Wing of Tomorrow机翼肋条：一体成型、热塑性、OOA固结助力下一代飞机

空客Wing of Tomorrow（WOT）计划2015年启动，过去六年探索单通道商用飞机机翼更具成本竞争力、更高吞吐量的材料、制造和装配技术（见CW过往WOT计划报道）。

据GKN Aerospace全球技术中心荷兰（霍赫费恩）总监Arnt Offringa介绍， GKN Aerospace（英国布里斯托尔）深度参与WOT计划，含树脂传递模塑（RTM）机翼梁演示件和四铝合金机翼肋条。另一技术演示件近期由GKN Aerospace交付，涉及开发具成本竞争力的热塑性复合材料肋条，及用于一体成型、非高压釜（OOA）制造的创新模块化压机系统。

跨越至热塑性材料

2018年，GKN Aerospace内部讨论可用于制造五演示件

设计肋条。 为实现薄壁轻量化零件，肋条设计（上）采用GKN对接接头技术（下），含注塑加强筋填料（中，绿色显示）。

机翼肋条的材料制造技术。铝合金作为商用飞机肋条传统材料，选用制造四个较大内侧肋条，但为较小外侧肋条，公司决定探索复合材料方案。Offringa指出，因WOT演示件为复合材料机翼，开发能与铝竞争的复合肋条是合乎逻辑步骤。

"复合肋条配复合机翼有多重益处，"他说。"首，复合配复合意味材料间无热膨胀差异，不像金属肋配复合翼或反之。次，无腐蚀顾虑。复合也意味减重。最后，复合让检查更容易。"

Offringa解释典型金属肋需最终机翼装配后人工目视检查。但因肋条位于机翼内部，意味需在下蒙皮开大椭圆检查孔供人进入检查。"改用复合肋条，肋条疲劳减少、潜在疲劳裂纹减少，检查大幅简化、强度降低，无需在蒙皮开检查孔，将成连续蒙皮，"他说。

减重、耐腐蚀、少侵入式检查益处热固性或热塑性复合材料均可获取。"我们内部研究对比重量、成本、产业化，比较不同技术后选热塑性，因其潜力最大、成本商业案例最佳，"Offringa说。

鉴于GKN Aerospace英国布里斯托尔分部更靠近空客菲尔顿英国机翼技术中心（WOT演示件测试地），其为公司WOT工作主枢纽。但鉴GKN Aerospace荷兰在Fokker Technologies时代积累热塑性专长，两团队联手肋条演示件。"设计在英国，制造开发在荷兰，GKN Aerospace不同团队很好合作，"Offringa说。

空客WOT负责人Sue Partridge指出："合作伙伴协作是Wing of Tomorrow计划重要层面。通过整合资源，我们能推进利用双方能力的解决方案，达成更好结果。"

WOT交付肋条用Solvay（比利时布鲁塞尔）APC碳纤维/聚醚酮酮（PEKK-FC）带材，基于公司Novaspire PEKK-FC（FC）快速结晶配方。Offringa指出，Toray高性能复合材料（美国加利福尼亚摩根希尔）低熔碳纤维/聚芳醚酮（PAEK）材料也在评估作未来肋条结构选项。

设计新一代机翼肋条

典型单通道飞机机翼超20根肋条。热塑性复合演示肋条为演示机翼第14根；其他演示替代材料工艺。

热塑性复合肋条常用冲压成型制造小型飞机，Offringa说。但GKN Aerospace排除传统冲压成型作WOT肋条选项，因商用飞机机翼甚至窄体如WOT演示件，承受极高压拉载荷。

"若传统意义冲压成型热塑性肋条，则须制造极厚肋条、厚腹板以增强承受作用力，"Offringa说，"这不符减重要求。此外，冲压成型无法在肋条连接下蒙皮处创建双面底部法兰组件；需额外制造组件螺栓连接其余肋条。GKN Aerospace需要允许团队设计更灵活的制造工艺。"

GKN Aerospace 90厘米长、24厘米高热塑性复合肋条具垂直腹板和从肋条底部延伸双向8毫米厚法兰。为满足减重，腹板仅7毫米厚。为防屈曲增刚，腹板经3毫米厚加强元件增强，用GKN Aerospace对接接头技术，用扁平加强筋预制件和注塑"填料"创建强力连续接头（见"热塑性主要航空结构再进一步"了解此技术用Solvay碳纤维/PEKK-FC带材制造湾流机身面板）。

"我们知道若能用复合材料制造此形状且稳健，将得极轻量设计达减重目标。但问题：如何高性价比、高速率制造如此复杂形状？我们努力创造此新产品，"Offringa说。

一体化、OOA制造

工艺构建于GKN Aerospace此前TAPAS（热塑性经济主要飞机结构）项目、及用公司对接技术湾流机身面板开发。WOT肋条，GKN Aerospace开发OOA一体化固结工艺。"我们将以往工作推进新层级，首次走出高压釜，"Offringa注。

首先，单向（UD）热塑性带材切割至正确宽度，层压机预成型平板元件为两L形腹板预制件。腹板预制件、法兰平板预制件、加强筋用小预制件和注塑填料件全部装入工装，置入模块化共固结压机（类似RTM压机）。压机合模，气囊系统从水平垂直双向施压，模拟高压釜压力。集成电阻加热系统短暂将复合材料加热至熔融温度再冷却固结。

"我们将大部分开发精力投入调优工装，"Offringa说。系统设计模块化；工装可更换适配不同尺寸肋条或其他零件类型，保持同加热冷却系统。虽肋条不需，但GKN Aerospace技术中心开发压机可容纳长达6米零件，也可含其他面板或梁。

工艺控制系统是热塑性加工关键。热塑性熔融温度高于热固性，须受控一致冷却工艺最小化翘曲最大化结晶度。"精确控制全程工艺极重要，"Offringa说。"加热循环热管理至关重要。"（见"热塑性(TP)成型问题"侧栏详述热塑性工艺控制问题重要性）。

特殊工装特性用于使薄一体化加强筋易于脱模。脱模件近净形，再修边成成品。从进工装到出工装，全程约45分钟。意味着单压机八小时班次可制约15根机翼肋条。

"最终成简化制造工艺，"Offringa注。"我们一次做很多事：不同形状预制件共固结、创建肋条底部双向法兰、同时用对接技术加强腹板。终究，我们将所有材料元件置入工装，一步工艺创建单一均质零件。"

测试、交付与展望

测试。 子组件在GKN怀特岛和霍赫费恩设施测试满足拉压强度要求。

2019年底，肋条子组件在GKN Aerospace怀特岛和霍赫费恩设施测试，Offringa称"大幅超出"拉压载荷要求。他补充："强度高、韧性好、易制造。概念完全如期望实现。"对比铝版本，Offringa称热塑性复合版本提供显著减重且具成本竞争力。

公司已向空客交付三根肋条，一根将装配测试于WOT演示件。GKN Aerospace持续优化工艺材料用于商用航空航天肋条，服务Wing of Tomorrow及更远未来。