第一架复合材料商用喷气机的第一个复合材料机身部分

2003 年，当波音公司（美国伊利诺伊州芝加哥）宣布开发将成为其 787 商用喷气客机的计划时，很多人认为这架飞机将成为第一款配备机身、机翼、尾部和其他主要结构由碳纤维复合材料制成，而不是过去几十年作为标准的铝材。然而，几乎同样值得注意的是，波音公司决定将这些主要结构的制造工作外包给一个全球供应商网络，该网络将建造完整的子组件，每个子组件最终都将加入波音公司位于美国华盛顿州埃弗雷特的总装线。现在众所周知的这些供应商名单包括三菱重工和川崎重工（日本东京）、Alenia Aeronautica（意大利那不勒斯）以及最著名的美国 Spirit AeroSystems。

Spirit 被选中制造 787 的整个前机身——称为第 41 部分——包括驾驶舱、驾驶舱挡风玻璃、两扇门、九个乘客窗户以及所有航空电子设备、驾驶舱座椅和布线。 41 段直径 6.2m，长 12.8m，可以说是机身最复杂的部分。

精神被选中供应 787 结构并不奇怪。该公司的历史可以追溯到 1927 年，当时航空界传奇人物劳埃德·斯蒂尔曼 (Lloyd Stearman) 将他的斯蒂尔曼航空公司 (Stearman Aviation Co.) 从加利福尼亚迁至威奇托。仅仅两年后，波音公司——当时被称为联合飞机和运输公司——收购了斯蒂尔曼。波音威奇托工厂将继续制造美国历史上一些最具标志性的军用飞机，包括 B-29 Superfortress , B-47 Stratojet 和 B-52 同温层堡垒 .

2005 年，当波音正式开始 787 的制造开发时，威奇托园区已被波音出售并更名为 Spirit AeroSystems。 Spirit 的研发和 ManTech 高级总监 Eric Hein 认为，该公司——现在在美国（堪萨斯州、俄克拉荷马州和北卡罗来纳州）以及苏格兰、法国和马来西亚设有更多办事处——是世界上最大的商用飞机制造商的所在地能力。除了 787，Spirit 还为波音 737、747、767 和 777 建造主要结构（主要是金属结构）；空客 A320、A350（也是复合材料密集型）和 A380；庞巴迪CSeries;三菱 MRJ;西科斯基 CH-53K （直升机）;和贝尔V-280 （倾转旋翼机）。 Hein 表示，Spirit 2017 年的收入为 70 亿美元，并有 460 亿美元的积压订单。

在公司的整个发展过程中，Spirit 位于威奇托的位置一直是公司运营的核心。它拥有 150 座建筑，占地 600 英亩，拥有 10,700 名员工，本身就是一座制造城市，卡车、汽车和班车在校园内运送人员和货物，交通繁忙。

787 前机身的制造仅限于靠近园区边缘的一座非常大的建筑内。在这里，所有复合材料制造、内部结构安装和系统集成都在成品运往埃弗雷特进行最后组装之前进行。

单体机身

连续波 Spirit 的 787 运营高级经理何塞·桑切斯 (José Sanchez) 带领参观了 787 生产区。 Spirit AeroSystems 将 787 机身的一部分构建为整体结构，将自动纤维/胶带放置过程与共固化纵梁相结合，形成一体式枪管。 （值得注意的是，空客后来设计了类似的 A350 XWB，其机身由碳纤维复合板组成，而不是整体结构；Spirit 在美国北卡罗来纳州金斯顿为 A350 制造机身板，并在法国组装。）

据广泛报道，用于制造 787 主要结构的复合材料来自 Toray Industries（日本东京），是使用中等模量 T800S 纤维的 Torayca 3900 系列碳纤维增强增韧预浸料。预浸料以 UD 胶带、切割胶带（用于自动纤维/胶带放置）和机织织物的形式提供。

787机身设计规定了两种基本的复合材料制造操作：纵梁切割和成型以及机身蒙皮纤维放置。诀窍是将纵梁与放置纤维的表皮相结合，以实现共同固化的结构。正因如此，Spirit 和波音公司都非常重视巡演第一站执行的过程：纵梁制造。

这条高度自动化的生产线采用美国 GFM（美国弗吉尼亚州切萨皮克）切割台将 Torayca 3900 系列预浸料切割成层片。这些被转移到配套台，在那里手动堆叠层板，由高架 LAP 激光器（厄兰格，肯塔基州，美国）引导，并准备成型。桑切斯说，这条纵梁制造线体现了为第 41 条制造开发的许多知识产权精神，是设施运营的关键部分。

预制纵梁从纵梁生产线出来后，接下来由操作员转移到相邻的第 41 节心轴，该心轴将成为所有复合材料制造操作的重点，未来。桑切斯说，心轴承载前机身部分的形状和尺寸，由碳纤维/双马来酰亚胺 (BMI) 复合材料制成，包括六个部分。每个部分都沿着心轴的长度横向分开。加工到每个心轴部分的表面，也运行工具的长度，是槽，预成型纵梁放入其中，纵梁的平底朝外。

将所有纵梁放入槽中后，操作员用由 Toray Composites (America) Inc. (Tacoma, WA, US) 制造的交织金属丝织物 (IWWF) 包裹整个心轴，为整个 787 提供雷击保护机身。然后用塑料袋膜包裹整个结构。薄膜将 IWWF 和纵梁固定到位，因为心轴通过手动引导车被推到下一站 - 自动纤维铺放 (AFP) - 然后被移除以供 AFP 使用。

也许没有比用于制造机身蒙皮的 AFP 系统更能代表 787 上使用复合材料的过程了。 AFP，即使在 787 计划出现的时候，已经使用了很多年，所以它对复合材料制造来说并不陌生。 787 的新之处在于应用的规模。很少有用 AFP 制成的复合材料结构的尺寸接近 787 机身部分的尺寸。

当 Spirit 在威奇托建立 787 生产线时，AFP 是使用 Ingersoll Machine Tools Inc.（美国伊利诺伊州罗克福德）提供的 32 纱架机器完成的。然而，在 2000 年代初期，波音公司开始与自动化专家 Electroimpact（美国华盛顿州 Mukilteo）合作开发一种具有模块化、可互换头的新型 AFP 机器。每个磁头将存储用于给定类型操作的所有碳纤维线轴，并且可以相对容易地更换，具体取决于所需的磁带宽度。

虽然 Spirit 仍然拥有其原始的 Ingersoll 机器，但它被用作备用角色。这是因为 Spirit 最终获得了两台 Electroimpact 机器来完成第 41 部分皮肤的大部分制作。 Sanchez 说，Electroimpact AFP 机器，每台都配备一个 16 线轴头（0.25 和 0.50 英寸宽/6.35 和 12.7 毫米宽的丝束），共同将材料施加到心轴上。心轴水平安装并在主轴上转动，而头部沿着每一侧横向移动，放置牵引，主要是在相对较短的高度禁止的路线上。参观者可以很容易地看到，在工厂明亮的灯光下，已经放置在心轴上的各种多角度的拖车集合。

桑切斯没有透露两台 Electroimpact 机器将所有纤维完全放置在一个机身蒙皮上需要多长时间，只是说它“非常快”。所有 AFP 操作均由机器上的三个操作员管理。一个在俯瞰心轴的控制室工作，而另外两个在心轴下方和旁边的地板上工作，手上拿着手电筒，寻找有问题的间隙、搭接、不平整、皱纹和异物碎片 (FOD) 表面上预浸丝束。必须在结构固化之前解决/修复缺陷。

第 41 部分的下一站是高压灭菌器，在进行另一次全面装袋之后。 Spirit Wichita 经营着两个大型热设备公司（TEC，Rancho Dominguez，CA，US）高压釜。机身部分固化过夜，然后对结构进行脱袋处理，并通过机身的宽端逐段拆卸和拆除六部分心轴。

后期整理

接下来是第 41 节的几天，随着整个结构朝着完工的方向发展，从一个站点到另一个站点。这包括参观 Mtorres（西班牙 Torres de Elorz）Torresmill 5 轴龙门铣削和钻孔机，该机床为机身框架和其他内部结构以及门洞、窗户和前起落架开口钻孔。机身还经过脉冲回波无损检测（NDI）、油漆准备、喷漆、窗玻璃安装、车门安装和所有内部结构/系统安装。安装的第一个内部结构是圆形框架（金属和复合材料），它们连接到纵梁和机身蒙皮。在整个这些过程中，根据所涉及的活动，第 41 节在每个站的龙骨上或龙骨下进行。

在CW期间 在他的访问中，参观了大约 30 个工作站，每个工作站都拥有处于某种组装状态的第 41 部分结构，每个部分都让威奇托做好了立即整合到埃弗雷特波音 FAL 的准备。波音公司目前每月生产 12 架 787，并承诺到 2019 年每月生产 14 架——这对于宽体飞机来说是异常庞大的数量。

桑切斯指出，Spirit 近十年来一直致力于第 41 节的制作——无论是在开发中还是在实际生产中。任何可能存在的错误、扭结和特质早就被发现并解决了。他说，满足每月 14 艘船的建造速度不会有问题。

下一代研发

当游览离开 Section 41 制造工厂时，CW 被带到附近的建筑物外，与 Spirit 高级研究主管 Pierre Harter 会面。 Harter 曾是现已解散的美国科罗拉多州丹佛市 Adam Aircraft 公司和庞巴迪公司（加拿大蒙特利尔，QC）的工程师，毕业于威奇托州立大学，领导 CW 进入一个看似不起眼的、多走廊、多门的建筑，但很快就显示出自己是 Spirit 复合材料研发工作的中心。

与 Spirit 的 Section 41 生产线一样复杂，无可争辩的事实是，它使用了十多年前全新的复合材料制造技术。航空航天资格（成本和时间）和制造的现实迫使 Spirit 和类似的供应商尽早确定飞机结构的制造技术，然后在计划期间坚持使用它。因此，无论复合材料制造技术的最新进展有多大优势，升级设备和材料的能力往往是有限的。

因此，Harter 的工作是评估新兴的复合材料和技术，并确定哪些可能会在下一代飞机上找到立足之地。事实上，随着 787 和空中客车 A350 的投产，整个商业航空航天供应链都在忙于预测下一个重大商业计划，其成员都在确保他们获得原始设备制造商需要的知识和专业知识。

传统观点认为，下一个正式宣布的计划将是波音公司的单通道双引擎新型中间市场飞机（NMA，或 797），它将有效地取代 757。这架飞机预计将在 2025 年左右进入市场。虽然肯定会用复合材料，摆在Spirit研发团队面前的问题是多少？在哪里？什么样的？目前还没有人知道答案，因此哈特和他的团队正在评估所有选项。因此，Spirit 目前正在开发的一系列材料、设备和项目令人眼花缭乱。 “我们正在开展各种项目，”哈特说。 “非高压釜、快速 RTM、热塑性塑料、创新工具、在线检测、纤维转向。我们希望为 OEM 需要的一切做好准备。”

Spirit Wichita 复合材料实验室的核心部件是一台 16 线轴（0.125-、0.25-、0.5 英寸丝束）Electroimpact AFP 机器，Harter 称该机器用于对在线自动检测的使用进行贸易研究，以及用于各种其他活动，包括原型制作。 Harter 说，自动化检查系统的目标是消除我们在巡演中看到的费时费力的工作，他们用手电筒观察法新社技术人员，寻找有问题的圈数、间隙、皱纹和 FOD。

Harter 说，Spirit 正在评估 Aligned Vision（美国马萨诸塞州切姆斯福德）的 LASERVISION 系统，这迫使 Spirit 重新思考什么是真正的缺陷，什么不是真正的缺陷，“并重新思考我们如何表征缺陷。”他说，该系统可能会在今年年底在生产车间投入使用。

除了 AFP 系统之外，Spirit 还有各种其他技术准备（TRL）水平的项目正在进行中。其中包括：

• 形状记忆聚合物工具 (TRL 6)，
• 使用 RTM (TRL 6) 使用 Hexcel（美国康涅狄格州斯坦福德）的 HiTape（干纤维）制成的翼梁截面，
• 带有嵌入式传感器的灌注晶石，用于原位过程控制，在高压釜或烤箱 (TRL 4) 的帮助下固化，
• 采用转向 AFP 和热悬垂成型 (TRL 6) 制成的框架，
• 以及在威奇托州立大学的大面积增材制造 (BAAM) 机器上制造的 3D 打印工具，该机器由 Cincinnati Inc.（美国俄亥俄州哈里森）提供。

Harter 说，其他研究领域包括缝合预制件、机器人 AFP/ATL 和 AFP 头部创新。后者是 Spirit 在 2016 年底面临的一项挑战，即在两年内将 AFP 的放下率翻倍。 Harter 说，他和他的同事发现，在努力应对这一挑战的过程中，“一旦机器人流程得到优化，您就会遇到头部/机器技术的限制”，这意味着 AFP 速度的限制因素变成了纤维束分配效率. Spirit 正在与 Electroimpact 和材料供应商合作开发旨在提高总产量的技术。

Spirit Wichita 之旅的最后一站是材料和组件测试。毫不奇怪，Spirit 在这里拥有强大的能力，包括由 MTS Systems Corp.（美国明尼苏达州伊甸草原）提供的 15 台机械试验机（11-50 kip 能力）、环境试验室、应变仪能力、计量系统和高棚全尺寸部件测试的空间——机翼结构和推力反向器在CW期间处于主动应力之下 访问。

随着巡演接近尾声，双方交换了再见，Spirit AeroSystems 庞大的威奇托园区在 CW's 退去 离开时，考虑到 Spirit 可观的复合材料能力，很容易想知道未来十年将如何寻找这家主要的航空制造商。在全球航空航天领域，它的一系列能力可以说是无与伦比的。 Spirit AeroSystems 似乎已准备好迎接未来的一切。