1導言和框架

CS2（CleanSky2）平臺2分為4個項目/演示：

• 多功能機身演示器/MFFD（MultifunctionalFuselage Demonstrator）
• 通過應用演示具有工業方面的集成、低成本典型機身熱塑性塑料機會，使用高度預安裝和模塊化;
• 客艙和貨物功能
• 展示高度集成客艙的重量、經常性成本和交付周期效益為自動化而設計的元件;
• 中機身下部
• 從設計到制造的復合材料新型中機身演示改進;
• 非特定交叉職能
• 創新材料、自動化工業手段、虛擬工具和測試的開發2號平臺演示技術。

本文中，歐洲聯盟的領導人和合作伙伴討論并強調了他們的主要為該計劃的成功做出貢獻的成就。

2多功能機身演示器

多功能機身演示器（MFFD）代表了典型的單通道乘客飛機機身部分。長8米，直徑4米，目標是進一步證明熱塑性復合材料在減輕結構重量方面的潛力、經濟競爭力提高、生產率提高和生態貢獻目標，如回收或減少燃料燃燒、廢物和溫室氣體在這種情況下，熱塑性復合材料的使用結合了碳纖維增強聚合物（CFRP）在輕質設計方面的優勢和制造方法，這是環氧基熱固性復合材料所不具備的。

2.1概述

多功能機身項目的目標是通過大規模綜合演示使下一代商用飛機的技術成熟和驗證，一方面為實現環境目標鋪平道路，另一方面使歐洲航空航天業能夠通過大幅降低經常性成本和重量以及提高70至100架飛機/月的生產率來為未來做好準備，這可以滿足不斷增長的航空運輸市場。

多功能機身演示器（MFFD）成立于2014年，是一款旗艦演示器，用于交付典型單通道客機的大型部件。研究的關鍵要素是使用預裝模塊和熱塑性復合材料制造機身結構的新機身概念，實現創新制造，如高速成型CleanSky2/CleanAviation大型客機，以實現更可持續的機身技術工藝，注塑和組裝技術，如通過焊接實現無塵連接。

 

圖1.多功能機身演示器/MFFD

在接下來的章節中，將提供有關演示中的主要技術的見解MFFD由歐洲合作伙伴網絡提供，并由空中客車公司整合。關鍵要素是：

• MFFD構建的概念，其特征是2個半殼：上機身和下機身外殼。系統安裝的半殼預處理/裝備和模塊化，允許并聯機身組件的設計縮短了未來產品的交付周期。
• 選用熱塑性復合材料，實現創新制造和熱塑性塑料焊接等裝配技術。各種焊接技術已經在不同的機身應用中進行了研究和成熟，強調了其關鍵作用.用于復合材料機身的“無塵連接/組裝”。LM-PAEK已被選為使用熱塑性復合材料。在試片水平上的機械特性表征顯示，與熱固性參考復合材料相比，具有斷裂韌性和損傷容限優勢。
• 將討論一種新的貨艙門概念，提出一種基于機電創新鎖扣原理。
• 主要部件裝配（MCA-majorcomponentassembly）中上下機身殼體的結合空間站生產了多功能機身演示器的機身，其中包括兩個縱向接頭的創新設計以及兩種不同的焊接技術將比較：超聲波焊接用于搭接，激光焊接用于對接帶設計。
• 開發了創新的機艙功能，并將“皇冠模塊-CrownModule”集成在MFFD中，以便在驗證和驗證活動之前實現較少的機體定制概念。
• 關鍵績效指標（KPI-Keyperformanceindicators）為了更好地理解性能數據的關鍵驅動因素，在空中客車支持的合作伙伴工廠的制造和裝配技術成熟過程中，關鍵性能指標（KPI）一直受到密切監測。減重將是MFFD技術的關鍵貢獻，以實現CS2環境目標，即減少20-30%的二氧化碳排放量，同時將評估速率能力，以確保競爭力。
• CS2中成熟的技術將在后續項目中得到進一步發展，例如。CleanAviation是2050年的航空業實現氣候中和的重要舉措。

上述所有點都是這樣一種觀念的一部分，即只有在設計階段在結構、機艙和系統之間進行強有力的互動，才能取得進展。掌握具有挑戰性的雄心壯志，多學科方法是必不可少的。

 

圖2.實現目標的跨學科方法

2.2基本組件

AERnnova開發了四種不同的技術流，目標是實現TRL4/TRL 5新型熱塑性材料LM-PAEK的地面演示器。這些活動是為貨艙門周圍結構（cDSS--CargoDoor Surrounding Structure）中的選定結構組件，錐形對接帶（BUSTI-TaperedButt Straps）和聯合機身面板，包括靜載荷測試驗證，以及上殼體長桁。

貨艙門周圍結構（cDSS）

該技術流包括模具設計和制造、實際零件制造和焊接。這項工作是由AERnnova開發的，主要是在其附屬機構內
AERnnovaCompositesIllescas，ACI與CFP的提案征集合作伙伴合作，焊接活動的DEWTECOMP?？紤]了多種幾何形狀來探索不同的制造工藝。采用沖壓成形技術獲得了最佳結果。

上殼體長桁

這些長桁為Z形橫截面，長8米，既直又有緩彎?；顒影＞唛_發、設計和制造以及實際零件制造這項工作是由AERnnovaACI開發的。該流中成熟的關鍵技術基于連續壓縮成型。

錐形對接帶（BUSTI-TaperedButt Straps）

這些結構組件，即扁平錐形帶，需要焊接和連接上部和下部半機身外殼。模具設計和制造以及帶子制造是主要工作。這項工作是由AERnnovaACI開發的。

機身面板和測試

這些組件的整個過程已經完成：材料篩選表征、應力計算、尺寸和零件設計、模具設計和制造、實際零件制造和組裝以及結構測試。長桁的沖壓成型在框之后，對壁板板進行了一次原位共固結。這些零、組件開發是由AERnnova工程部、AE、ACI和FIDAMC與CfPDELTA（元件）合作完成用于測試。模具開發是機身面板項目成功的關鍵因素。熱塑性機身壁板的原位共固結提供了實驗證據能夠滿足典型增壓機身部件的靜強度要求。

 

圖3. 機身曲面板試樣

2.3MFFD上殼體整體框

空中客車飛機結構公司（ASA）和 PremiumAEROTEC （PAI）有強烈的動力進一步開發制造概念，以生產由 CS2范圍內的UD-CF帶材（TC1225/ T700 “LM-PAEK”，面重為194gsm，由TorayAdvanced Composites 提供）制成的熱塑性（TP）整體框架。最大的驅動因素是，與用于固化熱固性框的數小時熱壓罐工藝相比，成形周期縮短了約6分鐘，并且由于整體設計，將框架整合到機身外殼中的裝配工作量也減少了，這導致了大量附加部件的減少。ASA和PAI成功地將其他研究項目中獲得的知識（專注于TP單向整體框架的沖壓成形）轉移到一個令人滿意的穩健概念中，該概念通過應用電阻焊接工藝為奧格斯堡的DLRZLP提供了MFFD上殼的框架，首次實現了集成。主要地，TP整體框架的制造概念設置下：

• 預成型件是通過應用自動纖維鋪放（AFP）制造的其中8條寬度為¼英寸的UD紗帶通過轉向頭平行鋪設。鋪放速度選擇0.2m/s，并將激光功率設置為達到380℃-400°C的鋪放點溫度。這項工作是與奧格斯堡的弗勞恩霍夫IGCV合作進行的。
• 對于沖壓成型工藝本身，使用由1.2312硬化工具鋼制成的剛性上下成型工具，這些工具可以通過加熱盒加熱到200°C，以便在壓制保持階段允許適當的材料結晶。此外，通過調整工具表面，可以補償此類CF-TP整體框的彈性變形。
• 根據材料供應商發布的指南對AFP預成型件進行預干燥，確保避免臨界含水量。之后，將預成型件安裝到通過鋁保持條的保持框。然后，這個固定架可以從紅外爐線性轉移，在那里將框預成型件加熱到加工在將其移動到下成型工具上方之前，溫度約為390°C（圖1，左）。當壓機關閉時，對零件施加約350巴的壓力120秒。
• 最終NC輪廓修整后，通過超聲波檢查檢查零件質量。
• 從技術角度和潛在的應用來看，需要進一步研究和改進的主要問題是在AFP工藝中提高層壓率，以及一種能夠形成厚度變化的完整框穩健的沖壓成形的概念（這不在CS2活動的范圍內）。

 

圖4. 在主動紅外爐中熔融的框預制件到達Tm（左）和準備組裝的整體框（右）

總共為MFFD上殼體制造了200多個熱塑性整體框。具有不同半徑、厚度和表面層的相關項目?？罩锌蛙嚬緸榱藢崿F負載優化設計，需要厚度斜坡，從而實現內部的輕量化目標。不同的厚度具有不同的半徑，以尊重成形能力和限制材料。一些整體框必須通過玻璃纖維表面層進行電氣絕緣，以防止鋁制部件的腐蝕。制定了適當的策略，使用AFP工藝并調整KPI的相關預成型件。新的銑削概念和刀具用于修剪大型零件，以實現最大的幾何精度。最后，28個整體框已交付MFFD上殼體進行組裝。

2.4 MFFD上殼模塊

采用原位固結的先進纖維鋪放技術（AFP）已經達到了成熟水平，現在用于制作MFFD上殼的蒙皮。利用TC1225UD膠帶，該過程實現了在應用過程中完全整合，消除了對真空裝袋、烤箱或熱壓罐等額外設備的需求。奧格斯堡的DLR-ZLP制造了MFFD上機身蒙皮。141公斤的膠帶被精心放置，相當于52.7公里的½英寸寬紗帶。然而缺少二次固結階段提高了程序的要求。任何間隙或在放置過程中出現的空隙在應用后無法糾正。這不僅影響最終層壓板的固結質量也會影響表面光滑度和溫度在整個安置過程中進行監管AFP與原位固結的復雜性揭示了，各種工藝參數之間存在顯著的相互作用，包括溫度、壓力和機器人末端執行器速度。這些因素直接影響膠帶固結后的厚度和寬度，稱為固結帶寬度（CTW-ConsolidatedTapeWidth）。膠帶彼此對齊用于激光功率閉環控制的熱成像也取決于這些參數。在該項目中，德國航天中心推進了一種名為“膠帶放置傳感器-TapePlacementSensor”的在線檢測系統整合到AFP末端效應器中。該系統監控并記錄任何出現的間隙和重疊。在生產過程中，確保整個過程的精度和質量。

在生產過程中，確保精度和質量始終如一[20].通過使用焊接橋頭的自動定位系統，實現了所有44根橫梁的自動對齊。隨后，通過超聲波點焊在500毫米的間隔處固定橫梁。為了抵消點焊時外殼的彈起效應，在末端執行器上安裝了額外的壓印，以確保焊接過程的重復性。該過程還涉及基于攝像機的路徑校正的全自動機器人連續超聲波焊接橫梁，確保在橫梁邊緣進行精確焊接。結構的焊接以1.44米/分鐘的凈焊接速度進行，相當于每根橫梁的凈焊接時間為11分鐘。

空中客車航空結構公司（ASA）和PremiumAEROTEC（PAG）使用AFP，隨后進行壓制成型和最后銑削制造了整體式框、框連接角材、角片（cleats）。電阻焊在集成整體框的上殼體組件中起著至關重要的作用。這一決定是由以下因素推動的：機械性能、彈性工藝特性、焊接接頭的一致再現性，以及其可訪問性所帶來的實際可行性。

一種定制設計的焊接夾具，稱為焊接橋，促進了C形框/整體框的集成，共有730個焊縫，以及使用電阻焊接的12個框連接角材。該工具用作定位角片和集成框和框連接角材的中心裝置。

由于蒙皮、長桁和框的公差，無法對300個待焊接角片的位置進行精確編程。為了應對這一挑戰，設計了一種將工業機器人與協作機器人相結合的系統。裝有力矩傳感器的協作機器人，引導安裝在工業機器人上的電阻焊接末端執行器。包括加熱和冷卻階段，角片與框焊接都在大約40秒內完成，每次焊接大約需要3分鐘，包括機器人移動和從刀庫中取出角片。

 

圖5. MFFD上殼生產：現場鋪皮（左上），連續超聲波長桁焊接（右上），框架電阻焊與焊接橋（左下）最終MFFD上殼體部分（右下）

2.5MFFD下殼模塊

下殼模塊由STUNNING財團建造，該財團由以下部分組成合作伙伴：GKNFokker、荷蘭皇家航空航天中心（NLR）、代爾夫特理工大學（TUD）、SAMXL和迪爾航空。STUNNING項目和財團得到了幾家公司的支持CfP項目：TCTool、ECOCLIP、MECATESTERSTORNADO、MISSION、EMOTION和MAYA。

下半部分的設計

機身的材料選擇由空中客車公司完成。東麗CETEX®TC1255/PAEK熱塑性材料用于機身下殼的所有復合材料零件。在項目開始時，決定將機身斜分割改成水平分割。

對于下半部分，這意味著設計由一塊厚度不同的蒙皮組成，裹住乘客地板。蒙皮用歐米茄長桁加固。十二個框通過每個長桁位置上的馬鞍形連接件連接到蒙皮?？蚺c貨物地板梁形成一個子組件。使用鈦3D打?。ˋM-additive manufactured ）制造的連接支架，連接框的3個部分。

地板結構由12根地板梁組成，通過座椅導軌和L型型材相互連接。通過能量吸收器連接的Z形支柱與框連接。這個X槳葉將地板的前向載荷（DOF）分配到下殼體的長桁上。模塊并最終進入下機身蒙皮。

幾個系統（電氣、水、空氣、燃料）作為預組裝模塊安裝在演示器。電氣系統演示器由9個電氣單元組成（由MISSION）和幾個接線組件。系統安裝是通過使用現有的結構或通過特定設計的支架。大多數系統安裝在地板結構中，從而可以將設備齊全的地板作為模塊安裝。

在貨艙門開口周圍，由空中客車公司人員設計了一個單獨的貨艙門周圍結構（CDSS-cargo door surround structure）。

MFFD下半部分的零件制造

由于機身設計更改為水平分割，迪爾（Diehl）的大部分工作（機艙）不能再集成在下半部分。迪爾（Diehl）將他們的演示器零件添加到MFFD在漢堡ZAL交付時。迪爾（Diehl）開發并制造了熱塑性側壁夾芯板（見圖6，左），熱塑性內板結構夾（通過MAYA項目）和集成多系統零件。側板采用粉末化和紅外場加熱的壓制技術制成（圖6，右）。

 

圖6. Diehl熱塑性壓機上的壓制側壁板（左）和壓制面板（右）

NLR通過激光自動纖維鋪設（圖7）和高壓釜在陰模中固結的方式制造了下半身皮膚。在模具中固結時，在龍骨處連接了兩個90度的帶有斜面/錐形形狀的零件，這些零件是在項目EMOTION提供的模具中完成的。

 

圖7. MFFD下蒙皮90°部分的自動纖維放置（左），在NLR用于MFFD下部蒙皮加速的長桁（右）

MFFD下半部蒙皮以凈尺寸交付給SAMXL的最終裝配車間。長桁由Xelis交付，采用連續壓縮成型技術制造。在NLR縱向連接條帶必須覆蓋蒙皮連接處（圖7）。

馬鞍形連接件是由ECOCLIP財團交付的短纖維注塑成型。C型框由GKNFokker使用插接（butt-joint）技術制造。預成型地板梁是GKNFokker通過激光自動纖維放置制造的，并在熱壓罐中固化。座椅導軌由空中客車公司交付?？蛄慵倪B接支架使用通過線激光金屬沉積鈦的增材制造（AM）制造。GKNFokker還進行了AM和最終加工。終加工。

GKNFokker使用的扁平固結層壓板進行壓制成型制作了X型槳、貨物、垂直和側支柱、串聯夾、L型型材和座椅導軌支架。貨艙地板梁由Xelis采用連續壓縮成型工藝制造。

機身下半部分的分裝和總裝

幾個子組件被交付到位于SAMXL的最終裝配線。

框架子組件：在GKNFokker，3個框零件和貨物地板梁，由鈦AM連接部件連接。貨艙支柱、貨物地板梁和中間框架零件（圖5）均采用傳導焊接。這些共同構成了框架子組件。

地板梁子組件：在GKNFokker，地板梁帶有垂直和側支柱通過傳導焊接連接（圖5）。座椅導軌支架用導電焊接到地板梁上。

集成系統模塊：在GKNFokker布線設施中，所有線束、系統并將管子組裝成模塊。

 

圖8. MFFD下蒙皮模塊通過傳導焊接進行的子組件（左）所有馬鞍形連接件均通過超聲波點

焊到帶有桁條的蒙皮上（右）

在總裝線旁邊是地板梁子組件、座椅導軌和集成系統模塊被組裝成地板網格模塊。因為這些系統已經是這個地板網格的一部分模塊，機身的大部分已經預先裝備好了。下部的最終組裝半演示器從構建蒙皮模塊開始，現有蒙皮、桁條和馬鞍形連接件（圖9，左）。TCTool項目的工具結果用于定位下蒙皮并自動放置長桁并進行超聲波點焊（由SAMXL執行）。長桁的焊接由GKNFokker使用傳導焊接完成。GKN完成了框、馬鞍形連接件的定位Fokker配備了一個專用夾具，該夾具位于每個機架上。與合作TUD、SAMXL通過超聲波點焊將馬鞍形連接件與長桁焊接在一起?？蚣茏咏M件被定位在焊接夾上，并由SAMXL進行超聲波點焊（圖9，右）。

 

圖9. MFFD下殼體模塊，所有框架均超聲波焊接到馬鞍形連接件上（左），將組裝好的下半部分吊出焊接/組裝夾具（右）

GKNFokker安裝貨艙門周圍結構下部后可以安裝配備的地板格柵。已建立地板網格與框架的連接使用GKNFokker的傳導焊接。在這個階段，X槳葉之間的連接也是與蒙皮和地板網格進行了傳導焊。MECATESTERS項目得到了焊接試樣試驗活動和TORNADO項目在評估脫粘中的支持脫粘制動特性（DAF-DisbondArresting Features）。

貨艙門周圍結構的最終組裝是使用傳統的緊固件和由GKNFokker開發的Cobot鉆孔技術支持。貨艙門鉸鏈安裝了特殊的夾具，以確保鉸鏈線位置正確。

將下半部分演示器從裝配夾具中取出后，進行了一些最后的工作。

MFFD下機身模塊結論

如圖10所示，建造這個全尺寸的演示器加速了許多新產品的成熟技術，并為驗證和測試提供了一個框架。開采各種成熟的技術將集中在機身、機翼和尾翼的零件上。所有技術都為展示全新的先進機身做出了巨大貢獻與下一代客艙貨艙架構相一致的結構概念，包括相關飛機系統。

 

圖10. 交付到機身段演示器的MFFD下殼體模塊

2.6MFFD主要部件組裝

MFFD的主要部件裝配（
MCA-MajorComponentAssembly）過程是使用PARAMONT進行的裝配研究裝置，在之前的飛機裝配研究項目中開發，現在針對MFFD進行了進一步優化（圖11，左）。該設置允許高度自動化的處理全尺寸機身段。它擁有配備末端的線性軸上的工業機器人裝配過程的執行器和幾個并聯機器人運動學（所謂的六足機器人）機身結構的處理。通過他們的真空夾持器末端執行器，六足機器人能夠操縱MFFD的大型機身外殼結構。高精度，激光跟蹤器的實時測量支持自動定位。

 

圖11. 機身段總裝下架后，停放在弗勞恩霍夫的廠房（左）。MFFD的機身段準備運往ZAL進行上下模塊縱向焊接

MFFD包含兩個縱向接頭。為了能夠比較不同的接頭設計演示器的左側接頭是對接帶接頭，而右側接頭是搭接接頭。左側較復雜的對接帶接頭幾何形狀是必要的，因為客艙門該區域的加強會導致蒙皮厚度變化，可以通過這種特殊的接頭來設計處理。在右側，蒙皮厚度是恒定的，允許不太復雜的搭接設計。采用CO2激光焊接工藝連接左側縱向焊縫。激光束通過線性軸和高精度反射鏡系統進行引導。激光焊接可用于實現高工藝速度，而不會在部件中引入顯著的熱變形。這個左接頭代表了所謂的對接帶設計，其中放置了幾個條帶在上殼體和下殼體中的相應軸上。這些寬度各不相同，最長可達四米長。條帶兩側的間隙用基質材料（熱塑性材料）填充不含碳纖維，以避免焊縫中的水分積聚。此過程是由間隙執行的填充端部執行器，其在沿著縱向接頭的線性軸上被引導。超聲波焊接被用于不太復雜的搭接接頭，以開發和演示一種快速、高度自動化的高生產率的焊接工藝。在超聲波焊接中，振動被引入超聲波焊極產生動態剪切應力，然后將其轉化為熱量。然后在額外的壓力下將熱塑性塑料蒙皮連接起來。由于超聲波焊接是一種成熟、快速、非常節能的技術，是一種高效的過程這是可能的。焊接縱向接縫后，上下殼體的框必須用所謂的框連接角材連接。電阻焊用于框連接角材的連接，可以焊接不同幾何形狀的框連接角材。左側和右側采用相同的技術。熱量是由在焊接過程中，電流通過插入件（電阻加熱）。過程快速、易于控制，在焊縫中產生均勻的溫度分布，并且可以易于應用于大型結構。超聲波和電阻焊接工藝由WELDER項目合作伙伴執行。

機身段內部的剛性夾具用于吸收熱塑性焊接過程中的高載荷，從而減輕了機身段本身的載荷。在夾具上安裝了所謂的內部定位器，它們支撐了焊接過程中的精細定位，并吸收了力。焊接壓力在焊接過程中由焊接末端執行器從外部產生，該執行器將機身殼體壓在內部定位器上。

大型組件裝配（
MCA-MajorComponentAssembly）的成功極大地促進了MFFD的成功，特別是通過應用創新的熱塑性焊接技術，如激光、超聲波和電阻焊接，以及通過自動化技術進行高度精確的測量和定位，實現了可持續飛機制造的高精度和高效率。

2.7貨艙門

薩博的工作始于2018年，目標如下：

• 兩個貨艙門的集成和演示，分別在單通道飛機機身和MFFD中進行；
• 展示用于貨艙門裝配的柔性輕質裝配夾具關于這些目標，薩博選擇合作的技術亮點如下：
• 機電驅動：無手柄的升降、門鎖和鎖定
• 機身內帶鎖和門鎖機構的新型貨艙門設計
• 新型傳感器（代替物）
• 靈活的可重新配置裝配夾具
• 真空輸液制造工藝
• 增材制造的熱塑性塑料模具

三軸復合材料的復雜成形

2021年，金屬TD4貨艙門完工并運往德國安裝在單通道飛機機身演示器中。它與完整的操作機電鎖扣、鎖和升降系統（圖11，左）。TD4貨艙門在柔性裝配夾具中組裝。

至于TD5，其初衷是采用集成框的復合樹脂注入骨架沒有按計劃成功，門是用預浸料生產的，仍然使用相同的固化工具以及三軸疊層。柔性輕質裝配夾具也用于復合材料貨物門，只是因為門變小而進行了修改，因此薩博實現了前面描述的兩個目標，但必須降低無法交付貨物門的風險，這意味著要改為預處理在熱壓罐中固化的材料。

TD5演示器的結果如圖11（右）所示，該演示器于2024年3月運往德國，該設備于4月安裝在MFFD中。它還成功地與機電系統一起進行了演示。

 

圖12. 安裝在單通道演示器（左）中的金屬TD4貨艙門，復合材料TD5貨艙門安裝在柔性裝配夾具中（右）

2.8 MFFD總結

MFFD聯盟由來自工業和研究組織的11個主要合作伙伴組成，并得到以下機構的支持來自學術界和中小企業的更多合作伙伴已經成熟并驗證了40多項技術；

下一代商用飛機的磚塊。盡管存在部分競爭，但所有技術為了更好地評估其潛在應用，我們選擇了它們。

多功能機身演示器提供了關于未來飛機如何飛行的廣泛知識考慮到廣泛的應用范圍，可以設計和制造熱塑性塑料結構非常不同的功能，如承載、客運和貨運，以及對各種各樣的電氣、機械、氣動和液壓系統。這些都是成本和重量驅動因素的一部分，需要從制造和操作角度來考慮。MFFD項目中展示的技術磚已經提供了很多更好地了解熱塑性復合材料作為機身主要結構的材料。

在項目結束時，所有這些都是通過項目合作伙伴，共同研究概念、技術磚及其成熟度，生產零件和裝配。這種方法被應用于預裝的下殼體，包括地板模塊和上殼體、基本部件、新型貨艙門演示器，最后通過整合機艙頂部模塊。

MFFD現在代表最大的熱塑性民用飛機部件，這些部件反過來又用這種材料建造了最大的客機機身研發演示器。憑借基于新型連接技術和自動化技術的廣泛設計解決方案、制造和裝配概念，MFFD的工業合作伙伴能夠選擇最合適的適當的技術，以實現未來航空所需的性能改進和生態足跡減少。

 

圖13. 完工的多功能機身演示器-MFFD在漢堡應用航空研究中心

3客艙和貨物功能

客艙和貨物研發演示器一直致力于集成和測試下一代大型客機客艙和貨運功能和技術的產生。一些較小的試驗臺和部件演示也是該計劃的一部分，證實了假設并證明所開發技術的技術成熟度。圖13顯示了所研究技術的一些專用示例。

 

圖14. 客艙和貨運技術示例：可定制的乘客服務單元

（a）平臺概念

（b）內襯和帽架的自動安裝技術

（c）通用機艙接口

（d）環保消防

（e）節能機艙

（f）印刷、電氣

（g）目標是為許多技術實現高達6級的技術準備水平

這些是未來客艙和貨運的關鍵推動因素。

這些措施包括：

• 賽峰可定制的乘客服務單元（PSU-PassengerService Unit），功能得到改進。這個該技術已達到TRL4；
• 空中客車公司提出的新平臺概念，旨在大幅減少定制機身可在機艙側進行定制。這應通過減少接口來實現機身、模塊化和標準化（結構和機艙的“解耦”）。這個該技術已達到TRL6；
• 空客通用客艙接口，或優化的電氣和機械架構通過Multi-ATA章節了解系統組件。該技術已達到TRL4；
• 空中客車公司的環保消防系統，不含哈龍(halon)，位于貨艙。該技術已達到TRL6；
• 賽峰集團通過燃料電池技術實現的能源優化座艙該技術已達到TRL4;
• 內襯和帽架的特定自動化安裝技術，可實現更快的機艙和貨物運輸弗勞恩霍夫的組裝。該技術已達到TRL5；
• 空中客車公司的印刷電氣技術，作為取代由以下材料制成的專用線路的解決方案通過開發“打印”數據和電力線的技術，以最小的成本實現多條電線定制工作。該技術已達到TRL6；

4中央機身下部

主要目標是介紹制造（包括基本零件的生產和組裝）在早期設計階段的核心。這是為了確保與低成本和高產能的兼容性目標。

在主要結構上，該項目側重于取代歷史“緊固林-fasteningsforest”的可能性通過簡單的銷釘/凸耳銷型接頭，可以在子組件級別進行干凈快速的組裝。

座椅導軌和中央翼盒/主起落架艙結構之間的連接也提出了同樣的原理。最重要的是，它還允許減少接口數量，從而減少組裝時間。

對于子組件的生產，重點是使用低成本工藝的能力用于基本零件和裝配。設計必須與這些約束相匹配。下面，根據這些目標提出的建議：

 

圖15. 用于低成本制造基本零件和組件的中央機身下部技術示例

該項目允許將現有的思維模式限制推向其他界，在這些邊界上，制造業如果在早期架構中進行集成約束對整個產品是有益的設計階段。

5非特定交叉職能

非特定交叉職能的工作側重于材料和工藝、測試開發和預測性虛擬仿真，以支持平臺2的要求演示件以及未來的飛機開發和運營。這項工作的三個方面是這里描述了：疲勞數字孿生、結構健康監測和詳細的實驗熱塑性材料的表征和模擬。

航空公司面臨著高昂的飛機運營成本，部分原因是機身結構的維護。空中客車公司正在研究能夠提供使用監控和結構維護優化的解決方案。有前景的解決方案是下文所稱的疲勞數字孿生。FatigueDigital Twin的全球目標是通過利用飛機上的飛行數據記錄儀記錄的數據來優化維護計劃。

為每個飛行記錄的飛機數據可以通過各種工程模型（載荷模型、應力模型、壽命模型等）進行處理，以評估實際飛機使用與認證定義的理論飛機使用之間的差異。由于需要處理的數據量很大，因此需要使用機器學習算法來實現高性能，這是“標準”方法無法實現的。對于應力模塊，本項目開發了載荷到應力傳遞函數（LSTF-Loadsto Stress TransferFunction），以處理載荷定義并在關鍵機架位置評估相關應力。LSTF確定飛行中每一時刻的應力，該輸出結果可用于根據單個飛機的實際使用評估疲勞和損傷容限（F&DT-fatigueand damage tolerance）行為。使用此評估結果可以完全優化結構維護計劃。

 

圖16. 疲勞數字孿生概念的示意圖

空中客車還開發了創新的工具，以減少結構測試和飛機運行時對飛機結構的檢查時間。開發了一種超聲相控陣傳感器（USPA-ultrasonicphased arraysensor），用于疲勞起始部位的裂紋檢測，用于結構健康監測。傳感器將永久安裝在需要定期檢查裂縫位置的金屬結構上。通過對傳感器的檢測，可以方便地對該區域進行檢查。對于測試結構而言，這將節省時間，從而減少交貨時間和成本。對于在役人員，計劃的維護時間和成本將會減少。這項工作涉及開發超聲波相控陣列，以滿足在飛機上安裝的檢測、環境和耐用性要求。為了最終優化傳感器設計，在成功進行環境和耐久性測試之前，完成了大量關于缺陷檢測概率的測試。

ONERA在該項目中的活動包括對熱塑性基質復合材料。在ONERA進行了廣泛的測試活動，以表征由碳纖維和熱塑性基質制成的TC1225材料的機械性能。首先，對不同90層厚度的交叉層壓板的拉伸試驗進行了分析，以確定損傷的開始對層厚度不敏感（與碳/環氧材料不同）而損傷動力學隨著層厚度的增加而增加（如碳/環氧材料）。此外，對[±45]s層壓板進行定期卸載的拉伸試驗，使我們能夠研究深度—這種材料與熱塑性基體固有的塑性。層間剪切強度使用分析模型和有限元模擬以及S13R對試驗進行了分析,S23R強度是從分別在單向層壓板和準各向同性層壓板。最后，確定斷裂韌性，分層進行了傳播測試，如DCB、ENF和MMB。確定的斷裂韌性與經典的碳/環氧樹脂基質相比，其含量極高，可以解釋特定的橫向裂紋損傷模式。經過準靜態試驗、沖擊試驗，在不同的中等沖擊下,在ONERA對兩種不同的材料進行了沖擊試驗后的壓縮準各向同性層壓板，以評估沖擊損傷機制對殘余損傷的影響性能（剛度和強度）。最后對多層CT和CC試樣進行了分析，考慮到兩種不同的尺寸，為了估算相關的斷裂韌性纖維在拉伸和壓縮時都會失效。此外，在層尺度上，材料行為使用Onera漸進式失效方法進行建模，該模型最初是為環氧樹脂開發的基體復合材料，并在本研究中進行了擴展，以考慮這種復合材料的特性材料。與實驗數據的比較非常一致，非常有前景。

6結論

空中客車公司在10年的大型客機項目平臺2交易中發揮了領導作用結合下一代單通道商用飛機的創新機身技術飛機。該項目由歐洲清潔天空2號公私合營企業資助該聯盟由14位領導人和核心合作伙伴組成，其中包括大量“征求建議書（CfP）”。平臺2中的這一設置覆蓋了歐洲航空業的一大群人來自大學、研究中心、中小型企業、供應商和飛機制造商的生態系統。

已經開發了40多種技術磚，用于新型機身材料、結構應用以及客艙和貨物功能。成熟度已通過HorizonEurope規則進行評估。而TRL6級在一些磚上已經成功實現。對科學界的重大貢獻已廣泛發表，有超過70篇同行評審論文，博士和碩士論文，知識產權已通過35項新專利得到保護。

CS2項目旨在開發更清潔的航空運輸技術，與“最先進”的飛機相比，該技術能夠將CO2、NOX和噪音排放量減少20-30%。除其他目標外，如加強歐洲航空生態系統的競爭力和通過使用熱塑性復合材料提高可持續性，平臺2的主要貢獻是通過創新機身技術減少重量，從而減少CO2排放。每減少一公斤的重量，可以直接轉化為減少燃料燃燒。根據機身層面技術的組合，典型的單次飛行CO2排放量減少范圍在180公斤至540公斤之間?？紤]到一架單通道飛機每年1,600次飛行的總體環境潛力，這清楚地突顯了積極的影響?？偠灾?，CS2LPA平臺2成功地為下一代飛機成熟了機身技術磚，歐洲聯盟交付了世界上最大規模的由熱塑性復合材料制成的機身演示器。

7編后感言

航線上的民機是一種特殊商品，它的用戶是有數的航空公司。只有在安全、舒適、經濟，這三者最佳的民機，才會得到航空公司的青睞?？湛捅局@個原則，在過去的十多年里，投入了巨額的人力、物力、財力，研發新技術。

在單通道民機領域，機翼仍然使用熱固性環氧復材。但不同以前的是不用“預浸料-熱壓罐固化”工藝，而是用“無卷曲織物（NCF）-樹脂轉移模塑（RTM）-高溫爐固化”。機身零件用熱塑復材制造，零件連接用焊接；客艙、貨艙采用裝配模塊；使用、維護采用數字化技術等。

使用以上成熟新技術的單通道“新A320”，在安全、舒適、經濟三方面，將遠遠超過現波音737、空客A320以及商飛C919。

楊超凡 2025.1.20

原文，《CLEANSKY2/CLEAN AVIATION LARGE PASSENGER AIRCRAFT FOR MORE SUSTAINABLECOMMERCIAL FUSELAGE TECHNOLOGIES – MAJOR ACHIEVEMENTS 》