新支線飛機-熱塑性復材、變形機翼
清潔航空HERWINGT項目正在為混合動力支線飛機開發一種新型超高性能機翼，包括熱塑性復合材料（TPC）和變形復合材料機翼部件，到2026年底將完成多達20個復合材料演示。
作為清潔航空綠色支線飛機計劃的一部分，混合動力支線機翼集成新型綠色技術項目旨在為清潔航空的混合動力支線飛機項目開發一種新型機翼，目標是到2035年使一架100座、500-1000公里航程的飛機投入使用。
01項目目標、技術、演示
HERWINGT將追求一種機翼，與2020年最先進的飛機相比，幫助HERA實現燃料燃燒/溫室氣體排放減少50%。它將通過新型減阻機翼來實現這一目標。后者嚴重依賴復合材料，目標是在配置、更集成的系統和新材料技術下減輕15%的重量和減少20%的燃料消耗。機翼部件水平。正在開發的機翼包括桁架支撐結構，其中復合材料支柱從機身延伸以支撐機翼。
在空中客車防務與航天公司（西班牙馬德里空中客車D&S）的協調下，HERWINGT將分析全翼的架構并進行權衡研究，同時為中心翼段（吊掛到吊掛）構建物理演示：
?集成中心翼盒結構具有內部推進級，包括具有多梁結構的吊掛到吊掛扭轉箱概念、檢修面板和集成燃料通風系統。
?內段前緣具有集成感應防冰系統，以及額外的多功能性，如侵蝕、沖擊和雷擊保護以及變形概念。
?內段襟翼采用多功能設計和集成高升力解決方案。
HERWINGT的關鍵加工技術包括低成本、高度集成、熱壓罐外（OOA-out-of-autoclave）復合材料：
?干式纖維鋪放和液體樹脂注入，用于集成多梁扭轉箱。
?原位固結（ISC-In situ consolidation）熱塑性復合材料（TPC-thermoplastic composite）用于集成襟翼蒙皮和前緣。
?TPC焊接和共固結以實現集成。
?探索可認證的粘合技術。
HERWINGT還承諾提供：
1.數字孿生和組件的生命周期評估（LCA），
2.子系統和全翼系統與參考飛機數字框架和要求兼容。
3.首次飛行的飛機級全尺寸機翼演示路線圖。
與擬議活動相關的HERA資格和認證計劃。
2025年1月在AIAA SciTech上展示的HERWINGT關鍵技術
HERWINGT計劃于2026年完工，于2023年1月開始，并已獲得10個月的延期，以完成更大的演示和測試。它現在將于2026年10月結束，并將其新的機翼設計交付給由萊昂納多（意大利羅馬）協調的HERA項目。
02TPC領先
FIDAMC在OUTCOME項目中使用碳纖維/PEEK為翼盒生產了一個1×4米的加強上壁板，為其在HERWINGT的工作做準備
多個HERWINGT合作伙伴正在推進ISC TPC結構，其中包括GKN Fokker（荷蘭Hoogeveen）和復合材料技術中心FIDAMC（西班牙赫塔菲）。FIDAMC TPC活動的研究員兼技術協調員（Isabel Martín Hernando）解釋說：“我們開始在Clean Sky 2項目OUTCOME中使用這些結構。”。“我們的目標是展示使用自動鋪絲和ISC制造的減輕重量的主要飛機結構。我們與AFP設備供應商MTorres（Torres de Elorz）合作，開發了一個完整的測試金字塔，以證明材料滿足機翼的結構要求。然后，空客D&s對成品進行了測試，驗證了其FEA模型中計算的估計載荷。根據這些測試結果，我們開始為HERWINGT項目做準備。
“我們的想法是繼續使用AFP ISC，但要增加幾何形狀的復雜性，”她繼續說道。“在OUTCOME中，我們展示了一種帶有加強筋的上翼盒蒙皮，其具有簡單的曲率。在HERWINGT中，我們將生產中心翼盒前緣。我們還將該工藝從龍門機發展為川崎機器人，這有助于更復雜的結構。”她補充說，FIDAMC正在與MTorres合作，協調旋轉心軸與AFP機器人，為更復雜的幾何形狀提供更大的靈活性。
FIDAMC正在使用一個機器人AFP系統，該系統將激光器分為四個部分，為HERWINGT生產一個現場整合的TPC前緣演示器
埃爾南多說：“我們還改變了AFP的加熱源。”。“我們又有了一個二極管激光器，但它分為四個部分，可以單獨控制。我們最多可以放置四個0.5英寸寬的絲束，用這個分開的激光器，我們可以指向每個單獨的絲束。因此，我們可以選擇用一個、兩個、三個或全部絲束進行層壓。這對于制造前緣來說更通用，因為在某些區域，比如前緣鼻部，我們需要用更少的絲束層壓。”
該前緣的加強件包括T形縱梁和肋條。這些從沖壓成型的組件開始。埃爾南多解釋說：“對于縱向加強筋，我們首先沖壓兩個L形，然后將它們與填充物（面條-樹脂條）一起放入固結工具中。”。“然后，我們在烤箱中的第二個加熱循環中整合和共同固結這些材料。這樣，我們還可以制作T形肋。”
FIDAMC將使用帶有旋轉軸的AFP生產TPC前緣，將蒙皮放置在預制TPC長桁和放置在復雜工具中的肋的頂部
然后，這些加強筋將被放置在FIDAMC與HERWINGT合作伙伴Aciturri（西班牙Miranda de Ebro）開發的復雜工具中。“該工具將安裝在我們的旋轉心軸上，”她指出，“然后將蒙皮層壓在頂部，將第一層與加強筋共同加固，然后使用AFP ISC層壓整個蒙皮。Aciturri還在研究基于等離子體的陶瓷沉積工藝，以提高耐腐蝕性。”
埃爾南多說，總體思路是與金屬結構相比減輕重量，并進一步提高將TPC用于主要結構的能力。由于能夠使用回收材料，以及通過共固結和焊接來消除緊固件，以及在壽命結束時進一步回收TPC零件，這些被認為更具可持續性。AFP ISC還避免了熱壓罐循環，降低了鋪疊和固結過程中的能耗。
03PEEK、AFP工藝、LMPAEK用于襟翼演示
對于HERWINGT前緣演示器，FIDAMC正在使用APC2 PEEK材料（美國佐治亞州阿爾法利塔的Syensqo）。埃爾南多說：“我們在OUTCOME期間開發了一個關于這種材料的大型測試金字塔和數據庫，空客D&S使用這些信息來確定這種結構的載荷和設計。”
在OUTCOME項目中，FIDAMC開發了一種AFP ISC工藝，該工藝使用兩個激光器和兩個固結輥——一個在膠帶鋪設過程中，一個在輥之間。埃爾南多解釋說：“在OUTCOME中，我們管理材料的冷卻階段，以控制聚合物的結晶，確保機械性能。”。“但現在我們在更多的演示后取得了進一步的發展。我們可以通過使用自加熱工具在材料中獲得良好的結晶。這也有助于防止熱殘余應力和幾何變形。因此，我們現在使用分段激光和單個壓實輥。”
FIDAMC還將使用AFP ISC為HERWINGT襟翼演示器生產復合材料結構。“為此，我們將使用東麗TC1225預浸料帶，但僅限于我們負責的下蒙皮和翼梁。Aciturri將使用各種技術協調其他結構。”
TC1225包括來自Victrex（Clevelys，英國）的碳纖維和LMPAEK聚合物。埃爾南多指出，FIDAMC選擇了與Aciturri合作的TC1225。“我們在MFFD項目期間使用了這種較低熔體溫度的材料，不是直接在完整的8米演示器中使用，而是在與Aernova的一次小型測試活動中使用。因此，由于我們與APC2進行了全面的測試活動，我們希望通過LMPAEK提取相同的信息，以便工程部門計算和準備不同結構的AFP ISC設計。”
04變形機翼組件
配備由Polimi開發的變形副翼的全尺寸風洞原型
HERWINGT的另一個關鍵部分是開發變形機翼表面以提高空氣動力學效率。米蘭理工大學航空航天科學與技術教授塞爾吉奧·里奇博士解釋說：“我們的想法是，在沒有經典控制面的情況下，機翼表面能夠改變形狀，這樣結構（通常是后緣和前緣）就不會使用由傳統執行器移動的單獨組件。”。“這很有挑戰性，因為你必須同時解決兩個不同的問題：能夠變形的零件結構和為空氣動力學性能選擇最佳形狀。
“在HERWINGT，我們正在開發三種主要解決方案，”他繼續說道。“前兩個涉及變形前緣和后緣，有兩種不同的應用：襟翼和副翼。變形前緣和尾緣副翼由Polimi開發，而后緣襟翼由CIRA的空氣動力學小組和智能結構小組開發。”他指的是HERWINGT的另一個合作伙伴，意大利航空航天研究中心（CIRA，意大利卡普阿）。第三種解決方案是變形支柱，由另一個小組開發，我們將在下面討論。
在HERWINGT內部，Polimi正在開發一種使用玻璃纖維/環氧樹脂制成的前緣和后緣變形副翼，該副翼已用于許多其他此類演示中
復合材料正被用于開發所有這些變形結構。里奇說：“如果你想通過變形結構來進行變形，你需要具有非常高伸長率的材料，在某些情況下還需要具有可調內部剛度的材料。”。“纖維增強復合材料是最靈活的解決方案，因為你可以優化纖維取向以獲得你的性能。”盡管有基于碳纖維增強聚合物（CFRP）的方案，但Polimi的團隊決定使用玻璃纖維增強環氧樹脂。“這取決于你需要多大的變形，”他解釋道。“在后緣襟翼變形的情況下，你需要非常大的變形。與此同時，副翼并不那么具有挑戰性，因為你只需要上下移動。每次你有不同的要求時，你都可以選擇最好的材料。”
因此，Polimi選擇了玻璃纖維，因為它比碳纖維具有更好的伸長率。里奇說：“但也因為我們大約10年前就開始了這種活動，我們所有的其他示威者都是以玻璃纖維為基礎的。”。“因此，我們對它有很多了解和經驗，并對它的性能感到滿意。還有其他問題，比如疲勞。目前，我們決定不使材料方面復雜化，并堅持我們已經驗證的內容。”
他指出，Polimi在HERWINGT開發的解決方案不是基于智能材料，而是基于智能結構。“這意味著我們正在使用智能設計和普通復合材料。我們不使用壓電材料等。我們正在研究前緣，這將與CIRA生產的后緣相結合，然后將在我們的大型風洞中對變形進行全面測試。
”
05變形復合材料機翼支柱
HERWINGT的第三個變形開發涉及機翼支柱，正在代爾夫特理工大學（荷蘭代爾夫特大學）完成。代爾夫特大學的兩位研究人員對此進行了解釋：航空航天結構和材料研究工程師澤維爾·卡里略·科爾科斯和航空航天工程助理教授尤里 蘇迪亞。
代爾夫特理工大學正在開發變形支柱，其中復合材料部分與彈性體部分連接，以實現偏轉和扭曲，從而優化空氣動力學
“代爾夫特理工大學已經研究變形曲面幾年了，” 科爾科斯說，“包括前緣和后緣部分。我們的想法是，你可以在底部蒙皮中引入一個槽，然后拉動或推動變形曲面的底部蒙皮（見圖右），這將導致所需的偏轉，以提高空氣動力學效率。”
“這是我們的第一個概念，我們現在通過在風洞中測試的Smart X和Smart Alpha版本對其進行了改進，作為概念驗證，”他繼續說道。“對于HERWINGT，我們正在使用復合材料迭代這些組件。我們使用由復合材料制成的不同模塊與彈性體部分連接形成一個連續的組件。然后，您可以根據機翼的扭曲和弧度進行不同的驅動，使您能夠在爬升或巡航期間根據飛行條件控制和優化其形狀。”
蘇迪亞解釋了為什么不可能使用連續的復合材料蒙皮：“我們主要使用彎曲變形來移動結構。但如果你應用這種方法，使一個模塊向上偏轉，相鄰的模塊向下偏轉，這將在結構中產生很大的張力和剪切力。相反，我們切割蒙皮的尾部，用彈性材料代替，使其更符合要求。我們通常使用硅膠，通過在間隙中倒入液態硅膠來創建這些部分，這種硅膠與復合材料層壓板結合良好。”
代爾夫特理工大學正在開發的變形航空結構的有限元建模，顯示了三種主要的載荷情況
蘇迪亞指出，變形支柱最有可能使用玻璃纖維增強環氧樹脂。“只要結構要求不太高，玻璃纖維層壓板可以提供比其他材料更好的性能。例如，由于它更符合要求，玻璃纖維層壓材料可以顯著降低致動載荷，從而使致動器更輕，因此這種變形概念的重量損失更小。”
對于HERWINGT，代爾夫特理工大學將測試其變形支柱演示器，以評估形狀變化和由此產生的空氣動力學阻力，以及這些變形機制的限制。
06數字雙胞胎
推進數字雙胞胎的使用是HERA和HERWINGT項目的一個關鍵目標。空中客車公司結構設計工程師、HERWINGT機翼結構設計團隊成員米里亞姆·阿貢德斯-曼薩諾解釋說：“數字雙胞胎是一種框架，旨在匯編與整個生命周期過程相關的所有產品信息。”。“這包括制造、組裝和定期維護。因此，數字孿生模型必須由參與開發和在役過程的每個利益相關者提供。
她補充道：“在復合材料零件中，數字孿生在生成和集成這些數字模型的設計制造階段具有特殊意義。”她指出，數字孿生不僅包括零件幾何形狀，還包括纖維取向和層板的玫瑰花結（參考軸），以及表面保護、零件重量和互換性等。“由此產生的‘竣工’模型將在使用中通過傳感器進行監測，以實時評估結構的狀況。
曼薩諾說：“實際上，數字孿生的核心要素本質上是一個大型數據庫。”。“它包含了所有學科的輸入，包括壓力、疲勞、設計、制造、可維護性等。即參與零件的開發，并準備包括與生命周期未來步驟相對應的信息。數字孿生還包含一組算法，用于預測故障模式的最終演變，以使結構的維護計劃適應其實際狀態。
曼薩諾總結道：“對于HERWINGT項目，考慮到數字孿生技術在設計層面的演示開發中非常有用，而且更有成效，因為這些信息必須在合作伙伴之間共享。”。“使用數字雙胞胎使我們能夠為開發的不同步驟提供一個單一的‘真相來源’，其中所需的所有信息都是現成的。”
原文，《 Advancing thermoplastic composite primary structure and morphing wings 》
