“HiCAM 正在使復合材料廣泛應用于下一代飛機。為了做到這一點，我們需要創建能夠以具有競爭力的成本快速生產飛機的建造系統，”位于弗吉尼亞州 NASA 蘭利研究中心的 HiCAM 項目經理 Rick Young 說。

 

碳纖維的近距離視圖，它在制造之前從線軸上開始。
 

碳纖維是一種廣泛使用的復合材料，在被制造成飛機部件之前，它開始使用像這張圖片中的線軸一樣。像這樣的復合材料用于波音 777 飛機等。

 

HiCAM 是可持續飛行伙伴關系 (SFNP) 的一部分，NASA 及其在工業、學術界和政府方面的合作伙伴正在努力利用綠色技術使航空業更具可持續性。

 

通過用復合材料制造更多的飛機部件——可以是定制的塑料、石墨和陶瓷等材料的混合物——飛機的重量可以大大減輕，從而提高燃油效率。

 

但是復合材料如何使這些創新設計成為可能呢？

 

“復合材料工作原理的一個很好的類比是一張膠合板，”楊說。“它有很多層木頭，每一層的紋理都朝著不同的方向延伸。這些層堆疊起來并粘合在一起，制成膠合板。將層放在不同的方向可以防止每一層木材沿著紋理分裂，使其更堅固。”

 

復合材料具有多層纖維增強材料，通常是塑料。這些層非常薄——只有一張紙的厚度——并且由比人類頭發小 10 倍的堅硬、輕質的石墨纖維制成。每一層都以不同的方向運行，當它們堆疊在一起并硬化時，它們會形成一個不易斷裂的堅硬結構。

 

因此，復合材料可以比目前用于飛機制造的金屬更堅固、更輕。這種品質還使飛機設計師能夠更有創意地提出有助于減少燃料使用的創新空氣動力學形狀。

 

在接下來的 20 年中，商業航空機隊將需要大約 40,000 架新飛機來滿足日益增長的航空旅行需求并更換老化的客機。

 

老舊飛機的退役，加上航空旅行需求的預期增長，將取代目前機隊的大部分，并將其規模擴大一倍。單通道市場將需要這些新飛機中的大部分。

 

碳纖維線軸被用于制造波音 777 飛機的機翼部分。

 

“目前，像波音 737 這樣的單通道客機每月以大約 60 架飛機的速度建造，它們是由金屬結構制成的。已經使用復合材料的飛機，如空客 A220 或更大的波音 787 夢幻客機，每月的生產速度不超過 14 架，”楊說。

 

HiCAM 的目標是加快這一進程，力爭實現每月使用復合材料制造 80 架飛機的能力。為了實現這一目標，研究人員正在研究哪種復合材料和構造方法可以好地加速到這種高生產率。

 

“我們正在做的大部分工作是將復合材料的生產提升到一個新的水平。我們正在采用已經被證明的方法，并找出如何更快地做到這一點。提高生產率可以顯著降低復合結構的成本，這是國際競爭所必需的，”Young 說。

 

生產速度受限于制造零件、組裝它們以制造大型飛機部件以及檢查結果質量所需的時間。

 

目前由復合材料制成的大多數飛機部件都是熱固性材料，其工作原理類似于房屋周圍使用的兩部分環氧樹脂。當這兩種材料混合并加熱時，會發生化學反應，將它們結合成一個堅固的剛性物體。該過程是不可逆的，兩種材料無法再次分離。

 

對于每個零件，原始復合材料逐層放入模具中。模具的柔性內容物通過在稱為高壓釜的巨大烤箱中在高溫和高壓下固化而變成固體。

 

總而言之，這是一個漫長的過程，將材料放入模具中，為高壓釜準備，在高壓釜內固化長達八小時，冷卻并組裝成成品組件——更不用說整個過程所需的所有檢查了。

 

HiCAM 工作的核心是研究哪些復合材料在高壓釜中固化速度快，哪些可以在不使用高壓釜的情況下固化，以及是否有其他復合材料可以用于飛機制造。

 

例如，該項目正在考慮使用熱塑性材料的想法。與熱固性塑料相反，熱塑性塑料類似于膠棒或熱膠。當加熱時，它們會融化成液體。冷卻后，它們會以任何新的形狀變成固體。

 

“熱塑性塑料不像熱固性塑料那樣需要長達八小時的烘烤過程。它們已廣泛用于飛機內部，例如頭頂儲物箱，但它們從未在飛機制造業中用于機翼或機身等大型部件，”Young 說。

 

除了熱塑性塑料，HiCAM 還在研究使用新樹脂將固化時間從幾小時縮短到幾分鐘，甚至完全不需要高壓釜。

 

HiCAM 尋求加快生產速度的另一種方法是減少裝配時間。目前，由復合材料制成的飛機部件被制成較小的部件，并使用數千個緊固件組裝在一起。HiCAM 正在研究的一種解決方案是在復合材料部件固化之前將其“縫合”在一起——有效地制造一個不需要緊固件的大型復合材料部件。

 

生產過程中其他耗時的步驟是人類執行某些任務（例如檢查）時。有時，這會減慢整個裝配線的速度，尤其是在發現組件存在缺陷的情況下。

 

為了解決這些延遲，HiCAM 正在研究如何讓檢查等任務更加自動化，這將加快處理速度。還被關注的是現場檢查，或制造過程本身的檢查。

 

HiCAM 正在與先進復合材料聯盟的行業合作伙伴合作開發這些高速復合材料制造工藝。行業合作伙伴包括飛機制造商、設備和軟件開發商以及材料供應商。

 

“我們所追求的技術旨在用于 2030 年代初期投入使用的新型運輸機，”Young 說。“HiCAM 的目標是證明到 2026 年復合材料的建造率可以達到，然后將技術轉移到航空業，以便他們可以在新的飛機生產計劃中實施。”

 

雖然 HiCAM 的重點是運輸機，但 Young 指出該技術在其他應用方面的潛力，包括用于先進空中機動性的小型飛機結構。