【航空航天】复合材料小型直升机驾驶舱
“清洁天空 2 号”RACER下一代旋翼飞机 图片来源：空中客车直升机
空中客车直升机公司（法国马里尼昂）于2017年6月推出了 快速且具有成本效益的旋翼机概念，旨在实现优化的垂直起飞、悬停和快速向前巡航的近乎神话般的组合。该公司之前的X3演示机已经证明了使用复合空气动力学配置（传统的主旋翼与创新的侧旋翼相结合）实现这种性能的能力。RACER在V形箱形机翼的末端增加了推进器，并通过不对称的H形尾梁改善了悬停。RACER也是为速度而设计的，可实现400公里/小时的巡航，而普通直升机的最高速度为260公里/小时。其目标是提高紧急医疗和搜救任务的绩效，通过在第一个关键的“黄金时段”内到达人们手中来提高生存率。
RACER是“清洁天空 2 号”计划的快速旋翼 飞行器创新飞机演示平台 中的两个概念之一。另一种是下一代民用倾转旋翼机演示机。作为“清洁天空 2 号”的一部分，RACER由欧洲25个多 合作伙伴财团开发和建造，其设计也侧重于提高可持续性，包括二氧化碳和氮氧化物排放量降低20%，与现有直升机相比噪音降低， 购买价格和运营成本降低25%。
RACER进步的一个关键贡献是其机身设计，包括前机身，针对低阻力空气动力学、抗冲击性和最大化飞行员视野进行了优化， 同时将成本和重量降至最低。RACER的前机身由四个碳纤维增强聚合物部件组成：雷达罩、中央壳体/机头壳体、航空电子设备舱梁和驾驶舱壳体/座舱盖。
RACER 前机身采用一体式座舱盖
这些部件的设计和制造被授予了FastCan联合体，该联合体由 总部位于德国霍亨塔恩的KLK Motorsport和Modell und Formenbau Blasius Gerg GmbH（Gerg M&F）组成。两家公司都拥有丰富的复合材料专业知识，但大多来自赛车和汽车行业，而不是旋翼机或航空航天。Clean Sky FastCan项目负责人Andrzej Podsadowski解释道：“当KLK Motorsport响应号召时，很明显，他们在汽车设计方面的 专业知识将具有相关性，并为这个项目增加额外的维度。”“很明显， 从航空业之外带来新的想法，以及他们对如何设计一种轻便、耐冲击、低成本的解决方案的理解，将对 FastCan有利。” KLK Motorsport首席执行官Kaspar Krause表示：“对于我们公司和Gerg M&F来说，这是一个开拓新市场的机会。”“我们的目标是成为创新航空航天部件和系统的设计、开发和制造的既定合作伙伴。”KLK Motorsport担任FastCan协调员，负责驾驶舱结构的设计，包括优化材料铺设和空气动力学性能和抗冲击性测试，而 Gerg M&F负责工具的设计和制造，以及可飞行的复合材料前机身的制造，为组装做好准备。
开发集成设计
RACER前机身的初步设计由空中客车直升机公司提供。Gerg M&F的项目经理Christoph Stark说，它是由多个组件组装而成的， “包括驾驶舱顶、驾驶舱框架、侧柱和窗围，以及下壳体，也是多个部件，然后是雷达罩。我们提高了集成度，最后是三个主要部件加上用于连接航空电子设备的横梁。这是我们设计演变背后的最大想法-减少接口，使其更轻。“该团队将屋顶结构集成到驾驶舱中，”克劳斯补充道，“驾驶舱本身是一个单件式部件，主要有中空部分， 也有夹层和单片部分。这也是制造挑战之一，要在一个固化周期内 通过内部装袋（中空部分）成型这个复杂的部件。” 对于驾驶舱，在驾驶舱顶和侧柱中使用了密度为48千克/立方米的 Nomex蜂窝芯，而挡风玻璃和车门周围的部分是中空的。驾驶舱门底部的支架使用了实心碳纤维增强塑料插件。所有的机头外壳都使用了与驾驶舱相同的蜂窝芯，具有整体边缘。前部还有一个中央“H”形加强件，两侧和下部前部都有加强切口。这是用赢创提供的Rohacell泡沫取芯的，因为横截面太小，无法插入内部真空袋使其中空。雷达罩的顶部为蜂窝芯碳纤维，而雷达罩/窗为固体玻璃纤维层压板，以提高雷达透明度；它的厚度为8毫米，以满足空中客 车直升机公司的鸟击冲击要求。航空电子支架包括两个侧板和一个隔板，全部由蜂窝芯碳纤维预浸料制成，带有用于附件的实心插件；一次注射就固化。碳纤维增强环氧树脂预浸料用于制造除雷达罩外的所有前机身部件。斯塔克说：“我们选择了赫氏（Hexcel 美国康涅狄格州斯坦福德市） 含有180°C固化环氧树脂的 HexPly M18-1碳纤维预浸料，因为它已经合格，并且被空中客车公司大量使用。”Hexply1458玻璃纤维预浸料用于雷达罩。
图 1. 复杂驾驶舱设计
KLK 对前机身所有载荷的有限元建模包括19个撞击位置的鸟击模拟和250页的强度证明（右上角）。Gerg M&F完成了工具设计和工艺验证，协助完成了350页和10本关于驾驶 舱铺放的复合材料层板手册（右下）
驾驶舱设计细节
KLK Motorsport从有限元分析（FEA-finite element analysis）开始，模拟所有所需的载荷情况，并相应地优化前机身结构和材料铺设。驾驶舱将是最复杂的。克劳斯解释道：“我们有一个完整的驾驶舱有限元模拟模型。”，“并检查了完整的载荷包络：静态载荷、动态载荷和鸟击模拟。我们还必须建立测试金字塔，从试件开始(例如，UD和蜂窝芯层压板的拉伸、剪切和压缩测试])后向上移动到元件，例如中心梁上的三点弯曲测试。对于这些，我们对样品进行了断裂测试，并对我们的模拟模型进行了比较，同时也对失效行为进行了比较。”
克劳斯解释说，对于前机身部件的尺寸，材料鉴定是重要而广泛的。“特别是对于CFRP和蜂窝的组合，我们需要证明模拟预测是正确的。这是通过数字和物理测试金字塔完成的。特别是对于动态模拟，也对于线性静态尺寸，我们必须建立正确的材料卡，显示在正确的载荷水平和正确的失效模式下的失效。”
挡风玻璃上有这么大的切口，驾驶舱确实会受到很大的压力。“通常不会，”克劳斯指出，“但如果你的鸟撞到了中心梁，那么你确实有很大的负载。这是驾驶舱这一部分的主要负载。”为了测试这一点，在位于斯图加特的FastCan合作伙伴德国航空航天中心结构与设计研究所进行了“果冻鸟射击-jelly bird shots” （鸟状抛射物测试），以220节的速度模拟一只1公斤重的鸟。克劳斯说：“这些测试结果与我们的模拟模型进行了比较，结果显示出非常相似的行为。”“我们在19个不同的撞击位置上进行了 鸟类撞击模拟，这实际上是确定尺寸的主要驱动因素——使驾驶舱足够坚固，以应对所有这些鸟类撞击。”
中心翼梁是驾驶舱最厚的部分，有4毫米。但克劳斯说，驾驶舱的许多区域的厚度都不到1毫米。“外壳确实是阶梯式的，并根据强度要求进行了定制，这需要相当高保真的模拟模型，以便在局部和全局范围内加强鸟击。我们通过材料的定制实现了功能和组件的集成。”尽管材料定制和各种鸟击模拟的结合似乎非常复杂，他指出，与这些鸟类撞击模拟相比，荷兰皇家航空公司的赛车碰撞模拟通常要大得多，也更复杂。
除了鸟类撞击外，荷兰皇家航空公司还在有限元建模和物理测 试中应用了从空中客车直升机获得的空气动力学和飞行载荷。克劳斯指出：“我们生成了250页的强度证明。”（图 1）。“有很多关于不同位置鸟类撞击的文件，也有许多其他必须模拟和验证的载荷情况。”他指出，如果没有RACER的挡风玻璃和驾驶舱门，就无法设计和确定驾驶舱的尺寸。“这是其他项目合作伙伴的责任。因此，我们与合作伙伴交换了模拟模型，将挡风玻璃和车门集成到我们的模型中，然后还模拟了这些模型上的鸟撞镜头。”
适用于一体式驾驶舱的多件式工具
一旦设计最终确定并获得空中客车直升机公司的批准， FastCan财团就开始制造。斯塔克指出：“实际上，我们从一开始就通过设计分析来开发工具概念。”这是因为驾驶舱的中空、空心和单片区域的层压计划需要预浸料层的特定重叠或吻合，以及中空部分的内部真空装袋。KLK和Gerg M&F在复杂的赛车结构中非常习惯使用空心和空心部分来减轻重量。斯塔克说：“但这对空客直升机公司来说真的是一种新的做法，在一个单独的部件中有空心、单片和蜂窝芯的部件，这些部件都在一个单一的固化周期中一起固化。”
图2. CFRP雨棚工装
RACER 雨棚的CFRP工具包括13个模具段和辅助工具，用于完成四件式OML工具（顶部）的层压。中空部分叠层的每个剖面图（底部）显 示了两个连接的模具（粗灰色线），带有单独的模具叠层（蓝色和粉色）和一个内部真空袋（绿色） 当两个模具和叠层连接时，纤维方向和叠层的交错是匹配的。
对于RACER雷达罩和座舱盖工具，Gerg M&F使用RAKU TOOL环氧树脂板（德国格拉芬贝格RAMPF）创建了一个图案，并使用CIT（意大利Legnano）的碳纤维/环氧树脂预浸料来为座舱盖、 雷达罩和航空电子支架模制CFRP 工具。工具在55°C下固化，并进行后固化，以使最终CFRP零件能够在 180°C下进行热压罐固化。然后，这些工具通过公司的测量协议，以确保尺寸和公差。对于雨棚，将四个外模具机械固定在一起，形成作为单个工具的外模线（图 2），同时使用 13 个模具在内部形成各种 空心、单片和芯的叠层。克劳斯说：“组装所有这些工具部件很容易， 但内部必须按照一定的顺序安装。”“在安装另一个之前，不能放置一个。因此，在铺放过程中，从内侧开始的这13个节段是一步一步添加的。”克劳斯解释道，要层压驾驶舱的这些内部部件，“它们必须在单独的模具中层压。上面有叠层的模具与下一个模具组装在一起，然后两个叠层都必须连接。当模具连接时，两个模具中的叠层必须匹配，包括叠层的交错（图 2）。因此，你需要辅助工具来产生这些重叠。“（辅助工具的示例可以在图 3 中的第三个铺放步骤中看到）。斯塔克解释说，组装这些模具和它们的叠层以进行最终固化的可能顺序只有一个。“我们从赛车制造中学到的是，当上篮组合在一起时， 每个帘布层只与其中一个帘布层重叠，并与相邻的帘布层在纤维方向和铺放顺序上相匹配，这减少了重量。此外，如果帘布层错列设 计正确，结构性能会更连续，因此更坚固。” 克劳斯指出：“一般来说，在赛车制造中，我们的集成度更高，零部件也更复杂。”“例如，与CFRP变速箱壳体相比，这些零件真的 很简单。”可能是这样，但所有雨棚驾驶舱工具和叠层的文档包括10本手册，共350页。斯塔克说：“对于每一个单层，我们都有剖面图， 我们有用于切割供应的CSV数据，还有一本循序渐进的顺序手册， 用于帮助铺放技术人员。”机头外壳和雷达罩各有一本顺序手册， 分别有77页和73页。
制造：首件成功
层压开始于2020年2月18日。斯塔克说：“我们有15天的时间涂上预浸料并将其放入热压罐中。”。“我们有一个非常准确的计划，当每一层都必须完成，当所有的层压和真空装袋都必须完成时， 不要超过材料的使用寿命。”图3显示了已经放置了一层的驾驶舱的外模具。斯塔克指出：“我们不使用激光投影，这个项目也没有。”克劳斯声称，这并不是真正需要的，因为零件的几何形状在模具中有很多几何参考。“与其说是定位和应用帘布层的问题，不如说是一个问题，”他说，这些帘布层是使用Bullmer（德国Mehrstetten）数控切割机切割的，设计成完全符合定位几何特征。他补充道：“大多 数时候，都有一些边缘可以参考这个位置。”“我们没有太多位于平面区域中间的层。”他承认，就预浸料生产而言，这种铺层非常复杂，“但我们的员工接受的培训水平与普通层压机不同。”斯塔克同意，“这是我们在每个项目中通常做的”。这对航空航天业来说可能是新的，但对我们来说这是标准的。赛车通常有更复杂的部件。” 大多数零件包括六个完整的帘布层，在特定区域最多有24个额外的帘布层用于局部加固。预浸料层在第一层、第三层和最后一层上被真空脱胶。斯塔克指出：“我们比空中客车公司更频繁地对其零件进 行拆封，这也非常耗时，但必须这样做才能使层压板达到最佳质量。”
图3. 驾驶舱铺放
FastCan团队层压其中一个驾驶舱侧壳， 应用（顶部，从左到右）：外层蒙皮、 蜂窝芯、内层蒙皮、组装模具和真空装袋
其中一个驾驶舱侧壳的层压步骤如图3所示。斯塔克叙述道：“铺设第一层表皮，然后是蜂窝。在蜂窝之后，你可以看到在第三步中，三明治的顶部表皮已经铺设好，辅助工具已经固定在顶部。这 些工具可以帮助层压独立的层板，然后将其与相邻内部工具上的层板相匹配，你可以在右边的最终图片中看到。”。“最后的图像还显示了粉红色/橙色的内部真空袋插入右上角的空心梁内。斯塔克将其称为“吹塑袋-blow bags”。“又称之为内袋-internal bag”他说，“但这只是普通的真空袋，但它有足够的材料和安装，不会收缩，而是膨胀， 以压缩中空结构的内部。它有自己的真空管线，这个袋子和热压罐之间有很多配件。”“Stark 指出，技术人员需要1.5天的工作流程来安装所有配件，并完成整个驾驶舱的真空装袋，包括热电偶。克劳斯说：“我们想减少零件数量，但由于材料的使用寿命，我们在某些方面受到了限制，因为以如此准确的方式应用这么多层需要做大量的工作。”结果是，四到六名技术人员在两周内筋疲力尽， 但3月3日，完全真空袋装的叠层在热压罐中，还有一天的使用寿 命。“我们没有这么大的高压釜，”斯塔克补充道，“所以我们用两个小时的车程将袋装的叠层物运送到德国的多纳沃特， 那里的空中客车直升机公司有一个足够大的热压罐。”然后，在180°C和2巴的温度下将驾驶舱固化三个小时。
图4. FastCan的成功
RACER演示机的可飞行CFRP前机身，包括首次开箱即用的驾驶舱
180°C的固化周期也是一个挑战。克劳斯说，在赛车制造中 通常使用的120°C固化温度下，工具、内部袋子和袋子之间的接缝要宽容得多。“如果角落里有一点紧张，你可能会逃脱惩罚。但在180°C的固化温度下，袋子会裂开。因此，团队必须非常准确地工作，以避免袋子破裂。”斯塔克补充道，环氧树脂的放热反应也是一个问题，但与天线罩有关。“因为它有 8毫米厚，所以它过热了。我们把两个雷达罩零件都弄坏了，但所有其他零件第一次都出来了。”驾驶舱的第一部分成功尤其是一次胜利。斯塔克说：“当你制作原型时，你永远不知道模具中的第一部分是否会成功。”“第一个驾驶舱实际上是用于飞行的组件。”
装配、飞行测试和未来发展
在所有零件固化和脱模后，对其进行精度测量、机械加工和组 装。斯塔克说：“我们随后将整个前机身涂上了底漆，但窗户边缘 也涂上了黑色，并准备将其运到多瑙沃特。”RACER的第一阶段组装始于2021，包括将顶篷、箱翼、燃料系统、整流罩和其他几个部件安装到中央机身中。机身于2021年8月被转移至空客直升机公司位于法国马里尼昂的现场，进行最终组装，并于2022年进行后续飞行测试。RACER的200小时飞行演示将评估关键性能目标，包括速度、操控性、稳定性和空气动力学。它还将旨在证明RACER适合执行任务和低噪音飞行。
图5. RACER座舱盖，已涂底漆，准备与复合材料制成的中央机身（背景）组装
“空中客车公司对我们所取得的成就感到非常高兴，”斯塔克 说。“对于Gerg M&F来说，这是我们最早的飞行部件项目之一。它为我们打开了大门，包括与波音和其他公司的项目。”与此同时，KLK正在支持eVTOL项目。克劳斯说：“我们正在使用第一批概念来提出架构，并完成机身设计和仿真。”“我们有一个来自赛车的大型材料库，我们也可以进行特定的材料鉴定。” FastCan和RACER驾驶舱的部分愿景是开发和利用汽车/赛车 和航空航天行业之间的协同效应。实现了吗？克劳斯说：“我们实 现的集成度高于最初的设计，这反过来又实现了更高的重量节约。”斯塔克说，驾驶舱表明高复杂性是可能的。“也许制造过程中需要做更多的工作，但通过节省接口和铆钉，我们节省了成本和重量。”克劳斯说，与最初的RACER前机身设计相比，重量可以减少5-10%，成本可以减少10%。
他还指出，赛车的全面发展和建设速度要比航空航天快得多。斯塔克补充道，这种速度是一种力量。“我认为 FastCan已经证明，我们可以提供航空航天质量和安全，并管理多功能复杂性，以降低成本实现新的性能水平。”
注：原文见，《 Leveraging motorsports composites for next-gen rotorcraft 》2021.9.27
