DarkAero 1是一架遠(yuǎn)程、高速、雙人、實(shí)驗(yàn)性全復(fù)合材料飛機(jī)。整個(gè)機(jī)身主要由碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂制成，重量約200磅。

 

　　通用航空是一個(gè)廣義的術(shù)語(yǔ)，包括所有非大規(guī)模、定期貨運(yùn)和客運(yùn)業(yè)務(wù)的民用航空。這意味著從超輕型到多引擎渦輪螺旋槳飛機(jī)和渦扇噴氣式飛機(jī)。出于本文的目的，我們將主要關(guān)注通常用于商務(wù)或娛樂(lè)旅行的活塞動(dòng)力固定翼飛機(jī)。在美國(guó)，約有17.5萬(wàn)架飛機(jī)飛往約5000個(gè)公共機(jī)場(chǎng)，其中只有約10%有定期商業(yè)航班。

 

　　經(jīng)過(guò)認(rèn)證和試驗(yàn)的通用航空公司已經(jīng)采用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料60多年了。20世紀(jì)50年代末，派珀飛機(jī) （Piper Aircraft ）公司（美國(guó)佛羅里達(dá)州維羅海灘）制造了一款全玻璃纖維的原型 PA-29 Papoose。20世紀(jì)60年代，滑翔機(jī)制造商一直希望減輕重量，提高升阻比，開(kāi)始廣泛使用玻璃纖維。經(jīng)過(guò)八年的認(rèn)證過(guò)程， 1969 年，Windecker Eagle I 成為第一架獲得美國(guó)聯(lián)邦航空管理局（FAA）認(rèn)證的全復(fù)合材料動(dòng)力飛機(jī)，其無(wú)紡玻璃纖維“Fibaloy ”和泡沫結(jié)構(gòu)。

 

　　復(fù)合材料實(shí)驗(yàn)（自制或套件）通用航空飛機(jī)在 20 世紀(jì) 70 年代初真正起飛，當(dāng)時(shí) Burt Rutan 的 VariEze （以及 Long EZ 等衍生產(chǎn)品）非常受歡迎。魯坦 （ Rutan ）的創(chuàng)新之一是使用夾層泡沫作為“工具” ，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的“無(wú)模”制造。20世紀(jì)90 年代，通用航空開(kāi)始使用碳纖維復(fù)合材料，并從20世紀(jì)80年代開(kāi)始慢慢走出衰退。Cirrus Aircraft 和 Diamond Aircraft Industries 等主要通用航空制造商推出了仍然流行的單引擎認(rèn)證飛機(jī)系列。實(shí)驗(yàn)飛機(jī)很快就轉(zhuǎn)向了不斷增加的碳纖維含量，新的輕型 運(yùn)動(dòng)飛機(jī)（LSA-Light Sport Aircraft）類(lèi)別為復(fù)合材料帶 來(lái)了更多的機(jī)會(huì)。

 

 

　　通用航空固定翼飛機(jī)的三個(gè)主要類(lèi)別（認(rèn)證、實(shí)驗(yàn)和LSA）都給復(fù)合材料帶來(lái)了不同程度的挑戰(zhàn)。經(jīng)過(guò)認(rèn)證的飛機(jī)是政府批準(zhǔn)的（由美國(guó)聯(lián)邦航空局批準(zhǔn)），需要多年的開(kāi)發(fā)和測(cè)試來(lái)證明設(shè)計(jì)和制造過(guò)程。實(shí)驗(yàn)飛機(jī)大多由個(gè)人根據(jù)計(jì)劃或套件建造，雖然有一些政府監(jiān)督，但它更為寬松，因此可以進(jìn)行更多創(chuàng)新。LSA在某種程度上是其他兩個(gè)類(lèi)別之間的橋梁。這些飛機(jī)沒(méi)有經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的認(rèn)證（使用行業(yè)共識(shí)標(biāo)準(zhǔn)而不是政府授權(quán)），因此可以進(jìn)行更多的創(chuàng)新，但通常制造商制造的飛機(jī)比實(shí)驗(yàn)飛機(jī)具有更多的過(guò)程控制。LSA的設(shè)計(jì)在飛機(jī)重量、乘客數(shù)量和速度方面也受到限 制，盡管正在考慮制定新的規(guī)則來(lái)擴(kuò)大這些限制，并可能增加一個(gè)新的類(lèi)別，即輕型個(gè)人飛機(jī)。

 

　　實(shí)驗(yàn)飛機(jī) M&P

　　

　　復(fù)合材料和加工因通用航空類(lèi)別而異。但從廣義上講，重點(diǎn)是低成本和中等性能，標(biāo)準(zhǔn)的未滲透環(huán)氧樹(shù)脂和E-玻璃纖維增強(qiáng)材料非常常見(jiàn)（盡管標(biāo)準(zhǔn)模量碳纖維越來(lái)越普遍）。對(duì)于實(shí)驗(yàn)類(lèi)，無(wú)論是玻璃纖維還是碳纖維，基本的濕法疊層工藝在歷史上都占主導(dǎo)地位。低粘度、由 兩部分組成的室溫固化環(huán)氧樹(shù)脂以精確的重量比手動(dòng)混合，然后手動(dòng)鋪在干布上，然后切割成型并鋪在簡(jiǎn) 單的工具或成型泡沫上，這可以作為三明治結(jié)構(gòu)的輕型工具。近年來(lái)，真空輔助樹(shù)脂轉(zhuǎn)移模塑（VARTM-vacuumassisted resin transfer molding ）等灌注加工越來(lái)越受歡迎。干織物包括7781玻璃纖維和/或2x2碳斜紋（主要是玻璃纖維和少量碳纖維的混合疊層很常見(jiàn)），然后用增粘劑 將其疊放在模具中并裝袋；低粘度的兩部分環(huán)氧樹(shù)脂 在真空下被拉入疊層中。像Arion Lightning或DarkAero的DarkAero1這樣的飛機(jī)正在利用輸液可以 提供的不那么混亂、質(zhì)量更好、纖維體積更大的部件。

 

　　

 

　　Lantor Soric可熔芯用于DarkAero 1座艙蓋后部的玻璃纖維整流罩。

 

　　DarkAero（美國(guó)威斯康星州麥迪遜市）由三位工 程師兄弟組成的團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，碳纖維是通過(guò)改進(jìn)空氣動(dòng)力學(xué)形狀和最佳結(jié)構(gòu)效率來(lái)實(shí)現(xiàn)其激進(jìn)性能目標(biāo)（每小時(shí)275英里巡航六個(gè)多小時(shí)）的關(guān)鍵。DarkAero 的設(shè)計(jì)主要使用平紋布，在一個(gè)方向上承受大部分或全 部載荷的區(qū)域使用單向（UD）織物進(jìn)行局部加固。局 部剛度由芳族聚酰胺蜂窩、泡沫或Lantor（荷蘭 Veenendaal）Soric不溶芯的混合物提供。對(duì)于更小、更 復(fù)雜的幾何形狀，如碳纖維旋轉(zhuǎn)器（螺旋槳前面的錐形部分），DarkAero使用2x2斜紋，以獲得卓越的懸垂性和舒適性。零件在注入后在工具上進(jìn)行室溫固化， 然后與粘合的子組件同時(shí)進(jìn)行后固化。

 

　　DarkAero的下部結(jié)構(gòu)采用4×8英尺大的碳纖維織物夾心板，保持簡(jiǎn)單和低成本。最終的子結(jié)構(gòu)形狀是數(shù)控加工的，子組件在高溫下用糊狀粘合劑粘合在一 起。固化在烘箱中進(jìn)行；熱壓罐太貴了，而且材料正在改進(jìn)到烤箱固化就足夠了。

 

　　DarkAero在復(fù)合材料應(yīng)用方面超越了普通的蒙皮和下部結(jié)構(gòu)，甚至飛機(jī)的支架、硬點(diǎn)和鐘形曲柄都是 通過(guò)加工注入的多軸無(wú)卷曲碳纖維織物的實(shí)心坯料制成的，這使該公司能夠快速構(gòu)建準(zhǔn)各向同性層壓板。

 

　

 

　　碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂覆蓋芳綸蜂窩板由4×8英尺的板材制成，然后通過(guò)數(shù)控切割成型，為 DarkAero 1制造結(jié)構(gòu)高效的肋、抗剪腹板和艙壁。

 

　　DarkAero認(rèn)識(shí)到，在設(shè)計(jì)和制造高性能單引擎飛 機(jī)方面存在許多挑戰(zhàn)，但正如創(chuàng)立Dark Aero的卡爾三兄弟之一基根·卡爾所說(shuō)， “理解復(fù)合材料設(shè)計(jì)和制 造的細(xì)微差別是難題的關(guān)鍵。”

 

　　輕型運(yùn)動(dòng)飛機(jī) M&P

　　

　　與實(shí)驗(yàn)飛機(jī)非常相似，LSA復(fù)合材料經(jīng)常使用濕 法疊層或浸漬，但預(yù)浸料越來(lái)越多地用于提高質(zhì)量和 性能。Flight Design GmbH（德國(guó) Hoerselberg Hainich） 是LSA最受歡迎的制造商之一，已將其新的F2-LSA （該公司也在努力認(rèn)證為F2-C23）從濕鋪轉(zhuǎn)移到赫氏 （Hexcel-美國(guó)康涅狄格州斯坦福德）的 M79預(yù)浸料。

 

　　不僅在陸地和空中可以找到 LSA——Icon Aircraft （美國(guó)加利福尼亞州瓦卡維爾）非常運(yùn)動(dòng)的A5是一種 兩棲動(dòng)物，這意味著它可以降落在跑道或湖泊或海灣 等水體上。Icon 從最初的設(shè)計(jì)就決定使用預(yù)浸料，以 獲得其獨(dú)特的陸海應(yīng)用的最大性能效益。此外，它還 看到了預(yù)浸料的制造優(yōu)勢(shì)：與濕法疊層相比，人工更少，加工更快，結(jié)果更一致。

 

　　

 

　　Icon A5 LSA 的碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂預(yù)浸料的中心翼梁疊層。

 

　　Icon選擇復(fù)合材料是因?yàn)樗鼈兪构灸軌蜉p松制造非常復(fù)雜的形狀，并且具有耐腐蝕性，對(duì)于一架可能在水上或水周?chē)冗^(guò)相當(dāng)長(zhǎng)一段壽命的飛機(jī)來(lái)說(shuō)， 后者是一個(gè)非常重要的考慮因素。Icon LSA結(jié)構(gòu)的95%以上是使用2x2碳纖維斜紋/環(huán)氧預(yù)浸料與UD標(biāo)準(zhǔn)模量碳纖維預(yù)浸料的一些局部區(qū)域制成的，以加固高負(fù)載（和高方向負(fù)載）區(qū)域。

 

　　為了降低生產(chǎn)成本并提高可重復(fù)性，Icon CNC切割所有簾布層細(xì)節(jié)，并在手動(dòng)鋪放過(guò)程中使用激光投影儀和模板在工具中定位簾布層。在某些區(qū)域，為了增加結(jié)構(gòu)剛度，不需要增加額外的層，而是根據(jù)需要使用閉孔泡沫芯來(lái)增加結(jié)構(gòu)的剛度，以實(shí)現(xiàn)非常小的 重量損失和高成本節(jié)約。泡沫芯是數(shù)控加工的，并增加了一個(gè)斜邊斜坡，以方便簾布層過(guò)渡。然后可以將其加熱成型。復(fù)合材料零件通常是通過(guò)烘箱固化的， 但對(duì)于某些高負(fù)載結(jié)構(gòu)，如翼梁，使用熱壓罐來(lái)減少孔隙率，并盡可能獲得最佳的質(zhì)量和性能。

 

　　

 

　　碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂正被手工鋪設(shè)在圖標(biāo)A5 獨(dú)特形狀的主后艙壁上。幾臺(tái)Virtek（Waterloo，安大略省，加拿大）激光投影儀加快了鋪層細(xì)節(jié)的定位。

 

　　組裝主要是使用噴砂和溶劑擦拭進(jìn)行表面處理的糊狀粘合（環(huán)氧樹(shù)脂）。接合間隙設(shè)計(jì)在組件中，并使用接合夾具進(jìn)行控制。糊狀粘合劑的混合和應(yīng)用都是手工完成的。初始固化是在室溫下，然后是升高的后固化。

 

　　

 

　　Icon A5水陸兩棲飛機(jī)機(jī)身、中央翼盒和舷側(cè)（在水面上保持穩(wěn)定）的粘合組件。

 

　　盡管在潛在的惡劣條件下飛行，但復(fù)合材料的性能似乎證明了最初設(shè)計(jì)選擇的合理性。Icon的工程總監(jiān)Rodolfo Correa表示，經(jīng)過(guò)八年的服務(wù)歷史和幾架飛行時(shí)間超過(guò)1000小時(shí)的機(jī)身，粘結(jié)接頭或?qū)訅翰考](méi)有出現(xiàn)故障。該公司對(duì)結(jié)果非常滿(mǎn)意，Icon除了繼續(xù)提供A5的LSA模型外，還開(kāi)始認(rèn)證A5。

 

　　認(rèn)證飛機(jī) M&P

 

　　

　　具有高復(fù)合材料含量的第一代通用航空認(rèn)證飛機(jī) （大量生產(chǎn)），如Diamond Katana/DA-20或Cirrus SR20，由于其成本低且易于檢查（半透明，強(qiáng)烈的背光可以通過(guò)簡(jiǎn)單的目視檢查發(fā)現(xiàn)大多數(shù)缺陷），通常為 E 玻璃。然而，Diamond DA-42或Cirrus SR22等第二代飛機(jī)越來(lái)越多地使用碳纖維和/或S2玻璃，而DA-62、 SF50 Vision Jet 和 Epic的E1000等第三代飛機(jī)正轉(zhuǎn)向大 部分或全部碳纖維結(jié)構(gòu)，以提高其結(jié)構(gòu)效率。類(lèi)似地，樹(shù)脂系統(tǒng)的趨勢(shì)是選擇性能更高（更硬、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）更高）的環(huán)氧樹(shù)脂，使油漆顏色更深，并提高抗損傷性。加工通常是用烤箱或熱壓罐手工疊放預(yù)浸料。

 

　　Cirrus Aircraft（美國(guó)明尼蘇達(dá)州德盧斯）系列 SR 飛機(jī)據(jù)說(shuō)是近年來(lái)最暢銷(xiāo)的單引擎活塞通用航空飛機(jī)，自20世紀(jì)90年代末問(wèn)世以來(lái)一直是全復(fù)合材料飛機(jī)。雖然該公司的最新復(fù)合材料進(jìn)展尚未公開(kāi)，但Cirrus與東麗（Toray Advanced Composites-TAC， Tacoma，Washington，U.s.）使用其BT250環(huán)氧樹(shù)脂系統(tǒng)和TC275-1建立了長(zhǎng)期的關(guān)系。后者是SF50 Vision Jet上使用的僅275°F固化真空袋（VBO-vacuum bag only）環(huán)氧預(yù)浸料。加工是傳統(tǒng)的手工粘貼組件。

 

　　

 

　　Diamond Aircraft 設(shè)計(jì)并建造了自己的內(nèi)部按需設(shè)備，用于控制樹(shù)脂在干燥織物上的應(yīng)用，以產(chǎn)生“濕預(yù)浸料”。

 

　　Cirrus在全復(fù)合材料認(rèn)證通用航空市場(chǎng)的主要競(jìng)爭(zhēng) 對(duì)手之一是Diamond Aircraft（奧地利Wiener Neustadt）。利用其玻璃纖維動(dòng)力帆飛機(jī)，Diamond仍然使用“濕法預(yù)浸”作為一種半自動(dòng)化的方式來(lái)幫助控制濕法沉積樹(shù)脂的應(yīng)用。與Cirrus非常相似，隨著時(shí)間的推移，Diamond在其設(shè)計(jì)中的碳纖維比例從早期DA20 C1型號(hào)的10% （而玻璃纖維的比例為90%）提高到了 DA42 的 50%，而在最新的設(shè)計(jì)DA50 RG和DA62中，碳纖維 的比例已完全翻到 90%，而玻璃纖維僅為10%左右。Diamond 使用了高強(qiáng)度和標(biāo)準(zhǔn)模量的碳纖維，這增加了材料的可用性（以及相關(guān)數(shù)據(jù)），并提高了機(jī)身性能，推進(jìn)其使用增加。

 

　　Diamond “濕法預(yù)浸”工藝產(chǎn)生按需的內(nèi)部預(yù)浸料 （或濕法疊層，取決于您的觀點(diǎn)）。干纖維卷通過(guò)定制設(shè)計(jì)的設(shè)備運(yùn)行，該設(shè)備測(cè)量一定量的低粘度環(huán)氧樹(shù)脂，以生產(chǎn)濕預(yù)浸料，該預(yù)浸料可立即切割成型并放置在模具中。DA20、DA40 和 DA42 中使用的原始樹(shù)脂是Momentive（Esslingen am Neckar，德國(guó)）的L160或L285環(huán)氧樹(shù)脂。較新的設(shè)計(jì)（DA42-VI、DA50-RG和 DA62）因其Tg高而被西湖（Westlake）環(huán)氧樹(shù)脂公 司（前身為美國(guó)俄亥俄州哥倫布市的Hexion）采用RIM935灌注環(huán)氧樹(shù)脂。早期型號(hào)的 Diamond由于L285的Tg低而僅限于大多數(shù)或全部白色油漆方案；轉(zhuǎn)移到采用RIM935使該公司能夠添加新的、引人注目 的配色方案，這些配色方案通常是客戶(hù)喜歡的。

 

　　

 

　　為Diamond DA50 RG的右側(cè)機(jī)身鋪設(shè)碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂“濕預(yù)浸料”

 

　　濕預(yù)浸料層的處理可能具有挑戰(zhàn)性，有時(shí)會(huì)有點(diǎn)混亂；Diamond已經(jīng)考慮引入自動(dòng)鋪放技術(shù)，以幫助減少循環(huán)時(shí)間并減輕技術(shù)人員的工作量。Diamond還在其加工工藝中添加了樹(shù)脂注入(resin infusion)——將其用于孔隙率更關(guān)鍵的零件，如碳纖維翼梁（出于結(jié)構(gòu)原因）和玻璃纖維雷達(dá)罩（較低的孔隙率可獲得更好的電磁傳輸，從而獲得更好的雷達(dá)性能）。

 

　　Diamond的粘合組件使用剝離層和砂紙進(jìn)行表面處理。粘合線(xiàn)樹(shù)脂與天然濕預(yù)浸料相同，但用棉片或微球增稠成糊狀。混合和涂抹都是手工完成的。粘合劑在室溫下固化，隨后整個(gè)結(jié)構(gòu)（層壓板和粘合線(xiàn)） 接受高溫后固化。

 

　　

 

　　Diamond DA50 RG 機(jī)身半部和框架正在準(zhǔn)備進(jìn)行最終組裝粘合。請(qǐng)注意，垂直安定面是大型機(jī)身總成的組成部分

 

　　根據(jù)Diamond 40年的經(jīng)驗(yàn)，該公司表示從未有過(guò) 飛機(jī)因復(fù)合材料問(wèn)題退役。機(jī)身每飛行6000小時(shí)進(jìn)行一次檢查，通常不需要任何發(fā)現(xiàn)或維修工作。“復(fù)合材料是我們的DNA， ”Diamond Aircraft的設(shè)計(jì)組織負(fù)責(zé)人Robert Kremnzer說(shuō)，他回顧了Diamond產(chǎn)品的廣泛使用壽命。“我們不會(huì)有任何不同的想法。我們不會(huì)有任何不同的設(shè)計(jì)。我們認(rèn)為這是一種很棒的材料。”

 

　　Epic Aircraft（美國(guó)俄勒岡州本德）將一架流行的套件（實(shí)驗(yàn)）飛機(jī)變成了性能最高的認(rèn)證渦輪螺旋槳飛機(jī)之一。E1000，現(xiàn)在的E1000 GX，由一臺(tái)普惠加拿大公司（加拿大QC Longueuil）的 PT6A-67A渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)（其古老的 PT6 發(fā)動(dòng)機(jī)家族最近剛剛超過(guò)10億飛行小時(shí)）提供動(dòng)力，可以在壓力舒適的條件下 以每小時(shí)380英里的速度巡航，航程2000英里，最高可達(dá)34000英尺。

 

　　

 

　　這款Epic E1000 GX機(jī)身的一半采用了Toray 2510碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂預(yù)浸料。請(qǐng)注意，蜂窩芯隔間采用紫色Henkel EA 9696環(huán)氧薄膜粘合劑

 

　　正是性能和耐久性（例如，抗疲勞性，尤其是對(duì) 加壓機(jī)身至關(guān)重要）首次將Epic吸引到碳纖維復(fù)合材料中。在獲得美國(guó)聯(lián)邦航空局型號(hào)和生產(chǎn)認(rèn)證的七年 過(guò)程中，它通過(guò)測(cè)試和重新測(cè)試學(xué)習(xí)并改進(jìn)了設(shè)計(jì)， 最終實(shí)現(xiàn)了一個(gè)非常堅(jiān)固的復(fù)合材料機(jī)身，測(cè)試的載 荷約為服役期間預(yù)期最高載荷的兩倍。2021年，Epic認(rèn)證了E1000 GX，該產(chǎn)品現(xiàn)在是該 公司的 標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)構(gòu)型。GX升級(jí)了航空電子設(shè)備，并在PT6A-67A渦輪螺旋槳的前部安裝了一個(gè)五葉復(fù)合螺旋槳。新型復(fù)合材料螺旋槳提高了起飛性能，同時(shí)降低了噪音，增加了乘客的舒適度。Epic的首席工程師 Brock Strunk 在 Lancair獲得了復(fù)合材料認(rèn)證，并在全行業(yè)支持共享復(fù)合材料數(shù)據(jù)庫(kù)以幫助通用航空方面擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)。這些努力包括先進(jìn)通用航空技術(shù)實(shí)驗(yàn)（AGATE）、國(guó)家先進(jìn)材料性能中心（NCAMP）和CMH-17。Strunk 是公共數(shù)據(jù)庫(kù) 的主要支持者，公共數(shù)據(jù)庫(kù)允許小型飛機(jī)公司更容易 地將先進(jìn)的復(fù)合材料納入其設(shè)計(jì)中。

 

　　

 

　　Epic E1000 GX 機(jī)身半部、隔板和防火墻已準(zhǔn)備好進(jìn)行粘合。前景是一種碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂一體式（實(shí)際上從翼尖到翼尖）翼梁，這是兩種用于飛行載荷冗余的翼梁之一

 

　　Epic手工鋪設(shè)TAC的碳纖維和玻璃纖維2510環(huán)氧樹(shù)脂預(yù)浸料，在每個(gè)架次中制造大約550個(gè)復(fù)合材料零件。與復(fù)合材料和粘合材料供應(yīng)商的密切技術(shù)關(guān)系至關(guān)重要，Epic利用其技術(shù)專(zhuān)長(zhǎng)幫助優(yōu)化制造工藝。此外，通過(guò)選擇已經(jīng)合格并擁有公共數(shù)據(jù)庫(kù)的復(fù)合材料，Epic能夠利用節(jié)省下來(lái)的資金，更深入地了解工藝可變性如何影響最終性能，從而實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的復(fù)合材料生產(chǎn)系統(tǒng)。Epic的大部分零件由具有高負(fù)載結(jié)構(gòu)的織物預(yù)浸料制成，如使用 UD 預(yù)浸料的機(jī)翼和水平翼梁。局部剛度通常由Hexcel芳綸/酚醛蜂窩在膨脹（OX-overexpanded）芯上和漢高（美國(guó)密歇根州麥迪遜高地） Loctite EA 9696 Aero環(huán)氧樹(shù)脂膜粘合劑提供，其中泡沫芯主要在復(fù)雜幾何形狀中的有限使用，在該幾何形狀中泡沫芯可以熱成型。裝配是粘貼粘貼膠接；同樣來(lái)自漢高的環(huán)氧糊狀粘合劑混合了額外的增稠劑，有助于在機(jī)身半體粘合和機(jī)翼關(guān)閉過(guò)程中防止坍落。

 

　　

 

　　Epic E1000 GX 的最終結(jié)構(gòu)組件。前機(jī)身碳纖維結(jié)構(gòu)是一個(gè)壓力隔板，也是防火墻的一部分。藍(lán)色區(qū)域是含有銅防雷保護(hù)的表面膜。請(qǐng)注意，機(jī)翼的前緣保持裸露狀態(tài)，以便稍后粘合充氣除冰靴系統(tǒng)

 

　　未來(lái)潛在進(jìn)展

　　

　　通用航空復(fù)合材料的技術(shù)增長(zhǎng)可能由一個(gè)單一因 素驅(qū)動(dòng)：成本。通用航空原始設(shè)備制造商愿意探索新的、輕量化的選擇和加工技術(shù)，以使機(jī)身更具燃油效 率（甚至電動(dòng)或氫動(dòng)力），但從久經(jīng)考驗(yàn)的材料和工藝轉(zhuǎn)向成本高昂。不僅從原材料的價(jià)格，還從鑒定和認(rèn) 證新型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的時(shí)間和成本。

 

　　NCAMP和CMH-17等已發(fā)布的數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)小型制造 商采用新材料有很大幫助；材料供應(yīng)商應(yīng)考慮在他們 推向市場(chǎng)的任何新的結(jié)構(gòu)復(fù)合材料系統(tǒng)中納入一套基本的容許值。

 

　　在通用航空飛機(jī)上復(fù)合材料的市場(chǎng)預(yù)測(cè)以及先進(jìn)的空氣機(jī)動(dòng)性（AAM-advanced air mobility）的推動(dòng)下，復(fù)合材料行業(yè)正在開(kāi)發(fā)性能更高的復(fù)合材料，同時(shí)降低材料、加工和使用成本。

 

　　增韌環(huán)氧樹(shù)脂的進(jìn)步在較低的溫度和壓力下實(shí)現(xiàn) 了更快的固化，同時(shí)仍然提供類(lèi)似熱壓罐的性能，從 而能夠使用 UD 形式的更硬的中間模量碳纖維。UD 纖 維的效率比織物高出大約 25-50%。總之，可以顯著減 輕重量，占用更少的內(nèi)部機(jī)翼空間，為燃料留出更多空間。

 

　　聚醚醚酮（PEEK）和聚醚酮酮（PEKK）等高性 能半結(jié)晶熱塑性樹(shù)脂的價(jià)格將繼續(xù)下降，與環(huán)氧樹(shù)脂 甚至增韌環(huán)氧樹(shù)脂相比，其法向和耐損傷性能將更 好。高溫加工要求帶來(lái)了一系列挑戰(zhàn)，但新的加工和 建模可以幫助解決這些挑戰(zhàn)。

 

　　碳纖維，特別是中等模量的碳纖維，由于其無(wú)與倫比的結(jié)構(gòu)性能，特別是剛度，將在通用航空的主要結(jié)構(gòu)中得到應(yīng)用。

 

　　大型絲束碳纖維的新進(jìn)展和具有額外碳纖維產(chǎn)能的新生產(chǎn)工廠(chǎng)加起來(lái)降低了碳纖維的成本，進(jìn)一步推動(dòng)了其在通用航空中的應(yīng)用。新型復(fù)合材料工藝的研發(fā)，包括先進(jìn)的纖維鋪設(shè) （AFP）和自動(dòng)鋪帶（ATL），不僅可以獲得非常高質(zhì) 量和一致的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，還可以利用UD碳纖維實(shí)現(xiàn)最高的結(jié)構(gòu)效率，還可以制造大型、集成、復(fù)雜的 結(jié)構(gòu)，降低組裝成本。另一種加工技術(shù)，沖壓成型， 使用加熱工具和機(jī)械力進(jìn)行固化，可以將零件加工周 期從數(shù)小時(shí)或數(shù)天縮短到幾分鐘。

 

　　關(guān)于加快實(shí)施創(chuàng)新的適度建議

　

　　當(dāng)前本地和區(qū)域航空運(yùn)輸（如AAM 一詞所示）的革命，包括垂直起降（VTOL-vertical takeoff and landing）、短距起飛和垂直降落（STOVL- short takeoff and vertical landing） 和短距起飛與降落（STOL- short takeoff and landing），以及 傳統(tǒng)的固定翼運(yùn)輸，為通用航空公司提供了一個(gè)獨(dú)特的機(jī)會(huì)，利用材料和技術(shù)推動(dòng)其行業(yè)向前發(fā)展。

 

　　想象一下，一家已成立的通用航空公司與一個(gè)新 興的 AAM 集團(tuán)合作（或者合作可能涉及通用航空和 AAM 的多個(gè)合作伙伴）。他們與材料供應(yīng)商合作，共同確定一套材料（預(yù)浸料、粘合劑等）的成本、加工和性能目標(biāo)。這些材料通過(guò)美國(guó)聯(lián)邦航空管理局批準(zhǔn) 的數(shù)據(jù)系統(tǒng)（如NCAMP或CMH-17）進(jìn)行鑒定，低成 本加工是通過(guò)政府/學(xué)術(shù)界的復(fù)合材料制造研發(fā)設(shè)施開(kāi) 發(fā)和驗(yàn)證的，例如美國(guó)堪薩斯州威奇托的國(guó)家航空研究所（NIAR）航空航天系統(tǒng)先進(jìn)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室 （ATLAS）中心，多用途生產(chǎn)設(shè)施或每個(gè)利用知識(shí)和數(shù)據(jù)創(chuàng)建自己的工廠(chǎng)。

 

　　通過(guò)合作，AAM組織從通用航空公司多年來(lái)開(kāi)發(fā)的復(fù)合材料設(shè)計(jì)、分析和制造專(zhuān)業(yè)知識(shí)中獲得了寶貴 的知識(shí)。與此同時(shí)，通用航空公司獲得了新的資源， 以幫助降低非經(jīng)常性成本，從而實(shí)施新的結(jié)構(gòu)高效材料和降低成本的工藝。

 

　　總的來(lái)說(shuō)，通用航空所有領(lǐng)域的復(fù)合材料前景光明。利用正在為其他市場(chǎng)開(kāi)發(fā)的材料和工藝，將實(shí)現(xiàn)顯著的性能提升（走得更遠(yuǎn)、更快，燃燒的燃料更少），同時(shí)提高耐用性并降低采購(gòu)成本。

 

　　注：原文見(jiàn)，《 Composites manufacturing for general aviation aircraft 》 2023．7．26．

 

　　楊超凡 2023.8.8