杨超凡：未来商用飞机上的复合材料 复材云集|复合材料
编者按：本文由杨超凡老师提供。杨超凡老师是原航空工业部第一批研究员级高级工程师，享受国务院特殊津贴。1965年西北工业大学飞机系制造专业毕业。先后在西安飞机制造公司、陕西飞机制造公司、上海飞机制造厂、中航商用飞机设计有限公司从事飞机制造工作，并在广东昌盛飞机设计有限公司承担飞机制造工艺和复合材料选材工作。曾任陕飞副总工程师。
波音 787 和 A350 使用的复合材料占每架飞机的 50%以上(按重量计算)，是复合材料应用于主结构的里程碑。然而，对这些飞机的需求不足，导致对复合材料（纤维、树脂、粘合剂）的需求受到了抑制。此外，由于航空复合材料供应链相对较短，对原材料的需求变化能够快速影响整条产业链。因此，疫情大流行对为航空复合材料行业服务的材料供应商和制造商提出了极大的挑战性。
然而，即使在疫情大流行之前，波音和空客也已通过其供应链发出了强烈的信号，表明对下一代飞机，尤其是对下一代单通道 SA（single-aisle）飞机材料和工艺（M&P）的需求。假设这两家公司都可能在 2025-2030 年间发布一款全新的单通道飞机，对于这两家飞机制造商来说，新飞机可能会以目前 737 或 A320 未采用的方式来生产复合材料机翼、尾翼和机身（可能性较小）。此外，两家公司都预测新飞机的建造速率为每月 60-100 架。这意味着用于制造 787 和 A350 (热压罐固化预浸料)的材料和工艺将无法满足新飞机的生产速率要求。因此，整个航空复合材料供应链都在追求高度自动化、高效、非热压罐(OOA)技术，以满足以上需求。
“Wing of Tomorrow（明日之翼）”项目空客首个全尺寸原型机翼上壁板
补充说明：下壁板已经由 Spirit 制造出 7 米长的试验件。碳纤维用 Teijin 的单向带（UD）和无卷曲织物（NCF）。铺放的蒙皮是净尺寸。树脂用 Solvay 的单组份环氧树脂。热灌注树脂、模具表面加热。3 小时制造一块壁板。
疫情大流行可能推迟了新单通道客机的开发时间，但它没有改变空客或波音对其材料和工艺的要求。空客对其供应商表示，有必要加速复合材料技术的成熟，使其为飞机的高速生产做好准备。这不是一个微不足道的过程。航空航天工业多采用高质量材料，且已使用了几十年。飞机制造商更倾向于使用这些材料来生产零部件，除非其中的许多材料需要热压罐固化。改用非热压罐固化的液体树脂灌注、树脂转移成型(RTM)、压缩成型或热塑性复合材料将需要一定进行大量的材料测试鉴定，而这必将是一个耗时且昂贵的过程。然而，如果最终的回报是高质量且经济的产品，非热压罐工艺和资格鉴定也将是可以接受的。
GKN 宇航公司最终设计制造的热塑复材翼肋将位于WOT（明日之翼）演示机翼上的第 14 翼肋
最引人注目的是空客的“明日之翼”( WOT，Wing of Tomorrow )项目，这是一个由一级供应商组成的联盟，开发面向对象的复合材料和工艺技术，为单通道大小的飞机制造机翼。WOT的合作伙伴包括 Spirit AeroSystems（制造机翼下蒙皮）、GKN 宇航公司（制造梁、肋）、Daher 公司（制造梁、肋）、FACC 公司（制造襟翼）和空客（制造机翼上蒙皮）。
空客公司于 2021 年9 月 22 日宣布，已经组装了第一架 WOT原型机。总共将制造三个全尺寸的原型机翼。第一个将用于理解系统集成；第二个将进行结构测试，以与计算机模型进行比较；第三个将测试规模化生产，并与工业模型进行比较。
值得注意的是，WOT正在评估制造翼肋的热塑性复合材料。这一点很重要，因为即使是在 787 和 A350的翼肋也是铝合金制造的。翼肋向复合材料的转变将是一个重要的里程碑。两家制造商开发了用于翼肋制造的复合材料和工艺。英国 GKN 宇航公司的第 14 号翼肋的演示使用了苏威复合材料公司的碳纤维/PEKK 单向预浸带及压缩成型工艺；Daher 公司使用类似的工艺开发了 5 个演示翼肋，应用了东丽先进复合材料公司的碳纤维/PAEK UD 预浸单向带。
Daher 公司还为 WOT生产了 2 米长的内翼梁，使用的是真空袋(VBO-Vacuum Bag Only ) OOA 热固性材料，即由Hexcel的M56 （350°F 固化） OOA 环氧树脂预浸的 Hexcel AS4 碳纤维织物和 IM7 碳纤维单向带。用于制造梁的设备是科里奥利公司的自动铺放装置，该系统将材料应用于凸模模具上。
另一项为航空结构开发复合材料和工艺的项目是“清洁天空 2”。该项目的目标是使用复合材料和非复合材料为各种飞机部件和系统开发生产工艺。“清洁天空 2”中引人注目的复合材料相关项目旨在将热塑性树脂应用于机身结构、热塑性塑料焊接、树脂灌注翼盒、3D 打印、热悬空成形等技术领域。
即使航空航天业专注于高速航空结构制造，商务机、通勤飞机等机型由于制造数量少，可能更倾向于使用先进复合材料。这是一个名为 OPTICOMS 的清洁天空项目的重点研发方向，该项目是由以色列航空航天工业(IAI, Lod，以色列)领导的财团，包括科里奥利、技术模块工程(TME, Coudes，法国)和Danobat (Elgoibar，西班牙)。OPTICOMS 由多个子项目组成，用以评估和确定最佳的机翼设计、材料组合和 OOA 制造工艺，从而实现小批量全复合材料机翼盒的自动化制造。
以上根据 2021.12.3 《 Composites end markets: Aerospace (2022)》中有关内容翻译。
扩展信息：原文介绍的未来商用飞机复合材料，主要是针对未来单通道 客机。但是仅对机翼的材料和工艺做了介绍。对机身的材料和工艺一笔而过。其实，在欧盟资助的 “清洁天空 2”中，对机身使用先进的、高性能热塑性聚芳醚酮（PAEK）、聚醚醚酮（PEEK）和聚醚酮酮（PEKK）碳纤维复合材料和焊接工艺，做了大量的研发工作。具报道，今年要完成直径 4 米、长 8 米的机身桶体试验件。
版权声明：复材云集尊重版权并感谢每一位作者的辛苦付出与创作；除无法溯源的文章，我们均在文末备注了来源；如文章视频、图片、文字涉及版权问题，请第一时间联系我们，我们将根据您提供的证明材料确认版权并按国家标准支付稿酬或立即删除内容！
