吉凯恩航空航天公司在过去几年中一直在为空客未来之翼项目开发飞机后缘翼梁。

吉凯恩为第一批“未来之翼”翼梁开发了半自动化制造工艺，最终目标是几乎完全自动化制造。翼梁在这里完全预制，并准备进入到树脂转移模塑的生产工具。图片来源：GKN Aerospace

可以说，在飞机机翼中，没有一种结构像翼梁那样复杂和难以制造。翼梁是一个长的 C 形或 I 形主结构，沿着机翼的长度延伸，从根部延伸到顶端。根据飞机的尺寸和类型，机翼盒可能有一个或多个翼梁。在商用飞机中，通常有两个翼梁，一个位于前缘，另一个位于后缘。翼梁连接在机翼蒙皮、肋、起落架结构和襟翼上，设计用于承受作用在翼梁上的空气动力产生的机翼弯曲载荷。翼梁几乎总是锥形的，在翼根处更厚、更宽，在翼尖处更薄、更窄。此外，翼梁必须遵循翼盒的轮廓，并经常倾斜以适应机翼的后掠。

空客在开发复合材料密集型双通道 A350飞机时，决定改用复合材料制造机翼蒙皮、桁条和34米翼梁。A350机翼的鸥翼形状决定了后翼梁的两个角度变化，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 形芯轴上碳纤维预浸料的自动纤维放置制造。每个翼梁段长度仅超过11米，在高压釜后，使用定制的 CFRP 板将其连接起来。该制造和装配工作由吉凯恩航空航天公司在其英国菲尔顿工厂进行。

然而，下一代商用航空机翼结构——尤其是高速率飞机的机翼结构——必须并且将发展成为一种更为一体化的设计，使机身能够生产出共固化的热压罐外结构，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”计划应对这一挑战。WOT 由多个供应商组成，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 公司的下机翼蒙皮、GKN Aerospace 公司的热塑性复合材料肋条，以及 Daher 公司的附加热塑性肋条和仅真空袋的后翼梁。此外，该清单上还有一个17 米长的固定后缘组件开发项目，该项目被授予位于英国 Western Approach 的吉凯恩航空航天公司。吉凯恩必须开发的 FTE 最关键的部分是17米长、一体式树脂传递模塑后缘翼梁。

长锥形 RTM 结构的挑战

吉凯恩航空航天公司首席工程师加文·伦尼表示，该公司于2017年加入了 WOT 项目，并获得了spar平台的界面几何形状和机械性能财产。除此之外，吉凯恩拥有很大的设计自由度，伦尼表示，“从零开始”开发公司目前生产的结构。

吉凯恩解决方案的要求很少，但令人望而生畏：2022年前交付的成品全尺寸翼梁必须为17米长，并整体成型。此外，吉凯恩还必须使用成本效益高的 M&P证明全速生产能力。伦尼表示，当他接手该项目时，该项目构成了重大挑战，但这似乎也是非常有可能的。

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

吉凯恩很快意识到，它必须采取设计制造的方法，以达到空中客车公司规定的费率要求。为了应对这一挑战，吉凯恩决定将spar开发项目分为三个阶段。第一个项目将致力于小型结构的制造和测试，包括平板。第二个也是最密集的阶段将致力于制造 5 米长的全翼梁，以证明设计和制造的可行性。第三阶段将致力于制造全长17 米的翼梁。通过这种方式，公司将能够逐步评估 M&P 绩效，并在最终构建之前根据需要进行调整。

由Teijin 制造的双层碳纤维无卷曲织物（NCF）被指定用于翼梁。这里显示的是 NC 的翼梁低套件，在自动切割之后和预成型之前。

GKN Aerospace 的技术总监克雷格·卡尔（Craig Carr）表示：“这种翼梁可能是我们见过的最苛刻的翼梁，因为它的弯折角和翼缘角，所以它对模具设计提出了很多挑战。”。“当我们完成该计划的中等规模部分时，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。”

伦尼补充道：“然后，我们并行地将翼梁分解为许多离散的特征，例如半径、扭结或厚度过渡，我们专注于了解我们是否可以开发出一种能够适应这些特征的工艺。”

空客为翼梁指定的材料组合是由 Teijin提供的双层碳纤维无卷曲织物，将注入苏威的环氧树脂系统。GKN 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“弯折”——以适应机翼的后掠角。

在该计划的早期，随着 GKN 开始研究面板和离散特征，出现了如何为相对较重的无卷曲织物构建层架构的问题。伦尼指出，通常情况下，将无卷曲织物放置在一个长的、非直的、具有两个角度变化和可变厚度的 C 形结构上，需要对无卷曲织物进行战略性切割和铺贴，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，切割和铺放是低效的。吉凯恩希望并需要将翼梁的全速生产尽可能自动化。

伦尼和他的团队因此很早就决定，只有在高速制造环境下，17米长的注入式翼梁才可行，其设计不需要切割和冲切，但仍然避免了织物起皱。相反，吉凯恩将依靠战略性和谨慎的铺层布局，这有助于自动化，并生产出符合空客机械要求的成品结构。

伦尼说：“如果你铺贴，你必须在制造过程中引入令人震惊的关节板和一大堆复杂的东西，这是你真的不想要的，”兰尼说。“我认为没有铺贴对每个人都有好处。这是一件一发的，所以没有关节。0 度层是从根部到顶端的。当我们围绕法兰形成时，我们不对材料进行铺贴，我们什么也不做。我们能够剪切 NCF，这样我们就有了符合零件轮廓的纤维。”

卡尔补充道：“如果你最终在一个翼梁上放了很多铺贴，那么这不是一个微不足道的击倒因素。特别是我们在翼梁上的弯折位置—只要你把铺贴放在弯折处，就有一个合理的击倒因素了。然后你会通过增加翼梁的重量来克服这一点。然后，你开始质疑为什么要首先使用复合翼梁。”

另一个挑战是流程。RTM 的使用要求首先预制翼梁，然后转移到匹配的金属模具中进行树脂注射和固化。这一过程并不新鲜，通常非常容易管理，但翼梁的长度增加了GKN必须解决的一层复杂性，特别是在高速生产环境中。伦尼指出：“将RTM扩展到 17米的结构并不简单。”

翼梁在其长度上具有可变的厚度和两个角度变化或“扭结”。通常，这种尺寸复杂的结构需要切割和冲切NCF，以避免起皱和性能下降。铺贴本身就存在挑战，因此GKN选择使用一种新颖的剪切技术。这里显示的是成形工具上的NCF。

5 米处的验证导致 17 米

2019 年，吉凯恩进入产品开发的中间阶段，制造了一段 5 米长的翼梁。这项工作将整合吉凯恩的材料和制造策略，并向伦尼及其团队展示大型未切割/未切割 RTM 结构的可行性。

伦尼说，他和他的团队首先委托制造了两个凸模具，一个用于预成型，另一个用于成型过程。工艺开发开始于在自动切割台上进行 NCF 切割，然后用手在成形工具上的指定位置装配和放置层板。在放置每层帘布层后，将其加热并加压以使其稳定在成形工具上。

当应用所有层和所有层时，关闭工具并加热，以交联环氧粉末粘合剂并提供 NCF 刚性。然后通过起重机将预成型件从预成型工具转移到生产工具，这只是 GKN 最终计划开发的全尺寸工具的一个较短版本。该工具具有集成的热电偶，以及用于测量模内压力、树脂到达和固化程度的传感器，以帮助最大化过程控制。

伦尼说：“我们在工具中构建了很多自动化。”。“我们在 5 米长的翼梁上安装了大量传感器和大量相对昂贵的技术，这使我们能够证明该工艺能够满足高速率，而无需在全尺寸翼梁上花费那么多钱。”

吉凯恩最终制造了 8 个 5 米长的演示者，以评估该系统的材料和工艺能力。5 米长的梁中有三根被切割，用于机械测试；另外两个用于拐角弯曲测试。该公司还进行了广泛的无损检测（NDT）。

伦尼表示，所有的测试结果都非常有前景，包括孔隙度<2%，并表明吉凯恩开发的 M&P 策略可以奏效。

这给了该公司进入最后阶段所需的信心——17 米模具和 17 米翼梁的制造。伦尼表示，该项目最大的技术障碍是建造 5 米长的梁，因此迁移到 17 米长的桁架似乎更容易管理。

Alpex生产模具正在NCF上组装。NCF预成型件部分可见，覆盖在模具侧面。

全尺寸成形工具和模具于 2020 年年中交付，GKN 不久后开始制造第一个全尺寸翼梁。这包括从 Teijin NCF 的轧辊上自动切割帘布层，然后手动将这些帘布层放置在成型工具上。在预成型件被加热和加压之后，通过真空提升梁将其从预成型件工具转移到生产 RTM 模具。

翼梁生产中最复杂的部件可能是 Alpex Technologies（奥地利米尔斯；点击此处查看 CW 关于 Alpex 的更多信息）制造的 17 米因瓦模具。伦尼称之为“RTM 工具的拼图。工具的中间部分必须分开并启动，这样我们才能在成型后移除翼梁。”全尺寸模具的其他功能包括与 5 米工具相同的集成热电偶和其他传感器，以及具有闭环温度控制的流体加热系统。

在将其放置在生产工具上之后，在树脂注射之前，用手修剪预成型件以去除多余的材料。在预成型件就位并修整后，关闭并密封模具，通过注射 Solvay 环氧树脂开始 RTM 工艺。RTM 设备由Composite Integration（英国萨尔塔什）提供，包括一个 200 升树脂输送系统和一个能够产生高达 10 巴（145 磅/平方英寸）压力的泵。

在拆除翼梁之前，GKN 通过集成在模具中的基准孔直接在翼梁上钻了七个孔。这些孔设计用于接收用于将翼梁连接到机翼箱的夹具，包括五个直径为 6 毫米的孔；剩下的两个孔，根部和顶端各有一个，直径为 8 毫米。

GKN 不会透露翼梁预成型/成型过程的总周期时间，除非它比通过热压罐固化制造相同零件所需的时间短。伦尼表示，GKN 最终希望实现铺层和钻孔的自动化，以提高生产效率并缩短周期。

伦尼说：“我们需要满足的模具数量将取决于我们能多快地完成RTM 工艺所需的步骤。”。“所以这可能是一个班次时间的倍数。”

然而，假设每个班次每个模具一个机组（两个梁），每天两个班次，每周五天，GKN 每月 44 个机组。

从Alpex生产模具中吊起一根17米长的成品梁，并将其放到装配夹具上。吉凯恩正在制造四个翼梁，作为空中客车明日之翼项目演示阶段的一部分。

伦尼说：“现在，材料在帘布层切割机上切割，然后手动移除并储存。然后将其手动放置在移动台上，然后将该台带入单元以定位帘布层。”。“因此，这是一个半自动化的过程，我们试图专注于我们在项目开始时感到不成熟的开发领域，我们需要成熟才能达到速度。显然，切割帘布层并将其移植到桌子上是一种相对较高的TRL 技术，我们将在下一个开发阶段实现自动化。我认为我们开发的帽子能够完全自动化，我们一直在努力记住这一点。”

2021年9 月，吉凯恩公司向空中客车公司交付了首个带有17米立柱的 FTE 组件，用于首次WOT演示。空客公司于2022年7月在英国范堡罗国际航空展上首次推出WOT演示机，自那以后，吉凯恩已向空客公司交付了第二架 spar 平台，第三架也将很快交付。吉凯恩刚刚完成的第四个翼梁将留在吉凯恩进行测试。卡尔表示，吉凯恩如此迅速地开发和交付翼梁的能力是值得注意的：“我认为，对于第一部分来说，直接进行结构测试项目，对于我们来说，第一次为如此大的项目进行如此大规模的测试，这是非常重要的，并且受到了空客的好评。”

回顾和展望

当被问及WOT翼梁的开发最令人畏惧的是什么时，伦尼承认，这是放弃 NCF 切割和飞镖的决定。他说：“这与正常情况有很大不同。”“我很想开始，但随着我们的进步，事情变得更容易了。最终，我悄悄地相信我们可以做到这一点。”

这显示了GKN Aerospace装配夹具上的成品翼梁的后侧。空客已经组装了第一架WOT 演示飞机。该演示机的一些M&P可能会应用于空客新飞机项目的机翼结构。

他还表示，该项目的新颖性带来了自身的挑战：“形成 NCF材料是一个真正的挑战。我们没有一个过程。我们在世界上找不到任何其他人有这样一个过程，可以让我们在一件式帘布层中将这种材料形成如此复杂和具有挑战性的几何结构，而不产生任何褶皱，也不产生任何飞镖。我认为一开始有很多人怀疑我们可以在不飞镖的情况下完成这项工作，但我们已经成功了。”我认为第二个挑战是采用 RTM 技术，这显然是相当古老和成熟的技术，并将其扩展到 17 米-我们必须找到能够帮助我们实现这一目标的供应商，然后组装一个工具并使其发挥作用。”

当然，伦尼并不孤单。他感谢他的整个团队帮助实现了 WOT 后缘翼梁。他的队友是：威尔·布罗姆、斯蒂芬·威廉姆斯、克莱门特·奥伊、菲利普·布朗、马克·格里菲斯、蒂姆·史密斯和汤姆·贝滕肖。在 Farnborough，整个集团因其 spar 的开发获得了 GKN 的技术和创新首席执行官奖。

接下来会发生什么？吉凯恩交付的三个 FTE 组件将构成三个翼盒组件的一部分，其中一个将进行全尺寸结构测试。吉凯恩公司对其在 WOT 翼梁上的成功表示乐观，认为该公司有望签订下一代飞机项目的生产合同。

同时，吉凯恩还与多家先进的空气机动（AAM）制造商密切合作，这些制造商采用一体式机翼设计，并将从能够快速高效制造的一体式复合翼梁中获益匪浅。

伦尼说：“我们认为这是世界上最大的一体式翼梁。”。“我们也觉得这是我们所知的世界上最大的 RTM 结构。”

卡尔说：“我们在这里做的是展示成形过程的质量。”。“我们已经证明了输液过程的质量。我们知道未来项目的正确要求是什么。”

编后语

2022 年 7 月空客已经完成了三件，17 米长的翼盒演示件的制造工作。设计、制造演示件的目的，是为了研制“新 A320”做技术准备。在 2 月 24 号的《跨行联合研发复材制造新技术》一文中有 GKN 研发的 7米长翼尖演示件。上述两项工作就预示着，“新 A320”的翼机长度将达到 24 米。这个长度超过现空客 A320neo、波音 B737MAX、商飞 C919、俄罗斯 MC-21。

注：原文《One-piece, one-shot, 17-meter wing spar for high-rate aircraft manufacture 》2022.10.28