复材通航飞机制造工艺

        几十年来，经过认证和实验的通用航 空越来越多地采用复合材料， 复材制 造工艺进一步受到材料和工艺创新以 及不断发展的 AAM 市场的推动。

                                            DarkAero 1 是一架远程、高速、双人、实验性全 复合材料飞机。整个机身主

                                            要由碳纤维/环氧树脂 制成，重量约 200 磅。

        通用航空是一个广义的术语， 包括所有非大规模、定期货运和客运业务的民用航空。这意味着从超轻型到 多引擎涡轮螺旋桨和涡扇喷气式飞机的任何东西。出于 本文的目的，我们将主要关注通常用于商务或娱乐旅行 的活塞动力固定翼飞机。在美国，  约有 17.5 万架飞机飞 往约 5000 个公共机场，其中只有约 10%有定期商业航

班。

        经过认证和试验的通用航空公司已经采用纤维增 强复合材料 60 多年了。20 世纪 50 年代末， 派珀飞机公 司（美国佛罗里达州维罗海滩）制造了一款全玻璃纤维 原型 PA-29 Papoose。在 20 世纪 60 年代， 滑翔机制造商 开始广泛使用玻璃纤维，他们一直希望减轻重量并提高 升阻比。经过八年的认证过程，1969 年，Windecker Eagle I  成为第一架获得美国联邦航空管理局（FAA）认证的 全复合材料动力飞机， 其无纺玻璃纤维“Fibaloy”和泡沫结构。

        复合材料实验（自制或套件） 通用航空飞机在 20 世纪 70 年代初真正起飞， 当时 Burt Rutan 的 VariEze （以及 Long EZ 等衍生产品）非常受欢迎。鲁坦的创新之一是使用夹层泡沫作为“ 工具 ”，实现复合材料的“ 无模 ”制造。

        20 世纪 90 年代，通用航空开始使用碳纤维复合材料，并从 20 世纪 80 年代开始慢慢走出衰退。西锐（CirrusAircraft）和钻石（Diamond Aircraft Industries） 等主要通  用航空制造商推出了仍然流行的单引擎认证飞机系列。 实验飞机很快转向不断增加的碳纤维含量，  新的轻型运  动飞机（LSA- Light Sport Aircraft ）类别为复合材料带来了更多的机会。

      通用航空飞机的类别

        通用航空固定翼飞机的三个主要类别（认证、实验和 LSA）都给复合材料带来了不同程度的挑战。

经过认证的飞机是政府批准的（由美国联邦航空局 批准）， 需要多年的开发和测试才能证明其设计和制造 过程。实验飞机大多由个人根据计划或套件建造， 虽然 有一些政府监督， 但它更为宽松， 因此可以进行更多创新。

        LSA 在某种程度上是其他两类之间的桥梁。这些飞 机没有经过严格的认证（使用行业共识标准而不是政府 授权），因此可以进行更多的创新， 但通常制造商制造的 飞机比实验飞机具有更多的过程控制。LSA 的设计在飞 机重量、乘客数量和速度方面也受到限制，尽管正在考 虑制定新的规则来扩大这些限制，并可能增加一个新的

类别，即轻型个人飞机。

      实验飞机 M&P

        复合材料和加工因通用航空类别而异。但从广义上讲， 重点是低成本和中等性能，标准的未渗透环氧树脂 和 E-玻璃纤维增强材料非常常见（尽管标准模量碳纤维越来越普遍）。

        对于实验类，无论是玻璃纤维还是碳纤维，基本的  湿法叠层工艺在历史上都占主导地位。低粘度、由两部  分组成的室温固化环氧树脂以精确的重量比手动混合， 然后手动铺在干布上，然后切割成型并铺在简单的工具  或成型泡沫上， 这可以作为夹层结构的飞走工具（flyawaytool）。

        近年来， 真空辅助树脂转移模塑（VARTM- vacuum- assisted resin transfer molding ）等灌注加工越来越流行。干织 物包括 7781 玻璃纤维和/或 2x2 碳斜纹（主要是玻璃纤 维和少量碳纤维的混合叠层是常见的）， 然后将其铺在 带有增粘剂的模具中并装袋； 通过真空将低粘度的两部 分环氧树脂拉入叠层中。像 Arion Lightning 或 DarkAero 的 DarkAero1 这样的飞机正在利用输液可以提供的不那么杂乱、质量更好、纤维体积更大的部件。

Lantor Soric 不可熔芯用于 DarkAero 1 座舱盖

                                                              后部的玻璃纤维整流罩。

        DarkAero（美国威斯康星州麦迪逊市） 由三位工程 师兄弟组成的团队认为，碳纤维是通过改进空气动力学 形状和最佳结构效率来实现其激进性能目标（每小时 275 英里巡航六个多小时） 的关键。DarkAero 的设计主 要使用平纹布， 在一个方向上承受大部分或全部载荷的 区域使用单向（UD）织物进行局部加固。局部刚度由芳 族聚酰胺蜂窝、泡沫或  Lantor （Veenendaal ， The Netherlands）Soric 不溶芯的混合物提供。对于更小、更 复杂的几何形状， 如碳纤维旋转器（螺旋桨前面的锥形 部分）， DarkAero 使用 2x2 斜纹，以获得卓越的悬垂性 和舒适性。零件在注入后在工具上进行室温固化， 随后与粘合的子组件同时进行后固化。

        DarkAero 的下部结构采用 4×8 英尺大的碳纤维织物夹芯板，保持简单和低成本。最终的子结构形状是数  控加工的， 子组件在高温下用糊状粘合剂粘合在一起。 固化在烘箱中进行；热压罐太贵了， 而且热压罐外的材

料正在改进到烤箱固化就足够了。

        DarkAero  在复合材料应用方面超越了普通的蒙皮 和下部结构，甚至飞机的支架、硬点和钟形曲柄都是通 过加工注入的多轴无卷曲碳纤维织物的实心坯料制成的，这使该公司能够快速构建准各向同性层压板。

                                        碳纤维/环氧树脂覆盖芳纶蜂窝板由 4×8 英尺的板材    制成，

                                              然后通过数控切割成型，  为 DarkAero 1 制造结 构高效的肋、

                                              抗剪腹板和舱壁。

        DarkAero 认识到，在设计和制造高性能单引擎飞机 方面存在许多挑战，  但正如创立 Dark Aero 的卡尔三兄 弟之一基根 · 卡尔所说，“理解复合材料设计和制造的细微差别是难题的关键。 ”

     轻型运动飞机 M&P

        与实验飞机非常相似，  LSA 复合材料经常使用湿法    叠层或浸渍，但预浸料越来越多地用于提高质量和性能。 Flight Design GmbH（德国 Hoerselberg Hainich）是 LSA    最受欢迎的制造商之一， 已从湿铺转移到 Hexcel（美国    康涅狄格州斯坦福德）M79 预浸料， 用于其新的 F2-LSA（该公司也在努力认证为 F2-C23）。

        不仅在陆地和空中可以找到  LSA——Icon Aircraft （美国加利福尼亚州瓦卡维尔）   非常运动的 A5 是一种 两栖产品，这意味着它可以降落在跑道或湖泊或海湾等 水体上。Icon 从最初的设计就决定使用预浸料， 以获得 其独特的陆海应用的最大性能效益。此外， 它还看到了 预浸料的制造优势：  与湿法叠层相比， 人工更少， 加工

更快，结果更一致。

 Icon A5 LSA 的碳纤维/环氧树脂预浸料的中心翼梁叠层。

        Icon  选择复合材料是因为它们使公司能够容易地制造出非常复杂的形状，并且具有耐腐蚀性，对于一架可能在水上或水周围度过相当长一段寿命的飞机来说， 后者是一个非常重要的考虑因素。Icon LSA 结构的 95%  以上是使用 2x2 碳纤维斜纹/环氧预浸料与 UD 标准模  量碳纤维预浸料的一些局部区域制成的， 以增强高负载（和高方向负载）区域。

        为了降低生产成本并提高可重复性， Icon CNC  切  割所有帘布层细节，  并在手动铺放过程中使用激光投影  仪和模板在工具中定位帘布层。在某些区域， 为了增加  结构刚度， 不需要增加额外的层， 而是根据需要使用闭  孔泡沫芯来增加结构的刚度， 从而实现非常小的重量损  失和高成本节约。泡沫芯是数控加工的， 并增加了一个  斜面斜坡，  以方便帘布层过渡。然后可以将其加热成型。 复合材料零件通常是通过烘箱固化的， 但对于某些高负  载结构，  如翼梁， 使用热压罐来减少孔隙率， 并尽可能获得最佳的质量和性能。

                                           碳纤维增强环氧树脂正被手工铺设在图标 A5 独特

                                                 形状的主后舱壁上。 几个 Virtek（Waterloo，Ont.

                                                 Canada）激光投影仪加快了铺层细节的定位。

        组装主要是使用喷砂和溶剂擦拭进行表面处理的 糊状粘合（环氧树脂）。接合间隙设计在组件中，并使用 接合夹具进行控制。糊状粘合剂的混合和应用都是手工 完成的。初始固化是在室温下进行，然后进行升高的后

固化。

                                                      Icon A5 水陆两栖飞机机身、中央翼盒和舷侧

                                                    （在水面上保持稳定）的粘合组件。

        尽管在潜在的恶劣条件下飞行，  但复合材料的性能 似乎证明了最初设计选择的合理性。 Icon  的工程总监 Rodolfo Correa  表示， 经过八年的服务历史和几架飞行 时间超过  1000  小时的机身，粘结接头或层压部件没有 出现故障。该公司对结果如此满意，以至于 Icon 除了继续提供 A5 的 LSA 模型外，还开始认证 A5。

       认证飞机 M&P

        具有高复合材料含量的第一代通用航空认证飞机 （大量生产）， 如钻石/DA-20  或西锐  SR20， 由于其成 本低且易于检查（半透明， 强烈的背光可以通过简单的目视检查发现大多数缺陷）， 通常为 E 玻璃。然而，钻石  DA-42 或西锐  SR22 等第二代飞机越来越多 地使用碳纤维和/或 S2 玻璃， 而 DA-62 、SF50 Vision Jet 和 Epic  的 E1000 等第三代飞机正转向大部分或全部碳纤维结构， 以提高其结构效率。

        同样， 树脂系统的趋势是选择性能更高（更硬、玻 璃化转变温度（Tg） 更高） 的环氧树脂， 使油漆颜色更 深， 并提高耐损伤性。加工通常是用烤箱或热压罐手工叠放预浸料。

        西锐（Cirrus Aircraft 美国明尼苏达州德卢斯）   系列  SR  飞机据说是近年来最畅销的单引擎活塞通用航空飞  机，  自 20 世纪 90 年代末问世以来一直是全复合材料飞  机。虽然该公司的最新复合材料进展尚未披露，但西锐  与东丽（Toray Advanced Composites-TAC，Tacoma，Washington， U.s. ）使用其 BT250 环氧树脂系统和 TC275-1 建立了长  期的关系。后者是 SF50 Vision Jet 上使用的 275°F  固化  纯真空袋（VBO- vacuum bag only）环氧预浸料。加工是传统的手工粘贴组件。

                                                          钻石飞机公司设计并建造了自己的内部按需设备，用  于控

                                                          制树脂在干燥织物上的应用，以产生“湿预浸料”。

        西锐在全复合材料认证通用航空市场的主要竞争 对手之 一 是 钻石 （Diamond  Aircraft  奥 地 利  Wiener Neustadt）。利用其玻璃纤维驱动的 sailplane 体验， 钻石 仍然使用 “ 湿法预浸 ”作为一种半自动化的方式来帮助控制湿法叠层树脂的应用。

        与西锐非常相似，  随着时间的推移，钻石在其设计 中的碳纤维比例从早期 DA20 C1 型号的 10%（而玻璃 纤维的比例为 90%）提高到了 DA42 的 50%， 而在最新 的设计 DA50 RG 和 DA62  中，碳纤维的比例已完全翻 到 90%，而玻璃纤维仅为 10%左右。钻石使用了高强度 和标准模量的碳纤维，这增加了材料的可用性（以及相

关数据），并提高了机身性能，推进其使用增加。

        钻石的“ 湿预浸 ”工艺产生按需的内部预浸料（或湿叠层， 取决于您的观点）。干纤维卷通过定制设计的设  备运行，该设备测量一定量的低粘度环氧树脂， 以生产  湿预浸料， 该预浸料可立即切割成型并放置在模具中。 DA20 、DA40 和 DA42 中使用的原始树脂是 Momentive  （Esslingen am Neckar， 德国）  的 L160  或 L285  环氧树  脂。较新的设计（DA42-VI 、DA50-RG 和 DA62）因其  Tg 高而被西湖环氧（ Westlake Epoxy） 公司（前身为美国俄  亥俄州哥伦布市的 Hexion）转移到 RIM935 灌注环氧树  脂。早期型号的钻石由于 L285 的 Tg 低而仅限于大多数  或全部白色油漆方案； 转向 RIM935 使该公司能够添加  新的、引人注目的配色方案， 这些配色方案通常是客户喜欢的。

                                             为 Diamond DA50 RG 的右侧机身铺设碳纤维/环氧树脂“湿预浸料”。

        湿预浸料层的处理可能很有挑战性，有时会有点混乱； Diamond 已经考虑引入自动铺放技术， 以帮助减少循环时间并减轻技术人员的工作量。 Diamond 还 在其加工工艺中添加了树脂注入—— 将其用于孔隙率 更关键的零件，如碳纤维梁 （出于结构原因） 和玻璃 纤维雷达罩（较低的孔隙率可获得更好的电磁传输，从而获得更好的雷达性能）。

        金刚石的粘合组件使用剥离层和砂纸进行表面处 理。粘合线树脂与结构中湿预浸料相同，但用棉片或 微球增稠成糊状。混合和涂抹都是手工完成的。粘合 剂在室温下固化，随后整个结构（层压板和粘合线）接受高温后固化。

                                                   Diamond DA50 RG 机身半部和框架正在准备进   行最终组装粘合。

                                                   请注意，垂直稳定器是大型机身总成的一个组成部分。

        根据钻石公司 40 年的经验，该公司表示从未有飞机因复合材料问题退役。机身每飞行 6000 小时进行 一次检查，  通常不需要任何发现或维修工作。   “ 复合材   料是我们的 DNA， ”钻石飞机公司的设计组织负责人 Robert Kremnzer 说，他回顾了钻石公司产品的广泛使  用寿命。  “ 我们不会有任何不同的想法。我们不会设计任何不同。我们认为这是一种很棒的材料。 ”

         Epic Aircraft（美国俄勒冈州本德） 将一架流行的   套件（实验）飞机变成了性能最高的认证涡轮螺旋桨   飞机之一。 E1000 和现在的 E1000 GX  由一台普惠加拿 大公司（Longueuil， QC， Canada）的 PT6A-67A 涡轮   螺旋桨发动机（其古老的 PT6 发动机家族最近刚刚超  过 10 亿飞行小时）提供动力，可以在压力舒适的条件 下以每小时 380 英里的速度巡航， 航程 2000 英里，最高可达 34000 英尺。

                                              这款 Epic E1000 GX 机身的一半采用 Toray 2510   碳纤维/环氧树脂预

                                              浸料。请注意，蜂窝芯托架上涂有紫色 Henkel EA 9696 环氧薄膜粘合剂。

        正是性能和耐久性（例如，抗疲劳性，对加压机 身尤为关键）首次将 Epic 吸引到碳纤维复合材料中。

在获得美国联邦航空局型号和生产认证的七年过程中，该公司通过测试和重新测试学习并改进了设计， 最终实现了一种非常坚固的复合材料机身，   测试载荷约为服役期间预期最高载荷的两倍。

         2021 年， Epic 认证了 E1000 GX，现在是该公司的 标准生产产品 。 GX 升级了航空电子设备，   并在 PT6A- 67A 涡轮螺旋桨发动机的前部安装了一个五叶复合螺    旋桨。新型复合材料螺旋桨提高了起飞性能， 同时降

低了噪音， 增加了乘客的舒适度。

         Epic 的首席工程师 Brock Strunk 在 Lancair 获得了 复合材料认证，并在全行业支持共享复合材料数据库  以帮助通用航空方面拥有丰富的经验。这些努力包括  先进通用航空技术实验（AGATE-Advanced General Aviation       Technology Experiments）、 国家先进材料性能中心（NCAMP-National Center for Advanced Materials Performance）和 CMH-17。Strunk 是公共数据库的主要支持者，公共数据库允许小型飞机公司更容易地将先进的复合材料纳入其设计中。

                                 Epic E1000 GX 机身半部、隔板和防火墙已  准备好进行粘合。前景是碳纤维/环氧树脂一 体

                                 式（实际上从翼尖到翼尖）翼梁，这是两种用于飞行载荷冗余的翼梁之一。

        Epic 手工铺设 TAC 的碳纤维和玻璃纤维 2510 环 氧树脂预浸料，以在每架飞机中制造大约 550 个复合 材料零件。与复合材料和粘合材料供应商的密切技术 关系至关重要， Epic 利用其技术专长帮助优化制造工 艺。此外， 通过选择已经合格并拥有公共数据库的复 合材料，  Epic 能够利用节省下来的资金，更深入地了 解工艺可变性如何影响最终性能， 从而实现强大的复合材料生产系统。

        Epic 的大部分零件由具有高负载结构的织物预浸 料制成，  如使用 UD 预浸料的机翼和水平翼梁。局部

刚度通常由 Hexcel 芳纶/酚醛蜂窝外膨胀（OX- over-expanded ） 芯和汉高（美国密歇根州麦迪逊高地） Loctite EA 9696 Aero 环氧薄膜粘合剂提供，其中泡沫芯主要   在可以热成型的复杂几何形状中有限地使用。装配是   粘贴胶接； 同样来自汉高的环氧糊状粘合剂混合了额   外的增稠剂，有助于在机身半体粘合和机翼关闭过程中防止坍落。

Epic E1000 GX 的最终结构组件。前机身碳纤维

结构是压力隔板，也是防火墙的一部分。蓝色 区

域是含有铜防雷保护的表面膜。请注意， 机翼的

  前缘保持裸 露状态，以便稍后粘合充气除冰靴系统

       未来潜在进展

        通用航空复合材料的技术增长可能由一个单一因   素驱动：  成本。通用航空原始设备制造商愿意探索新   的、轻量化的选择和加工技术，   以使机身更具燃油效   率（甚至是电动或氢动力）， 但从久经考验的材料和工 艺转向成本高昂。不仅从原材料的价格，还从鉴定和认证新型复合材料结构的时间和成本。

         NCAMP 和 CMH-17 等已发布的数据库对小型制造 商采用新材料有很大帮助；材料供应商应考虑在其推    向市场的任何新的结构复合材料系统中纳入一套基本的容许值。

         在通用航空飞机上复合材料的市场预测以及先进   的空中机动性（AAM- advanced air mobility ）的推动下，复 合材料行业正在开发性能更高的复合材料，   同时降低材料、加工和使用成本。

         增韧环氧树脂的进展使其在较低的温度和压力下    更快地固化，同时仍能提供类似热压罐的性能，从而    能够使用 UD 形式的更硬的中间模量碳纤维。 UD 纤维 的效率大约比其机织布的效率高 25-50%。总之，可以   显著减轻重量，占用更少的内部机翼空间，   为燃料留出更多的空间。

        与环氧树脂甚至增韧环氧树脂相比，聚醚醚酮（PEEK） 和聚醚酮酮（PEKK） 等高性能半结晶热塑 性树脂的价格将继续下降，并提供更好的飞机外和耐 损伤性能。高温加工要求带来了一系列挑战， 但新的加工和建模可以帮助解决这些挑战。

         碳纤维，  特别是中等模量的碳纤维，由于其无与 伦比的结构性能，特别是刚度，   将在通用航空的主要 结构中得到应用。大型丝束碳纤维的新进展和具有额 外碳纤维产能的新生产工厂加起来降低了碳纤维的成本，进一步推动了其在通用航空中的利用。

         新复合材料工艺的研发，包括先进的纤维铺设（AFP） 和自动铺带（ATL），不仅可以获得非常高质 量和一致的复合材料结构，还可以利用 UD 碳纤维实 现最高的结构效率，   还可以制造大型、集成的复杂结 构，降低组装成本。另一种加工技术，即使用加热工 具和机械力进行固化的冲压成型， 提供了将零件加工周期时间从数小时或数天缩短到数分钟的可能性。

      关于加快实施创新的适度建议

         当前本地和区域航空运输（如 AAM 一词所示）的革命，包括垂直起降（VTOL）、短距起飞和垂直降落（STOVL） 和短距起飞与降落（STOL）， 以及传统的固定翼运输，为通用航空公司提供了一个独特的机会，利用材料和技术推动其行业向前发展。

         想象一下， 一家已成立的通用航空公司与一个新兴的 AAM 集团合作（或者合作可能涉及通用航空和AAM 的多个合作伙伴）。他们与材料供应商合作，共    同确定一套材料（预浸料、粘合剂等）的成本、加工   和性能目标。这些材料通过美国联邦航空局批准的数   据系统（如 NCAMP 或 CMH-17） 进行鉴定，   低成本加 工是通过政府/学术界的复合材料制造研发设施开发和 验证的，  例如美国堪萨斯州威奇托的国家航空研究所   （NIAR）航空航天系统先进技术实验室（ATLAS）中  心，多用途生产设施或每个利用知识和数据创建自己的工厂。

        通过合作，  AAM 组织从通用航空公司多年来开发 的复合材料设计、分析和制造专业知识中获得了宝贵

的知识。与此同时，   通用航空公司获得了新的资源，以帮助降低非经常性成本，从而实施新的结构高效材料和降低成本的工艺。

        总的来说， 通用航空所有领域的复合材料前景光   明。利用为其他市场开发的材料和工艺将实现显著的   性能提升（以更少的燃料消耗走得更远更快）， 同时提高耐用性并降低采购成本。

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                                                                注：原文见， 《 Composites manufacturing for general aviation

                                                                                             aircraft  》 2023 ．7 ．26

杨超凡         2023.12.4