A350 智能制造

Spirit AeroSystems 在北卡罗来纳州金斯顿实施了空客A350中央机身和前翼梁的智能设计。

 

 

第一架空客 A350 XWB A350-900 正在组装中。主要机身和机翼部件将从 Spirit AeroSystems 位于北卡罗来纳州金斯顿的工厂运往欧洲，并于明年年底在法国图卢兹进行总装。资料来源：空中客车公司

 

这段长 18 米/59 英尺、直径超过 6 米/19.7 英尺的 A350机身段是有史以来第二次制造，紧密反映了 A350 XWB 机身的最终设计。尽管它是由 12 块面板组成的，但生产段使用的面板将延伸到桶的长度。资料来源：空中客车公司

 

这台 Electroimpact（华盛顿州穆基尔特奥）S-15 双头自动纤维铺设（AFP）机器将在堪萨斯州威奇托的Spirit AeroSystem 位于北卡罗来纳州金斯顿的工厂为A350 的中央机身（15 段）形成壁板

 

A350 机翼蒙皮是用一个由 MTorres（西班牙 Torres de Elorz）制造的自动铺带机（ATL）在一个巨大的工具上一体铺设的。来源：MTorres

 

空客 A350 VWB 机身生产装配图

 

A350 XWB 机翼生产装配图

 

A350 机翼内部翼梁的早期版本是使用 TORRESLAYUP AFP系统生产的，该系统由 MTorres（西班牙 Torres de Elorz）制造。资料来源：吉凯恩航空

漫长的等待即将结束。

第一架空客（法国图卢兹）A350 XWB 中型客机A350-900 的总装于2011年年底开始，并于 2012 年第四季度完成，及时赶上预定的首次飞行。其主要机身和机翼部件的组装工作目前正在进行中。前部和中部将从法国圣纳泽尔的空中客车工厂发货，后部机身将从德国汉堡的空中客车厂发货。对于生产的每架飞机，图卢兹的新总装线将接收已经配备了线束、液压系统和机舱系统（如空调）的三部分机身。飞机的机翼将由空客在英国布劳顿组装，并在其德国不来梅工厂进行装备，然后再送往图卢兹。

中央机身（空中客车公司表示为 15 段）是三个机身中最长的，为 65 英尺/20 米。第 15 节由 Spirit AeroSystems 公司（堪萨斯州威奇托市）制造的六块大型复合材料板组成。这些部件在 Spirit 公司的 682000-ft2/63360m2 工厂制造，该工厂于去年 7 月在美国（北卡罗来纳州金斯顿市）开业。这些部件体现了空中客车公司采用的独特设计方法，不仅追求复合材料的重量和性能优势，还追求解决潜在问题的方法，例如缺乏导电性，而不会增加成本。

Spirit Kinston 公司的 A350 工作范围还包括机翼的三段式全复合材料 102 英尺/31.2 米前翼梁。由三段组成的前翼梁有助于空客布劳顿机翼工厂的组装，并避免了瓶颈（如 A380 和波音 787 项目中遇到的瓶颈），这将有助于最大限度地提高月产量。

对于中央机身和前翼梁，Spirit 公司的“智能设计”也融入了“智能制造”实践。大型部件由更简单、更容易制造的子部件组成，这些子部件也更容易维修和维护。

智能制造概念也激发了 Spirit Kinston 工厂的许多功能，包括改进工作流程的物理布局和提高生产力的最新自动化纤维铺设技术。Spirit 专门设计了金斯顿工厂，以实现增长并轻松适应新技术。工厂布置在中央运输通道周围，洁净室、热压罐和喷漆室从这里散发出来。该布局加快了零部件在工厂中的流动。这种配置还允许工厂主管在必要时添加额外的处理模块，以缓解瓶颈。而且它将适应未来的新流程。适应客户空中客车不断变化的生产需求的能力是Spirit 的重点。Spirit 副总裁兼金斯顿工厂总经理 Dan Wheeler 指出，目前空客 A350 XWB 的 574 架订单“数量巨大”。他补充道，“我们已经在这里建立了生产线，以便能够在产量增加时满足空客的时间表。”

智能设计：机身

A350 设计的一个显著特点是主机身由三个长段组成。前部和后部各由四块大型复合板（顶部、龙骨和两侧）制成。但机身中央增加了两个横向联接板，有助于将机身连接到机翼。段件面板连接到复合材料和金属框架的组合上。相比之下，787 的机身使用了四个较短的一体式复合材料机身。空中客车公司选择了大型机身面板，而不是单元化的完整机身筒体部分，因为它们可以根据机身每个段承受的不同载荷，根据层压顺序和厚度进行定制。据报道，这使得机身能够针对性能和重量进行优化。使用更少、更长的截面也意味着更少的接头，据说这些接头可以更好地进行负载和重量优化。这种设计有望避免波音公司在加入第一批使用完全不同的工装方法制造的 787 机筒时遇到的装配问题，并通过更容易的零件处理、更不复杂和更轻的工装以及更便宜和更快的分段生产来促进制造和组装。

由于机身段的碳纤维复合材料不像铝合金结构那样导电，雷击产生的电流将寻找任何可用的金属路径，如紧固件。出于这个原因，787 和 A350 都战略性地使用了金属部件。根据零件在一些高负载区域提供必要结构加固的能力进行选择，同时促进内部电气系统和设备的电气回路。A350 的所有金属部件——包括铝座椅导轨，以及用于下框架和客舱结构地板格栅梁的铝、铝/锂合金和钛的混合物——都具有双重功能。每个部分都有一个结构功能，它也构成了飞机内整体电气结构网络（ESN- electrical structure network）的一部分。A350 的复合材料面板包含一个外部铜网，以管理闪电的直接影响，它们与 ESN 一起工作，以维持法拉第笼原理，在机身周围引导电流，而不是让电流通过，损坏紧固件和操作结构。这种多功能性避免了与专用 ESN 组件相关的额外结构，以及由此产生的重量损失，这将抵消 CFRP机身的轻量化优势。因此，中央机身的六个组装部分，长 64.6 英尺/19.7 米，直径 22 英尺/6.7 米，重量仅为9000 磅/4082 公斤。

智能设计：机翼

A350 机翼的设计还得益于拓扑优化，这是一种基于有限元的分析，可确定结构最有效的材料布局。这项技术被用于构成 A380 机翼的各种结构，包括前缘加劲肋，其优点已得到证明。对于 A350，由于空中客车公司以更低的成本在更高效的设计过程中寻求更高的性能，拓扑优化被更早、更广泛地采用。

除了全复合材料前翼梁外，先进的复合材料还能够实现被动和主动载荷控制机制，从而提高 A350 机翼的空气动力学和结构性能。被动自适应是通过气动弹性剪裁实现的，这是一种气动表面的设计技术，其强度和刚度与可能施加在其上的气动载荷相匹配。A350 复合材料机翼还利用了机动载荷减轻（MLA- maneuver load alleviation），这提供了主动载荷控制。MLA 是一种用于减少飞机操纵过程中机翼弯曲力矩载荷的系统。数字飞行控制系统沿机翼跨度自动调整控制面偏转，以优化和均匀地管理从翼根到翼尖的载荷。

这种设计的另一个方面是可变外倾角。A350 将是第一架能够实现这一功能的空中客车飞机，该飞机将依靠机翼襟翼系统，该系统允许不同的内外襟翼设置。变速箱和电机安装在外襟翼和内襟翼之间，使每个襟翼收回后能够对其角度进行差速控制。提升位置的中心也可以改变以进行负载管理。例如，内部襟翼可以稍微向下设置，在重物情况下将升力中心向内侧移动。还可以将两个襟翼一起向上或向下移动一小部分，这通过调整峰值升阻比来提高机翼性能。在巡航过程中，襟翼功能将由飞行控制系统计算机自动控制，这些计算机持续感测来自飞行管理系统的数据。

总体结果是一个非常高效的机翼，可以用更少的重量产生更多的升力，并且能够具有先进的载荷处理性能，这也有助于减少飞机的燃料消耗。

制造：中心机身机身 15 段不仅是机身最大的段，也是最复杂的段。它的四个面板具有恒定的轮廓表面，但由于它靠近机翼，两个横向连接面板（见第 59 页“中央机身第 15 段”中的深蓝色部分）具有凸起和凹陷的曲率，这为全复合材料翼盒提供了空气动力学整流罩和结构连接。

15 段的制造始于 Electroimpact 股份有限公司（华盛顿州穆基尔托）S-15 双头自动铺丝（AFP）机器，该机器是专门为这些大型结构设计的。ElectroImpact 设计了 S-15，使其在客户放置公差范围内的斜坡复杂表面上进行飞行进给和切割以及全双向铺放，并由操作员完全控制进给速度，速度高达 2000 英寸/分钟（50.8 米/分钟），通过重新设计剪切机式切割系统，优化进给、牵引路径、筒子架和机器控制系统，实现了高速。

该机器将来自 Hexcel（康涅狄格州斯坦福德）的Hexply M-21E 碳纤维/增韧环氧树脂预浸料放置在凸因瓦工具上。（第一块 15 段冠面板于 2010 年 11 月完工。）

所有 15 段的面板都包含集成的 CFRP 长桁，这些长桁是使用 MTorres（Torres de Elorz，西班牙）为高速二维层压而制造的悬臂型 AFP 机器生产的。然后将长桁放置在复合板叠层上，并在真空下在两个 80 英尺/24.4 米长、22 英尺/6.7 米直径的热压罐中的一个热压罐中共同固化。（第一个已经安装；第二个将随着产量的增加而增加。）

一个自动 TORRESMILL 铣床将窗户和门的切口从大侧板上移除。MTorres 还提供了 Spirit 公司的两台5m/16.4 英尺高的柱状超声波（UT- ultrasonic）检查机，每台都有一个单独的 UT 扫描仪阵列，以实现对每个机身面板的内外蒙皮的同时检查。检查后，将完成的复合材料面板连接到机身框上。大多数框架是复合材料的，但也有少数是铝的，以支撑 ESN。此外，舱门周围为钛合金。框架和周围都配有自动化设备。

完成后， 15 段面板将嵌套在 70 英尺/21 米的集装箱中。它们将通过公路运输到北卡罗来纳州莫尔黑德市或该州的另一个港口，然后通过船运到圣纳泽尔的 Spirit AeroSystems 工厂，该工厂位于法国西北部的空客 Aerolia工厂附近。Spirit 位于圣纳泽尔的 60000-ft2/55574m2 工厂是一个仅用于组装的工厂（于 2010 年 7 月 23 日正式开业，并于当年晚些时候投入运营），三个上壳体面板与前后乘客地板连接在一起。剩下的三块面板是散装运输的，由空中客车圣纳泽尔公司安装在 15 段组件上。之后，该部分将与中央翼盒配合，该翼盒将从空中客车南特（位于东部 50 英里/80 公里处）抵达，并配备管道和其他系统。然后，中央机身/翼盒单元将空运至图卢兹进行飞机总装。

生产前翼梁

A350 的前翼梁是一个 102 英尺/31.2 米长的结构，是 Spirit 有史以来最大的翼梁，也是 Spirit 的第一个全复合材料翼梁。该结构从根部到顶部包括三个部分：一个7m/23 英尺长的内翼梁、一个 12.7m/42 英尺长的中翼梁和一个 11.5m/38 英尺长的外翼梁。

翼梁部件由多达 100 层 CFRP 制成，从内翼梁根部的 6 英尺/1.8 米的宽度逐渐变细到外翼梁尖端的大约 1英尺/3.3 米的宽度。

MTorres 一直是开发 Spirit 公司梁生产能力的关键合作伙伴。该公司的两个 TORRESFIBERLAYUP AFP 系统经过专门设计，可提供比传统龙门式或立柱式机器更大的灵活性和生产力。据报道，这些 AFP 系统能够实现高达 2360 英寸/分钟（60 米/分钟）的上篮速率，比以前可能的上篮速度高出一个数量级，这是使金斯顿的梁生产工艺在经济上可行的关键。MTorres 已向吉凯恩航空（GKN Aerospace）（英国沃彻斯特郡雷迪奇）位于英国菲尔顿（Filton）附近的新工厂交付了类似设备，用于生产 A350 后翼梁。这些机器的开发是为了实现沿翼梁部件边缘的紧密 U 形几何形状——当 45°材料应用于90°角时，会出现许多问题。铺放头还提供了成功加工相对低粘度的 Hextply 材料所需的更高温度和更大的压实压力，该材料与用于铺设机身面板的 M-21E 增韧环氧预浸料相同。每台 MTorres 机器都可以在 15m/49 英尺的因瓦心轴上同时铺设两个梁，然后将其转移到热压罐中进行固化。

使用基于龙门架的 TORRESonIC UT 自动检测机对固化的翼梁部件进行质量检查，该检测机长 15m/49.2英尺，宽 2m/6.6 英尺。MTorres 制造了框架，并连接了Kuka Roboter GmbH（德国奥格斯堡）的商用机器人，电子产品由 Tecnatom SA（西班牙马德里）提供。完成的翼梁部分被运送到 Spirit 位于苏格兰的 Prestwick 工厂，在那里它们被连接在一起，与固定的前缘和其他固定装置配合，然后作为一个完整的前缘组件运送到空客的Broughton 工厂，与 A350 机翼进行最终组装。第一个完整的外翼梁于 2010 年 12 月 10 日出厂。

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注：原文见，《 A350 XWB update: Smart manufacturing 》2011.9.11

杨超凡 2023.4.18