从通用飞机到航船领域:OOA成型技术革新复合材料应用_技术工艺_复材学院

导语

News Today

在通用飞机制造领域，材料与成型技术的进步一直是推动行业发展的关键因素。近年来，复合材料凭借其优异性能，如低密度、高比强度和比模量、良好的耐腐蚀性及疲劳性能等，在通用飞机结构中得到了越来越广泛的应用。非热压罐成型技术（Out of Autoclave，简称OOA）是近年来通用飞机制造领域复合材料成型关注的焦点。

什么是OOA 成型技术？

OOA 成型技术摒弃了热压罐，通过真空压力，并借助烘箱、加热毯等外部加热源，实现复合材料的固化成型。在这一过程中，研发人员通过优化树脂体系、纤维预成型体设计以及工艺参数，来保证在较低压力下，复合材料也能达到与热压罐成型相当的性能水平。例如，通过设计特殊的树脂配方，使其在真空压力下具有良好的流动性和浸润性，同时在固化过程中有效抑制孔隙的产生。

OOA 成型技术在通用飞机中的应用实例

西锐公司SR系列飞机

美国西锐公司的 SR20、SR22 系列飞机广泛采用了OOA 预浸料技术。其中，SR22 飞机的复合材料用量达 80% 以上，选用东丽公司7781/2510 和 T700/2510OOA 预浸料体系，通过中温固化炉成型。飞机机身单侧结构长6m，高 1.35m，机身和垂尾的蒙皮均由该工艺制成，良好的成型效果保证了飞机结构的整体性和轻量化。

亚当公司超轻型喷气机A700

其大部分结构由碳纤维或玻璃纤维织物增强 Nomex 通过真空袋成型技术并采用共固化工艺制备。该工艺属于OOA 成型技术范畴，有效减少了零件数量和装配工作量，降低了飞机的整体重量，同时保证了结构强度，提升了飞机的性能。

庞巴迪Learjet85商用喷气机

庞巴迪宇航公司最新商用喷气机是一架全复合材料结构飞机，机身、机翼采用Cytec公司Cycom 5320树脂基体的OOA 预浸料制造，如图5-73所示。复合材料使该机能够生产大型集成结构，不仅可以减轻飞机质量，提高燃油经济性，还可显著减少零件数量，降低造成本。

Dornier 328先进复合材料商用飞机

洛克希德·马丁公司和极光飞行科学公司建造，美国空军开发的军用运输机。

复合材料选用ACG公司MTM45-1树脂基体的OOA预浸料，是最成功的大型OOA 固化结构复合材料货机，采用了低温固化热压罐外固化工艺，与传统的制造方法相比，先进复合材料使飞机零件数减少了 80%~90%，实现轻量化、低成本，提高了飞机耐用性且易于维修。使用OOA预浸料制造的主要复合材料零件及用MTM45-1树脂基体预浸料制造的机身蒙皮，如图5-72所示。

空客A350XWB喷气式客机

2011年6月，Umeco公司宣布GE航空集团正在使用ACG公司MTM 44-1OOA预浸料制造空客A350 XWB机翼的外部和中部固定后缘板，首先生产了蜂窝夹层结构。

MTM 44-1 OOA预浸料2008年为合作研究项目“先进低成本机体结构”(ALCAS)生产了第一个小规模翼盒演示件MTM44-1在演示件的成功使用，进一步验证了OOA材料的能力，作为空中客车和达索公司航空项目的一部分，旨在验证低成本飞机结构的设计和技术，为MTM44-1作为航空材料的资格奠定了基础。

MTM 44-1针对VBO工艺进行了优化，以提供更低的空隙率，得到的复合材料可与标准的热压罐固化系统媲美。这种技术可以促进制造更大和更集成的结构。

A320 圆角整流罩验证件

通用航空公司,选用Hexcel公司M56/40%/280H5/AS4-3KOOA预浸料和30mm HRH 10 蜂窝芯材，采用热压罐外固化工艺制造了A320圆角整流罩验证件，如图5-74所示。预浸料在复杂型面容易铺层，制备的复合材料验证件完全通过漏水试验(没入76℃水中无气泡形成)，显示在芯材表面的预浸料面层无空隙。

另外，Hexcel公司用M56树脂基体完全浸渍的FAW为268g/m的单向预浸料，同几个零件制造商使用ATL和AFP工艺成功地制造了零件(图5-75)，表面透气试验表明零件具有低的空隙率。

美国Kestrel K-350全复合材料涡轮螺旋桨飞机

Tencate 先进复合材料北美公司与美国Kestrel 航空公司签署了一份长期复合材料供应协议，新型全复合材料涡轮螺旋桨飞机Kestrel K350将使用Tencate的TC275-1环氧预浸料。

Cirrus飞机公司SR系列飞机和

Cirrus新视觉SF50私人飞机

2014年，美国Tencate先进复合材料公司与美国Cirrus飞机公司签署了一个多年合同，为Cirrus飞机公司SR系列飞机和Cirrus新视觉SF50私人飞机供应先进复合材料，包括和nCate T 275树脂 OOA 预浸料;CirrusSR22系列飞TenCateBT250E-1树脂等OOA预浸料。

空客A350XWB

2012年3月，Umeco宣布GE航空集团将用MTM44-1树脂基体OOA预浸料制造空客A350XWB机翼外部和中部固定后缘板，前18个月用OOA预浸料生产蜂窝夹层结构船舶。

在国内，复合材料轻型飞机也逐步开始应用OOA 预浸料技术。随着国内对通用航空产业的重视和投入不断加大，国产OOA 预浸料研发取得了一定进展，部分材料体系已在一些小型通用飞机项目中试用。

拓展

OOA 成型技术在航天领域的应用实例

“白色骑士2号”太空航母

由维珍银河公司建造，使用ACG公司MTM45-1环氧体系预浸料，复合材料采用热压罐外固化工艺成型，是世界上最大的碳纤维复合材料飞机。维珍银河公司将用它把第一艘商业载人飞船“太空飞船2号”送上太空。2008年12月22目首飞成功，如图5-69所示。其主要技术参数：有效载荷17000kg；长度24m，翼展43m，相当于波音757飞机机翼跨度；实用升限21000m。

“太空飞船2号”／“白色骑士2号”缩尺复合材料

由维珍银河公司采用ACG公司MTM45-1环氧体系预浸料，热压罐外固化工艺制造而成，如图5-70所示，被认为是迄今为止OOA预浸料最前膽性的应用之一。

“战神5号”火箭非热压罐预浸料，

革命性的预浸料技术OOA工艺

2009年10月NASA新设计的战神5号重型火箭，是美国下一代航天运输系统重型货运火箭，承担美国宇航局发射新一代载人月球登陆器及月球基地需要货物运输的任务，直径10m的火箭筒身，如果采用12x24m热压罐成型，预计成本高达1亿美元，选用OOA预浸料热压罐外固化工艺成型，节省大量资金，如图5-71所示，主要技术参数:有效载荷(近地球轨道)188000kg;承载能力(近地球轨道)130000kg;高度109.2m；直径8.40m;节数为2节。

OOA 成型技术在无人机领域的应用

“暗星”(Dark Star)隐身无人侦察机

波音公司和洛克希德·马丁公司共同承担开发的高空耐力无人机，波音公司制造机翼，提供航电设备，洛克希德·马丁公司制造机身，集成EO传感器和各种子系统。该机无尾式翼身融合体设计，外形奇特，主要考虑隐身和飞行性能，以减小飞机雷达反射面。除外形采取措施创新设计外，采用大量先进复合材料，系全复合材料隐身机。采用ACG公司LTM 45树脂基体OOA单向预浸料，复合材料前机体如图5-76所示。无人机主要技术参数如下:

外形参数:全机长度4.57m，高度1.52m，翼展21.3m。

质量参数:3900kg。

性能参数:巡航速度464km/h，航程925km，活动半径大于1800km，可在13700m高度飞行8h。

P-175“臭猫”(Polecat)高空长航时无人机

洛克希德·马丁公司开发的P-175无人机采用无尾翼结构，先进的层流翼型，具有很高的空气动力效率和很低的雷达截面，如图5-77所示。无人机由大约200个制件组成，其中98%是复合材料结构。据称无人机机体至少采用了90%以上的复合材料，意味着航空复合材料使用的重大突破。复合材料采用LTM45 系列树脂OOA预浸料，低温66℃固化，随后后固化。不需要使用热压罐，大幅度降低制造成本。
5-76

X-47A“飞马”(Pegasus)无人机

诺斯罗普·格鲁门公司自筹资金为美国海军研制的最先进喷气式隐形无人机，也是第一架能从航空母舰起飞并自行回落的隐形无人机，如图5-78所示。
5-77

2001年开始研发，图5-77 P-175高空长航时无人机2003年成功首飞，主要任务是验证无人飞行器在海军舰载使用的适应性。飞机外形类似B-2，主要由复合材料制成，采用ACG公司LTM45EL系统树脂预浸料和VBO工艺成型。无人机主要技术参数如下:

外形参数:机长 8.37m，翼展8.42m，机高1.83m。

质量参数:总重2500kg，可携带载荷450kg。

性能参数:航程16000km，亚音速航行。
5-78

“捕食鸟”(Bird of Prey)隐身无人机

麦道公司于1992年开始研制，将高机动性、全面隐身作为发展重点，波音公司兼并麦道后，继续投入资金进行开发，从项目开始到1999年首次飞行持续了8年，先后投资6700万美元。该机复合材料使用了ACG公司第一代OOA 预浸LTM10。“捕食鸟”无人机外形怪异，神态凶猛，如图5-79所示。飞机主要技术参数如下:

外形参数:全机长度14.22m，翼展6.91m,高度2.82m，翼面积20.4m。

最大起飞质量:3356kg。

性能参数:最大速度482km/h，飞行高度6100m。
5-79