【航空航天】波音787前缘缝翼除冰系统
除冰插图1. GKN 787前缘复合材料结构（图中为粉红色）的特点是在碳纤维增强和玻璃织物增强层压板之间的金属上喷涂集成加热元件。
除冰插图2. GKN为787生产八个加热垫，每个机翼缝翼一个。每个垫子，因此每个板条，都被视为一个加热区，并被分割为每个板条提供四到八个（这里是六个）加热区域。
吉凯恩的除冰系统具有一个金属导电层，该层在叠层过程中通过将熔融金属喷涂到放置在层压板堆内的玻璃纤维织物层上而原位制造，这与以前的除冰技术截然不同。
每个787垫模铸在铝工具上，包括15层碳纤维织物、一层玻璃织物、喷涂金属、另一层玻璃纤维织物和最后15层碳光纤织物。然而，设计和铺层策略会因应用而异。
飞机飞行中空气动力学升力最关键的要求之一是机翼表面光滑，而使机翼表面不规则的最简单方法之一是在其上添加冰——即使是1毫米/0.04英寸厚的冰也足以使飞行中的飞机不稳定。对于在零度以下的高空飞行的大型商用飞机来说，控制结冰是机翼前缘的一项基本功能。
机翼结冰管理分为两大类：防冰（防冰）和除冰（除冰或缓解）。大多数技术都专注于除冰，假设机翼上会形成一些冰，并在出现问题之前将其清除。几乎所有的除冰技术都依赖于一种物质（通常是起飞前使用的可喷洒化学物质）或机载机制，这种物质或机制会使冰不稳定，从而使滑流将其排出并从机翼上移除。
在机械系统类别中，商用飞机最近配备了除冰系统，通过一系列管道从发动机中排出热空气，使其在结冰的机翼表面下循环。多年来一直在考虑的一项有前景的技术是在前缘表面下集成导电元件，直接加热机翼蒙皮，从而防止结冰。这种系统的设计挑战是开发一种加热线圈、箔或元件，该加热线圈、箔片或元件能够提供均匀、一致的热分布，并且足够坚固，能够在恶劣的操作条件下承载不间断的电流。此外，集成加热系统必须易于更换，以防损坏或故障。到目前为止，它们无法满足所有这些要求，这使得之前提出的集成加热系统无法用于商用飞机机翼。
01可喷涂导电层
吉凯恩航空航天公司（英国Redditch）多年来一直从事加热元件研究，最近开发了一种基于复合材料的解决方案，该解决方案有望首次在波音公司（华盛顿州西雅图）即将推出的787梦想客机的机翼前缘投入商业使用。此外，吉凯恩的技术还被用于V-22鱼鹰倾转旋翼军用飞机的发动机进气口和F-35闪电II联合攻击战斗机F135普惠发动机的进气口。
吉凯恩的解决方案与之前尝试的大多数加热元件除冰系统相比有了相对彻底的不同，有望扩展到各种相关应用中。
吉凯恩公司业务发展和结构高级副总裁弗兰克·班福德(Frank Bamford)多年来一直致力于该公司的除冰技术，他解释说，吉凯恩技术之所以引人注目，是因为它使用了喷垫金属沉积技术——喷在纤维织物上的液态金属——为加热的机翼前缘提供导电性。更重要的是，吉凯恩的解决方案在技术上没有提供加热元件；相反，金属充当导体和电热元件，将热量传递到机翼蒙皮。班福德说：“这是一种金属喷涂技术，可以嵌入金属或复合材料表面，但我们已经对其进行了改进，使787嵌入碳纤维复合材料结构。”
02加热器垫结构
对于787、V-22和F-35，将其喷涂金属材料嵌入其所谓的加热垫中。加热垫是碳纤维、玻璃纤维和喷涂金属的固化多层复合结构，在工具中或工具上成形，以匹配其提供除冰能力的表面。除了飞机上的可用功率预算之外，对加热垫的形状或尺寸没有任何限制。在787上，吉凯恩为飞机制造了八个加热垫，这些加热垫形成了八个机翼缝翼的前缘（机翼前缘的可重新定位部分；见右图），每个机翼四个。每个垫子，因此每个板条，都被视为一个加热区，并被分割为每个板条提供四到八个加热区域（见右侧第二幅插图）。吉凯恩将成品加热垫交付给Spirit AeroSystems（堪萨斯州威奇托市），在那里，加热垫通过垫上的预钻孔连接到板条上。
无论应用场合如何，加热垫的制造方式基本相同，但其连接结构的形状和应用场合的强度/结构要求会有所不同。班福德表示，对于787的领先优势，垫子铺在凸铝模具上，吉凯恩表示，凸铝模具具有预期产量所需的耐用性。工具和随后的零件在其长度轴上基本上是平的，但必须完全符合波音公司规定的机翼前缘在其宽度上的空气动力学曲率。
叠层开始于碳纤维/环氧树脂预浸料的叠层，无论是编织的还是单向的。在787加热垫上，预浸料是编织的。初始堆叠包括大约15层，切割并配备有几乎全自动的切割系统。预浸料层的数量因应用而异。
在碳纤维堆叠的顶部，吉凯恩放置了一层干编织玻璃纤维织物。这对于在碳纤维和金属喷雾之间提供绝缘层以防止电偶腐蚀是必要的。这种金属的成分是吉凯恩专有的，通过手动喷雾器广泛应用于玻璃纤维织物上，并使其冷却和固化。金属层的厚度可以根据应用而变化；班福德说，较厚的层提供的电阻较小，而较薄的层提供更多。目前，喷涂过程完全是手动的，但班福德表示，吉凯恩正在寻求转向自动化系统。接收喷涂金属的表面被掩模以创建专有元素图案。然后，将每个喷涂的金属元件连接到板载电力系统的布线被焊接到金属上。
然后，吉凯恩在固化的金属层的顶部放置另一层干编织玻璃纤维织物，再次在金属和碳纤维之间提供电绝缘。在其上面放置15层左右的编织碳纤维/环氧树脂预浸料。叠层完成后，整个加热器垫堆覆盖一块填缝板，形成前缘光滑的空气动力学外表面，然后真空装袋并进行热压罐固化。固化后，对最终的零件形状和飞机连接孔进行数控加工，后者借助吉凯恩专有钻头进行切割，有助于切割玻璃/碳混合复合材料。班福德报道称，吉凯恩正热切地追求一种用于未来应用的热压罐外预浸料；他乐观地认为，无热压罐工艺很快就会被开发出来。
每个加热垫模制成一体，易于连接到各自的787缝翼上，并在损坏或故障时易于更换。班福德指出，除了从加热器垫引出的电力电缆外，加热器垫看起来像任何复合材料部件。
在787上，加热垫仅在45°F至70°F（7.2°C至21.1°C）的温度范围内提供除冰服务。这项服务的功耗为45至75千瓦。在787大小的飞机上，防冰能力需要150至200千瓦的电源。班福德说：“我们正在努力将梦想客机的功耗控制在最低限度。”。“我们只需要足够的动力来打破冰与结构的粘附，从机翼上脱落冰。”
加热器垫的功率控制由Ultra Electronics（Greenford，英国）开发的系统提供。控制器，每个缝翼一个，位于设备舱内，并通过过渡线束连接到加热垫上，过渡线束是一种专门设计的伸缩式布线系统，在飞行过程中随着缝翼的打开和关闭而伸缩。
03设计/构建灵活性
为了适应不同的应用复杂性，吉凯恩可以也将使用蜂窝芯来提供刚度；它还将改变金属层上方和下方的碳纤维帘布层堆叠的形状和厚度，以根据需要增加或减少强度。例如，为V-22和F-35发动机进气口提供的加热垫需要与787缝翼上使用的形状配置非常不同的形状配置。
此外，如果应用程序允许，吉凯恩可以将金属层放置在帘布层堆叠内的任何其他位置，包括作为直接暴露于气流的外层或作为内层。吉凯恩报道称，在任何情况下，金属应用的均匀性，加上其易于成型的一致性，在整个垫子上提供了均匀的热量分布，与基于箔或金属丝的系统的性能相媲美。鉴于吉凯恩最近购买了位于英国菲尔顿的空客机翼制造厂，该厂预计将为即将推出的空客A350 XWB生产机翼，这种除冰技术很可能也会在该飞机上应用。
吉凯恩在喷涂金属技术方面的成功并不是从减少结冰开始和结束的。这让公司对其他应用程序进行了更为批判性的思考。班福德说：“吉凯恩喷涂金属系统可以完成配电系统所做的大量工作。”。吉凯恩认为，通过改变垫子传输的信号类型，它在基于传感器的结构健康监测应用中有很大的潜力，可以检测应力、载荷、裂纹、断裂和其他可能难以或不可能检测的材料缺陷。
04编后语
商飞C919最初方案，机翼用复材制造。项目开展不久又改用铝合金。十几年过去了，现C929机翼一定得用复材制造。按A350机翼制造分工，一家工厂很难承担机翼的全部制造工作。势必还需一些中小工厂分包机翼的组件和零件的制 造工作。为此，准备搜集整理这部分制造工作的信息，供同仁参考。
原文见，《787 integrates new composite wing deicing system 》2008.12.30
杨超凡 2024.3.18
