下一代單通道客機的先進后部
先進后部（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，從而節省燃料。
先進后部（ARE-Advanced Rear End）演示件是 2015 年清潔天空 2 號（Clean Sky 2）技術計劃的工作包之一，旨在開發全碳纖維復合材料機身后部，為下一代中短程大型客機（LPA-large passenger aircraft）提供顯著的重量節省。（注：這里的下一代中短程大型客機，是一款將取代現在的 A320 單通道客機。）
先進后部（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，先進后部（ARE）進行了重新配置，實現了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。全碳纖維復合材料結構的目標仍然存在，但新的前掠水平尾翼（HTP- horizontal tail plane）設計縮短了機身段的長度，需要新的后機身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）的項目官員皮埃爾·迪雷爾（Pierre Durel）解釋道：“清潔天空 2 號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。
空客公司（西班牙赫塔菲）機身工程尾翼研發負責人、先進后部（ARE）演示項目負責人恩里克·吉納爾多（Enrique Guinaldo）指出：“第一份（技術檔案）更多的是一個虛擬流程。”，“在這里，我們分析空氣動力學、制造約束以及這種新配置將如何融入整體系統設計和機身設計。第二個流程更具物理性，我們有兩個相關的演示件：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。”
這兩個演示件的結構旨在探索許多不同的技術，并解決新先進后部（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，使用自動鋪絲（AFP），使用氙閃光燈而不是激光加熱。同時，由一級供應商Aernnova（西班牙米尼亞諾）管理的上殼演示件將不包括水平尾翼（HTP）、垂直尾翼（VTP）或下機身，皮埃爾·迪雷爾解釋道，“但只包括帶有集成加強筋的上機身蒙皮和一個用于連接垂直尾翼（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，全新復合框架
先進后部（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，它們可以將載荷從垂直尾翼（VTP）傳遞到機身，歷史這幾個框是鍛造和機加工的鋁框。
吉納爾多解釋說，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。“蒙皮和長桁是預浸料，高負載框是使用樹脂傳遞模塑（RTM- resin transfer molding）工藝制成的。
我們試圖探索哪種技術最適合每種應用。”先進后部（ARE）是五個大型清潔天空 2 號（Clean Sky 2）演示器之一，旨在推進創新結構和生產系統，并在大型飛機創新飛機演示器平臺（IADP-Innovative Aircraft Demonstrator Platform）內組織。它于 2021 年 2月通過了技術準備水平（TRL- technology readiness level）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。
先進后部（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%。但吉納爾多說，要實現這一目標，必須將許多創新結合起來，共同努力。“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，徹底重新配置
先進后部（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；空客公司領導CHRZASZCZ 優化輔助動力裝置（APU-auxiliary powerunit）進氣和消聲器系統；由 Fraunhofer Gesellschaft（FHG，德國慕尼黑）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，為先進后部（ARE）上殼體演示件開發組裝工具和用于生產熱塑性復合材料先進后部（ARE）閉合框的沖壓成型工具。在 CERES 和 TABASCO，空中客車公司領導先進后部（ARE）測試項目，其中包括 Aernnova高負載 RTM 框。
使新的先進后部（ARE）設計激進的關鍵方面之一是其前掠水平尾翼（HTP）。與傳統的后機身相反，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輔助動力裝置（APU），使其位于垂直尾翼（VTP）下方。吉納爾多說：“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（VTP）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。”該安全殼還將包括防火墻。“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、多凸緣框
大多數 CW 讀者都見過 CFRP 機身框，這些彎曲的部件有角度的“腳”，連接到機身蒙皮上，并在機身縱向長桁穿過的地方有“老鼠洞-mouseholes”。“這些就是我們所說的普通（維形）框，” 吉納爾多說。“它們基本上保持了機身形狀，但并不打算傳遞界面載荷（ interface loads）。我們為先進后部（ARE）開發的框必須將界面載荷從垂直尾翼（VTP）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，重量很重。它們的熱膨脹系數與周圍的復合材料結構不同，在熱載荷下，復合材料結構會增加框和機身其余部分蒙皮之間的應力。”
高負載界面框
與當今最先進的復合材料機身中使用的普通框相比，此處顯示的 RTM 框使用了增加的厚度和橫跨其腹板的多個凸緣來處理先進后部（ARE）演示器垂直尾翼（VTP）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。它使用框復板上的幾個凸緣來提供所需的剛度和強度。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
界面框的預成型使用 Aitiip 在 FALCON 子項目中開發的工具和一種靈活的工藝來壓制成型HiTape UD 干纖維鋪層，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 的執行項目經理路易斯·阿利亞加（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。”最終選擇的是來自赫氏（Hexcel）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）。這種成型實現了 C 形多凸緣框，并實現了高生產率的工業化。
阿利亞加指出：“我們完成了試片和元件級的機械測試以及許多模擬，以預測這種材料在最后部分的行為。”。“我們還完成了樹脂注射的許多模擬，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？阿利亞加說：“熱塑性塑料技術還不夠成熟，無法開發高負載界面框。”。“但后機身的關閉框將是熱塑性的。”他指出，到項目結束時，先進后部（ARE）本身將達到 TRL 6，但由東麗（Toray）的 LMPAEK 材料制成的關閉框只能達到 TRL 4。阿利亞加說：“我們還沒有達到這些界面框所需的熱塑性工藝。”。（注：熱塑復材制造的，多凸緣、高負載框，在后來的熱塑機身筒體試驗中，已經出現了。）
FALCON 框工具
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凸緣。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制造復合材料框。其目的也是將模具成本降低 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，FALCON 還創新了軟件、控制、監控和模塊化的使用。
用于預成型的驅動工具
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。預成型模具可以成型高負載框的扁平 C 形腹板以及較小的 C 形凸緣。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 U 形、T 形和 Z 形長桁能夠由任何類型的預浸織物或 UD 帶進行柔性沖壓成型。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心軸，以在注射和固化期間保持每個預制件的位置。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。與一次性 RTM 方法相結合，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，FALCON 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身框，并展示了一種能夠高速生產的方法。
阿利亞加說：“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制造四個框。”
滑移成型桁條，INNOTOOL 組件
滑移成形
典型的機身桁條長 4-12 米，橫截面為 Ω 形。滑移成形是由 Applus+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。毯子將疊層加熱到適當的成型溫度，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。
阿利亞加說：“我們選擇滑移成型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?；虬寄?，但成型不需要兩者。”它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長桁，在機器沿著工具前進并形成預浸料坯坯時消除褶皺。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，整個長桁的厚度是相同的，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層工具（頂部），用于 AFP 上機身蒙皮鋪層。這是與先進后部（ARE）演示件（中心）的滑翔成型桁條和兩個普通框（非界面框）共同拍攝的。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）。
桁條以兩種方式形成（但未固化）。第一個是由Applus+實驗室使用來自赫氏（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 在凸模具上使用熱真空成型。在 FIDAMC，桁條與半固化 9 框和先進后部（ARE）演示件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。
桁條和蒙皮工具都是由 Aernnova 設計和生產的。然后將成型框和桁條蒙皮一體化疊層真空裝袋并在熱壓罐中共固化。固化后，這個集合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桁條組件上。
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。阿利亞加說：“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單通道、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，以建立固化蒙皮桁條組件的參考模型。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預先使用模擬定義的策略來驅動。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先進后部（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。吉納爾多說：“這種工具突出了一個特殊的挑戰，因為后機身具有雙曲度，這也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，對于作為演示件的領導者吉納爾多來說，最大的挑戰是將一切團結起來。“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——集成這么多不同的部件，以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，我們將使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，但正是這個龐大的聯合團隊也使解決這么多方面問題和開發創新解決方案成為可能。他說：“團隊中的每一個人都在為實現這一目標做出貢獻。”。“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，這種概念極具顛覆性，對下一代飛機也很有希望。”
編后語
波音787、空客A350復材用量，前者50%,后者53%。其中受力結構件都是用環氧熱固復材制造的。僅僅一些次要，受力較小的連接角片用熱塑復材制造。隨著技術進步，熱塑復材可以制造高載荷、高剪力的結構件，如本文的多凸緣框，以及機翼的肋。這樣一來，民機的復合材料用量，勢必突破53%。聯想到商飛技術領導宣布C929復合材料用量超過50%。這顯然是沒有使用熱塑復合材料制造受力結構件。
注：參見原文《 Multi-flange RTM frames enable radical rear fuselage design》2022.5.30
楊超凡 2024.2.8
本文經譯者同意發布
