空客开发OOA VBO后梁及热塑性肋条 用于“未来之翼”计划

空客（法国图卢兹）正与航空复合材料制造商广泛合作，开发公司“未来之翼”（WOT）计划的非热压罐（OOA）结构。这些结构将于2021年交付空客，组装成演示机机翼，经测试评估用于下一代单通道飞机。何时宣布此类计划未知，且众说纷纭，但整个航空复合材料供应链正定位自己，无论为空客或波音或两者，都要成为下一代飞机制造一部分。

《CW》已报道部分WOT活动，如Spirit AeroSystems（美国堪萨斯州威奇托）生产的下蒙皮，及GKN Aerospace（荷兰霍赫费恩）生产的热塑性肋条。加入WOT努力的还有飞机制造商和航空结构供应商Daher（法国巴黎），其为该计划开发、制造并交付了OOA后梁和五个热塑性肋条。

Daher研发副总裁Dominique Bailly表示：“Daher自豪参与WOT计划。此开发确认Daher作为热塑性技术和热固性集成功能结构世界领导者地位，以及作为飞机制造商强有力合作伙伴和复杂零件一级供应商地位。”

高性能后梁

WOT演示机像任何商用飞机机翼一样，有多个梁结构。Daher为WOT开发的后梁位于油箱外侧，是紧邻机身的两根梁中第二根，刚好在起落架上方。长逾两米、厚10毫米，须满足显著强度刚度要求——“施加在特征上的几吨载荷及跨向几十吨剪切和拉伸载荷，”Bailly称——鉴于其靠近机身和起落架系统。

此外，Daher首席工程师Alexandre Condé称，空客寻求高度自动化制造工艺，使公司能减轻飞机重量并具成本效益满足月产60-100架次生产率。Daher提议设计可替换基线复合梁设计原有的15个金属组件和紧固件。“想法是集成最多特征以具成本效益和减重，”Condé说。

由此产生的梁结构是2018年Daher为达索航空（法国巴黎）公务机开发的OOA真空袋（VBO）热固性梁的副产品。Bailly称达索梁用Hexcel（美国康涅狄格州斯坦福德）M56环氧树脂基预浸料制造，OOA VBO固化。随后Daher参与空客WOT计划，公司决定调整达索梁的设计、工艺和论证，应用于新空客WOT结构，选用Hexcel M56 350°F固化OOA环氧树脂，预浸入Hexcel AS4碳纤维织物和IM7 UD碳纤维。

制造梁用自动化铺丝（AFP），使用Coriolis Composites（法国凯文）系统，在公模上铺料。真空袋下在烘箱固化。Condé称成品气孔率0.1%。

Condé称选择预浸料而非液体树脂模塑，因预浸料过去30年成为航空航天制造主流的同一原因：提供一致可靠的树脂/纤维体积，使生产出的零件具有一致可靠的尺寸和质量。“用这代新OOA树脂仅靠真空，固化后复合材料厚度方向纤维含量有完美稳健性，”Condé说。“零件重量也非常稳定，因你不把树脂挤出纤维外。”

Daher称是首家交付WOT组件的合作伙伴——2020年底向英国布里斯托尔空客交付一根梁用于首个WOT演示机集成；公司正交付两根更多。除演示阶段外，Daher也在考虑梁制造工业化，开展制造系统设计（MSD）分析，估算和模拟下一代单通道飞机全速率生产的运营、设施、设备和人员需求。

多根肋条、多种尺寸

Daher开发WOT计划肋条工作更复杂繁重。公司在机翼内部设计五根不同尺寸维度的肋条；其他肋条为铝和复合材料组合设计，含GKN Aerospace设计的热塑性复合肋条。

Bailly解释，早前达索航空项目中，Daher已展示用热塑性复合材料设计制造相对小肋条能力。WOT让公司有机会将技能延伸至开发更大（~2米长）、更高载荷肋条。

此外，按WOT目标，Daher目标2023年底达技术就绪等级（TRL）6。“WOT计划结束时，证明我们大肋条达TRL 6，结合这两项目[WOT和达索航空]，将展示我们能覆盖机翼完整肋条部分——这就是想法，”Bailly说。

Condé说：“我们利用此计划探讨不同制造方式并比较力学行为，也看制造影响。并行开展仿真预测组件行为如回弹或冲压效应。目标减少开发期试制，从而降低非经常性成本。”

像梁一样，开发从试片、元件和细节层面开始，继而制造亚全尺寸零件，最后构建最终全尺寸零件。Condé指出每层级均进行测试，含Daher为肋条特征开发的特定测试。

五根肋条最终均决定用Toray先进复合材料（美国加州摩根山）供应的单向（UD）碳纤维/低熔点聚芳醚酮（PAEK）带材，树脂由Victrex（英国兰开夏郡克利夫利斯）制造。制造肋条时，用AFP制作平板坯料，经烘箱固化——部分情况材料预固化后冲压成型。按需额外法兰或其他组件机械紧固在冲压成型件上。

每根肋条按其机翼位置、尺寸规格和载荷要求（1吨至50吨）设计，故各独特。最大肋条尺寸2米长×1米宽。无论如何，每根从平板腹板开始，冲压成“L”形在零件底部形成法兰连接机翼蒙皮。为额外稳定性，数根肋条由两“L”形组件背靠背机械紧固形成双向法兰“T”形。

特殊特征含连接襟翼轨道的支架（热固性复合材料制造），及某些肋条的系列孔或减层以减重。

“整个设计过程我们必须管控复杂度与成本，”Bailly说。“这始终在我们脑海，做简单但具成本效益的事。”简洁也是生产率视角关键，Condé指出。“太复杂，从客户角度在极高产率下就无竞争力。”

引入复杂性的一个挑战是各肋条相对厚度——最大肋条达12毫米。较厚织物冲压成型易起皱或成型不当，厚零件难机加工成成品形状。

机加工方面，Daher视零件需求混合水刀切割和机械加工，既缓解厚度问题又管控温度。此外，12毫米厚肋条上，团队在组件中部设计减层窗降低整体重量。Condé指出减层窗除解决潜在问题外，还使Daher能“在零件上尝试不同制造特征，增加对零件行为理解。”

冲压成型工艺证明是更大挑战。“必须想新冲压方式缓解起皱风险，”Bailly说。Daher最终开发专有方法解决此问题。

后续步骤

除WOT外，Daher评估生产热塑性肋条的替代制造方法，规划未来开发生产线实现高速率制造。

例如，WOT演示机用紧固件，但Bailly指出通过2019年收购热塑性复合材料和感应焊接专家KVE Composites（荷兰海牙），Daher具备未来焊接组件能力。“我们在另一单独项目推进UD厚件焊接达更高TRL [用于下一代单通道飞机]，”他说。

Daher也在开发生产热塑性肋条的全生产线。“我们真在改进概念、减少所有任务所需机器数量和降低工艺成本，”Bailly说，目标匹配大批量飞机生产目标。