推進熱塑性復合材料主結構和變形機翼的開發
清潔航空計劃中的HERWINGT項目正在為混合動力支線飛機開發一種新型的超高性能機翼，包括熱塑性復合材料(TPC)和變形復合材料的機翼部件，到2026年年底，將完成多達20個復合材料演示器(圖片來源：HERWINGT 項目、TU Delft和 FIDAMC)
作為清潔航空計劃綠色支線飛機（簡稱GRA）項目的一部分，“混合動力支線機翼集成新型綠色技術（簡稱HERWINGT）”項目旨在為清潔航空計劃的混合動力支線飛機（簡稱HERA）項目開發一種新型機翼，目標是制造一款擁有100個座位、航程500-1000公里的飛機，并于2035年投入使用。
01項目目標、技術、演示器
HERWINGT項目尋求開發一種機翼，該機翼有助于使混合動力支線飛機（HERA）的燃料消耗/溫室氣體排放比2020年最先進的飛機降低50%。該項目將通過新的減少阻力的機翼結構、更多集成的系統和新的材料技術來實現這一目標。
HERA 項目的范圍（圖片來源：HERA 項目）
新的材料技術主要依賴于復合材料，目標是在機翼部件層面減輕15%的重量以及降低20%的燃料消耗。正在開發的機翼包括一個桁架支撐結構，其中，復合材料支柱從機身延伸出來以支撐機翼。
HERWINGT項目的技術目標和合作伙伴（圖片來源：HERWINGT項目）
#HERWINGT項目由空中客車防務與航天公司（簡稱Airbus D&S，西班牙馬德里）負責協調，將對整個機翼進行架構分析和權衡研究，同時為中翼段（掛架到掛架）構建物理演示器：
1.集成的中間段翼盒結構與內推進級，包括具有多翼梁架構的掛架到掛架的扭力盒概念、檢修面板和集成的燃油通風系統。
2.內段前緣帶有集成的感應防冰系統，并具有多功能性，如侵蝕、沖擊和雷擊防護以及變形概念。
3.內側襟翼采用多功能設計并集成高升力解決方案。
HERWINGT項目采用的關鍵加工技術包括低成本、高度集成的非熱壓罐(OOA)復合材料技術：
1.鋪放干纖維并灌注液態樹脂，以集成多梁扭力盒。
2.原位固結(ISC)熱塑性復合材料(TPC)，以集成襟翼蒙皮和前緣應用。
3.將熱塑性復合材料的焊接和共固結用于集成。
4.探索可得到認證的粘接技術。
HERWINGT項目還承諾提供：
1.數字孿生以及有關組件、子系統和全翼系統的生命周期評估（LCA），該評估與作為參考的飛機數字框架和要求相兼容。
2.全尺寸的機翼演示器在飛機層面上首飛的路線圖。
3.與擬議行動相關的混合動力支線飛機（簡稱HERA）的資格認證和認證計劃。
HERWINGT項目的關鍵技術于2025年1月在AIAA SciTech上得到展示（圖片來源：空中客車防務與航天公司對HERWINGT項目的概述）
HERWINGT項目始于2023年1月，計劃于2026年完工，現已獲得10個月的延期，以完成大型演示器和測試。按照目前的計劃，該項目將于2026年10月結束，并將其新的機翼設計提供給由Leonardo（意大利羅馬）負責協調的HERA項目。
02熱塑性復合材料(TPC)前沿
HERWINGT項目中的多家合作伙伴正在推進原位固結(ISC)熱塑性復合材料(TPC)的結構，包括 GKN Fokker(荷蘭Hoogeveen)和復合材料技術中心FIDAMC(西班牙赫塔費)。“我們研究這些結構始于清潔天空2計劃的OUTCOME項目，我們的目標是，展示‘使用自動纖維鋪放（AFP）鋪層和原位固結’制成的飛機主結構具有更輕的重量。”FIDAMC的熱塑性復合材料行動研究員兼技術協調員Isabel Martín Hernando 解釋說，“我們與AFP設備供應商 MTorres（西班牙Torres de Elorz）合作，開發了一個完整的測試金字塔，以證明該材料滿足機翼的結構要求。然后，由空中客車防務與航天公司對成品部件進行測試，驗證在其FEA模型中估算的載荷。根據這些測試結果，我們開始為HERWINGT項目做準備。”
在OUTCOME項目中，FIDAMC復合材料技術中心使用碳纖維/PEEK制作了一個用于翼箱的1米×4米的加固上蓋，為其在HERWINGT項目中開展研究作好準備（圖片來源：FIDAMC、《復合材料世界》新聞）
“我們的想法是，繼續使用AFP ISC，但要增加形狀的復雜性。”她繼續說道，“在OUTCOME項目中，我們展示了一個帶有加強筋的上翼箱蒙皮覆蓋物，該加強筋具有簡單的曲率。在HERWINGT項目中，我們將生產中翼箱前緣。我們還將從使用龍門機器進展到使用川崎機器人來進行加工操作，這有助于生產更復雜的結構。”她補充說，FIDAMC復合材料技術中心正在與MTorres合作，用AFP機器人來協調旋轉芯軸，以獲得更大的靈活性并實現更復雜的形狀。
“我們還更換了AFP的加熱源。”Hernando說道，“我們也使用一個二極管激光器，但將它分成了4段，以便單獨控制。我們最多可以鋪放4股0.5英寸寬的絲束，同時，使用這種分段的激光器，我們可以指向每個單獨的絲束。因此，我們可以選擇將一個、兩個、3個或全部的4個用于層壓，這對于制造前緣來說更加通用，因為在某些區域，如前緣機頭，我們需要層壓的絲束較少。”
FIDAMC復合材料技術中心使用機器人AFP系統和分成4段的激光器，為 HERWINGT項目生產原位固結的熱塑性復合材料前緣演示器（圖片來源：FIDAMC復合材料技術中心）
該前緣的加強筋帶有T形縱梁和肋，它們都始于沖壓成型的組件。“對于縱向加強筋，我們首先沖壓兩個L形，然后在它們之間加上填充物（條狀），并放入固結模具中。”Hernando解釋道，“接著，我們在加熱爐中進行第二次加熱循環，集成并共固結這些組件，這樣，就制成了T形的肋。”
FIDAMC復合材料技術中心將使用其帶有旋轉芯軸的AFP生產熱塑性復合材料的前緣。在復雜的模具中，放上預制好的熱塑性復合材料縱梁和肋，然后再放入蒙皮（圖片來源：FIDAMC 復合材料技術中心）
然后，將這些加強筋放入復雜的模具中，該模具由FIDAMC與HERWINGT項目的合作伙伴Aciturri(西班牙 Miranda de Ebro)共同開發。“該模具將被安裝到我們的旋轉芯軸中。”她介紹說，“然后，將在頂部層壓表皮，第一層將共固結到加強筋上，接著使用AFP ISC 層壓整個蒙皮。Aciturri公司還在研究一種基于等離子的陶瓷沉積工藝，以提高抗侵蝕性。”
Hernando表示，總體思路是，與金屬結構相比重量更輕，并進一步提高將熱塑性復合材料用于主結構的能力。由于能夠使用回收成分，以及能夠通過共固結和焊接來消除緊固件，并且熱塑性復合材料部件在使用壽命結束時還可以得到回收利用，因此這種能力更具可持續性。AFP ISC 還避免了熱壓罐循環，從而降低了鋪層和固化過程中的能耗。
用于襟翼演示器的PEEK、AFP工藝和LMPAEK
對于HERWINGT項目的前緣演示器，FIDAMC使用了APC2 PEEK 材料(Syensqo公司，美國佐治亞州Alpharetta)。“在OUTCOME項目期間，我們針對這種材料開發了一個大型測試金字塔和數據庫，空中客車防務與航天公司使用這些信息來確定該結構的載荷和設計。”Hernando說道。
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——一個用在鋪放帶的過程中，一個用在輥之間。“在OUTCOME項目中，我們對材料的冷卻過程進行管理，以控制聚合物的結晶，從而確保機械性能。”Hernando 解釋說，“但現在，在做出更多的演示器后，我們更進了一步。通過使用自熱模具，我們可以使材料得到更好的結晶，這還有助于防止熱殘余應力和形狀變形。因此，我們現在使用分段激光器和單個壓實輥。”
FIDAMC 還將使用AFP ISC為HERWINGT襟翼演示器生產復合材料的結構。“為此，我們將使用東麗(荷蘭 Nijverdal)的TC1225 預浸帶，但僅限于我們負責的下蒙皮和翼梁。Aciturri 將負責協調其他使用各種技術的結構。”
TC1225預浸帶由碳纖維和威格斯（英國克利夫利斯）的LMPAEK聚合物制成。Hernando表示：“我們在MFFD項目中使用這種低熔融溫度的材料，不是直接用于整個8米的演示器，而是用于Aernnova的小型測試中。因此，由于我們對APC2進行了全面的測試，我們希望提取LMPAEK的相同信息，以便工程部門能夠針對不同的結構，為這些AFP ISC 設計作好計算和準備。”
03變形機翼部件
HERWINGT項目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。“我們的想法是，在不使用傳統控制表面的情況下，讓機翼表面能夠改變形狀，以便結構（通常是后緣和前緣）不使用由傳統致動器移動的獨立部件。”米蘭理工大學航空航天科學與技術教授Sergio Ricci博士解釋道，“這很有挑戰性，因為必須同時解決兩個不同的問題：部件的結構能夠變形，以及為空氣動力學性能選擇最佳形狀。”
全尺寸風洞原型配備了Polimi開發的變形副翼（圖片來源：米蘭理工大學）
“在HERWINGT項目中，我們正在開發3種主要的解決方案。”他繼續說道，“前兩種涉及變形的前緣和后緣，有兩種不同的應用：襟翼和副翼。變形的前緣和后緣副翼由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項目的另一個合作伙伴Centro Italiano Ricerche Aerospaziali（簡稱CIRA，意大利卡普阿）。第三種解決方案是由另一個小組開發的變形支柱，這將在下面討論。
用復合材料開發所有這些變形結構。“如果你想通過結構的變形來實現形態的變化，就需要使用伸長率非常高的材料，這種材料在某些情況下具有可調的內部剛度。”Ricci說道，“纖維增強復合材料是最靈活的解決方案，因為可以優化纖維取向以獲得所需的性能。”盡管這些解決方案是基于碳纖維增強聚合物(CFRP)，但 Polimi團隊決定使用玻璃纖維增強環氧樹脂。“這取決于需要多大的變形。對于變形后緣襟翼，需要的變形非常大，而副翼并不那么具有挑戰性，因為只需要上下移動。每一次有不同的要求時，都可以為此選擇最好的材料。”他解釋道。
在HERWINGT項目中，Polimi正在開發一種用于前緣和后緣的變形副翼，該副翼由玻璃纖維/環氧樹脂制成（圖片來源：HERWINGT項目的帖子和米蘭理工大學）
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。“但也是因為我們大約在10年前就開始了這類研究，我們所有其他的演示器都是基于玻璃纖維的，因此，我們在這方面有很多知識和經驗，而且對這種材料的性能感到滿意。”Ricci 說道，“此外，還存在疲勞等其他問題?，F在，我們決定不在材料方面考慮太多，堅持采用我們已驗證過的材料。”
他指出，由Polimi在HERWINGT項目中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的復合材料。我們沒有使用壓電材料等。我們正在研究前緣，它將與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尺寸的測試。”
04變形復合材料翼柱
HERWINGT項目的第三個變形開發項目涉及翼柱，正在代爾夫特理工大學（簡稱TU Delft，荷蘭）完成。代爾夫特理工大學的兩位研究人員——航空結構和材料研究工程師Xavier Carrillo Córcoles和航空工程助理教授 Jurij Sodja對此作了解釋。其理念是，既然在HERWINGT項目中考慮用于混合動力支線飛機（HERA）的桁架支撐翼已有支柱，為什么不利用這些以及傳統的控制面，讓支柱也改變形狀呢？
“幾年來，代爾夫特理工大學一直在研究變形表面，包括前緣和后緣部件。我們的想法是，可以在底部蒙皮中引入一個槽，然后拉動或推動變形表面的底部蒙皮，這將導致所需要的偏轉，從而提高空氣動力學效率。”Córcoles說道。
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（圖片來源：HERWINGT項目）
“這是我們的第一個概念，現在我們通過Smart X 和 Smart Alpha 版本對其進行了改進。作為概念驗證，這些版本在風洞中得到了測試。”他繼續說道，“對于 HERWINGT項目，我們正在使用復合材料進行迭代。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，可以根據翼型的扭曲和外傾進行差分驅動，以便能夠根據飛行條件控制并優化其形狀，比如在爬升或巡航期間。”
Sodja 解釋了為什么不能使用連續的復合材料蒙皮：“我們主要通過彎曲變形來移動結構。但是，如果應用它而使一個模塊向上偏轉，使相鄰的模塊向下偏轉，則會在結構中產生很大的拉力和剪力。相反，我們切掉了蒙皮的尾部，并用彈性材料來代替它，使其更柔順。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，從而與復合材料層壓板保持良好的粘接。”
Sodja指出，變形支柱很可能使用玻璃纖維增強環氧樹脂。“只要結構要求不太高，玻璃纖維層壓板的性能就比其他材料的更好。比如，由于玻璃纖維層壓板的柔韌性更高，所以能顯著降低致動載荷，從而減輕致動器的重量，因此還能減少這種變形概念的重量損失。”
代爾夫特理工大學為變形航空結構開發的有限元建模顯示了3種主要的載荷情況（圖片來源：“使用集成和分布式后緣外傾角設計智能變形機翼”一文的圖16，作者：Jurij Sodja 等人）
對于HERWINGT項目，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阻力以及對這些變形機制的極限。
05數字孿生
推進數字孿生的使用是HERA和HERWINGT項目的主要目標。“數字孿生是用于編譯‘與整個生命周期過程相關的’產品所有信息的框架，這包括制造、組裝和定期維護。因此，數字孿生必須由參與開發和使用過程的每一個利益相關者來提供。”空客的結構設計工程師及HERWINGT項目的機翼結構設計團隊成員 Miriam Agúndez Manzano 解釋道。
“在復合材料部件中，數字孿生在生成和集成這些數字模型的設計-制造階段具有特殊的意義。”她補充道，這不僅包括部件的形狀，還包括纖維在層中的取向和排列（參考軸），以及表面防護、部件重量和互換性等。“然后，生成的‘竣工'模型將在使用中通過傳感器而受到監控，以實時評估結構狀況。”
“實際上，數字孿生的核心元素本質上是一個大型數據庫，它包含了部件開發過程中所有涉及學科輸入的信息——包括應力、疲勞、設計、制造、可維護性等，并準備包含與生命周期的未來步驟相對應的信息。”Manzano 說道，“數字孿生還包含一組算法，用于預測失效模式的最終演變，以便使結構的維護計劃適應其實際狀況。”
“對于HERWINGT項目，考慮到數字孿生技術在設計層面的演示器開發中非常有用且更高效，因為這些信息必須在合作伙伴之間共享，所以使用數字孿生使我們能夠為開發的不同步驟提供單一的'事實來源'，其中所需的所有信息都隨時可用。”Manzano 總結道。
原文鏈接
https://www.compositesworld.com/articles/advancing-thermoplastic-composite-primary-structure-and-morphing-wings
