【航空航天】復合材料小型直升機駕駛艙
“清潔天空 2 號”RACER下一代旋翼飛機 圖片來源：空中客車直升機
空中客車直升機公司（法國馬里尼昂）于2017年6月推出了 快速且具有成本效益的旋翼機概念，旨在實現優化的垂直起飛、懸停和快速向前巡航的近乎神話般的組合。該公司之前的X3演示機已經證明了使用復合空氣動力學配置（傳統的主旋翼與創新的側旋翼相結合）實現這種性能的能力。RACER在V形箱形機翼的末端增加了推進器，并通過不對稱的H形尾梁改善了懸停。RACER也是為速度而設計的，可實現400公里/小時的巡航，而普通直升機的最高速度為260公里/小時。其目標是提高緊急醫療和搜救任務的績效，通過在第一個關鍵的“黃金時段”內到達人們手中來提高生存率。
RACER是“清潔天空 2 號”計劃的快速旋翼 飛行器創新飛機演示平臺 中的兩個概念之一。另一種是下一代民用傾轉旋翼機演示機。作為“清潔天空 2 號”的一部分，RACER由歐洲25個多 合作伙伴財團開發和建造，其設計也側重于提高可持續性，包括二氧化碳和氮氧化物排放量降低20%，與現有直升機相比噪音降低， 購買價格和運營成本降低25%。
RACER進步的一個關鍵貢獻是其機身設計，包括前機身，針對低阻力空氣動力學、抗沖擊性和最大化飛行員視野進行了優化， 同時將成本和重量降至最低。RACER的前機身由四個碳纖維增強聚合物部件組成：雷達罩、中央殼體/機頭殼體、航空電子設備艙梁和駕駛艙殼體/座艙蓋。
RACER 前機身采用一體式座艙蓋
這些部件的設計和制造被授予了FastCan聯合體，該聯合體由 總部位于德國霍亨塔恩的KLK Motorsport和Modell und Formenbau Blasius Gerg GmbH（Gerg M&F）組成。兩家公司都擁有豐富的復合材料專業知識，但大多來自賽車和汽車行業，而不是旋翼機或航空航天。Clean Sky FastCan項目負責人Andrzej Podsadowski解釋道：“當KLK Motorsport響應號召時，很明顯，他們在汽車設計方面的 專業知識將具有相關性，并為這個項目增加額外的維度。”“很明顯， 從航空業之外帶來新的想法，以及他們對如何設計一種輕便、耐沖擊、低成本的解決方案的理解，將對 FastCan有利。” KLK Motorsport首席執行官Kaspar Krause表示：“對于我們公司和Gerg M&F來說，這是一個開拓新市場的機會。”“我們的目標是成為創新航空航天部件和系統的設計、開發和制造的既定合作伙伴。”KLK Motorsport擔任FastCan協調員，負責駕駛艙結構的設計，包括優化材料鋪設和空氣動力學性能和抗沖擊性測試，而 Gerg M&F負責工具的設計和制造，以及可飛行的復合材料前機身的制造，為組裝做好準備。
開發集成設計
RACER前機身的初步設計由空中客車直升機公司提供。Gerg M&F的項目經理Christoph Stark說，它是由多個組件組裝而成的， “包括駕駛艙頂、駕駛艙框架、側柱和窗圍，以及下殼體，也是多個部件，然后是雷達罩。我們提高了集成度，最后是三個主要部件加上用于連接航空電子設備的橫梁。這是我們設計演變背后的最大想法-減少接口，使其更輕。“該團隊將屋頂結構集成到駕駛艙中，”克勞斯補充道，“駕駛艙本身是一個單件式部件，主要有中空部分， 也有夾層和單片部分。這也是制造挑戰之一，要在一個固化周期內 通過內部裝袋（中空部分）成型這個復雜的部件。” 對于駕駛艙，在駕駛艙頂和側柱中使用了密度為48千克/立方米的 Nomex蜂窩芯，而擋風玻璃和車門周圍的部分是中空的。駕駛艙門底部的支架使用了實心碳纖維增強塑料插件。所有的機頭外殼都使用了與駕駛艙相同的蜂窩芯，具有整體邊緣。前部還有一個中央“H”形加強件，兩側和下部前部都有加強切口。這是用贏創提供的Rohacell泡沫取芯的，因為橫截面太小，無法插入內部真空袋使其中空。雷達罩的頂部為蜂窩芯碳纖維，而雷達罩/窗為固體玻璃纖維層壓板，以提高雷達透明度；它的厚度為8毫米，以滿足空中客 車直升機公司的鳥擊沖擊要求。航空電子支架包括兩個側板和一個隔板，全部由蜂窩芯碳纖維預浸料制成，帶有用于附件的實心插件；一次注射就固化。碳纖維增強環氧樹脂預浸料用于制造除雷達罩外的所有前機身部件。斯塔克說：“我們選擇了赫氏（Hexcel 美國康涅狄格州斯坦福德市） 含有180°C固化環氧樹脂的 HexPly M18-1碳纖維預浸料，因為它已經合格，并且被空中客車公司大量使用。”Hexply1458玻璃纖維預浸料用于雷達罩。
圖 1. 復雜駕駛艙設計
KLK 對前機身所有載荷的有限元建模包括19個撞擊位置的鳥擊模擬和250頁的強度證明（右上角）。Gerg M&F完成了工具設計和工藝驗證，協助完成了350頁和10本關于駕駛 艙鋪放的復合材料層板手冊（右下）
駕駛艙設計細節
KLK Motorsport從有限元分析（FEA-finite element analysis）開始，模擬所有所需的載荷情況，并相應地優化前機身結構和材料鋪設。駕駛艙將是最復雜的?？藙谒菇忉尩溃?ldquo;我們有一個完整的駕駛艙有限元模擬模型。”，“并檢查了完整的載荷包絡：靜態載荷、動態載荷和鳥擊模擬。我們還必須建立測試金字塔，從試件開始(例如，UD和蜂窩芯層壓板的拉伸、剪切和壓縮測試])后向上移動到元件，例如中心梁上的三點彎曲測試。對于這些，我們對樣品進行了斷裂測試，并對我們的模擬模型進行了比較，同時也對失效行為進行了比較。”
克勞斯解釋說，對于前機身部件的尺寸，材料鑒定是重要而廣泛的。“特別是對于CFRP和蜂窩的組合，我們需要證明模擬預測是正確的。這是通過數字和物理測試金字塔完成的。特別是對于動態模擬，也對于線性靜態尺寸，我們必須建立正確的材料卡，顯示在正確的載荷水平和正確的失效模式下的失效。”
擋風玻璃上有這么大的切口，駕駛艙確實會受到很大的壓力。“通常不會，”克勞斯指出，“但如果你的鳥撞到了中心梁，那么你確實有很大的負載。這是駕駛艙這一部分的主要負載。”為了測試這一點，在位于斯圖加特的FastCan合作伙伴德國航空航天中心結構與設計研究所進行了“果凍鳥射擊-jelly bird shots” （鳥狀拋射物測試），以220節的速度模擬一只1公斤重的鳥?？藙谒拐f：“這些測試結果與我們的模擬模型進行了比較，結果顯示出非常相似的行為。”“我們在19個不同的撞擊位置上進行了 鳥類撞擊模擬，這實際上是確定尺寸的主要驅動因素——使駕駛艙足夠堅固，以應對所有這些鳥類撞擊。”
中心翼梁是駕駛艙最厚的部分，有4毫米。但克勞斯說，駕駛艙的許多區域的厚度都不到1毫米。“外殼確實是階梯式的，并根據強度要求進行了定制，這需要相當高保真的模擬模型，以便在局部和全局范圍內加強鳥擊。我們通過材料的定制實現了功能和組件的集成。”盡管材料定制和各種鳥擊模擬的結合似乎非常復雜，他指出，與這些鳥類撞擊模擬相比，荷蘭皇家航空公司的賽車碰撞模擬通常要大得多，也更復雜。
除了鳥類撞擊外，荷蘭皇家航空公司還在有限元建模和物理測 試中應用了從空中客車直升機獲得的空氣動力學和飛行載荷。克勞斯指出：“我們生成了250頁的強度證明。”（圖 1）。“有很多關于不同位置鳥類撞擊的文件，也有許多其他必須模擬和驗證的載荷情況。”他指出，如果沒有RACER的擋風玻璃和駕駛艙門，就無法設計和確定駕駛艙的尺寸。“這是其他項目合作伙伴的責任。因此，我們與合作伙伴交換了模擬模型，將擋風玻璃和車門集成到我們的模型中，然后還模擬了這些模型上的鳥撞鏡頭。”
適用于一體式駕駛艙的多件式工具
一旦設計最終確定并獲得空中客車直升機公司的批準， FastCan財團就開始制造。斯塔克指出：“實際上，我們從一開始就通過設計分析來開發工具概念。”這是因為駕駛艙的中空、空心和單片區域的層壓計劃需要預浸料層的特定重疊或吻合，以及中空部分的內部真空裝袋。KLK和Gerg M&F在復雜的賽車結構中非常習慣使用空心和空心部分來減輕重量。斯塔克說：“但這對空客直升機公司來說真的是一種新的做法，在一個單獨的部件中有空心、單片和蜂窩芯的部件，這些部件都在一個單一的固化周期中一起固化。”
圖2. CFRP雨棚工裝
RACER 雨棚的CFRP工具包括13個模具段和輔助工具，用于完成四件式OML工具（頂部）的層壓。中空部分疊層的每個剖面圖（底部）顯 示了兩個連接的模具（粗灰色線），帶有單獨的模具疊層（藍色和粉色）和一個內部真空袋（綠色） 當兩個模具和疊層連接時，纖維方向和疊層的交錯是匹配的。
對于RACER雷達罩和座艙蓋工具，Gerg M&F使用RAKU TOOL環氧樹脂板（德國格拉芬貝格RAMPF）創建了一個圖案，并使用CIT（意大利Legnano）的碳纖維/環氧樹脂預浸料來為座艙蓋、 雷達罩和航空電子支架模制CFRP 工具。工具在55°C下固化，并進行后固化，以使最終CFRP零件能夠在 180°C下進行熱壓罐固化。然后，這些工具通過公司的測量協議，以確保尺寸和公差。對于雨棚，將四個外模具機械固定在一起，形成作為單個工具的外模線（圖 2），同時使用 13 個模具在內部形成各種 空心、單片和芯的疊層。克勞斯說：“組裝所有這些工具部件很容易， 但內部必須按照一定的順序安裝。”“在安裝另一個之前，不能放置一個。因此，在鋪放過程中，從內側開始的這13個節段是一步一步添加的。”克勞斯解釋道，要層壓駕駛艙的這些內部部件，“它們必須在單獨的模具中層壓。上面有疊層的模具與下一個模具組裝在一起，然后兩個疊層都必須連接。當模具連接時，兩個模具中的疊層必須匹配，包括疊層的交錯（圖 2）。因此，你需要輔助工具來產生這些重疊。“（輔助工具的示例可以在圖 3 中的第三個鋪放步驟中看到）。斯塔克解釋說，組裝這些模具和它們的疊層以進行最終固化的可能順序只有一個。“我們從賽車制造中學到的是，當上籃組合在一起時， 每個簾布層只與其中一個簾布層重疊，并與相鄰的簾布層在纖維方向和鋪放順序上相匹配，這減少了重量。此外，如果簾布層錯列設 計正確，結構性能會更連續，因此更堅固。” 克勞斯指出：“一般來說，在賽車制造中，我們的集成度更高，零部件也更復雜。”“例如，與CFRP變速箱殼體相比，這些零件真的 很簡單。”可能是這樣，但所有雨棚駕駛艙工具和疊層的文檔包括10本手冊，共350頁。斯塔克說：“對于每一個單層，我們都有剖面圖， 我們有用于切割供應的CSV數據，還有一本循序漸進的順序手冊， 用于幫助鋪放技術人員。”機頭外殼和雷達罩各有一本順序手冊， 分別有77頁和73頁。
制造：首件成功
層壓開始于2020年2月18日。斯塔克說：“我們有15天的時間涂上預浸料并將其放入熱壓罐中。”。“我們有一個非常準確的計劃，當每一層都必須完成，當所有的層壓和真空裝袋都必須完成時， 不要超過材料的使用壽命。”圖3顯示了已經放置了一層的駕駛艙的外模具。斯塔克指出：“我們不使用激光投影，這個項目也沒有。”克勞斯聲稱，這并不是真正需要的，因為零件的幾何形狀在模具中有很多幾何參考。“與其說是定位和應用簾布層的問題，不如說是一個問題，”他說，這些簾布層是使用Bullmer（德國Mehrstetten）數控切割機切割的，設計成完全符合定位幾何特征。他補充道：“大多 數時候，都有一些邊緣可以參考這個位置。”“我們沒有太多位于平面區域中間的層。”他承認，就預浸料生產而言，這種鋪層非常復雜，“但我們的員工接受的培訓水平與普通層壓機不同。”斯塔克同意，“這是我們在每個項目中通常做的”。這對航空航天業來說可能是新的，但對我們來說這是標準的。賽車通常有更復雜的部件。” 大多數零件包括六個完整的簾布層，在特定區域最多有24個額外的簾布層用于局部加固。預浸料層在第一層、第三層和最后一層上被真空脫膠。斯塔克指出：“我們比空中客車公司更頻繁地對其零件進 行拆封，這也非常耗時，但必須這樣做才能使層壓板達到最佳質量。”
圖3. 駕駛艙鋪放
FastCan團隊層壓其中一個駕駛艙側殼， 應用（頂部，從左到右）：外層蒙皮、 蜂窩芯、內層蒙皮、組裝模具和真空裝袋
其中一個駕駛艙側殼的層壓步驟如圖3所示。斯塔克敘述道：“鋪設第一層表皮，然后是蜂窩。在蜂窩之后，你可以看到在第三步中，三明治的頂部表皮已經鋪設好，輔助工具已經固定在頂部。這 些工具可以幫助層壓獨立的層板，然后將其與相鄰內部工具上的層板相匹配，你可以在右邊的最終圖片中看到。”。“最后的圖像還顯示了粉紅色/橙色的內部真空袋插入右上角的空心梁內。斯塔克將其稱為“吹塑袋-blow bags”。“又稱之為內袋-internal bag”他說，“但這只是普通的真空袋，但它有足夠的材料和安裝，不會收縮，而是膨脹， 以壓縮中空結構的內部。它有自己的真空管線，這個袋子和熱壓罐之間有很多配件。”“Stark 指出，技術人員需要1.5天的工作流程來安裝所有配件，并完成整個駕駛艙的真空裝袋，包括熱電偶?？藙谒拐f：“我們想減少零件數量，但由于材料的使用壽命，我們在某些方面受到了限制，因為以如此準確的方式應用這么多層需要做大量的工作。”結果是，四到六名技術人員在兩周內筋疲力盡， 但3月3日，完全真空袋裝的疊層在熱壓罐中，還有一天的使用壽 命。“我們沒有這么大的高壓釜，”斯塔克補充道，“所以我們用兩個小時的車程將袋裝的疊層物運送到德國的多納沃特， 那里的空中客車直升機公司有一個足夠大的熱壓罐。”然后，在180°C和2巴的溫度下將駕駛艙固化三個小時。
圖4. FastCan的成功
RACER演示機的可飛行CFRP前機身，包括首次開箱即用的駕駛艙
180°C的固化周期也是一個挑戰。克勞斯說，在賽車制造中 通常使用的120°C固化溫度下，工具、內部袋子和袋子之間的接縫要寬容得多。“如果角落里有一點緊張，你可能會逃脫懲罰。但在180°C的固化溫度下，袋子會裂開。因此，團隊必須非常準確地工作，以避免袋子破裂。”斯塔克補充道，環氧樹脂的放熱反應也是一個問題，但與天線罩有關。“因為它有 8毫米厚，所以它過熱了。我們把兩個雷達罩零件都弄壞了，但所有其他零件第一次都出來了。”駕駛艙的第一部分成功尤其是一次勝利。斯塔克說：“當你制作原型時，你永遠不知道模具中的第一部分是否會成功。”“第一個駕駛艙實際上是用于飛行的組件。”
裝配、飛行測試和未來發展
在所有零件固化和脫模后，對其進行精度測量、機械加工和組 裝。斯塔克說：“我們隨后將整個前機身涂上了底漆，但窗戶邊緣 也涂上了黑色，并準備將其運到多瑙沃特。”RACER的第一階段組裝始于2021，包括將頂篷、箱翼、燃料系統、整流罩和其他幾個部件安裝到中央機身中。機身于2021年8月被轉移至空客直升機公司位于法國馬里尼昂的現場，進行最終組裝，并于2022年進行后續飛行測試。RACER的200小時飛行演示將評估關鍵性能目標，包括速度、操控性、穩定性和空氣動力學。它還將旨在證明RACER適合執行任務和低噪音飛行。
圖5. RACER座艙蓋，已涂底漆，準備與復合材料制成的中央機身（背景）組裝
“空中客車公司對我們所取得的成就感到非常高興，”斯塔克 說。“對于Gerg M&F來說，這是我們最早的飛行部件項目之一。它為我們打開了大門，包括與波音和其他公司的項目。”與此同時，KLK正在支持eVTOL項目?？藙谒拐f：“我們正在使用第一批概念來提出架構，并完成機身設計和仿真。”“我們有一個來自賽車的大型材料庫，我們也可以進行特定的材料鑒定。” FastCan和RACER駕駛艙的部分愿景是開發和利用汽車/賽車 和航空航天行業之間的協同效應。實現了嗎？克勞斯說：“我們實 現的集成度高于最初的設計，這反過來又實現了更高的重量節約。”斯塔克說，駕駛艙表明高復雜性是可能的。“也許制造過程中需要做更多的工作，但通過節省接口和鉚釘，我們節省了成本和重量。”克勞斯說，與最初的RACER前機身設計相比，重量可以減少5-10%，成本可以減少10%。
他還指出，賽車的全面發展和建設速度要比航空航天快得多。斯塔克補充道，這種速度是一種力量。“我認為 FastCan已經證明，我們可以提供航空航天質量和安全，并管理多功能復雜性，以降低成本實現新的性能水平。”
注：原文見，《 Leveraging motorsports composites for next-gen rotorcraft 》2021.9.27
