下一代单通道客机的先进后部
先进后部（ARE）包括一种新的、较短的配置，具有前掠水平尾翼（HTP），可节省重量和层流空气动力学，从而节省燃料。
先进后部（ARE-Advanced Rear End）演示件是 2015 年清洁天空 2 号（Clean Sky 2）技术计划的工作包之一，旨在开发全碳纤维复合材料机身后部，为下一代中短程大型客机（LPA-large passenger aircraft）提供显著的重量节省。（注：这里的下一代中短程大型客机，是一款将取代现在的 A320 单通道客机。）
先进后部（ARE）最初是为了帮助实现安装在后机身上的开式转子发动机，目标是大幅降低重量、噪音和二氧化碳排放。2017 年，先进后部（ARE）进行了重新配置，实现了一种全新的空气动力学设计，可以与包括电动在内的一系列推进系统相匹配。全碳纤维复合材料结构的目标仍然存在，但新的前掠水平尾翼（HTP- horizontal tail plane）设计缩短了机身段的长度，需要新的后机身设计和空气动力学分析，以及新的系统布局。
清洁航空联合事业（CAJU）的项目官员皮埃尔·迪雷尔（Pierre Durel）解释道：“清洁天空 2 号项目有两个主要流程：第一个是技术档案，第二个是我们将于今年完成的全尺寸演示器。
空客公司（西班牙赫塔菲）机身工程尾翼研发负责人、先进后部（ARE）演示项目负责人恩里克·吉纳尔多（Enrique Guinaldo）指出：“第一份（技术档案）更多的是一个虚拟流程。”，“在这里，我们分析空气动力学、制造约束以及这种新配置将如何融入整体系统设计和机身设计。第二个流程更具物理性，我们有两个相关的演示件：上壳，它是全尺寸后机身的一部分，但没有下壳，然后是侧板，它代表下壳的三分之一。”
这两个演示件的结构旨在探索许多不同的技术，并解决新先进后部（ARE）配置中的关键挑战。侧板由德国航空航天中心（DLR，Stade）使用 frameS 子项目中开发的工具制造，使用自动铺丝（AFP），使用氙闪光灯而不是激光加热。同时，由一级供应商Aernnova（西班牙米尼亚诺）管理的上壳演示件将不包括水平尾翼（HTP）、垂直尾翼（VTP）或下机身，皮埃尔·迪雷尔解释道，“但只包括带有集成加强筋的上机身蒙皮和一个用于连接垂直尾翼（VTP）的配件。该配件已从铝重新设计为复杂的 3D 复合材料零件。”
全新设计，全新复合框架
先进后部（ARE）演示器中验证的新设计需要三个多凸缘复合材料框—如渲染图（顶部）和实际 RTM 零件（底部）所示，它们可以将载荷从垂直尾翼（VTP）传递到机身，历史这几个框是锻造和机加工的铝框。
吉纳尔多解释说，上壳是这种新的后机身配置中最复杂的部分，这就是它被选为工业演示机的原因。
“其余部分是热固性和热塑性复合材料技术的混合，”他说。“蒙皮和长桁是预浸料，高负载框是使用树脂传递模塑（RTM- resin transfer molding）工艺制成的。
我们试图探索哪种技术最适合每种应用。”先进后部（ARE）是五个大型清洁天空 2 号（Clean Sky 2）演示器之一，旨在推进创新结构和生产系统，并在大型飞机创新飞机演示器平台（IADP-Innovative Aircraft Demonstrator Platform）内组织。它于 2021 年 2月通过了技术准备水平（TRL- technology readiness level）3，从而冻结了设计，并于 2021 年完成了零部件生产。这些将于 2022 年组装，所有测试将于 2023 年项目结束前完成。
先进后部（ARE）的总体目标包括与传统的单通道飞机设计相比，在成本和重量方面节省 20%。但吉纳尔多说，要实现这一目标，必须将许多创新结合起来，共同努力。“这包括新的工具和新的高负载复合材料框设计，以及模拟、机械测试和材料研究，所有这些都使这种全新的后机身和尾翼配置成为可能。”
多个合作伙伴，彻底重新配置
先进后部（ARE）涉及 10 多个子项目，包括空客领导的 TAILSURF、IMPACT 和 MONNALISA，以优化后机身和尾翼形状，验证空气动力学和气动弹性升力增强装置，并研究除冰技术；空客公司领导CHRZASZCZ 优化辅助动力装置（APU-auxiliary powerunit）进气和消声器系统；由 Fraunhofer Gesellschaft（FHG，德国慕尼黑）领导的 HEGEL 完成疲劳分析；和 FALCON，由 Aernnova 领导，为高负载 RTM复合材料框开发低成本智能工具，以及 INNOTOOL，为先进后部（ARE）上壳体演示件开发组装工具和用于生产热塑性复合材料先进后部（ARE）闭合框的冲压成型工具。在 CERES 和 TABASCO，空中客车公司领导先进后部（ARE）测试项目，其中包括 Aernnova高负载 RTM 框。
使新的先进后部（ARE）设计激进的关键方面之一是其前掠水平尾翼（HTP）。与传统的后机身相反，该设计的目标是改善尾部的层流，从而减少空气动力学阻力和燃料消耗。它还缩短了后机身，节省了重量，并为扩展客舱（或氢燃料存储）创造了潜在的空间。
然而，这种缩短的端部也向前推动辅助动力装置（APU），使其位于垂直尾翼（VTP）下方。吉纳尔多说：“这需要解决 APU 起火或转子故障的风险，将高能碎片送往与垂直尾翼（VTP）的接口。”。“我们的反应是在 APU 周围设计一个复合材料安全壳，以保护机身的关键区域。”合作伙伴德国航空航天中心和法国航空航天实验室 Onera（Palaiseau）测试了各种材料——编织增强材料、碳纤维、高密度聚乙烯纤维、热塑性预浸料以及不同厚度和叠层。“我们进行了一次完整的弹道撞击测试活动，包括物理测试和虚拟模拟，以了解其行为。我们将物理测试结果进行了关联，以改进模拟方法。通过这项工作，onera 和DLR 能够定义该安全壳结构的几何结构并详细说明解决方案。”该安全壳还将包括防火墙。“该防火墙的全面开发不在该项目的范围内，但不被视为技术挑战，很可能会使用与我们今天使用的类似的防火材料。”
高负载、多凸缘框
大多数 CW 读者都见过 CFRP 机身框，这些弯曲的部件有角度的“脚”，连接到机身蒙皮上，并在机身纵向长桁穿过的地方有“老鼠洞-mouseholes”。“这些就是我们所说的普通（维形）框，” 吉纳尔多说。“它们基本上保持了机身形状，但并不打算传递界面载荷（ interface loads）。我们为先进后部（ARE）开发的框必须将界面载荷从垂直尾翼（VTP）传递到机身，这会产生一个非常高的局部载荷区域。到目前为止，这种载荷一直由复杂的锻造和机加工金属框承担。但这些框价格昂贵，重量很重。它们的热膨胀系数与周围的复合材料结构不同，在热载荷下，复合材料结构会增加框和机身其余部分蒙皮之间的应力。”
高负载界面框
与当今最先进的复合材料机身中使用的普通框相比，此处显示的 RTM 框使用了增加的厚度和横跨其腹板的多个凸缘来处理先进后部（ARE）演示器垂直尾翼（VTP）区域的高局部载荷。
“将这些界面框转换为复合材料无疑是一个超越，”他继续说道。“这是我们第一次在复合材料框组件中引入如此高的载荷。”为此，Aernnova 开发了一种新的设计并获得了专利。它使用框复板上的几个凸缘来提供所需的刚度和强度。他指出，“这些后机身框的曲率半径很小。再加上承载载荷所需的 7-8 毫米厚度，使复合材料框的制造变得更加复杂。”
预成型多个凸缘
界面框的预成型使用 Aitiip 在 FALCON 子项目中开发的工具和一种灵活的工艺来压制成型HiTape UD 干纤维铺层，在预成型过程中采集和分析数据，以在需要时纠正压机和工具的驱动，以防止缺陷。
Aernnova 的执行项目经理路易斯·阿利亚加（Luis Aliaga）说：“我们使用压机热成型扁平的 C 形和 C 形凸缘。”。“当加固材料弯曲时，紧密的曲率会产生褶皱。我们测试了许多不同的材料。”最终选择的是来自赫氏（Hexcel）的 HiTape 干单向（UD）胶带和RTM6 环氧树脂。
Aernnova 与 FIDAMC（复合材料研究、开发和应用中心，西班牙马德里）合作，后者使用 HiTape 开发了 AFP 平面叠层，并支持 FALCON 子项目中的自动成型循环（见下文讨论）。这种成型实现了 C 形多凸缘框，并实现了高生产率的工业化。
阿利亚加指出：“我们完成了试片和元件级的机械测试以及许多模拟，以预测这种材料在最后部分的行为。”。“我们还完成了树脂注射的许多模拟，以确认注射策略。”最后的一次注射过程使用了多个注射点，以确保树脂从复杂形状的预成型件中适当润湿。
但为什么选择 RTM 而不是提供更高韧性和耐热性的热塑性复合材料呢？阿利亚加说：“热塑性塑料技术还不够成熟，无法开发高负载界面框。”。“但后机身的关闭框将是热塑性的。”他指出，到项目结束时，先进后部（ARE）本身将达到 TRL 6，但由东丽（Toray）的 LMPAEK 材料制成的关闭框只能达到 TRL 4。阿利亚加说：“我们还没有达到这些界面框所需的热塑性工艺。”。（注：热塑复材制造的，多凸缘、高负载框，在后来的热塑机身筒体试验中，已经出现了。）
FALCON 框工具
在 FALCON 项目中，Aitiip Centro Tecnológico（西班牙萨拉戈萨）开发了一种独特的 150 吨级钢制冲压工具，用于预成型框腹板和凸缘。该公司还制造了 RTM 固化工具。这些工具设计用途广泛，能够为承受不同载荷水平的不同机身截面制造复合材料框。其目的也是将模具成本降低 40%，生产时间降低 30%，生产成本和能源各降低 20%。为了实现这一目标，FALCON 还创新了软件、控制、监控和模块化的使用。
用于预成型的驱动工具
在 FALCON 子项目中，Aitiip 开发了一种独特的伺服电机驱动 150 吨冲压工具，用于为不同的机身截面预成型多种尺寸的复合材料框。
预成型和 RTM 工具都使用了多个心轴。预成型模具可以成型高负载框的扁平 C 形腹板以及较小的 C 形凸缘。它的心轴有助于塑造织物的形状并防止褶皱。
Aitiip 开发了一种独特的伺服电机概念，使 U 形、T 形和 Z 形长桁能够由任何类型的预浸织物或 UD 带进行柔性冲压成型。这种伺服成形概念在预成形期间获取并分析数据，以在需要时校正工具和压力机的致动。
钢预制件工具通过强制空气辅助冷却从成型机传导热量，两者都通过工具中的嵌入式通道适应零件几何形状。
框预制件随后被放置到 RTM 固化工具中，该固化工具包括上模具和下模具以及心轴，以在注射和固化期间保持每个预制件的位置。预成型和 RTM 都使用闭环控制系统进行实时监控，避免了生产的尺寸和热方面的误差。与一次性 RTM 方法相结合，这实现了能源和材料的节约。
与非自动化生产工具系统相比，FALCON 项目能够显示出坚固性和可重复性的优势。提供给 Aernnova的工具的模块化和多功能性使其能够轻松且经济高效地适应具有多种功能的新材料。Aernnova 制造了六个高负载机身框，并展示了一种能够高速生产的方法。
阿利亚加说：“每个零件的周期时间由 RTM 固化周期决定，即五个小时。因此，每个 RTM 固化工具每天最多可以制造四个框。”
滑移成型桁条，INNOTOOL 组件
滑移成形
典型的机身桁条长 4-12 米，横截面为 Ω 形。滑移成形是由 Applus+Laboratories（西班牙巴塞罗那）开发的一种技术，用于从使用自动铺带（ATL）或纤维放置制成的预浸料叠层中生产不同长度、厚度、曲率和横截面的桁条。叠层被夹在两个加热毯之间，然后放置在成型工具上。毯子将叠层加热到适当的成型温度，基于机器人的滑动成型头向下移动工具，在叠层成型时对其施加张力。连续成形过程是使用一台接受许多不同工具的机器在单个循环中实现的。
阿利亚加说：“我们选择滑移成型是因为我们想了解更多关于这个过程的信息。”。“与当前的成型技术相比，它提供了一种多功能的成型解决方案，投资低，生产率高。一台机器可以生产 Ω 形、T 形和 U 形结构增强件，并允许使用不同且更简单的工具，因为这些工具不需要加热。也可以使用凸模或凹模，但成型不需要两者。”它显著降低了工艺成本和所用能源。与传统的热成型相比，它还可以生产更高质量的长桁，在机器沿着工具前进并形成预浸料坯坯时消除褶皱。材料浪费也减少了，因为这种工艺允许不同厚度的定制设计。在传统的热成型工艺中，整个长桁的厚度是相同的，没有减少的机会，因此即使在不必要的情况下也会使用额外的材料。”
上蒙皮铺放，INNOTOOL 旋转框架Aernnova 开发了 FIDAMC 使用的机身形状金属铺层工具（顶部），用于 AFP 上机身蒙皮铺层。这是与先进后部（ARE）演示件（中心）的滑翔成型桁条和两个普通框（非界面框）共同拍摄的。然后使用 INNOTOOL 子项目中开发的旋转工具将该蒙皮桁条组件与 RTM 框组装在一起（底部）。
桁条以两种方式形成（但未固化）。第一个是由Applus+实验室使用来自赫氏（Hexcel）的 UD 碳纤维/环氧树脂预浸料，并交付给 FIDAMC。第二种是通过FIDAMC 在凸模具上使用热真空成型。在 FIDAMC，桁条与半固化 9 框和先进后部（ARE）演示件的上机身蒙皮叠层相匹配，该叠层使用 AFP 和相同的 UD 预浸料制成。
桁条和蒙皮工具都是由 Aernnova 设计和生产的。然后将成型框和桁条蒙皮一体化叠层真空装袋并在热压罐中共固化。固化后，这个集合被送到阿尔诺瓦的阿利亚加团队。接下来，RTM 的高负载框将被连接。然而，它们首先必须以非常精确的方式定位在蒙皮桁条组件上。
用于此目的的定位工具由 Tekniker（Gipuzkoa，西班牙）在 INNOTOOL 子项目中开发，并得到了Aernnova 的设计协助。阿利亚加说：“该工具位于一个由电机驱动的框架上，并旋转固定蒙皮桁条组件的工具。”。“这款蒙皮长 3 米，直径 2.5 米，对于这款演示机使用的单通道、中程飞机规格来说，这是全尺寸的。”
组装过程从激光跟踪器开始，以建立固化蒙皮桁条组件的参考模型。接下来，一个自动化过程定义了在放置高负载框期间用于参考的最佳固定点。每个机架由装配操作员识别，装配操作员在控制软件中选择要测量和装配的负载机架。该软件指导装配操作员完成测量过程以及装配过程中执行的最终移动命令。自动测量由外部计量框架执行，并由激光跟踪器使用预先使用模拟定义的策略来驱动。装配顺序是一个复杂的过程，其中执行多项任务，结合手动和自动操作，包括自动钻孔和铆接。
复杂的挑战，未来的希望
INNOTOOL 装配工具和计量辅助过程是先进后部（ARE）计划如何探索数字和自动化技术以减少制造时间和成本的一个例子。吉纳尔多说：“这种工具突出了一个特殊的挑战，因为后机身具有双曲度，这也是蒙皮复杂性的一部分，也是为什么制造这种演示机和高负载框如此复杂的原因。”
这些框确实是阿利亚加在 Aernnova 项目中最具挑战性的部分。然而，对于作为演示件的领导者吉纳尔多来说，最大的挑战是将一切团结起来。“这个项目比看上去更复杂，”他说。“对我来说，挑战在于将后机身的航空设计与机身的可制造性、组装和系统安装结合起来——集成这么多不同的部件，以实现整体性能的积极目标。”他说，下一步是完成框的物理测试。“然后，我们将使用非线性有限元模型进行虚拟测试，以在整个后机身的背景下验证框。”这项虚拟测试将于明年进行。
尽管在这个项目中管理这么多合作伙伴也是一个挑战，但正是这个庞大的联合团队也使解决这么多方面问题和开发创新解决方案成为可能。他说：“团队中的每一个人都在为实现这一目标做出贡献。”。“大多数人认为这只是一个后机身，我们只是在建造一些从一开始就很清楚的东西，但事实并非如此。我们正在开发一种新的机身和系统概念，这种概念极具颠覆性，对下一代飞机也很有希望。”
编后语
波音787、空客A350复材用量，前者50%,后者53%。其中受力结构件都是用环氧热固复材制造的。仅仅一些次要，受力较小的连接角片用热塑复材制造。随着技术进步，热塑复材可以制造高载荷、高剪力的结构件，如本文的多凸缘框，以及机翼的肋。这样一来，民机的复合材料用量，势必突破53%。联想到商飞技术领导宣布C929复合材料用量超过50%。这显然是没有使用热塑复合材料制造受力结构件。
注：参见原文《 Multi-flange RTM frames enable radical rear fuselage design》2022.5.30
杨超凡 2024.2.8
本文经译者同意发布
