推进热塑性航空结构：制造技术新突破

热塑性复合材料凭借韧性好、层间强度相对较高、可持续/可回收等优势，数十年来一直吸引着飞机设计工程师将其用于主要承力结构。但飞机制造工程师长期对如何以具成本效益的方式将其从CAD仿真推向生产车间存疑。然而，全球范围内开发必要制造技术的努力从未停歇——或许在荷兰最为执着。

一体化L形弦条。 GKN Fokker为Gulfstream设计制造的碳纤维/PEKK机身，采用略钝角的弯曲纵向L形弦条以利于脱模。CW摄影 | Jeff Sloan

TAPAS联盟与技术演进

2009年，九家荷兰工业公司和研究机构联合空客（法国图卢兹）成立“热塑性经济型主要飞机结构”（TAPAS）联盟。2014年扩展至12家合作伙伴，延续为TAPAS2。针对TAPAS2下空客开发的应用，GKN Fokker（荷兰霍赫芬）近期利用其所谓的“对接正交网格技术”，开发出一款机身演示件，实现了热塑性复合材料机身设计的低成本生产。

热塑性复合材料主要飞机结构的全部红利虽仍需数年，但已隐现曙光。Gulfstream Aerospace（美国佐治亚州萨凡纳）已与GKN Fokker合作推进其TAPAS2机身技术，指向将该材料与工艺应用于全机身的可能。今年JEC World展出的最新机身面板，背后是设计与制造方法的进步，更是设计-制造一体化工程方法的深度融合。

“传统上，”GKN Fokker首席工程师Andries Buitenhuis解释，“无论使用织物还是单向带，设计师多局限于0°、90°、45°常规铺层角度，基于铺层表独立工作。”新方法是基于TAPAS开发的集成数字化设计-制造软件平台，各学科工程师共享同一数字模型，能构想更复杂的零件设计。“这开启了前所未有的优化可能，”Buitenhuis续道，“复杂形状上纤维走向可任意分布。我们能构建非常规层压板，重新审视设计准值、制造间隙与重叠、圆角半径……并能局部优化结构强度。”这些扩展的设计选项更充分发挥了自动铺丝（AFP）设备的纤维转向能力，及下文讨论的其他制造进步。

这种集成数字系统赋予的设计自由，对公务机面板的设计制造至关重要。TAPAS2机身设计中，碳纤维/聚醚酮酮酮（PEKK）面板（采用Solvay APC PEKK-FC）具备免紧固件的焊接机身-蒙皮接头，这是设计性价比的关键。“我们预测能实现与铝合金机身蒙皮的成本持平，”GKN Fokker热塑性复合材料技术负责人Arnt Offringa解释，“因为铝合金蒙皮需铆接。”取消机械紧固件预计可使主要飞机结构成本降低20%、重量减轻10%（对比传统复合材料方案）。节省主要来自紧固件本身及安装工时，更重要的是消除了为容纳紧固件而开设的孔洞——这些孔洞需额外加固、增加重量。

GKN Fokker在TAPAS2下为空客加压机身达成技术成熟度等级（TRL）3（原理验证），证明与铝合金面板成本持平。过程中，团队将热塑性机身技术愿景从民航客机拓展至公务机应用。

Gulfstream的兴趣

GKN Fokker为Gulfstream成功开发热塑性复合材料部件的历史，使双方合作成为合乎逻辑的下一步。“Gulfstream多年来一直在飞行热塑性复合材料部件，这是众所周知的，”Gulfstream先进结构与材料倡议（ASMI）经理Mark Chapman表示。他补充说，机身面板项目“是从简易部件向主要承力部件进阶的自然延伸”。GKN Fokker曾与Gulfstream合作开发多个热塑性复合材料二级部件，包括G650的尾翼升降舵、方向舵及地板面板。

2015年，Offringa和Buitenhuis向Gulfstream展示TAPAS2进展，Chapman团队识别出其潜在收益。“我们看到了减重潜力、更好的抗冲击与韧性、性能提升，”Chapman回忆。免紧固件设计同样吸引人。“焊接技术能比机械装配更高效地组装机身。”

合作支持Gulfstream研发用金属结构难以经济生产的复杂机身造型。“金属拉伸成型有极限，”Chapman指出，“复杂形状所需的接拼与支撑结构效率低下。”Offringa赞同：“常规技术难以制造此类复杂几何形状。”

融合设计与制造

为实现免紧固件、可生产的设计，GKN Fokker聚焦于承受机身接头受力的两大关键载荷：舱内压力与工具跌落等冲击。舱压产生径向力，在机身-蒙皮接头形成高载荷。常规设计中，机身框含“鼠孔”供纵向弦条穿过。舱压作用下，鼠孔成为不连续点，承受高剥离力——这对免紧固件设计是重大隐患，因复合材料层向强度远低于金属。冲击也在机身-蒙皮接头产生高载荷，因框架不随冲击弯曲。

双曲率。 热塑性复合材料机身面板通过AFP纤维转向铺放蒙皮与正交网格共熔固化，适配Gulfstream公务机后机身复杂几何。注意圆周向叶片弦条，后焊接至框架。来源 | GKN Fokker

GKN Fokker/Gulfstream团队知晓，无论金属还是常规复合材料设计制造方法，均难以应对复杂曲率挑战。Buitenhuis特别指出：“没有纤维转向，复杂机身设计无法实现。”AFP的这一能力让设计师可根据复杂壳体形状局部优化纤维取向，突破标准0/45/90取向限制。“纤维转向实现形状与减重优化，是本项目最重大进展之一，”Chapman认为。

GKN Fokker在自研超声波AFP机上铺放面板蒙皮，该设备专为热塑性带材高速铺放开发。单向带材进一步提升了层压板性能。

新概念在TAPAS/TAPAS2下开发，现应用于Gulfstream面板，可描述为“带焊接框架的对接正交加筋蒙皮”。拆解这一描述可見三大关键设计特征及实现所需的制造发展：(1)正交网格，(2)对接接头，(3)焊接技术。

正交网格

面板强度需求通过全互联正交网格加筋满足。正交网格消除了鼠孔带来的峰值载荷，去除了剥离力放大的薄弱点。网格由连续纵向弦条与框架组成，框架含两个不同组件：不连续但相连的圆周向叶片弦条，以及焊接其上的框架。

低成本对接接头。 GKN Fokker创新并申请专利的对接接头，利用低成本短纤维注塑件与连续纤维平板层压板实现正交网格及网格-蒙皮连接（此处为T形弦条；Gulfstream面板采用L形弦条，技术相同）。来源 | GKN Fokker

这代表机身加筋设计的新一代，历经多年正交网格开发演进。初期GKN Fokker采用T形弦条，纵向与圆周向构件帽条均连续并在角落重叠。但与框架连接需移除圆周向帽条，于是T形弦条变为L形弦条，框架变为圆周向叶片弦条，再焊接框架。

另一改进源于弯曲弦条（纵向与圆周向均用）导致脱模困难。因此L形弦条设计为帽条-腹板角>90°，使工具部件始终能横向滑出弦条网格。

对接接头

GKN Fokker不仅开发了正交网格设计，还创新了网格制造方法及网格-蒙皮连接机制。“网格制造成本可能极高，”Offringa指出，“但我们的网格由平板层压板与简单注填‘填充块’构建。”

具体而言，GKN Fokker将专利对接接头技术应用于Gulfstream面板（及前序TAPAS面板）。T/L形弦条的腹板与帽条、叶片弦条组件，均由水刀从平板碳纤维/PEKK层压板切割的预制件制成。连接元件（蒙皮-腹板、腹板-帽条）为注塑成型的π形填充块，材料为短切碳纤维/PEKK，树脂与碳纤维类型与网格构件一致。

蒙皮与正交网格在Invar内模线（IML）模具中共熔固化。模具带有槽槽装载网格组件与工装块，AFP成型的蒙皮置于IML上，整体装袋进自动釜固化。

焊接技术

自动化焊接。 为热塑性复合材料机身面板的经济可行性做出贡献，GKN Fokker开发并采用了机器人焊接技术。来源 | GKN Fokker

正交网格与对接接头设计的结合，实现了正交网格与框架的免紧固件焊接连接。TAPAS2阶段，团队成员开发了多种焊接技术，含感应、传导、超声波焊接。Gulfstream面板采用传导焊接将框架腹板与圆周向叶片弦条连接，焊头安装于机器人上——这也是低成本制造的关键发展。

漫漫长途中的关键一步

GKN Fokker与Gulfstream合作始于2017年，开展机身面板设计构想。2018-2019年设计制造多个弯曲面板，里程碑式的首件演示件于今年JEC World亮相。

完成部件。 框架件焊接至圆周向叶片弦条后，Gulfstream机身面板准备进入测试评估与持续开发，朝量产热塑性复合材料机身迈进。来源 | GKN Fokker

GKN Fokker持续制造面板，预计年内达成TRL4（部件验证）。“我们正在讨论通往全成熟度的路径，”Offringa透露。面板设计不针对特定平台，Chapman表示测试将加深Gulfstream对材料特性与性能的理解。关于热塑性复合材料主要结构的更广泛商业案例——含飞机性能、制造成本、运营成本与耐久性，Chapman说：“随研发深入我们会更清晰。目前聚焦于低成本制造复杂形状。”