“新A320”机翼后梁·杨超凡

空客“新 A320”机身零件用高温、高强热塑性碳纤维复合材料制造、装配用焊接。机翼用环氧基热固性碳纤维复合材料、制造用 树脂转移模塑(RTM-resin transfer molded)、非热压罐(OOA-out-of- autoclave) 固化、碳纤维用无褶皱织物 (NCF- noncrimp fabric) 、装配 用铆接。

空客“新 A320”批生产的目标是，每月制造 60-100 架飞机。 为了实现上述目标， 机身由欧盟和空客组织多家企业和相关单 位， 参与多功能机身演示(FMMD- Multifunctional Fuselage Demonstrator) 项 目的研发工作。机翼由空客联合多家结构供应商和相关单位，开展 “明日之翼”研发项目 。 吉凯恩 (GKN) 公司在过去五年中一直在 为该项目的机翼后翼梁开发材料和树脂转移模塑(RTM) 技术 。 下面较详细报道了，后梁的研发进展。

GKN 为第一批“明日之翼”后梁开发了半自动化制造工艺，最终目标是实现几乎完全自动化的制造。 图示翼梁在此完全预成型，并准备转 移至制造工具进行树脂转移模塑(RTM)

可以说，在飞机机翼上没有一种结构像翼梁那样复杂和难以制造。翼梁是一种长的C 形或 I 形主结构，贯穿机翼的整个长度，从根部延伸到翼尖。根据飞机的大小和类型，机翼箱可能有一个或多 个翼梁。“新 A3S0”有两个翼梁，一个位于前缘，另一个位于后缘。它们与机翼蒙皮、翼肋、起落架结构和襟翼等连接，并设计用 于承载机翼中由作用在机翼上的空气动力产生的弯曲载荷。翼梁几乎总是逐渐变细的—— 翼根部越厚越宽，翼梢越薄越窄。此外，翼 梁必须遵循机翼箱的轮廓，并且通常成角度以适应机翼的后掠。

空客(法国图卢兹)在开发复合材料密集型双通道 A350 飞机 时，决定将机翼蒙皮、 长桁和 34 米翼梁改为复合材料。 A350 机翼 的海鸥翼形状决定了后翼梁的两个角度变化的整合，因此空客选择 了将后翼梁分成三个部分的设计，每个部分使用 C 形芯轴上的碳 纤维预浸料的自动铺丝 (AFP)制造。每个翼梁段的长度都刚刚超 过 11 米，在热压罐中固化后，使用定制的 CFRP 板将其连接起来进行组装。该制造和装配工作由吉凯恩 (GKN) 公司在其英国Filton 工厂进行。(更多信息参见: “A350 and A400M wing spars: A study in contrasts” )。

然而，下一代民用航空机翼结构- 特别是高速飞机机翼结构-必须而且将发展为更为一体化的设计，使机身制造商能够生产共同固化的、不使用热压罐的(OOA- out-of-autoclave)结构，以满足苛刻 的性能、成本和生产要求。

空中客车公司正在通过其“明 日之翼”(WOT- Wing of Tomorrow )计划应对这一挑战。“明 日之翼” (WOT) 包括多个供 应商制造的结构，每个供应商评估不同的复合材料 M&P 策略。这 些包括但不限于 Spirit AeroSystems (美国堪萨斯州威奇托)的树脂 灌注下机翼蒙皮、GKN 公司(荷兰胡格文)的热塑性复合材料翼肋、以及 Daher (法国南特)的额外热塑性肋条和仅真空袋的后翼 梁。该清单上还有一个 17 米固定后缘(FTE- fixed trailing edge )组件 开发项目，该项目被授予位于英国布里斯托尔的 GKN 公司。GKN公司必须开发的固定后缘(FTE- fixed trailing edge ) 中最关键的部分 是 17 米一体式树脂传递模塑(RTM)后梁。

长锥形 RTM 结构的挑战

GKN 公司首席工程师加文 ·伦尼(Gavin Lunney)表示，该公司于 2017 年加入了 “明 日之翼”(WOT) 计划，并获得了翼梁 的界面几何形状和机械性能。除此之外，吉凯恩拥有很大的设计自 由度，鲁尼表示， “从零开始”开发公司现在生产的结构。

GKN 公司解决方案的要求很少，但令人望而生畏： 2022 年交 付的成品全尺寸翼梁必须长 17 米，并整体成型。此外，GKN 还必 须使用成本效益高的 M&P 来证明全速生产能力。鲁尼表示，当他 接手这个项目时，这个项目带来了巨大的挑战，但这似乎也是非常可能的。

“对于几何形状，我认为他们采用了典型的翼梁几何形状，然后将其推向了极限，以挑战我们尝试并理解我们实际制造的极限，”伦尼说。

GKN 很快意识到，它必须采取“设计制造”的方法才能达到空客公司提出的费率要求。为了应对这一挑战，吉凯恩决定将翼梁 开发项目分为三个阶段。第一阶段工作是制造和测试小型结构，包括平板。第二个阶段也是最密集的阶段将致力于全翼梁 5 米段的制 造，以证明设计和制造可行性。第三阶段将致力于整个 17 米翼梁的制造。这样，公司将能够在最终构建之前逐步评估 M&P 性能并根据需要进行调整。

为制造翼梁指定了由帝人(Teijin)制造的双层碳纤维无褶皱织物(NCF-noncrimp fabric) 。这里显示的是自动切割后和预成型前的 NCF 套件。

GKN 公司(GKN Aerospace) 集成复合材料结构技术总监克雷 格 · 卡尔(Craig Carr)表示： “就扭转后掠和凸缘角度而言，这种 翼梁可能是我们见过的最苛刻的翼梁，因此它给模具设计带来了很 多挑战。 ”。“当我们完成程序的中等规模试验件时， 很多问题都 得到了解决，然后我们就可以使用全尺寸工具了。 ”

鲁尼补充道：“然后，我们将翼梁分解为许多离散的特征， 例如半径、扭转或厚度过渡， 我们重点了解我们是否可以开发出一种 能够适应这些特征的工艺。 ”

空客为后梁指定的材料组合是由帝人 (Teijin 日本东京) 提供的 双层碳纤维无褶皱织物 (NCF-- noncrimp fabric) ，将注入苏威(Solvay- 美国佐治亚州 Alpharetta) 环氧树脂基材系统。吉凯恩最终开发的最 后一个翼梁采用了 C 形设计，有两个角度变化-或“扭转”- 以适应 机翼的后掠角。

在该项目的早期，随着 GKN 开始研究面板和离散特征，问题就出现了， 如何为相对较重的无褶皱织物 (NCF) 构建帘布层结构。鲁尼指出，通常情况下，将无褶皱织物 (NCF) 放置在具有两个角 度变化和可变厚度的长的非直线 C 形结构上，需要对无褶皱织物 (NCF) 进行计划切割和冲切，以避免起皱，从而降低结构的强度 特性。

然而，对于一个大容量的航空结构项目来说，计划切割和冲 切将是低效的。吉凯恩希望并需要尽可能自动化的翼梁全速率生产。 因此， 鲁尼和他的团队很早就决定， 树脂注入 17 米的翼梁只能在高 速制造环境中使用， 其新设计不需要计划切割和冲切，但仍避免了 织物起皱。相反，GKN 将依靠有助于自动化的策略性和谨慎的铺层， 并生产出符合空客性能要求的成品结构。

“如果你真的有冲切，你必须在你的制造过程中引入错综复杂的连 接板和一大堆你真的不想要的东西” 鲁尼说。“我认为没有冲切 对每个人都有好处。它是一件一体的，所以没有接头。

零度层从根 部延伸到尖端。当我们在凸缘周围成型时，我们不会用冲切材料，也不做其他工作。我们能够剪切无褶皱织物 (NCF) ，这样我们就 有了符合零件轮廓的纤维。 ”

卡尔补充道：“如果你最后在一个翼梁上放了很多冲切材料， 那么失败的因素并不是微不足道的。特别是我们在翼梁上的扭转位 置-只要你在扭转处放了冲切材料就有一个必然的失败因素。

然后你可以通过增加翼梁的重量来克服这一点。然后， 你开始质疑为什么 你会首先使用复合材料翼梁”

另一个挑战围绕着过程。RTM 的使用要求首先预制翼梁， 然后转移到匹配的金属模具进行树脂注 入和固化。这一过程不是新的， 通常非常容易管理，但翼梁的长度增加了 GKN 必须解决的铺层复 杂性，特别是在高速生产环境中. “将 RTM 扩大到 17 米的结构并 非易事 ” 鲁尼指出。