2019 巴黎航展：亮点

2019 年巴黎航展上复合材料密集型的空客 A400M 军用运输机静态展示。来源 |连续波

进入 2019 年巴黎航展（6 月 17 日至 23 日）的预期喜忧参半。人们希望波音为新型中型飞机 (NMA) 奠定更多基础，但 737 MAX 危机消耗了该公司的大部分精力和注意力。事实上，在航展的第一天，波音公司就商业状况发布了一份非常笼统的公告，并发布了其 20 年商用飞机预测。 NMA 上什么都没有。波音在展会期间最大的轰动是它向国际航空集团 (IAG) 出售了 200 架 737 MAX 飞机的消息。

另一方面，空中客车公司发布了 A321XLR（LR =远程），这是 A320neo 的最新版本。 A321XLR 计划于 2023 年投入使用，航程为 4,700 海里，可通过额外的燃料存储能力实现。空中客车公司表示，该飞机的航程将为航空公司提供更便宜的单通道选择，现在主要由更昂贵的双通道飞机提供服务。此类航线包括纽约-里约、上海-悉尼和马德里-迪拜。

尽管缺乏 NMA 消息，但在参加巴黎航展的复合材料相关公司中，仍然有明确的努力来开发和调整材料和工艺技术，以满足未来十年波音和空客对供应链的任何需求。这包括采用高压釜固化的传统热固性预浸料、采用非高压釜固化的干纤维液体树脂灌注、热塑性复合材料和增材制造。整个供应链的期待感显而易见。

在飞行线上，有通常的商用、军用和民用飞机，每天都有飞行演示。空中引人注目的是电动飞机的演示，这与战斗机和商用喷气式飞机的震耳欲聋的轰鸣声形成鲜明而安静的对比。在静态展示中，有一些针对城市交通市场的EVTOL（电动垂直起降）飞行器。特别是这种飞机类型，证明是复合材料的重要目标，这是电动飞行的必需品。然而，其中一些平台的年产量可能会达到数千个，这将推动材料和工艺技术更多地向汽车级生产模式发展。也就是说，EVTOL 还处于起步阶段，特别是考虑到监管、资格和空域管理障碍尚未清除。

以下是节目的亮点。

精神航空系统。 世界上最大的机身制造商 Spirit AeroSystems（美国堪萨斯州威奇托）在周一凌晨举行的新闻发布会上宣布推出其 ASTRA 机身面板（先进结构技术和革命性架构），旨在展示完全复合材料如何机身的设计可以满足下一代单通道飞机的性能、速率和成本要求。该面板的设计和制造在此处单独讲述。

托雷斯。 在 Mtorres（Torres de Elorz，西班牙纳瓦拉）的展台上发现了展会上另一个值得注意的复合板。这种加强筋的“网格/蒙皮结构”是通过树脂灌注干碳纤维制造的，实际上是斯蒂芬·蔡的心血结晶，他是斯坦福大学的复合材料资深人士和航空航天名誉教授，他曾在 Mtorres 站解释一下。 Tsai 说他在几年前就构思了这个设计，并基于 Vickers Wellington 制造中部署的网格/皮肤结构 ，一种由 Vickers-Armstrongs 制造的英国二战轰炸机，以在碰撞中保持结构完整性而闻名。为了在复合材料应用中实现这种设计，Tsai 将肋设计为格子结构，每个肋的宽度和高度都是固定的，肋之间的间距也是固定的。

Steve Tsai 站在他设计的肋骨加固面板上，MTorres 帮助他制作。关键促成因素是准确的纤维放置以构建肋骨。来源 |连续波

Tsai 说，他的设计面临的挑战是开发能够承受大机械载荷的肋骨交叉点。他想出了一种肋骨结构，它使用碳纤维带在一个方向上连续放置（称为 A），在相交方向上不连续放置（称为 B）。然后，对于下一层，胶带将在 A 方向上不连续放置，在 B 方向上连续放置。这种模式会一直持续到肋骨达到所需的厚度。通过这种方式，每个肋骨接头将始终被一条连续的带子穿过。一旦在工具中构建了肋条，就会通过自动纤维铺放 (AFP) 或自动铺带 (ATL) 在其上铺一层表皮，然后整个结构就被共同固化。

Tsai 说，这种设计的优点有很多，但主要是“损伤很难超出局部区域”，这意味着在皮肤中传播的裂缝不能轻易迁移到与皮肤接壤的任何肋骨之外。受影响的地区。 Tsai 还表示，网格/蒙皮结构具有很高的重量和材料效率。尽管如此，他指出，“这很容易设计，但很难制造。”这就是 Mtorres 的用武之地。

蔡说，他的面板设计制造的限制因素是肋条带的位置。为了完全工业化，他们需要胶带放置切割速度和精度，直到最近，这还是不可能的。然而，蔡以他的设计找到了 Mtorres，并询问 ATL/AFP 专家是否可以完成这项工作。公司特殊项目部门负责人 Iñigo Idareta 和 MTorres 的复合材料团队承担了这项任务，并与 Tsai 合作，使 MTorres 的技术适应应用。 Idareta 在航展上说，有两个挑战：微调胶带放置切割速度和准确性，其中 Mtorres 的 AFP 即时切割能力是保持恒定高上层速度的关键；和开发工具解决方案，允许每个肋的堆积，而肋不会失去堆叠的完整性。此外，需要将 Mtorres 自己的干碳纤维格式用于 AFP 应用，以完成这项具有挑战性的灌注工作。 Idareta 说，所有这些都实现了。此外，基于 Tsai 的设计，还实现了面板表皮的斜角纤维放置，该面板为四层，厚约 1.2 毫米。

使用的碳纤维是来自 Mitsubishi Chemical Carbon Fiber &Composites Inc.（美国加利福尼亚州萨克拉门托）的 50K 干材料，主要是因为它恰好是 Mtorres 手头的材料。该树脂是一种“标准”工业级增韧环氧树脂。 Idareta 表示，该面板已由 NASA 的 Alan Nettles 进行测试，并且表现良好。他说，特别是肋骨/皮肤的粘合非常好。 Tsai 承认面板的弱点是肋骨接头，它是一个交叉层 [0/90] 层压板。肋骨都是[0]。因此，接头具有大约一半的单轴抗拉强度和略多于一半的单轴抗压强度。即使有这个弱点，网格/蒙皮强度也是相同设计的当前铝技术的两倍多，不计算复合材料的额外重量。 Tsai 还表示，要实现与他的设计相同的强度特性，铝的重量将是其三倍。

这项技术的下一步是什么？ Tsai 表示它“已准备好应用”，并列出了几种可能的部件类型：机身结构、航天运载火箭车身、汽车面板、电池盒。 Idareta 表示，MTorres 正在对设计进行迭代，包括开发曲面面板和全桶面板。他说，两者都触手可及。

此外，Tsai 的设计有几个方面可以修改，以满足各种负载情况。这些包括肋宽度、肋高度、交叉角度和肋之间的空间。此外，虽然MTorres在航展上使用灌注制造面板，但它可以使用传统的热固性预浸料制造。

吉凯恩航空。 商业机翼专家 GKN Aerospace（英国雷迪奇）在航展上宣布，它已经制造了第一批零件，用于其未来空中客车机翼计划的部分工作，该计划是一项为期五年（2018-2022）的英国多公司计划致力于开发材料和工艺技术，以高速（每月 100 个）制造树脂灌注碳纤维复合材料机翼，以部署在下一代单通道飞机上。

GKN Aerospace 的技术副总裁 Paul Perera 出席了航展，并提供了有关该计划的更多详细信息。他说，GKN 目前有 60 名员工负责机翼的梁和肋，其中大部分工作是在 GKN 的全球技术中心完成的，该中心将于今年晚些时候搬入英国菲尔顿的新设施。

晶石将是由 GKN 放置的干纤维，然后注入。肋条将由热塑性复合材料和铝制成。国家复合材料中心（英国布里斯托尔）正在为 Wing of Tomorrow 开发多项技术，包括开发基于数据的自动化解决方案的 iCAP（数字能力获取程序），以及 Loop Technology（Poundberry ，英国多切斯特）将用于机翼制造。 Northrop Grumman（原 Orbital ATK，美国犹他州 Clearfield）正在为该项目开发纵梁。下机翼蒙皮将由 Spirit AeroSystems 在其位于苏格兰普雷斯蒂克的工厂制造；上机翼蒙皮将由空中客车公司制造。目标是在未来 18 个月内向英国布劳顿的空中客车机翼工厂交付三套船，第一套在 2020 年 6 月，第二套在 2020 年底，第三套在 2021 年初。最终，如果该计划取得进展按照计划，它将证明树脂灌注是一种可行的工艺，可用于下一代单通道复合材料机翼的高速生产。 Perera 表示，在英国怀特岛的 GKN 工厂生产和评估的 1 米翼梁截面表明，该材料和工艺非常适合该应用。

Perera 指出，明日之翼计划的主要部分将围绕自动化开发展开。事实上，他说，自动化将成为下一代航空航天制造树脂灌注的关键推动因素。

索尔维复合材料。 如果您正在寻找证据表明对航空航天制造工业化和生产效率的关注如何逐渐渗透到材料供应商，那么请看 Solvay Composite Materials（美国乔治亚州阿尔法利塔），该公司正处于多年的中间阶段努力重新评估其生产航空级树脂、胶带和预浸料的地点和方式。索尔维的重点是制定运营战略，重点是在高度专业化的设备上生产较少产品数量的设施，以满足下一代飞机的速度和质量要求。索尔维航空航天执行副总裁 Marc Doyle 表示，该公司在英国威尔士雷克瑟姆的新工厂是这一努力的象征。该工厂于 2018 年 9 月开业，仅生产两种产品编号（粘合剂），但处于高度结构化、高度优化、自动化主导的环境中，旨在满足客户的准时制要求。该公司希望在所有新设施上都遵循这种模式，并将尝试改造旧工厂。

在材料创新方面，索尔维强调了两项值得注意的努力——一项专注于热塑性塑料，另一项专注于碳纤维。研究和创新执行副总裁 Mike Blair 表示，热塑性塑料面临的最大挑战/机遇之一是它们的高温增量；也就是说，热塑性塑料的高加工温度会导致零件在冷却时出现热膨胀系数 (CTE) 问题，尤其是大型零件。目标？修改聚酮化学以降低工艺温度，而不影响玻璃化转变 (Tg) 温度。该公司还在寻找提高其热塑性塑料自动化设备的可加工性和处理能力的方法。 “我们的标准 PEEK 和 PEKK 材料实际上效果很好，”布莱尔说。 “我们只需要修改它们，使其更具适应性。”

围绕碳纤维的创新同样引人入胜。 2017年，索尔维收购了大丝束聚丙烯腈（PAN）制造商欧洲碳纤维GbmH（德国凯尔海姆），这为索尔维50K丝束碳纤维提供了新的、健康的PAN供应。鉴于此，提出了挑战：能否将大丝束碳纤维格式化以提供中等模量 (IM) 小丝束碳纤维的性能特征？布莱尔说，这个想法发人深省，但并非微不足道。他指出，仅处理 50K 丝束光纤本身就会损坏光纤。因此，布莱尔并未过多透露索尔维的想法，而是表示该公司正在研究旨在避免纤维损坏的处理技术。 “为此，一个激进的时间表，”他说，“将是 18 个月。”

东丽先进复合材料。 前 TenCate Advanced Composites 现在已被 Toray 完全吸收，自 3 月起，由 Toray Advanced Composites（美国加利福尼亚州摩根山）接管。董事总经理史蒂夫·米德 (Steve Mead) 表示，目前 EVOTL 是公司特别活跃的一个（热固性和热塑性塑料）。他指出“我们正在为新兴的 EVOTL 项目提供材料”，并补充说“由于这些飞机上的寄生电池重量，复合材料是真正的推动者。非复合材料不是一种选择。”他说，将航空航天质量制造与汽车价格相结合很有趣。

逃逸。 在巴黎航展上知名度较高的介绍者包括Alice ，一种由 Eviation（以色列 Kadima-Tzoran）推出的全电动、全复合材料飞机。 爱丽丝 是一种九座支线运输机，航程为 650 英里/1,000 公里，巡航速度为 240 节。该飞机的尾部有一个主推进螺旋桨，机翼尖端有两个额外的推进螺旋桨，以减少阻力并产生冗余。 Eviation 首席执行官 Omar Bar-Yohay 介绍了这架飞机，并表示将在美国华盛顿州摩西湖进行飞行测试，然后在 2020 年底或 2021 年初获得美国联邦航空管理局 (FAA) 的认证。这架飞机将有一个标价为 400 万美元，Bar-Yohay 表示公司已通过认证和早期生产获得全额资金。

展会上展出的飞行器是一周前组装的非飞行原型。这架飞机最终将在哪里以及如何生产还有待观察。就其本身而言，原型是由几家供应商制造的复合结构组装而成的。一个是 Multiplast（法国瓦讷），它是 Carboman Group SA（瓦讷）的一部分，该集团由五家公司组成，其中还包括 Decision（瑞士 Ecublens）、SNE SMM（法国兰斯特）、Plastinov（法国萨马赞）和Plastéol (Samazan)。 Multiplast 在海洋结构制造方面有着悠久的历史，为 Alice 制造机身 使用带有 Nomex 蜂窝芯的夹层结构从高压釜 (OOA) 中取出。机身基于右舷/左舷中心线配置分为两半，两个机身部分粘合/固定在一起（参见下面的延时视频）。 Multiplast 不知道它是否会赢得该工艺的批量生产合同，但该公司表示正在评估从材料和工艺角度对制造工业化所需的条件。 Alice 的翅膀和腹部整流罩 由新加坡综合集群 (CCS) 提供。

Stratasys。 增材制造 (AM) 机器专家 Stratasys（美国明尼苏达州伊甸草原）在巴黎航展上强调了其将增材制造用于零件和模具生产的能力。对于复合材料制造，重点是工具。该公司的展台上有两个使用 Stratasys 机器制造的模具。该材料是 SABIC 的 ULTEM 1010，一种无增强的聚醚酰亚胺 (PEI)，有利于高压釜加工。第一个模具用于制造碳纤维机翼前缘，并具有模内电极以提高预浸料的加热能力并将固化时间从 1.5 小时缩短至仅 10 分钟。另一部分是 Boom Aerospace（美国科罗拉多州 Centennial）制造的叠层工具，用于为 Overture 生产小部件 公司正在开发的超音速商用飞机。 Stratasys 制造解决方案副总裁 Scott Sevcik 表示，Boom 已经有两台 Stratasys 机器在使用中，第三台将于今年晚些时候交付。 Sevcik 表示，Stratasys 预计将在今年晚些时候推出两种用于 AM 的新型短切碳纤维增强材料；他说，Stratasys 还致力于为 AM 进行连续纤维增强。

繁荣航空航天。 巴黎航展上的另一个引人注目的公告来自 Boom Aerospace（美国科罗拉多州恩格尔伍德），如前所述，该公司正在开发 Overture ，一种全新的超音速客机。 Boom 首席执行官兼创始人 Blake Scholl 在新闻发布会上表示，Boom 即将完成复合材料密集型 XB-1 , Overture 的小规模原型 预计将于 2019 年底推出，并在 2020 年某个时候试飞。 Scholl 说，这些试飞旨在帮助 Boom 评估飞机的设计和工程原理，并将吸取的经验教训应用于最终设计和生产序曲 ，预计将于 2020 年代中期投入使用。这是一个比 Boom 最初预期的更长的时间表。 “这是一个雄心勃勃的项目，”Scholl 说。 “早期，很容易过于乐观。”

序曲 预计最高速度为 2.2 马赫，巡航高度为 60,000 英尺（19,354 米），并将搭载乘客（55-75 人）从悉尼到洛杉矶仅需 7 小时，或从华盛顿特区到伦敦仅需 3.5 小时。 Scholl 表示 Overture 的票价 预计以每英里座位为基础，以当前的航空公司定价为基础具有竞争力。 Scholl 还说序曲 预计将使用一种名为 Prometheus Fuels 的技术，该技术将大气中的碳转化为汽油，或者在 Boom 的案例中转化为喷气燃料，使用来自可再生资源的电力。他说，通过这种方式，飞机将提供零净碳超音速飞行。