從通用飛機到航船領域:OOA成型技術革新復合材料應用
導語
News Today
在通用飛機制造領域，材料與成型技術的進步一直是推動行業發展的關鍵因素。近年來，復合材料憑借其優異性能，如低密度、高比強度和比模量、良好的耐腐蝕性及疲勞性能等，在通用飛機結構中得到了越來越廣泛的應用。非熱壓罐成型技術（Out of Autoclave，簡稱OOA）是近年來通用飛機制造領域復合材料成型關注的焦點。
什么是OOA 成型技術？
OOA 成型技術摒棄了熱壓罐，通過真空壓力，并借助烘箱、加熱毯等外部加熱源，實現復合材料的固化成型。在這一過程中，研發人員通過優化樹脂體系、纖維預成型體設計以及工藝參數，來保證在較低壓力下，復合材料也能達到與熱壓罐成型相當的性能水平。例如，通過設計特殊的樹脂配方，使其在真空壓力下具有良好的流動性和浸潤性，同時在固化過程中有效抑制孔隙的產生。
OOA 成型技術在通用飛機中的應用實例
西銳公司SR系列飛機
美國西銳公司的 SR20、SR22 系列飛機廣泛采用了OOA 預浸料技術。其中，SR22 飛機的復合材料用量達 80% 以上，選用東麗公司7781/2510 和 T700/2510OOA 預浸料體系，通過中溫固化爐成型。飛機機身單側結構長6m，高 1.35m，機身和垂尾的蒙皮均由該工藝制成，良好的成型效果保證了飛機結構的整體性和輕量化。
亞當公司超輕型噴氣機A700
其大部分結構由碳纖維或玻璃纖維織物增強 Nomex 通過真空袋成型技術并采用共固化工藝制備。該工藝屬于OOA 成型技術范疇，有效減少了零件數量和裝配工作量，降低了飛機的整體重量，同時保證了結構強度，提升了飛機的性能。
龐巴迪Learjet85商用噴氣機
龐巴迪宇航公司最新商用噴氣機是一架全復合材料結構飛機，機身、機翼采用Cytec公司Cycom 5320樹脂基體的OOA 預浸料制造，如圖5-73所示。復合材料使該機能夠生產大型集成結構，不僅可以減輕飛機質量，提高燃油經濟性，還可顯著減少零件數量，降低造成本。
Dornier 328先進復合材料商用飛機
洛克希德·馬丁公司和極光飛行科學公司建造，美國空軍開發的軍用運輸機。
復合材料選用ACG公司MTM45-1樹脂基體的OOA預浸料，是最成功的大型OOA 固化結構復合材料貨機，采用了低溫固化熱壓罐外固化工藝，與傳統的制造方法相比，先進復合材料使飛機零件數減少了 80%~90%，實現輕量化、低成本，提高了飛機耐用性且易于維修。使用OOA預浸料制造的主要復合材料零件及用MTM45-1樹脂基體預浸料制造的機身蒙皮，如圖5-72所示。
空客A350XWB噴氣式客機
2011年6月，Umeco公司宣布GE航空集團正在使用ACG公司MTM 44-1OOA預浸料制造空客A350 XWB機翼的外部和中部固定后緣板，首先生產了蜂窩夾層結構。
MTM 44-1 OOA預浸料2008年為合作研究項目“先進低成本機體結構”(ALCAS)生產了第一個小規模翼盒演示件MTM44-1在演示件的成功使用，進一步驗證了OOA材料的能力，作為空中客車和達索公司航空項目的一部分，旨在驗證低成本飛機結構的設計和技術，為MTM44-1作為航空材料的資格奠定了基礎。
MTM 44-1針對VBO工藝進行了優化，以提供更低的空隙率，得到的復合材料可與標準的熱壓罐固化系統媲美。這種技術可以促進制造更大和更集成的結構。
A320 圓角整流罩驗證件
通用航空公司,選用Hexcel公司M56/40%/280H5/AS4-3KOOA預浸料和30mm HRH 10 蜂窩芯材，采用熱壓罐外固化工藝制造了A320圓角整流罩驗證件，如圖5-74所示。預浸料在復雜型面容易鋪層，制備的復合材料驗證件完全通過漏水試驗(沒入76℃水中無氣泡形成)，顯示在芯材表面的預浸料面層無空隙。
美國Kestrel K-350全復合材料渦輪螺旋槳飛機
Tencate 先進復合材料北美公司與美國Kestrel 航空公司簽署了一份長期復合材料供應協議，新型全復合材料渦輪螺旋槳飛機Kestrel K350將使用Tencate的TC275-1環氧預浸料。
Cirrus飛機公司SR系列飛機和
Cirrus新視覺SF50私人飛機
2014年，美國Tencate先進復合材料公司與美國Cirrus飛機公司簽署了一個多年合同，為Cirrus飛機公司SR系列飛機和Cirrus新視覺SF50私人飛機供應先進復合材料，包括和nCate T 275樹脂 OOA 預浸料;CirrusSR22系列飛TenCateBT250E-1樹脂等OOA預浸料。
空客A350XWB
2012年3月，Umeco宣布GE航空集團將用MTM44-1樹脂基體OOA預浸料制造空客A350XWB機翼外部和中部固定后緣板，前18個月用OOA預浸料生產蜂窩夾層結構船舶。
在國內，復合材料輕型飛機也逐步開始應用OOA 預浸料技術。隨著國內對通用航空產業的重視和投入不斷加大，國產OOA 預浸料研發取得了一定進展，部分材料體系已在一些小型通用飛機項目中試用。
拓展
OOA 成型技術在航天領域的應用實例
“白色騎士2號”太空航母
由維珍銀河公司建造，使用ACG公司MTM45-1環氧體系預浸料，復合材料采用熱壓罐外固化工藝成型，是世界上最大的碳纖維復合材料飛機。維珍銀河公司將用它把第一艘商業載人飛船“太空飛船2號”送上太空。2008年12月22目首飛成功，如圖5-69所示。其主要技術參數：有效載荷17000kg；長度24m，翼展43m，相當于波音757飛機機翼跨度；實用升限21000m。
“太空飛船2號”／“白色騎士2號”縮尺復合材料
由維珍銀河公司采用ACG公司MTM45-1環氧體系預浸料，熱壓罐外固化工藝制造而成，如圖5-70所示，被認為是迄今為止OOA預浸料最前膽性的應用之一。
“戰神5號”火箭非熱壓罐預浸料，
革命性的預浸料技術OOA工藝
2009年10月NASA新設計的戰神5號重型火箭，是美國下一代航天運輸系統重型貨運火箭，承擔美國宇航局發射新一代載人月球登陸器及月球基地需要貨物運輸的任務，直徑10m的火箭筒身，如果采用12x24m熱壓罐成型，預計成本高達1億美元，選用OOA預浸料熱壓罐外固化工藝成型，節省大量資金，如圖5-71所示，主要技術參數:有效載荷(近地球軌道)188000kg;承載能力(近地球軌道)130000kg;高度109.2m；直徑8.40m;節數為2節。
OOA 成型技術在無人機領域的應用
“暗星”(Dark Star)隱身無人偵察機
波音公司和洛克希德·馬丁公司共同承擔開發的高空耐力無人機，波音公司制造機翼，提供航電設備，洛克希德·馬丁公司制造機身，集成EO傳感器和各種子系統。該機無尾式翼身融合體設計，外形奇特，主要考慮隱身和飛行性能，以減小飛機雷達反射面。除外形采取措施創新設計外，采用大量先進復合材料，系全復合材料隱身機。采用ACG公司LTM 45樹脂基體OOA單向預浸料，復合材料前機體如圖5-76所示。無人機主要技術參數如下:
外形參數:全機長度4.57m，高度1.52m，翼展21.3m。
質量參數:3900kg。
性能參數:巡航速度464km/h，航程925km，活動半徑大于1800km，可在13700m高度飛行8h。
P-175“臭貓”(Polecat)高空長航時無人機
洛克希德·馬丁公司開發的P-175無人機采用無尾翼結構，先進的層流翼型，具有很高的空氣動力效率和很低的雷達截面，如圖5-77所示。無人機由大約200個制件組成，其中98%是復合材料結構。據稱無人機機體至少采用了90%以上的復合材料，意味著航空復合材料使用的重大突破。復合材料采用LTM45 系列樹脂OOA預浸料，低溫66℃固化，隨后后固化。不需要使用熱壓罐，大幅度降低制造成本。
X-47A“飛馬”(Pegasus)無人機
諾斯羅普·格魯門公司自籌資金為美國海軍研制的最先進噴氣式隱形無人機，也是第一架能從航空母艦起飛并自行回落的隱形無人機，如圖5-78所示。
2001年開始研發，圖5-77 P-175高空長航時無人機2003年成功首飛，主要任務是驗證無人飛行器在海軍艦載使用的適應性。飛機外形類似B-2，主要由復合材料制成，采用ACG公司LTM45EL系統樹脂預浸料和VBO工藝成型。無人機主要技術參數如下:
外形參數:機長 8.37m，翼展8.42m，機高1.83m。
質量參數:總重2500kg，可攜帶載荷450kg。
性能參數:航程16000km，亞音速航行。
“捕食鳥”(Bird of Prey)隱身無人機
麥道公司于1992年開始研制，將高機動性、全面隱身作為發展重點，波音公司兼并麥道后，繼續投入資金進行開發，從項目開始到1999年首次飛行持續了8年，先后投資6700萬美元。該機復合材料使用了ACG公司第一代OOA 預浸LTM10。“捕食鳥”無人機外形怪異，神態兇猛，如圖5-79所示。飛機主要技術參數如下:
外形參數:全機長度14.22m，翼展6.91m,高度2.82m，翼面積20.4m。
最大起飛質量:3356kg。
性能參數:最大速度482km/h，飛行高度6100m。
“守望者”(Watchkeeper)無人偵察機 WK450
該無人機是英國泰利斯(Thales)公司基于以色列埃爾比特公司戰術無人機“赫姆斯”系統研發并制造的，系統隱身技術驗證機包括一大、一小，分別為WK180和WK450;系英國陸軍裝備的戰術無人機。其任務是提供情報、監視、目標獲取和偵察。
該機選擇ACG公司MTM46環氧樹脂預浸料，采用熱壓罐外固化工藝制備外蒙皮等復合材料結構，首架樣機于2008年4月首飛(圖5-80)WK450機長度6.1m、翼展10.5m、高度6m、巡航速度100km/h、最大航程3000km。2011年，該無人機進入英國皇家炮兵部隊服役。
“幻影眼”(Phantom Eye)高空長程無人偵察機
該機是波音公司“波音幻影工廠”研發的美軍新一代無人機，主要用途是高空執行監視機2011年11月1日進行試飛，主要技術參數如下:
外形參數:翼展45.72m。
承載能力:410kg，有效載荷204kg。
性能參數:速度278km/h，航行時間4~8d，19800m高空可連續飛行4d。
OOA 成型技術在船舶領域的應用
高性能游艇
采用低溫固化VTM260樹脂體系OOA預浸料制造游艇結構和內飾，如圖5-82所示。
潮汐渦輪轉子葉片
Umeco的VTM 260系列樹脂OOA預浸料，用于北愛爾蘭SeaGen潮汐渦輪機轉子葉片重要承載結構，如圖5-83所示。
超級跑車A級面板
OOA預浸料用于生產限量版超級跑車的A級面板，如圖5-84所示。
OOA預浸料用于制造沃爾沃帆船模具
如圖5-85所示。
OOA預浸料用于基礎設施
如圖5-86所示。
來源：復合材料研學、《熱固性樹脂基復合材料預浸料使用手冊》，復材網整理
