吉凱恩航空航天公司在過去幾年中一直在為空客未來之翼項目開發飛機后緣翼梁。

吉凱恩為第一批“未來之翼”翼梁開發了半自動化制造工藝，最終目標是幾乎完全自動化制造。翼梁在這里完全預制，并準備進入到樹脂轉移模塑的生產工具。圖片來源：GKN Aerospace

可以說，在飛機機翼中，沒有一種結構像翼梁那樣復雜和難以制造。翼梁是一個長的 C 形或 I 形主結構，沿著機翼的長度延伸，從根部延伸到頂端。根據飛機的尺寸和類型，機翼盒可能有一個或多個翼梁。在商用飛機中，通常有兩個翼梁，一個位于前緣，另一個位于后緣。翼梁連接在機翼蒙皮、肋、起落架結構和襟翼上，設計用于承受作用在翼梁上的空氣動力產生的機翼彎曲載荷。翼梁幾乎總是錐形的，在翼根處更厚、更寬，在翼尖處更薄、更窄。此外，翼梁必須遵循翼盒的輪廓，并經常傾斜以適應機翼的后掠。

空客在開發復合材料密集型雙通道 A350飛機時，決定改用復合材料制造機翼蒙皮、桁條和34米翼梁。A350機翼的鷗翼形狀決定了后翼梁的兩個角度變化，因此空客選擇了將后翼梁分成三個部分的設計，每個部分使用 C 形芯軸上碳纖維預浸料的自動纖維放置制造。每個翼梁段長度僅超過11米，在高壓釜后，使用定制的 CFRP 板將其連接起來。該制造和裝配工作由吉凱恩航空航天公司在其英國菲爾頓工廠進行。

然而，下一代商用航空機翼結構——尤其是高速率飛機的機翼結構——必須并且將發展成為一種更為一體化的設計，使機身能夠生產出共固化的熱壓罐外結構，以滿足苛刻的性能、成本和生產要求。

空中客車公司正在通過其“明日之翼”計劃應對這一挑戰。WOT 由多個供應商組成，每個供應商評估不同的復合材料 M&P 策略。這些包括但不限于 Spirit AeroSystems 公司的下機翼蒙皮、GKN Aerospace 公司的熱塑性復合材料肋條，以及 Daher 公司的附加熱塑性肋條和僅真空袋的后翼梁。此外，該清單上還有一個17 米長的固定后緣組件開發項目，該項目被授予位于英國 Western Approach 的吉凱恩航空航天公司。吉凱恩必須開發的 FTE 最關鍵的部分是17米長、一體式樹脂傳遞模塑后緣翼梁。

長錐形 RTM 結構的挑戰

吉凱恩航空航天公司首席工程師加文·倫尼表示，該公司于2017年加入了 WOT 項目，并獲得了spar平臺的界面幾何形狀和機械性能財產。除此之外，吉凱恩擁有很大的設計自由度，倫尼表示，“從零開始”開發公司目前生產的結構。

吉凱恩解決方案的要求很少，但令人望而生畏：2022年前交付的成品全尺寸翼梁必須為17米長，并整體成型。此外，吉凱恩還必須使用成本效益高的 M&P證明全速生產能力。倫尼表示，當他接手該項目時，該項目構成了重大挑戰，但這似乎也是非常有可能的。

倫尼說：“對于幾何結構，我認為他們采用了典型的翼梁幾何結構，然后將其推向了極致，以挑戰我們嘗試并理解我們實際制造的極限。”

吉凱恩很快意識到，它必須采取設計制造的方法，以達到空中客車公司規定的費率要求。為了應對這一挑戰，吉凱恩決定將spar開發項目分為三個階段。第一個項目將致力于小型結構的制造和測試，包括平板。第二個也是最密集的階段將致力于制造 5 米長的全翼梁，以證明設計和制造的可行性。第三階段將致力于制造全長17 米的翼梁。通過這種方式，公司將能夠逐步評估 M&P 績效，并在最終構建之前根據需要進行調整。

由Teijin 制造的雙層碳纖維無卷曲織物（NCF）被指定用于翼梁。這里顯示的是 NC 的翼梁低套件，在自動切割之后和預成型之前。

GKN Aerospace 的技術總監克雷格·卡爾（Craig Carr）表示：“這種翼梁可能是我們見過的最苛刻的翼梁，因為它的彎折角和翼緣角，所以它對模具設計提出了很多挑戰。”。“當我們完成該計劃的中等規模部分時，很多問題都得到了解決，然后我們就可以使用全尺寸工具了。”

倫尼補充道：“然后，我們并行地將翼梁分解為許多離散的特征，例如半徑、扭結或厚度過渡，我們專注于了解我們是否可以開發出一種能夠適應這些特征的工藝。”

空客為翼梁指定的材料組合是由 Teijin提供的雙層碳纖維無卷曲織物，將注入蘇威的環氧樹脂系統。GKN 最終開發的最后一個翼梁采用了 C 形設計，有兩個角度變化——或“彎折”——以適應機翼的后掠角。

在該計劃的早期，隨著 GKN 開始研究面板和離散特征，出現了如何為相對較重的無卷曲織物構建層架構的問題。倫尼指出，通常情況下，將無卷曲織物放置在一個長的、非直的、具有兩個角度變化和可變厚度的 C 形結構上，需要對無卷曲織物進行戰略性切割和鋪貼，以避免起皺，從而降低結構的強度特性。然而，對于一個大容量的航空結構項目來說，切割和鋪放是低效的。吉凱恩希望并需要將翼梁的全速生產盡可能自動化。

倫尼和他的團隊因此很早就決定，只有在高速制造環境下，17米長的注入式翼梁才可行，其設計不需要切割和沖切，但仍然避免了織物起皺。相反，吉凱恩將依靠戰略性和謹慎的鋪層布局，這有助于自動化，并生產出符合空客機械要求的成品結構。

倫尼說：“如果你鋪貼，你必須在制造過程中引入令人震驚的關節板和一大堆復雜的東西，這是你真的不想要的，”蘭尼說。“我認為沒有鋪貼對每個人都有好處。這是一件一發的，所以沒有關節。0 度層是從根部到頂端的。當我們圍繞法蘭形成時，我們不對材料進行鋪貼，我們什么也不做。我們能夠剪切 NCF，這樣我們就有了符合零件輪廓的纖維。”

卡爾補充道：“如果你最終在一個翼梁上放了很多鋪貼，那么這不是一個微不足道的擊倒因素。特別是我們在翼梁上的彎折位置—只要你把鋪貼放在彎折處，就有一個合理的擊倒因素了。然后你會通過增加翼梁的重量來克服這一點。然后，你開始質疑為什么要首先使用復合翼梁。”

另一個挑戰是流程。RTM 的使用要求首先預制翼梁，然后轉移到匹配的金屬模具中進行樹脂注射和固化。這一過程并不新鮮，通常非常容易管理，但翼梁的長度增加了GKN必須解決的一層復雜性，特別是在高速生產環境中。倫尼指出：“將RTM擴展到 17米的結構并不簡單。”

翼梁在其長度上具有可變的厚度和兩個角度變化或“扭結”。通常，這種尺寸復雜的結構需要切割和沖切NCF，以避免起皺和性能下降。鋪貼本身就存在挑戰，因此GKN選擇使用一種新穎的剪切技術。這里顯示的是成形工具上的NCF。

5 米處的驗證導致 17 米

2019 年，吉凱恩進入產品開發的中間階段，制造了一段 5 米長的翼梁。這項工作將整合吉凱恩的材料和制造策略，并向倫尼及其團隊展示大型未切割/未切割 RTM 結構的可行性。

倫尼說，他和他的團隊首先委托制造了兩個凸模具，一個用于預成型，另一個用于成型過程。工藝開發開始于在自動切割臺上進行 NCF 切割，然后用手在成形工具上的指定位置裝配和放置層板。在放置每層簾布層后，將其加熱并加壓以使其穩定在成形工具上。

當應用所有層和所有層時，關閉工具并加熱，以交聯環氧粉末粘合劑并提供 NCF 剛性。然后通過起重機將預成型件從預成型工具轉移到生產工具，這只是 GKN 最終計劃開發的全尺寸工具的一個較短版本。該工具具有集成的熱電偶，以及用于測量模內壓力、樹脂到達和固化程度的傳感器，以幫助最大化過程控制。

倫尼說：“我們在工具中構建了很多自動化。”。“我們在 5 米長的翼梁上安裝了大量傳感器和大量相對昂貴的技術，這使我們能夠證明該工藝能夠滿足高速率，而無需在全尺寸翼梁上花費那么多錢。”

吉凱恩最終制造了 8 個 5 米長的演示者，以評估該系統的材料和工藝能力。5 米長的梁中有三根被切割，用于機械測試；另外兩個用于拐角彎曲測試。該公司還進行了廣泛的無損檢測（NDT）。

倫尼表示，所有的測試結果都非常有前景，包括孔隙度<2%，并表明吉凱恩開發的 M&P 策略可以奏效。

這給了該公司進入最后階段所需的信心——17 米模具和 17 米翼梁的制造。倫尼表示，該項目最大的技術障礙是建造 5 米長的梁，因此遷移到 17 米長的桁架似乎更容易管理。

Alpex生產模具正在NCF上組裝。NCF預成型件部分可見，覆蓋在模具側面。

全尺寸成形工具和模具于 2020 年年中交付，GKN 不久后開始制造第一個全尺寸翼梁。這包括從 Teijin NCF 的軋輥上自動切割簾布層，然后手動將這些簾布層放置在成型工具上。在預成型件被加熱和加壓之后，通過真空提升梁將其從預成型件工具轉移到生產 RTM 模具。

翼梁生產中最復雜的部件可能是 Alpex Technologies（奧地利米爾斯；點擊此處查看 CW 關于 Alpex 的更多信息）制造的 17 米因瓦模具。倫尼稱之為“RTM 工具的拼圖。工具的中間部分必須分開并啟動，這樣我們才能在成型后移除翼梁。”全尺寸模具的其他功能包括與 5 米工具相同的集成熱電偶和其他傳感器，以及具有閉環溫度控制的流體加熱系統。

在將其放置在生產工具上之后，在樹脂注射之前，用手修剪預成型件以去除多余的材料。在預成型件就位并修整后，關閉并密封模具，通過注射 Solvay 環氧樹脂開始 RTM 工藝。RTM 設備由Composite Integration（英國薩爾塔什）提供，包括一個 200 升樹脂輸送系統和一個能夠產生高達 10 巴（145 磅/平方英寸）壓力的泵。

在拆除翼梁之前，GKN 通過集成在模具中的基準孔直接在翼梁上鉆了七個孔。這些孔設計用于接收用于將翼梁連接到機翼箱的夾具，包括五個直徑為 6 毫米的孔；剩下的兩個孔，根部和頂端各有一個，直徑為 8 毫米。

GKN 不會透露翼梁預成型/成型過程的總周期時間，除非它比通過熱壓罐固化制造相同零件所需的時間短。倫尼表示，GKN 最終希望實現鋪層和鉆孔的自動化，以提高生產效率并縮短周期。

倫尼說：“我們需要滿足的模具數量將取決于我們能多快地完成RTM 工藝所需的步驟。”。“所以這可能是一個班次時間的倍數。”

然而，假設每個班次每個模具一個機組（兩個梁），每天兩個班次，每周五天，GKN 每月 44 個機組。

從Alpex生產模具中吊起一根17米長的成品梁，并將其放到裝配夾具上。吉凱恩正在制造四個翼梁，作為空中客車明日之翼項目演示階段的一部分。

倫尼說：“現在，材料在簾布層切割機上切割，然后手動移除并儲存。然后將其手動放置在移動臺上，然后將該臺帶入單元以定位簾布層。”。“因此，這是一個半自動化的過程，我們試圖專注于我們在項目開始時感到不成熟的開發領域，我們需要成熟才能達到速度。顯然，切割簾布層并將其移植到桌子上是一種相對較高的TRL 技術，我們將在下一個開發階段實現自動化。我認為我們開發的帽子能夠完全自動化，我們一直在努力記住這一點。”

2021年9 月，吉凱恩公司向空中客車公司交付了首個帶有17米立柱的 FTE 組件，用于首次WOT演示?？湛凸居?022年7月在英國范堡羅國際航空展上首次推出WOT演示機，自那以后，吉凱恩已向空客公司交付了第二架 spar 平臺，第三架也將很快交付。吉凱恩剛剛完成的第四個翼梁將留在吉凱恩進行測試?？柋硎?，吉凱恩如此迅速地開發和交付翼梁的能力是值得注意的：“我認為，對于第一部分來說，直接進行結構測試項目，對于我們來說，第一次為如此大的項目進行如此大規模的測試，這是非常重要的，并且受到了空客的好評。”

回顧和展望

當被問及WOT翼梁的開發最令人畏懼的是什么時，倫尼承認，這是放棄 NCF 切割和飛鏢的決定。他說：“這與正常情況有很大不同。”“我很想開始，但隨著我們的進步，事情變得更容易了。最終，我悄悄地相信我們可以做到這一點。”

這顯示了GKN Aerospace裝配夾具上的成品翼梁的后側。空客已經組裝了第一架WOT 演示飛機。該演示機的一些M&P可能會應用于空客新飛機項目的機翼結構。

他還表示，該項目的新穎性帶來了自身的挑戰：“形成 NCF材料是一個真正的挑戰。我們沒有一個過程。我們在世界上找不到任何其他人有這樣一個過程，可以讓我們在一件式簾布層中將這種材料形成如此復雜和具有挑戰性的幾何結構，而不產生任何褶皺，也不產生任何飛鏢。我認為一開始有很多人懷疑我們可以在不飛鏢的情況下完成這項工作，但我們已經成功了。”我認為第二個挑戰是采用 RTM 技術，這顯然是相當古老和成熟的技術，并將其擴展到 17 米-我們必須找到能夠幫助我們實現這一目標的供應商，然后組裝一個工具并使其發揮作用。”

當然，倫尼并不孤單。他感謝他的整個團隊幫助實現了 WOT 后緣翼梁。他的隊友是：威爾·布羅姆、斯蒂芬·威廉姆斯、克萊門特·奧伊、菲利普·布朗、馬克·格里菲斯、蒂姆·史密斯和湯姆·貝滕肖。在 Farnborough，整個集團因其 spar 的開發獲得了 GKN 的技術和創新首席執行官獎。

接下來會發生什么？吉凱恩交付的三個 FTE 組件將構成三個翼盒組件的一部分，其中一個將進行全尺寸結構測試。吉凱恩公司對其在 WOT 翼梁上的成功表示樂觀，認為該公司有望簽訂下一代飛機項目的生產合同。

同時，吉凱恩還與多家先進的空氣機動（AAM）制造商密切合作，這些制造商采用一體式機翼設計，并將從能夠快速高效制造的一體式復合翼梁中獲益匪淺。

倫尼說：“我們認為這是世界上最大的一體式翼梁。”。“我們也覺得這是我們所知的世界上最大的 RTM 結構。”

卡爾說：“我們在這里做的是展示成形過程的質量。”。“我們已經證明了輸液過程的質量。我們知道未來項目的正確要求是什么。”

編后語

2022 年 7 月空客已經完成了三件，17 米長的翼盒演示件的制造工作。設計、制造演示件的目的，是為了研制“新 A320”做技術準備。在 2 月 24 號的《跨行聯合研發復材制造新技術》一文中有 GKN 研發的 7米長翼尖演示件。上述兩項工作就預示著，“新 A320”的翼機長度將達到 24 米。這個長度超過現空客 A320neo、波音 B737MAX、商飛 C919、俄羅斯 MC-21。

注：原文《One-piece, one-shot, 17-meter wing spar for high-rate aircraft manufacture 》2022.10.28