新支线飞机-热塑性复材、变形机翼
清洁航空HERWINGT项目正在为混合动力支线飞机开发一种新型超高性能机翼，包括热塑性复合材料（TPC）和变形复合材料机翼部件，到2026年底将完成多达20个复合材料演示。
作为清洁航空绿色支线飞机计划的一部分，混合动力支线机翼集成新型绿色技术项目旨在为清洁航空的混合动力支线飞机项目开发一种新型机翼，目标是到2035年使一架100座、500-1000公里航程的飞机投入使用。
01项目目标、技术、演示
HERWINGT将追求一种机翼，与2020年最先进的飞机相比，帮助HERA实现燃料燃烧/温室气体排放减少50%。它将通过新型减阻机翼来实现这一目标。后者严重依赖复合材料，目标是在配置、更集成的系统和新材料技术下减轻15%的重量和减少20%的燃料消耗。机翼部件水平。正在开发的机翼包括桁架支撑结构，其中复合材料支柱从机身延伸以支撑机翼。
在空中客车防务与航天公司（西班牙马德里空中客车D&S）的协调下，HERWINGT将分析全翼的架构并进行权衡研究，同时为中心翼段（吊挂到吊挂）构建物理演示：
集成中心翼盒结构具有内部推进级，包括具有多梁结构的吊挂到吊挂扭转箱概念、检修面板和集成燃料通风系统。
内段前缘具有集成感应防冰系统，以及额外的多功能性，如侵蚀、冲击和雷击保护以及变形概念。
内段襟翼采用多功能设计和集成高升力解决方案。
HERWINGT的关键加工技术包括低成本、高度集成、热压罐外（OOA-out-of-autoclave）复合材料：
干式纤维铺放和液体树脂注入，用于集成多梁扭转箱。
原位固结（ISC-In situ consolidation）热塑性复合材料（TPC-thermoplastic composite）用于集成襟翼蒙皮和前缘。
TPC焊接和共固结以实现集成。
探索可认证的粘合技术。
HERWINGT还承诺提供：
1.数字孪生和组件的生命周期评估（LCA），
2.子系统和全翼系统与参考飞机数字框架和要求兼容。
3.首次飞行的飞机级全尺寸机翼演示路线图。
与拟议活动相关的HERA资格和认证计划。
2025年1月在AIAA SciTech上展示的HERWINGT关键技术
HERWINGT计划于2026年完工，于2023年1月开始，并已获得10个月的延期，以完成更大的演示和测试。它现在将于2026年10月结束，并将其新的机翼设计交付给由莱昂纳多（意大利罗马）协调的HERA项目。
02TPC领先
FIDAMC在OUTCOME项目中使用碳纤维/PEEK为翼盒生产了一个1×4米的加强上壁板，为其在HERWINGT的工作做准备
多个HERWINGT合作伙伴正在推进ISC TPC结构，其中包括GKN Fokker（荷兰Hoogeveen）和复合材料技术中心FIDAMC（西班牙赫塔菲）。FIDAMC TPC活动的研究员兼技术协调员（Isabel Martín Hernando）解释说：“我们开始在Clean Sky 2项目OUTCOME中使用这些结构。”。“我们的目标是展示使用自动铺丝和ISC制造的减轻重量的主要飞机结构。我们与AFP设备供应商MTorres（Torres de Elorz）合作，开发了一个完整的测试金字塔，以证明材料满足机翼的结构要求。然后，空客D&s对成品进行了测试，验证了其FEA模型中计算的估计载荷。根据这些测试结果，我们开始为HERWINGT项目做准备。
“我们的想法是继续使用AFP ISC，但要增加几何形状的复杂性，”她继续说道。“在OUTCOME中，我们展示了一种带有加强筋的上翼盒蒙皮，其具有简单的曲率。在HERWINGT中，我们将生产中心翼盒前缘。我们还将该工艺从龙门机发展为川崎机器人，这有助于更复杂的结构。”她补充说，FIDAMC正在与MTorres合作，协调旋转心轴与AFP机器人，为更复杂的几何形状提供更大的灵活性。
FIDAMC正在使用一个机器人AFP系统，该系统将激光器分为四个部分，为HERWINGT生产一个现场整合的TPC前缘演示器
埃尔南多说：“我们还改变了AFP的加热源。”。“我们又有了一个二极管激光器，但它分为四个部分，可以单独控制。我们最多可以放置四个0.5英寸宽的丝束，用这个分开的激光器，我们可以指向每个单独的丝束。因此，我们可以选择用一个、两个、三个或全部丝束进行层压。这对于制造前缘来说更通用，因为在某些区域，比如前缘鼻部，我们需要用更少的丝束层压。”
该前缘的加强件包括T形纵梁和肋条。这些从冲压成型的组件开始。埃尔南多解释说：“对于纵向加强筋，我们首先冲压两个L形，然后将它们与填充物（面条-树脂条）一起放入固结工具中。”。“然后，我们在烤箱中的第二个加热循环中整合和共同固结这些材料。这样，我们还可以制作T形肋。”
FIDAMC将使用带有旋转轴的AFP生产TPC前缘，将蒙皮放置在预制TPC长桁和放置在复杂工具中的肋的顶部
然后，这些加强筋将被放置在FIDAMC与HERWINGT合作伙伴Aciturri（西班牙Miranda de Ebro）开发的复杂工具中。“该工具将安装在我们的旋转心轴上，”她指出，“然后将蒙皮层压在顶部，将第一层与加强筋共同加固，然后使用AFP ISC层压整个蒙皮。Aciturri还在研究基于等离子体的陶瓷沉积工艺，以提高耐腐蚀性。”
埃尔南多说，总体思路是与金属结构相比减轻重量，并进一步提高将TPC用于主要结构的能力。由于能够使用回收材料，以及通过共固结和焊接来消除紧固件，以及在寿命结束时进一步回收TPC零件，这些被认为更具可持续性。AFP ISC还避免了热压罐循环，降低了铺叠和固结过程中的能耗。
03PEEK、AFP工艺、LMPAEK用于襟翼演示
对于HERWINGT前缘演示器，FIDAMC正在使用APC2 PEEK材料（美国佐治亚州阿尔法利塔的Syensqo）。埃尔南多说：“我们在OUTCOME期间开发了一个关于这种材料的大型测试金字塔和数据库，空客D&S使用这些信息来确定这种结构的载荷和设计。”
在OUTCOME项目中，FIDAMC开发了一种AFP ISC工艺，该工艺使用两个激光器和两个固结辊——一个在胶带铺设过程中，一个在辊之间。埃尔南多解释说：“在OUTCOME中，我们管理材料的冷却阶段，以控制聚合物的结晶，确保机械性能。”。“但现在我们在更多的演示后取得了进一步的发展。我们可以通过使用自加热工具在材料中获得良好的结晶。这也有助于防止热残余应力和几何变形。因此，我们现在使用分段激光和单个压实辊。”
FIDAMC还将使用AFP ISC为HERWINGT襟翼演示器生产复合材料结构。“为此，我们将使用东丽TC1225预浸料带，但仅限于我们负责的下蒙皮和翼梁。Aciturri将使用各种技术协调其他结构。”
TC1225包括来自Victrex（Clevelys，英国）的碳纤维和LMPAEK聚合物。埃尔南多指出，FIDAMC选择了与Aciturri合作的TC1225。“我们在MFFD项目期间使用了这种较低熔体温度的材料，不是直接在完整的8米演示器中使用，而是在与Aernova的一次小型测试活动中使用。因此，由于我们与APC2进行了全面的测试活动，我们希望通过LMPAEK提取相同的信息，以便工程部门计算和准备不同结构的AFP ISC设计。”
04变形机翼组件
配备由Polimi开发的变形副翼的全尺寸风洞原型
HERWINGT的另一个关键部分是开发变形机翼表面以提高空气动力学效率。米兰理工大学航空航天科学与技术教授塞尔吉奥·里奇博士解释说：“我们的想法是，在没有经典控制面的情况下，机翼表面能够改变形状，这样结构（通常是后缘和前缘）就不会使用由传统执行器移动的单独组件。”。“这很有挑战性，因为你必须同时解决两个不同的问题：能够变形的零件结构和为空气动力学性能选择最佳形状。
“在HERWINGT，我们正在开发三种主要解决方案，”他继续说道。“前两个涉及变形前缘和后缘，有两种不同的应用：襟翼和副翼。变形前缘和尾缘副翼由Polimi开发，而后缘襟翼由CIRA的空气动力学小组和智能结构小组开发。”他指的是HERWINGT的另一个合作伙伴，意大利航空航天研究中心（CIRA，意大利卡普阿）。第三种解决方案是变形支柱，由另一个小组开发，我们将在下面讨论。
在HERWINGT内部，Polimi正在开发一种使用玻璃纤维/环氧树脂制成的前缘和后缘变形副翼，该副翼已用于许多其他此类演示中
复合材料正被用于开发所有这些变形结构。里奇说：“如果你想通过变形结构来进行变形，你需要具有非常高伸长率的材料，在某些情况下还需要具有可调内部刚度的材料。”。“纤维增强复合材料是最灵活的解决方案，因为你可以优化纤维取向以获得你的性能。”尽管有基于碳纤维增强聚合物（CFRP）的方案，但Polimi的团队决定使用玻璃纤维增强环氧树脂。“这取决于你需要多大的变形，”他解释道。“在后缘襟翼变形的情况下，你需要非常大的变形。与此同时，副翼并不那么具有挑战性，因为你只需要上下移动。每次你有不同的要求时，你都可以选择最好的材料。”
因此，Polimi选择了玻璃纤维，因为它比碳纤维具有更好的伸长率。里奇说：“但也因为我们大约10年前就开始了这种活动，我们所有的其他示威者都是以玻璃纤维为基础的。”。“因此，我们对它有很多了解和经验，并对它的性能感到满意。还有其他问题，比如疲劳。目前，我们决定不使材料方面复杂化，并坚持我们已经验证的内容。”
他指出，Polimi在HERWINGT开发的解决方案不是基于智能材料，而是基于智能结构。“这意味着我们正在使用智能设计和普通复合材料。我们不使用压电材料等。我们正在研究前缘，这将与CIRA生产的后缘相结合，然后将在我们的大型风洞中对变形进行全面测试。
”
05变形复合材料机翼支柱
HERWINGT的第三个变形开发涉及机翼支柱，正在代尔夫特理工大学（荷兰代尔夫特大学）完成。代尔夫特大学的两位研究人员对此进行了解释：航空航天结构和材料研究工程师泽维尔·卡里略·科尔科斯和航空航天工程助理教授尤里 苏迪亚。
代尔夫特理工大学正在开发变形支柱，其中复合材料部分与弹性体部分连接，以实现偏转和扭曲，从而优化空气动力学
“代尔夫特理工大学已经研究变形曲面几年了，” 科尔科斯说，“包括前缘和后缘部分。我们的想法是，你可以在底部蒙皮中引入一个槽，然后拉动或推动变形曲面的底部蒙皮（见图右），这将导致所需的偏转，以提高空气动力学效率。”
“这是我们的第一个概念，我们现在通过在风洞中测试的Smart X和Smart Alpha版本对其进行了改进，作为概念验证，”他继续说道。“对于HERWINGT，我们正在使用复合材料迭代这些组件。我们使用由复合材料制成的不同模块与弹性体部分连接形成一个连续的组件。然后，您可以根据机翼的扭曲和弧度进行不同的驱动，使您能够在爬升或巡航期间根据飞行条件控制和优化其形状。”
苏迪亚解释了为什么不可能使用连续的复合材料蒙皮：“我们主要使用弯曲变形来移动结构。但如果你应用这种方法，使一个模块向上偏转，相邻的模块向下偏转，这将在结构中产生很大的张力和剪切力。相反，我们切割蒙皮的尾部，用弹性材料代替，使其更符合要求。我们通常使用硅胶，通过在间隙中倒入液态硅胶来创建这些部分，这种硅胶与复合材料层压板结合良好。”
代尔夫特理工大学正在开发的变形航空结构的有限元建模，显示了三种主要的载荷情况
苏迪亚指出，变形支柱最有可能使用玻璃纤维增强环氧树脂。“只要结构要求不太高，玻璃纤维层压板可以提供比其他材料更好的性能。例如，由于它更符合要求，玻璃纤维层压材料可以显著降低致动载荷，从而使致动器更轻，因此这种变形概念的重量损失更小。”
对于HERWINGT，代尔夫特理工大学将测试其变形支柱演示器，以评估形状变化和由此产生的空气动力学阻力，以及这些变形机制的限制。
06数字双胞胎
推进数字双胞胎的使用是HERA和HERWINGT项目的一个关键目标。空中客车公司结构设计工程师、HERWINGT机翼结构设计团队成员米里亚姆·阿贡德斯-曼萨诺解释说：“数字双胞胎是一种框架，旨在汇编与整个生命周期过程相关的所有产品信息。”。“这包括制造、组装和定期维护。因此，数字孪生模型必须由参与开发和在役过程的每个利益相关者提供。
她补充道：“在复合材料零件中，数字孪生在生成和集成这些数字模型的设计制造阶段具有特殊意义。”她指出，数字孪生不仅包括零件几何形状，还包括纤维取向和层板的玫瑰花结（参考轴），以及表面保护、零件重量和互换性等。“由此产生的‘竣工’模型将在使用中通过传感器进行监测，以实时评估结构的状况。
曼萨诺说：“实际上，数字孪生的核心要素本质上是一个大型数据库。”。“它包含了所有学科的输入，包括压力、疲劳、设计、制造、可维护性等。即参与零件的开发，并准备包括与生命周期未来步骤相对应的信息。数字孪生还包含一组算法，用于预测故障模式的最终演变，以使结构的维护计划适应其实际状态。
曼萨诺总结道：“对于HERWINGT项目，考虑到数字孪生技术在设计层面的演示开发中非常有用，而且更有成效，因为这些信息必须在合作伙伴之间共享。”。“使用数字双胞胎使我们能够为开发的不同步骤提供一个单一的‘真相来源’，其中所需的所有信息都是现成的。”
原文，《 Advancing thermoplastic composite primary structure and morphing wings 》
