱的地方添加隔熱罩和隔熱毯。”。整流罩部件還設計有特定的凹槽和分叉，在測試期間需要安裝設備進行測量。
多布森補充道：“我們真正要做的一件事是提高復合材料在何處以及如何使用方面的能力，因此我們最終與我們的主要預浸料供應商東麗進行了大量合作。他們已經能夠為我們對材料進行一些測試，以證明這些應用具有足夠的強度和溫度能力。”。
03展望未來：LEAP
GTS是CFM International（美國俄亥俄州辛辛那提市）LEAP 1A和1B測試系統的兩家供應商之一，該測試系統用于波音737 MAX和空客A320neo系列等單通道飛機。
為此，GTS正在建造售后市場測試短艙，出售給美國聯邦航空局和航空公司等客戶，以便在使用后測試飛行發動機。
多布森解釋說：“這些結構很復雜，由復合材料和金屬制成。”。每個機艙的主喇叭口、整流罩、船尾和替代推力反向器由Toray 2510碳纖維12K平紋預浸料層和Flexcore蜂窩芯的組合制成，使用碳纖維復合材料工具制造，以匹配熱膨脹系數。
多布森補充道：“LEAP對我們來說是一個激動人心的項目。我們將在未來10年內建造30-40個測試短艙。”
注：原文見，《 Designing and manufacturing turbine test nacelles 》 2024.2.16
編后語
商飛ARJ21、C919發動機短艙，都是美國Middle River公司設計、制造的。希望這一組微信文章對國內設計、制造C929短艙，能有點參考作用。
楊超凡 2024.2.22
