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ARE包括一種新的、較短的配置，具有前掠水平尾翼（HTP），可節(jié)省重量和層流空氣動(dòng)力學(xué)以節(jié)省燃料。圖片先進(jìn)后機(jī)身端部(ARE-Advanced Rear End)演示機(jī)是2015年“清潔天空 2”技術(shù)計(jì)劃的工作包之一，旨在開發(fā)全碳纖維增強(qiáng)聚合物(CFRP)后機(jī)身，為下一代中短程大型客機(jī)(LPA-large passenger aircraft)提供顯著的重量節(jié)省技術(shù)。
ARE最初是為了幫助實(shí)現(xiàn)安裝在后機(jī)身上的開式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)，目標(biāo)是大幅降低重量、噪音和二氧化碳 排放。2017年，ARE進(jìn)行了重新配置，以實(shí)現(xiàn)一種全新的空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)，可以與包括電動(dòng)在內(nèi)的一系列推進(jìn)系統(tǒng)相匹配。全碳纖維增強(qiáng)塑料結(jié)構(gòu)的目標(biāo)仍然存在，但新的前掠水平尾翼(HTP- horizontal tail plane)設(shè)計(jì)縮短了機(jī)身截面，需要新的后機(jī)身端部設(shè)計(jì)和空氣動(dòng)力學(xué)分析，以及新的系統(tǒng)布局。
清潔航空聯(lián)合事業(yè)(CAJU)的項(xiàng)目官員Pierre Durel解釋道：“清潔天空2”項(xiàng)目有兩個(gè)主要流程:第一個(gè)是技術(shù)檔案，第二個(gè)是我們將于今年完成的全尺寸演示器。
空中客車公司（西班牙赫塔菲）機(jī)身工程尾翼研發(fā)負(fù)責(zé)人、ARE演示項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Enrique Guinaldo指出：“第一份（技術(shù)檔案）更多的是一個(gè)虛擬流。” ， “我們分析空氣動(dòng)力學(xué)、制造限制以及這種新配置將如何融入整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)和機(jī)身設(shè)計(jì)。第二個(gè)流更具物理性，我們有兩個(gè)相關(guān)的演示者：上殼，它是全尺寸后機(jī)身的一部分，但沒有下殼，然后是側(cè)板，它代表下殼的三分之一。”
這兩個(gè)演示者的結(jié)構(gòu)旨在探索許多不同的技術(shù)， 并解決新ARE配置中的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。側(cè)板由德國(guó)航空航天中心(DLR，Stade)使用frameS子項(xiàng)目中開發(fā) 的工具制造，使用氙閃光燈而非激光加熱的自動(dòng)纖維放置(AFP)(見我的微信短文《熱塑復(fù)材AFP的氙閃光燈加熱模擬》)。同時(shí)，由一級(jí)供應(yīng)商Aernnova （西班牙米尼亞諾）管理的上殼演示機(jī)將不包括HTP、垂直尾翼(VTP-vertical tail plane)或下機(jī)身，Durel解釋道，“但只包括帶有集成加勁肋的上機(jī)身蒙皮和一個(gè)用于連接VTP的配件。該配件已從鋁重新設(shè)計(jì)為復(fù)雜的3D復(fù)合材料零件。”
全新設(shè)計(jì)，全新復(fù)合材料框ARE演示器中驗(yàn)證的新設(shè)計(jì)需要三個(gè)多凸緣復(fù)合材料框-如渲染圖（頂部）和實(shí)際RTM零件（底部）所示，它們可以將載荷從VTP轉(zhuǎn)移到機(jī)身，以前框是鍛造鋁和機(jī)加工制造的
Guinaldo解釋說，上殼是這種新的后機(jī)身配置中最復(fù)雜的部分，這就是為什么它被選為工業(yè)演示機(jī)的原因。“其余部分是熱固性和熱塑性復(fù)合材料技術(shù)的混合，”他說。“蒙皮和桁條是預(yù)浸料，高負(fù)載框架是使用樹脂傳遞模塑(RTM)工藝制成的。我們?cè)噲D探索哪種技術(shù)最適合每種應(yīng)用。” ARE是五個(gè)大型“清潔天空 2”演示者之一，旨在推進(jìn)創(chuàng)新結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)系統(tǒng)，并在LPA創(chuàng)新飛機(jī)演示平臺(tái)(IADP)內(nèi)組織。它于2021年2月通過了技術(shù)準(zhǔn)備水平(TRL)3，從而凍結(jié)了設(shè)計(jì)，并于2021年完成了零部件生產(chǎn)。這些將于2022年組裝，所有測(cè)試將于2023年項(xiàng)目結(jié)束前完成。
ARE的總體目標(biāo)包括與傳統(tǒng)的單通道飛機(jī)設(shè)計(jì)相比，在成本和重量方面節(jié)省20%。但為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，許多創(chuàng)新必須結(jié)合起來共同努力，Guinaldo說。 “這包括新的工具和新的高負(fù)載復(fù)合材料框設(shè)計(jì)，以及模擬、機(jī)械測(cè)試和材料研究，所有這些都使這種全新的后機(jī)身和尾翼配置成為可能。”
多個(gè)合作伙伴，徹底重組
ARE涉及10多個(gè)子項(xiàng)目，包括空客領(lǐng)導(dǎo)的TAILSURF、IMPACT和MONNALISA，以優(yōu)化后機(jī)身和尾翼形狀，驗(yàn)證空氣動(dòng)力學(xué)和氣動(dòng)彈性升力增強(qiáng) 裝置，并研究除冰技術(shù)；空中客車公司領(lǐng)導(dǎo)CHRZASZCZ優(yōu)化輔助動(dòng)力裝置（APU-auxiliary power unit）進(jìn)氣和消聲器系統(tǒng)；由Fraunhofer Gesellschaft （德國(guó)慕尼黑FHG）領(lǐng)導(dǎo)的HEGEL完成疲勞分析； 和FALCON，由Aernnova領(lǐng)導(dǎo)，為高負(fù)載RTM復(fù)合材料框開發(fā)低成本智能工具，以及INNOTOOL為 ARE上殼體演示器開發(fā)組裝工具和用于生產(chǎn)熱塑性復(fù)合材料ARE閉合框的沖壓成型工具。在CERES和TABASCO，空中客車公司領(lǐng)導(dǎo)了ARE測(cè)試項(xiàng)目，其中包括Aernnova高負(fù)載RTM框。
使新的ARE設(shè)計(jì)變得激進(jìn)的關(guān)鍵方面之一是其前掠水平尾翼。與傳統(tǒng)的后掠相反，該設(shè)計(jì)的目標(biāo)是改善尾部的層流，從而減少空氣動(dòng)力學(xué)阻力和燃料消耗。它還縮短了后機(jī)身，節(jié)省了重量，并為擴(kuò)展客艙 （或氫燃料存儲(chǔ)）創(chuàng)造了潛在的空間。 然而，這種縮短的端部也向前推動(dòng)APU，使其位于垂直尾翼下方。Guinaldo說：“這需要解決APU起火或轉(zhuǎn)子故障的風(fēng)險(xiǎn)，將高能碎片送往與垂直尾翼的接口。” “我們的反應(yīng)是在APU周圍設(shè)計(jì)一個(gè)復(fù)合材料安全殼，以保護(hù)機(jī)身的關(guān)鍵區(qū)域。”合作伙伴德國(guó)航空航天中心和法國(guó)航空航天實(shí)驗(yàn)室Onera（Palaiseau） 測(cè)試了各種材料-編織增強(qiáng)材料、碳纖維、高密度聚乙 烯纖維、熱塑性預(yù)浸料以及不同厚度和疊層。“我們進(jìn)行了一次完整的彈道撞擊測(cè)試活動(dòng)，包括物理測(cè)試和虛擬模擬，以了解其行為。我們將物理測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了關(guān)聯(lián)，以改進(jìn)模擬方法。通過這項(xiàng)工作，Onera和DLR能夠定義該安全殼結(jié)構(gòu)的幾何結(jié)構(gòu)并詳細(xì)說明解決方案。”該盒子還將包括防火墻。“該防火墻的全面 開發(fā)不在該項(xiàng)目的范圍內(nèi)，但不被視為技術(shù)挑戰(zhàn)，很可能會(huì)使用與我們今天使用的類似的防火材料。”
高負(fù)載、多凸緣
大多數(shù) “CW-Composite World”的讀者都見過CFRP機(jī)身框，這些彎曲的部件帶有角度的“腳”，連接在機(jī)身蒙皮上，并在機(jī)身縱向長(zhǎng)桁穿過的地方有“老鼠洞” 。 “這些就是我們所說的普通框，”Guinaldo說。“它們基本上保持了加壓機(jī)身的形狀，但并不打算傳遞界面載荷。我們?yōu)锳RE開發(fā)的框必須將界面載荷從垂直尾翼傳遞到機(jī)身，這會(huì)產(chǎn)生一個(gè)非常高的局部載荷區(qū)域。到目前為止，這種載荷一直由復(fù)雜的鍛造和機(jī)加工金屬框承擔(dān)。但這些框價(jià)格昂貴，重量很大與周圍的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)相比，它也具有不同的熱膨脹系數(shù) (CTE-coefficient of thermal expansion），在熱載荷下，這可能會(huì)增加機(jī)身其余部分的框和蒙皮之間的應(yīng)力。”
與當(dāng)今最先進(jìn)的復(fù)合材料機(jī)身中使用的形狀框相比， 此處顯示的RTM框在其腹板上使用了增加的厚度和多個(gè)凸緣，以承擔(dān)ARE演示機(jī)垂直尾翼區(qū)域的高局部載荷
“將這些界面框轉(zhuǎn)換為復(fù)合材料無疑是一個(gè)超越，”他繼續(xù)說道。“這是我們第一次在復(fù)合材料框組件中引入如此高的載荷。”為此，Aernnova開發(fā)了一種新的設(shè)計(jì)并獲得了專利。它使用框內(nèi)的幾個(gè)凸緣來提供所需的剛度和強(qiáng)度。而且，他指出，“這些后機(jī)身框的曲率半徑很小。再加上承載載荷所需的7-8毫米厚度，使復(fù)合材料框的制造變得更加復(fù)雜。”
預(yù)成型多個(gè)凸緣接口框架的預(yù)成型使用Aitiip在FALCON子項(xiàng)目中開發(fā)的工具和一種靈活的工藝來壓制成HiTape UD干纖維疊層，在預(yù)成型過程中采集和分析數(shù)據(jù)，以在需要時(shí)糾正壓機(jī)和工具的驅(qū)動(dòng)，以防止缺陷
Aernnova的執(zhí)行項(xiàng)目經(jīng)理Luis Aliaga說：“我們使用壓機(jī)熱成型扁平的C形和C形凸緣。 ” “當(dāng)加固材料彎曲時(shí)，緊密的曲率會(huì)產(chǎn)生褶皺。我們測(cè)試了許多不同的材料。”最終選擇的是來自Hexcel（美國(guó)康涅狄格州斯坦福德）的HiTape干單向(UD)膠帶和RTM6環(huán)氧樹脂。Aernnova與FIDAMC（復(fù)合材料研究、開發(fā)和應(yīng)用中心，西班牙馬德里）合作，后者使用HiTape開發(fā)了AFP平面疊層，并支持FALCON子項(xiàng)目中的自動(dòng)成型循環(huán)（見下文討論）。這種成形實(shí)現(xiàn)了多凸緣框的C形，并實(shí)現(xiàn)了高生產(chǎn)率的工業(yè)化。Aliaga指出：“我們完成了試片和組件級(jí)的機(jī)械測(cè)試以及許多模擬，以便在最后部分預(yù)測(cè)這種材料的行 為。” 。 “我們還完成了許多樹脂注射的模擬，以確認(rèn)注射策略。”最后的一次注射過程使用了多個(gè)注射點(diǎn)， 以確保樹脂從復(fù)雜形狀的預(yù)成型件中適當(dāng)潤(rùn)濕。 但是為什么選擇RTM而不是提供更高韌性和耐熱性的熱塑性復(fù)合材料呢？“熱塑性塑料技術(shù)還不夠成熟，無法開發(fā)出高負(fù)荷的接口框， ”阿利亞加說。“但后機(jī)身的封閉框?qū)⑹菬崴苄运芰稀?rdquo;他指出，到項(xiàng)目結(jié)束時(shí)，ARE本身將達(dá)到TRL6，但由東麗先進(jìn)復(fù)合材料（荷蘭 Nijverdal）LMPAEK材料制成的閉合框?qū)H達(dá)到TRL4。 “我們還沒有達(dá)到這些接口框所需的熱塑性工藝，”Aliaga說。
FALCON 框架工具
在FALCON項(xiàng)目中，Aitiip Centro Tecnológico （西班牙薩拉戈薩）開發(fā)了一種獨(dú)特的150噸級(jí)鋼制沖壓工具，用于預(yù)成型框腹板和法蘭。該公司還制造了RTM固化工具。這些工具設(shè)計(jì)用途廣泛，能夠?yàn)槌惺懿煌d荷水平的不同機(jī)身截面生產(chǎn)復(fù)合材料框。其目的還在于將模具成本降低40%，生產(chǎn)時(shí)間降低30%，生產(chǎn)成本和能源各降低20%。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，獵鷹還創(chuàng)新了軟件、控制、監(jiān)控和模塊化的使用。
在FALCON子項(xiàng)目中，Aitiip開發(fā)了一種獨(dú)特的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)150噸沖壓工具，用于為不同的機(jī)身截面預(yù)成型多種尺寸的復(fù)合材料框
預(yù)成型和RTM工具都使用了多個(gè)心軸。預(yù)成型工具可以為高負(fù)載框以及較小的C形凸緣成形平坦的C形腹板。它的心軸有助于塑造織物的形狀并防止褶皺。Aitiip開發(fā)了一種獨(dú)特的伺服電機(jī)概念，使任何類型的預(yù)浸織物或UD帶的U形、T形和Z形桁條都能實(shí)現(xiàn)柔性沖壓成型。這種伺服成形概念在預(yù)成形期間獲取并分析數(shù)據(jù)，以在需要時(shí)校正工具和壓力機(jī)的致動(dòng)。鋼預(yù)制件工具通過強(qiáng)制空氣輔助冷卻從成型機(jī)傳導(dǎo)熱量，兩者都通過工具中的嵌入式通道適應(yīng)零件幾何形狀。
框預(yù)制件隨后被放置到RTM固化工具中，該固化工具包括上模具和下模具，以及在注射和固化期間保持每個(gè)預(yù)制件的位置的心軸。預(yù)成型和RTM都使用閉環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，避免了生產(chǎn)的尺寸和熱方面的誤差。結(jié)合一次性RTM方法，這實(shí)現(xiàn)了能源和材料的節(jié)約。
與非自動(dòng)化生產(chǎn)工具系統(tǒng)相比，獵鷹項(xiàng)目能夠顯示出堅(jiān)固性和可重復(fù)性的優(yōu)勢(shì)。提供給Aernnova的工具的模塊化和多功能性使其能夠輕松且經(jīng)濟(jì)高效地適 應(yīng)具有多種功能的新材料。Aernnova制造了六個(gè)高負(fù)載機(jī)架，并展示了一種能夠高速生產(chǎn)的方法。Aliaga 說：“每個(gè)零件的周期時(shí)間由RTM固化周期決定，即五個(gè)小時(shí)。因此，每個(gè)RTM固化工具每天最多可以有四個(gè)框。”
滑動(dòng)成形（Glide Forming）
滑動(dòng)成型長(zhǎng)桁，INNOTOOL組件
典型的機(jī)身桁條長(zhǎng)4-12米，橫截面為Ω形。滑動(dòng)成形是Applus+Laboratories（西班牙巴塞羅那）開發(fā)的 一種技術(shù)，用于從使用自動(dòng)鋪帶（ATL）或纖維放置制成的預(yù)浸料疊層中生產(chǎn)不同長(zhǎng)度、厚度、曲率和橫截面的桁條。疊層被夾在兩個(gè)加熱毯之間，然后放置在成型工具上。毯子將疊層加熱到合適的成型溫度， 基于機(jī)器人的滑動(dòng)成型頭向下移動(dòng)工具，在疊層成型時(shí)對(duì)其施加張力。連續(xù)成形過程是使用一臺(tái)接受許多不同工具的機(jī)器在單個(gè)循環(huán)中實(shí)現(xiàn)的。Aliaga說：“我們選擇滑動(dòng)成形是因?yàn)槲覀兿肓私飧嚓P(guān)于這個(gè)過程的信息。” “與當(dāng)前的成型技術(shù)相比，它提供了一種多功能的成型解決方案，投資低， 生產(chǎn)率高。一臺(tái)機(jī)器可以生產(chǎn)Ω形、T形和U形結(jié)構(gòu)增強(qiáng)件，并允許使用不同且更簡(jiǎn)單的工具，因?yàn)檫@些工具不需要加熱。也可以使用凸模具或凹模具，但成型不需要兩者，顯著降低了工藝成本和所用能源。與傳統(tǒng)的熱成型相比，它還可以生產(chǎn)更高質(zhì)量的桁條， 在機(jī)器沿著工具前進(jìn)并形成預(yù)浸料坯時(shí)消除褶皺。材料浪費(fèi)也減少了，因?yàn)檫@種工藝允許不同厚度的定制設(shè)計(jì)。在傳統(tǒng)的熱成型工藝中，整個(gè)桁條的厚度是相同的，沒有減少的機(jī)會(huì)，因此即使在不必要的情況下也會(huì)使用額外的材料。”
上蒙皮鋪放，INNOTOOL旋轉(zhuǎn)框架Aernnova開發(fā)了 FIDAMC使用的機(jī)身形狀金屬鋪放工具（頂部），用于AFP上機(jī)身蒙皮 鋪放。這與ARE演示器（中心）的滑動(dòng)成型長(zhǎng)桁和兩個(gè)普通框（非對(duì)接面框）共同拍攝。 然后使用INNOTOOL子項(xiàng)目中開發(fā)的旋轉(zhuǎn)工具將該蒙皮桁條組件與RTM框組裝在一起（底部）
長(zhǎng)桁以兩種方式形成（但未固化）。第一個(gè)是由Applus+實(shí)驗(yàn)室使用Hexcel 的 UD碳纖維/環(huán)氧樹脂預(yù)浸料，并交付給FIDAMC。第二種是通過FIDAMC在凸模工具上使用熱真空成型。在FIDAMC，長(zhǎng)桁與半固化輪廓框和ARE演示機(jī)的上機(jī)身蒙皮疊層相匹配， 該疊層使用AFP和相同的UD預(yù)浸料制成。
長(zhǎng)桁和蒙皮工具都是由Aernnova設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的。 然后將成型框和長(zhǎng)桁蒙皮一體化疊層真空裝袋并在熱壓罐中共固化。固化后，這個(gè)組件被送到阿爾諾瓦的阿利亞加團(tuán)隊(duì)。接下來，RTM的高負(fù)載框?qū)⒈贿B接。然而，它們首先必須以非常精確的方式定位在蒙皮長(zhǎng)桁組件上。
用于此目的的定位工具由Tekniker（Gipuzkoa，西班牙）在INNOTOOL子項(xiàng)目中開發(fā)，并得到了Aernnova的設(shè)計(jì)協(xié)助。Aliaga說：“該工具位于一個(gè)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的框架上，并旋轉(zhuǎn)固定蒙皮桁條組件的工具。” “這款蒙皮長(zhǎng)3米，直徑2.5米，對(duì)于這款演示機(jī)使用的中程飛機(jī)規(guī)格來說，這是全尺寸的。”
組裝過程從激光跟蹤器開始，以建立固化蒙皮長(zhǎng)桁組件的參考模型。接下來， 一個(gè)自動(dòng)化過程定義了在放置高負(fù)載框期間用于參考的最佳固定點(diǎn)。每個(gè)機(jī)架由裝配操作員識(shí)別，裝配操作員在控制軟件中選擇要測(cè)量和裝配的負(fù)載機(jī)架。該軟件指導(dǎo)裝配操作員完成測(cè)量過程以及裝配過程中執(zhí)行的最終移動(dòng)命令。自動(dòng)測(cè)量由外部計(jì)量框架執(zhí)行， 并由激光跟蹤器使用事先使用模擬定義的策略驅(qū)動(dòng)。 裝配順序是一個(gè)復(fù)雜的過程，其中執(zhí)行多項(xiàng)任務(wù)，結(jié)合手動(dòng)和自動(dòng)操作，包括自動(dòng)鉆孔和鉚接。
復(fù)雜的挑戰(zhàn)，未來的希望INNOTOOL裝配工具和計(jì)量輔助過程是ARE計(jì)劃如何探索數(shù)字和自動(dòng)化技術(shù)以減少制造時(shí)間和成本的一個(gè)例子。“這種工具突出了一個(gè)特殊的挑戰(zhàn)，”Guinaldo說，“因?yàn)檫@個(gè)后機(jī)身端部有雙曲面， 這是蒙皮復(fù)雜性的一部分，也是為什么制造這種演示機(jī)和高負(fù)載框如此復(fù)雜的原因。” 這些框確實(shí)是阿利亞加在Aernnova項(xiàng)目中最具挑戰(zhàn)性的部分。然而，對(duì)于作為演示者領(lǐng)袖的吉納爾多來說，最大的挑戰(zhàn)是將一切結(jié)合在一起。“這個(gè)項(xiàng)目比看上去更復(fù)雜，”他說。“對(duì)我來說，挑戰(zhàn)在于將后機(jī)身的航空設(shè)計(jì)與機(jī)身的可制造性、組裝和系統(tǒng)安裝結(jié)合起來，以集成如此多的不同部件，從而實(shí)現(xiàn)整體性 能的積極目標(biāo)。”他說，下一步是完成框的物理測(cè)試。 “然后，我們將用非線性有限元模型進(jìn)行虛擬測(cè)試，以在整個(gè)后機(jī)身的背景下驗(yàn)證框。”這項(xiàng)虛擬測(cè)試將于明年進(jìn)行。
盡管在這個(gè)項(xiàng)目中管理這么多合作伙伴也是一個(gè)挑戰(zhàn)，但正是這個(gè)龐大的社區(qū)使解決這么多方面問題 和開發(fā)創(chuàng)新解決方案成為可能。“團(tuán)隊(duì)中的每一個(gè)人都 在為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)做出貢獻(xiàn)，”他說。“大多數(shù)人認(rèn)為這只是一個(gè)后機(jī)身，我們只是在建造一些從一開始就很清楚的東西，但事實(shí)并非如此。我們正在開發(fā)一種新的機(jī)身和系統(tǒng)概念，這對(duì)下一代飛機(jī)來說是極具創(chuàng)新性的，也很有希望。”
注：原文見，《 Multi-flange RTM frames enable radical rear fuselage design 》
2023第一屆復(fù)合材料HP-RTM工藝技術(shù)交流會(huì)暨自動(dòng)化成型裝備演示培訓(xùn)會(huì)
?“2023第一屆復(fù)合材料HP-RTM工藝技術(shù)交流會(huì)”將于8月3-5日在天津市召開，同期舉辦“自動(dòng)化成型裝備演示培訓(xùn)會(huì)”。
會(huì)議共同探討HP-RTM工藝技術(shù)，推介復(fù)合材料新技術(shù)、新應(yīng)用和新發(fā)展，搭建產(chǎn)業(yè)鏈上下游合作，進(jìn)一步促進(jìn)HP-RTM工藝技術(shù)進(jìn)步，賦能企業(yè)創(chuàng)新發(fā)展；還將安排參觀天津市天鍛壓力機(jī)有限公司、廊坊市飛澤復(fù)合材料科技有限公司，觀摩成型裝備及生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)操作演示，在實(shí)踐中學(xué)習(xí)高效、低成本、定制化的輕量化解決方案。
誠(chéng)邀國(guó)內(nèi)外復(fù)合材料生產(chǎn)企業(yè)、產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)、專家學(xué)者和行業(yè)同仁蒞臨本次大會(huì)，進(jìn)行學(xué)術(shù)交流和商務(wù)合作！