經(jīng)過洛克希德·馬丁臭鼬工廠九年的設(shè)計、制造、組裝和測試，美國國家航空航天局(NASA)的復(fù)合材料密集型X-59 QueSST實驗飛機(jī)將于2022年底首次飛行。

 

X-59 QueSST飛機(jī)設(shè)計圖

商業(yè)超音速航空旅行有望使乘客或貨物的運(yùn)輸速度達(dá)到當(dāng)今航班的兩倍。然而，最大的障礙之一一直是雷鳴般的音爆，這是由飛機(jī)周圍高壓下的空氣位移引起的，飛機(jī)的飛行速度超過了音速。由于這種噪音干擾，自1973年以來，美國聯(lián)邦航空管理局(FAA)一直禁止飛行速度超過1馬赫(音速)的陸上民用飛機(jī)。

美國國家航空航天局（美國華盛頓特區(qū)）通過其低空飛行演示項目，旨在通過開發(fā)一種旨在大幅降低音爆噪音水平的實驗X飛機(jī)，為陸上商業(yè)超音速航空旅行鋪平道路。這架名為X-59靜音超音速技術(shù)(QueSST-Quiet SuperSonic Technology)飛機(jī)的飛機(jī)將飛越美國的選定城市，美國國家航空航天局將在那里進(jìn)行社區(qū)反應(yīng)研究，以獲取有關(guān)聲級和社區(qū)反應(yīng)的數(shù)據(jù)。目標(biāo)是讓這些數(shù)據(jù)有助于為美國聯(lián)邦航空局等監(jiān)管機(jī)構(gòu)提供信息，因為它制定了新的可接受的噪音標(biāo)準(zhǔn)，以便在不久的將來實現(xiàn)陸上商業(yè)旅行。

X-59是與合作伙伴洛克希德·馬丁臭鼬工廠(美國加利福尼亞州帕姆代爾)共同開發(fā)的一款有人駕駛的實驗飛機(jī)，幾乎準(zhǔn)備好在今年晚些時候進(jìn)行首次飛行測試。預(yù)計它的飛行速度將達(dá)到1.4馬赫（約每小時1074英里），同時將音爆降低到美國國家航空航天局所說的聲波“砰砰”，主要是通過飛機(jī)獨特的形狀實現(xiàn)的。X-59的長而窄的機(jī)頭和由碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制成的三角形機(jī)翼旨在傳播超音速沖擊波，從而減少地面上聽到的聲音。發(fā)動機(jī)也放置在機(jī)翼上方，以進(jìn)一步降低噪音。

設(shè)計過程：需求和多團(tuán)隊數(shù)字設(shè)計

洛克希德·馬丁公司的臭鼬工廠以開發(fā)創(chuàng)新的一次性和原型飛機(jī)而聞名，包括之前為美國國家航空航天局開發(fā)的幾架X飛機(jī)。洛克希德·馬丁臭鼬工廠X-59的高級航空工程師吉恩·福爾索姆(Gene Folsom)說：“制造一次性、原型和X飛機(jī)，這是我們的遺產(chǎn)。我們已經(jīng)做了很長時間了，我們這里的文化使我們作為工程師能夠有廣泛的理解；我們都擅長自己加工零件。我們每個人的手上都有傷口，指甲下都有樹脂。”

該公司在X-59上的工作始于2013年，當(dāng)時洛克希德贏得了美國國家航空航天局的項目合同。美國國家航空航天局設(shè)定了各種空氣動力學(xué)、機(jī)械和其他要求—飛機(jī)需要達(dá)到的高度、在空中的時間、機(jī)動能力等—但每種設(shè)計選擇的驅(qū)動因素都是需要小于75分貝的音爆特征，或者大約是汽車車門砰砰作響的響度。據(jù)美國國家航空航天局稱，典型的音爆可以超過110分貝，大約相當(dāng)于雷聲的響度。

 

美國國家航空航天局(NASA)X-59復(fù)合材料密集型超音速飛機(jī)實現(xiàn)商業(yè)超音速航空旅行。X-59的目的是驗證是否有可能建造一架超音速飛機(jī)，為陸上旅行達(dá)到可接受的音爆水平。美國國家航空航天局希望X-59的飛行和感知測試將制定新的法規(guī)，允許陸上超音速航空旅行，并且X-59的設(shè)計將有助于為未來的商用飛機(jī)設(shè)計提供信息。

洛克希德·馬丁臭鼬工廠X-59項目總監(jiān)大衛(wèi)·理查森(David Richardson)解釋說，洛克希德是最合適的，部分原因是他的團(tuán)隊開發(fā)了一種預(yù)測代碼，可以根據(jù)所需的音爆水平虛擬生成飛機(jī)的最佳形狀。他說：“我們實際上可以控制和預(yù)測音爆的響度。”。

洛克希德·馬丁臭鼬工廠X-59飛行器負(fù)責(zé)人邁克爾·布奧納諾(Michael Buonanno)博士解釋了設(shè)計方法：“我們研究了建造X-59的不同方法，不僅包括不同的材料，還包括零件本身的類型。我們研究了飛機(jī)應(yīng)該能飛多快，甚至在一段時間內(nèi)，還考慮了X-59是否應(yīng)該是無人駕駛飛機(jī)。”這架飛機(jī)最終是為飛行員設(shè)計的，以確保在飛機(jī)執(zhí)行超音速飛行任務(wù)并在美國大陸上空飛行時，能夠更好更快地做出現(xiàn)場決策。布奧納諾指出，雖然X-59將以1.4馬赫的速度飛行，這是飛機(jī)的極限。通用電氣F414發(fā)動機(jī)，未來低噪音客機(jī)的目標(biāo)速度為1.6馬赫。

設(shè)計成果

X-59的細(xì)長機(jī)頭、發(fā)動機(jī)和進(jìn)氣道位置以及其他功能旨在“重塑”飛機(jī)飛行過程中發(fā)生的沖擊波，從而產(chǎn)生安靜的聲波“砰砰”聲。

鼻部較重的設(shè)計導(dǎo)致了以復(fù)合材料為主的上半部分和機(jī)翼，而下半部分則以金屬為主。

CFRP機(jī)翼蒙皮由洛克希德·馬丁公司通過AFP制造。其他組件由合作伙伴制造，并由洛克希德公司組裝。

福爾索姆補(bǔ)充說，與商業(yè)客運(yùn)飛機(jī)不同，，剛度是設(shè)計的關(guān)鍵力學(xué)要求。“大多數(shù)飛機(jī)—戰(zhàn)斗機(jī)、貨機(jī)—們的設(shè)計都非常堅固，可以攜帶大量有效載荷。好吧，對于X-59來說，你沒有這個。這實際上是一種剛度驅(qū)動的設(shè)計，而不是強(qiáng)度驅(qū)動的設(shè)計。這意味著我們在飛行過程中對機(jī)翼、機(jī)頭或任何控制面的任何偏轉(zhuǎn)都非常敏感—如果我們遇到湍流顛簸，或者我們故意轉(zhuǎn)彎等等。”理查森補(bǔ)充說，由于只會建造一架X-59，團(tuán)隊不得不對機(jī)械要求進(jìn)行過度設(shè)計，以消除任何出錯的機(jī)會，并確保飛機(jī)在機(jī)身壽命期間能夠滿足所有負(fù)載要求。

為了優(yōu)化飛機(jī)設(shè)計，洛克希德·馬丁臭鼬工廠的許多團(tuán)隊在七個月的時間里進(jìn)行了合作：空氣動力學(xué)、音爆專家、負(fù)載、壓力、設(shè)計。福爾索姆將這種反復(fù)調(diào)整的過程描述為一種平衡，需要做出妥協(xié)，并在鋪層計劃和部件幾何形狀上進(jìn)行大量的微調(diào)，以實現(xiàn)對整體剛度的適當(dāng)控制，以及在需要的地方實現(xiàn)定制的柔韌性，空氣動力學(xué)和強(qiáng)度，所有這些都旨在制造出效率最高、產(chǎn)生最微弱音爆的飛機(jī)。

福爾索姆說，在這個過程中，每個團(tuán)隊都使用了各種設(shè)計軟件工具，在“閉環(huán)循環(huán)”中協(xié)同工作。這包括空氣動力學(xué)和基于模型的設(shè)計軟件，如達(dá)索系統(tǒng)公司（法國Vélizy Villacoublay）的CATIA，用于設(shè)計和制造規(guī)劃。達(dá)索的Abaqus、MSC Software（美國加利福尼亞州紐波特比奇）的NASTRAN和幾個內(nèi)部工具都被用來分析模型。在現(xiàn)場，制造和裝配工作通過達(dá)索公司的Composer軟件在手持平板電腦上接收實時的圖紙信息。

美國國家航空航天局的團(tuán)隊也參與了整個設(shè)計過程，提供了需求，在開始時幫助進(jìn)行設(shè)計分析，現(xiàn)在則進(jìn)行系統(tǒng)測試。美國國家航空航天局還直接在飛機(jī)上提供了幾個系統(tǒng)，例如外部視覺系統(tǒng)，以及與其它X飛機(jī)一樣，重復(fù)使用國防裝備的部件，包括退役F-16或F-18的起落架和執(zhí)行器。

X-59 QueSST：材料、結(jié)構(gòu)

在洛克希德·馬丁公司的網(wǎng)站上，X-59被描述為“類似于未來派的紙飛機(jī)”，它包括一個99.7英尺長的機(jī)身，有一個34英尺長的懸臂式機(jī)頭，一個29.6英尺長的單件三角翼，一個沒有前向窗戶的駕駛艙，發(fā)動機(jī)和風(fēng)道放置在機(jī)翼上方以進(jìn)一步降低聲音。整體外觀旨在“重塑”或分散飛機(jī)飛行過程中發(fā)生的移位空氣—沖擊波，從而產(chǎn)生更安靜的音爆。

在設(shè)計過程的早期就對材料進(jìn)行了評估——洛克希德團(tuán)隊確定，由于這是一架一次性飛機(jī)，因此只會使用高度成熟的材料系統(tǒng)和技術(shù)。理查森說：“X-59上根本沒有使用新的材料科學(xué)技術(shù)，所有的材料，無論是金屬還是復(fù)合材料，都在臭鼬工廠有先例。”。“我們的目標(biāo)不是開創(chuàng)任何制造或材料技術(shù)——它的真正目的是從飛機(jī)上產(chǎn)生聲音（以滿足美國宇航局的要求）。”

根據(jù)布奧納諾的說法，最終的設(shè)計是在飛機(jī)的尾部和后半部分（包括機(jī)身）更多地以金屬為中心，在機(jī)翼和飛機(jī)的前半部分（包括機(jī)頭）使用更多的復(fù)合材料。布奧納諾解釋說，這種材料的選擇是由發(fā)動機(jī)艙的熱要求以及飛機(jī)前部的重量關(guān)鍵性決定的。考慮到與傳統(tǒng)商用飛機(jī)相比，機(jī)頭的長度和寬度，他指出，“這架飛機(jī)非常不尋常，因為它的機(jī)頭重而不是機(jī)尾重，這意味著我們需要盡可能地減輕機(jī)頭的重量。”

 

美國國家航空航天局X-59超音速飛機(jī)的復(fù)合材料機(jī)頭設(shè)計鼻錐。碳纖維復(fù)合材料鼻錐包括粘合和緊固在一起的左半部分和右半部分。它的設(shè)計是為了在頂部和底部接縫處重疊材料，以增加剛度，防止飛行過程中機(jī)頭彎曲。

在最終設(shè)計中，復(fù)合材料用于制造機(jī)頭和梁(原文chines)；頂部和底部機(jī)翼蒙皮；襟翼、方向舵和副翼；飛機(jī)頂部的T型尾后緣；穩(wěn)定器的尖端，即后部的水平尾翼；XVS攝像機(jī)上方的圓頂；以及進(jìn)氣導(dǎo)管。按重量計算，復(fù)合材料部件約占9500磅空機(jī)身的2050磅(22%)。為這些部件選擇的最流行的復(fù)合材料是索爾維-Solvay(比利時布魯塞爾)的MTM-45碳纖維/環(huán)氧預(yù)浸料，該預(yù)浸料最初是為了實現(xiàn)高熱壓罐外(OOA- out-of-autoclave)固化而開發(fā)的。

理查森指出：“如果你在未來，比如10年后，去一架投入運(yùn)營的客機(jī)上，我相信你會看到一系列截然不同的材料。”他說，對于商用飛機(jī)來說，重量輕—導(dǎo)致航程更長和/或有效載荷能力更高—將更加重要，為更多潛在的復(fù)合材料應(yīng)用打開大門。

機(jī)翼：自動鋪絲（AFP）

福爾索姆說，將子系統(tǒng)放在X-59機(jī)翼上方“驅(qū)動了聲音，但這并不是促使我們在機(jī)翼表面上使用復(fù)合材料而不是金屬的原因”。仔細(xì)觀察,機(jī)翼蒙皮遠(yuǎn)非平坦表面— 每一平方英寸都與周圍的平方英寸不同，不平在不斷變化”—這將使拉伸成型鋁等金屬制品變得復(fù)雜，使用成本高昂。他說：“機(jī)翼需要復(fù)合材料來完成復(fù)雜的曲線。金屬甚至從未被考慮過。”。復(fù)合材料還允許團(tuán)隊在不同方向上調(diào)整剛度。福爾索姆指出：“你可以通過改變層壓板來定制它——你不能用金屬來做到這一點。”。

 

英格索爾自動鋪絲機(jī)為NASA X-59鋪放機(jī)翼蒙皮機(jī)翼制造。復(fù)合材料機(jī)翼蒙皮由洛克希德·馬丁公司使用該公司的英格索爾AFP系統(tǒng)和烤箱固化制造。

頂部和底部機(jī)翼蒙皮由0.2英寸厚的實心層壓板制成，由MTM-45 4英寸寬的單向(UD)膠帶鋪成，使用英格索爾機(jī)床(美國伊利諾伊州羅克福德)提供的洛克希德公司內(nèi)部Mongoose自動纖維鋪放(AFP)機(jī)器。“這是世界上最大的AFP之一，” 福爾索姆說。“我們可以制作一個房間大小的層壓板，而且耗不費力。”這種五軸龍門式AFP系統(tǒng)使用局部紅外加熱器暫時增加粘性，以改善每條膠帶的分層，并在AFP期間將其固定到位。隨后進(jìn)行烤箱固化。

下機(jī)翼蒙皮是一個連續(xù)的結(jié)構(gòu)，減去起落架的幾個孔，而上機(jī)翼蒙皮被制造成兩個單獨的部件，位于在中間34英寸金屬蒙皮部分的兩側(cè)。福爾索姆解釋說：“這樣我們就有了檢修面板、燃油泵和油箱內(nèi)其他東西的地方，而且這是一個安全、方便維修人員行走的地方。”。

 

制造和組裝機(jī)翼。機(jī)械緊固件與粘合一起使用，將復(fù)合材料頂部和底部機(jī)翼蒙皮固定到機(jī)翼內(nèi)部的金屬肋和加強(qiáng)筋上。

細(xì)長的鼻子：三明治結(jié)構(gòu)，熱壓罐固化

近三分之一的飛機(jī)被34英尺長的機(jī)頭占據(jù)。根據(jù)美國國家航空航天局的說法，這個鼻子的長度和形狀是超音速飛行中重新配置沖擊波的一個基本特征。

299磅重的鼻子由左右兩半組成，沿著上下接縫粘合并栓接在一起。福爾索姆說，通常情況下，這樣的鼻子會被制造成上半部分和下半部分，但X-59鼻子的長度和狹窄程度要求頂部和底部具有額外的剛度，以防止彎曲。他說：“連接邊緣的層壓板重疊被戰(zhàn)略性地放置在鼻部的頂部和底部，這意味著纖維層增加了一倍，增加了剛度。”他指出，該區(qū)域的作用類似于工字梁的蓋子。

每一半都是三明治板，外層層壓板上有七層MTM-45織物，內(nèi)層有三層，中間有蜂窩芯。這些材料被放置在真空袋下的陰模上，然后在熱壓罐中固化。洛克希德·馬丁公司最初設(shè)計了機(jī)頭，然后將其最終的層壓設(shè)計和制造承包給了另一家供應(yīng)商。

附加復(fù)合材料組件

與機(jī)頭一樣，X-59上的其他復(fù)合材料部件由洛克希德公司設(shè)計和組裝，但由制造合作伙伴制造。

 

檢查進(jìn)氣道。洛克希德·馬丁公司設(shè)計并由合作伙伴制造的復(fù)合材料進(jìn)氣道，設(shè)計用于與發(fā)動機(jī)和其他幾個系統(tǒng)一起放置在飛機(jī)機(jī)翼上方。

機(jī)頭和機(jī)翼蒙皮是最大的復(fù)合材料部件，但理查德森（(Richardson)表示，設(shè)計中最具挑戰(zhàn)性的是一些最小的部件：襟翼、副翼和方向舵。他說：“這些零件在后緣變得非常薄，需要大量的手工和藝術(shù)才能將它們組裝在一起，以滿足施加在它們身上的負(fù)載。”。“它們是飛機(jī)上負(fù)載非常高的部件。”副翼和襟翼只有3英寸厚。

半自動裝配

在所有金屬和復(fù)合材料部件制造完成后，洛克希德·馬丁臭鼬工廠于2018年開始組裝X-59，并于2021年底完成。

洛克希德·馬丁臭鼬工廠最近為X-59項目購置了一臺名為“聯(lián)合操作：螺栓連接和機(jī)器人自動鉆孔系統(tǒng)”(COBRA-Combined Operation: Bolting and Robotic AutoDrill system)的Electroimpact(美國華盛頓州穆基勒奧)機(jī)器人鉆孔機(jī)。

這是專門為機(jī)翼組裝而購買的。根據(jù)福爾索姆的說法，制造復(fù)合材料機(jī)翼蒙皮（或通過AFP制造的任何大型復(fù)合材料層壓板）所涉及的最勞動密集型過程之一是組裝。X-59機(jī)翼內(nèi)部包括金屬翼梁和翼肋，所有這些都需要機(jī)械地固定在機(jī)翼蒙皮上。

他說，在使用了如此多的自動化技術(shù)來制造蒙皮之后，“一群人用手和膝蓋爬行，用手鉆孔有點自相矛盾”。他解釋說，之所以選擇金屬子結(jié)構(gòu)，“是因為它們對力有線性反應(yīng)，便于分析。它們的初始失效機(jī)制是彎曲而不是斷裂，并且它們可以很容易地適應(yīng)燃料泵和探頭等子系統(tǒng)的多個連接點。”

 

自動鉆孔。在這個項目中，洛克希德·馬丁公司獲得了一個Electroimpact七軸機(jī)器人鉆孔系統(tǒng)，以節(jié)省X-59機(jī)翼組裝的時間和勞動力。該公司計劃繼續(xù)將該機(jī)器用于其他程序。

COBRA是一種七軸機(jī)器人鉆孔工具，能夠一次性鉆穿機(jī)翼蒙皮、粘合劑和鋁骨架，并按照編程模式對其進(jìn)行檢查和制埋頭窩。福爾索姆說：“我們在大約五天的時間里自動鉆了成千上萬個孔，這為我們節(jié)省了數(shù)月的手工時間，也消除了人為錯誤。”。

福爾索姆解釋說，整個機(jī)翼部分是倒置組裝的。下復(fù)合蒙皮通過粘合劑和機(jī)械螺釘連接到金屬（主要是鋁，在需要更高強(qiáng)度的區(qū)域有一些鈦）內(nèi)部零件。然后將整個結(jié)構(gòu)翻轉(zhuǎn)過來，用螺釘和臨時粘合劑連接上機(jī)翼蒙皮。這將允許以后擰松并提起頂部機(jī)翼蒙皮，以安裝最終的子系統(tǒng)和油箱。在機(jī)翼內(nèi)安裝所有子系統(tǒng)后，機(jī)翼蒙皮將重新緊固并用AMS 3277密封膠粘合。

首次飛行的測試和步驟

2022年初，完成的機(jī)身通過陸路運(yùn)輸?shù)矫绹驴怂_斯州沃思堡的洛克希德·馬丁公司的測試設(shè)施。在那里，它經(jīng)歷了幾個月的地面測試，以確保結(jié)構(gòu)本身能夠承受超音速飛行中通常發(fā)生的載荷和應(yīng)力，并校準(zhǔn)和測試燃料系統(tǒng)。

3月下旬，X-59被移回棕櫚谷，完成發(fā)動機(jī)、接線和幾個子系統(tǒng)的安裝，隨后進(jìn)行了數(shù)月的系統(tǒng)和發(fā)動機(jī)測試，最終于2022年底進(jìn)行首次飛行。

理查森解釋說：“隨著我們進(jìn)入飛行測試階段，美國國家航空航天局將在該計劃中扮演更多的角色，包括測試工程師和提供飛行測試支持。然后，隨著我們在飛行測試計劃中的遷移，他們將開始對飛機(jī)進(jìn)行維護(hù)，直到最終我們將鑰匙交給美國國家航空宇航局，他們擁有并自行維護(hù)。”

屆時，美國國家航空航天局將開始自己的飛行測試，計劃在2024年至2026年間進(jìn)行社區(qū)反應(yīng)研究，讓飛機(jī)飛越選定的美國社區(qū)。

補(bǔ)充資料

什么是音爆？

 

音爆是一種低沉的、雷鳴般的噪音，可以感覺到突然的沖擊或震動，也可以聽到。

它通常被描述為聽起來像是一聲巨響。

當(dāng)任何飛機(jī)飛行時，它都會產(chǎn)生聲波——例如發(fā)動機(jī)噪音和空氣摩擦。

聲波以每小時約750英里的速度傳播，但一旦飛機(jī)速度超過聲波速度，聲波就會聚集并結(jié)合形成沖擊波或音爆。

原文，《Digital design, multi-material structures enable a quieter supersonic NASA X-plane》 2022.5.2