【航空航天】波音787前緣縫翼除冰系統
除冰插圖1. GKN 787前緣復合材料結構（圖中為粉紅色）的特點是在碳纖維增強和玻璃織物增強層壓板之間的金屬上噴涂集成加熱元件。
除冰插圖2. GKN為787生產八個加熱墊，每個機翼縫翼一個。每個墊子，因此每個板條，都被視為一個加熱區，并被分割為每個板條提供四到八個（這里是六個）加熱區域。
吉凱恩的除冰系統具有一個金屬導電層，該層在疊層過程中通過將熔融金屬噴涂到放置在層壓板堆內的玻璃纖維織物層上而原位制造，這與以前的除冰技術截然不同。
每個787墊模鑄在鋁工具上，包括15層碳纖維織物、一層玻璃織物、噴涂金屬、另一層玻璃纖維織物和最后15層碳光纖織物。然而，設計和鋪層策略會因應用而異。
飛機飛行中空氣動力學升力最關鍵的要求之一是機翼表面光滑，而使機翼表面不規則的最簡單方法之一是在其上添加冰——即使是1毫米/0.04英寸厚的冰也足以使飛行中的飛機不穩定。對于在零度以下的高空飛行的大型商用飛機來說，控制結冰是機翼前緣的一項基本功能。
機翼結冰管理分為兩大類：防冰（防冰）和除冰（除冰或緩解）。大多數技術都專注于除冰，假設機翼上會形成一些冰，并在出現問題之前將其清除。幾乎所有的除冰技術都依賴于一種物質（通常是起飛前使用的可噴灑化學物質）或機載機制，這種物質或機制會使冰不穩定，從而使滑流將其排出并從機翼上移除。
在機械系統類別中，商用飛機最近配備了除冰系統，通過一系列管道從發動機中排出熱空氣，使其在結冰的機翼表面下循環。多年來一直在考慮的一項有前景的技術是在前緣表面下集成導電元件，直接加熱機翼蒙皮，從而防止結冰。這種系統的設計挑戰是開發一種加熱線圈、箔或元件，該加熱線圈、箔片或元件能夠提供均勻、一致的熱分布，并且足夠堅固，能夠在惡劣的操作條件下承載不間斷的電流。此外，集成加熱系統必須易于更換，以防損壞或故障。到目前為止，它們無法滿足所有這些要求，這使得之前提出的集成加熱系統無法用于商用飛機機翼。
01可噴涂導電層
吉凱恩航空航天公司（英國Redditch）多年來一直從事加熱元件研究，最近開發了一種基于復合材料的解決方案，該解決方案有望首次在波音公司（華盛頓州西雅圖）即將推出的787夢想客機的機翼前緣投入商業使用。此外，吉凱恩的技術還被用于V-22魚鷹傾轉旋翼軍用飛機的發動機進氣口和F-35閃電II聯合攻擊戰斗機F135普惠發動機的進氣口。
吉凱恩的解決方案與之前嘗試的大多數加熱元件除冰系統相比有了相對徹底的不同，有望擴展到各種相關應用中。
吉凱恩公司業務發展和結構高級副總裁弗蘭克·班福德(Frank Bamford)多年來一直致力于該公司的除冰技術，他解釋說，吉凱恩技術之所以引人注目，是因為它使用了噴墊金屬沉積技術——噴在纖維織物上的液態金屬——為加熱的機翼前緣提供導電性。更重要的是，吉凱恩的解決方案在技術上沒有提供加熱元件；相反，金屬充當導體和電熱元件，將熱量傳遞到機翼蒙皮。班福德說：“這是一種金屬噴涂技術，可以嵌入金屬或復合材料表面，但我們已經對其進行了改進，使787嵌入碳纖維復合材料結構。”
02加熱器墊結構
對于787、V-22和F-35，將其噴涂金屬材料嵌入其所謂的加熱墊中。加熱墊是碳纖維、玻璃纖維和噴涂金屬的固化多層復合結構，在工具中或工具上成形，以匹配其提供除冰能力的表面。除了飛機上的可用功率預算之外，對加熱墊的形狀或尺寸沒有任何限制。在787上，吉凱恩為飛機制造了八個加熱墊，這些加熱墊形成了八個機翼縫翼的前緣（機翼前緣的可重新定位部分；見右圖），每個機翼四個。每個墊子，因此每個板條，都被視為一個加熱區，并被分割為每個板條提供四到八個加熱區域（見右側第二幅插圖）。吉凱恩將成品加熱墊交付給Spirit AeroSystems（堪薩斯州威奇托市），在那里，加熱墊通過墊上的預鉆孔連接到板條上。
無論應用場合如何，加熱墊的制造方式基本相同，但其連接結構的形狀和應用場合的強度/結構要求會有所不同。班福德表示，對于787的領先優勢，墊子鋪在凸鋁模具上，吉凱恩表示，凸鋁模具具有預期產量所需的耐用性。工具和隨后的零件在其長度軸上基本上是平的，但必須完全符合波音公司規定的機翼前緣在其寬度上的空氣動力學曲率。
疊層開始于碳纖維/環氧樹脂預浸料的疊層，無論是編織的還是單向的。在787加熱墊上，預浸料是編織的。初始堆疊包括大約15層，切割并配備有幾乎全自動的切割系統。預浸料層的數量因應用而異。
在碳纖維堆疊的頂部，吉凱恩放置了一層干編織玻璃纖維織物。這對于在碳纖維和金屬噴霧之間提供絕緣層以防止電偶腐蝕是必要的。這種金屬的成分是吉凱恩專有的，通過手動噴霧器廣泛應用于玻璃纖維織物上，并使其冷卻和固化。金屬層的厚度可以根據應用而變化；班福德說，較厚的層提供的電阻較小，而較薄的層提供更多。目前，噴涂過程完全是手動的，但班福德表示，吉凱恩正在尋求轉向自動化系統。接收噴涂金屬的表面被掩模以創建專有元素圖案。然后，將每個噴涂的金屬元件連接到板載電力系統的布線被焊接到金屬上。
然后，吉凱恩在固化的金屬層的頂部放置另一層干編織玻璃纖維織物，再次在金屬和碳纖維之間提供電絕緣。在其上面放置15層左右的編織碳纖維/環氧樹脂預浸料。疊層完成后，整個加熱器墊堆覆蓋一塊填縫板，形成前緣光滑的空氣動力學外表面，然后真空裝袋并進行熱壓罐固化。固化后，對最終的零件形狀和飛機連接孔進行數控加工，后者借助吉凱恩專有鉆頭進行切割，有助于切割玻璃/碳混合復合材料。班福德報道稱，吉凱恩正熱切地追求一種用于未來應用的熱壓罐外預浸料；他樂觀地認為，無熱壓罐工藝很快就會被開發出來。
每個加熱墊模制成一體，易于連接到各自的787縫翼上，并在損壞或故障時易于更換。班福德指出，除了從加熱器墊引出的電力電纜外，加熱器墊看起來像任何復合材料部件。
在787上，加熱墊僅在45°F至70°F（7.2°C至21.1°C）的溫度范圍內提供除冰服務。這項服務的功耗為45至75千瓦。在787大小的飛機上，防冰能力需要150至200千瓦的電源。班福德說：“我們正在努力將夢想客機的功耗控制在最低限度。”。“我們只需要足夠的動力來打破冰與結構的粘附，從機翼上脫落冰。”
加熱器墊的功率控制由Ultra Electronics（Greenford，英國）開發的系統提供。控制器，每個縫翼一個，位于設備艙內，并通過過渡線束連接到加熱墊上，過渡線束是一種專門設計的伸縮式布線系統，在飛行過程中隨著縫翼的打開和關閉而伸縮。
03設計/構建靈活性
為了適應不同的應用復雜性，吉凱恩可以也將使用蜂窩芯來提供剛度；它還將改變金屬層上方和下方的碳纖維簾布層堆疊的形狀和厚度，以根據需要增加或減少強度。例如，為V-22和F-35發動機進氣口提供的加熱墊需要與787縫翼上使用的形狀配置非常不同的形狀配置。
此外，如果應用程序允許，吉凱恩可以將金屬層放置在簾布層堆疊內的任何其他位置，包括作為直接暴露于氣流的外層或作為內層。吉凱恩報道稱，在任何情況下，金屬應用的均勻性，加上其易于成型的一致性，在整個墊子上提供了均勻的熱量分布，與基于箔或金屬絲的系統的性能相媲美。鑒于吉凱恩最近購買了位于英國菲爾頓的空客機翼制造廠，該廠預計將為即將推出的空客A350 XWB生產機翼，這種除冰技術很可能也會在該飛機上應用。
吉凱恩在噴涂金屬技術方面的成功并不是從減少結冰開始和結束的。這讓公司對其他應用程序進行了更為批判性的思考。班福德說：“吉凱恩噴涂金屬系統可以完成配電系統所做的大量工作。”。吉凱恩認為，通過改變墊子傳輸的信號類型，它在基于傳感器的結構健康監測應用中有很大的潛力，可以檢測應力、載荷、裂紋、斷裂和其他可能難以或不可能檢測的材料缺陷。
04編后語
商飛C919最初方案，機翼用復材制造。項目開展不久又改用鋁合金。十幾年過去了，現C929機翼一定得用復材制造。按A350機翼制造分工，一家工廠很難承擔機翼的全部制造工作。勢必還需一些中小工廠分包機翼的組件和零件的制 造工作。為此，準備搜集整理這部分制造工作的信息，供同仁參考。
原文見，《787 integrates new composite wing deicing system 》2008.12.30
楊超凡 2024.3.18
