灣流G650與熱塑性復材

2021-02-07 航空產業網

7月11日,One More Orbit項目宣布灣流G650 ER飛機國際乘組成員創下新的經兩極環球飛行用時最短記錄,飛行總時間為46小時39分38秒。「灣流」G650 ER飛機7月9日從美國卡納維拉爾角起飛,經過3次短暫加油,在不到兩晝夜的時間內,飛機回到原機場,完成了環球飛行。據主辦方信息,飛機平均時速為860.95公裡



G650ER是G650增程型,保持著數十項航空性能記錄。G650系列在航空產業史上也是一種特殊的機型,飛機的升降舵和方向舵都是熱塑性複合材料製造的。這也是熱塑性材料第一次用來製造控制翼面


熱塑性碳纖維復材方向舵,圖片來自灣流


2015年被GKN收購的Fokker公司是熱塑性複合材料的引領者,其製造了灣流G650公務機的完整平尾,包括熱塑性方向舵和升降舵,組件比傳統材料減重10%,成本降低了25%。組件由感應焊連接,取消了昂貴的鑽孔和鉚接工作。


G650的平尾在裝配中,圖片來自Fokker公司官網


與生產技術的開發方Daher公司子公司KVE一起,Fokker為灣流G650公務機開發了新一代全熱塑性複合材料升降舵和方向舵。與早期設計相比,已經實現了顯著的成本降低和重量減輕。


該設計包括一個雙曲面多肋平尾翼盒,帶有蒙皮、橫梁和肋以及可拆卸的前緣和後緣。零件全部由Carbon / PPS製造。翼盒中的接頭採用感應焊接,該工藝由荷蘭的KVE公司獲得專利。

 不同的焊接方法利弊,來自CompositesWorld

帶有感應線圈的機器人通過在焊接區域施加交變電磁場來焊接部件。這會在碳纖維中產生渦流而加熱,熱塑性基質熔化並且使部件熔合在一起。該過程高度自動化,顯著降低了裝配成本,重量和周期時間。

各類材料的使用量趨勢,圖片來自CMASlab

高性能熱塑性複合材料是指用高強玻璃纖維、芳綸纖維和碳纖維增強耐高溫熱塑性樹脂的複合材料。

與熱固性複合材料相比,高性能熱塑性複合材料具有較好的耐熱性能和剛度、強度的新型材料;其線狀鏈的分子結構使得聚合物保持著良好的韌性,因此材料還具有較高的韌性、優良的抗蠕變能力、優秀的損傷容限性能以及良好的抗衝擊性能。

微觀結構的舉例,圖片來自CMASlab

同時,由於熱塑性聚合物分子鏈不含有產生鏈間化學反應的基團(對比熱固性聚合物,例如漁網對比義大利麵),其在加熱過程僅僅發生加熱變軟和冷卻變硬的物理變化,故成型周期短、生產效率高,具有較大降低製造和使用成本的潛力。

其結構件還可以直接熔融焊接,無需鉚結,也能有效減輕飛機重量,並利於維修。另外,某些熱塑性複合材料的長期使用溫度可達250℃以上,並且耐水性極優,可在溼熱環境下長期使用;同時預浸料無存放環境與時間限制,可長期貯存、並且廢料還可以回收再利用,通常被稱為「綠色材料」

缺點是需要更高的成型溫度和粘結劑適用性不好等等,而且工業界缺少對其性能的長期評價數據。由於優點較突出,高性能熱塑性複合材料被認為是一種有發展前途的飛機結構用材料,一直受到航空航天領域的廣泛關注。


目前,應用到航空領域的熱塑性樹脂主要是耐高溫、高性能的樹脂基體:聚醚醚酮(PEEK)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚醯亞胺(PEI)。無定形的PEI具有更低的加工溫度及加工成本,比半結晶的PPS及高成型溫度的PEEK在飛機結構件上的應用更多,是最早應用的熱塑性材料。


值得一提的是,汽車上大量採用通用材料,例如使用增韌聚丙烯(PP)材料製造保險槓等部件。


本表來自《纖維複合材料》第二期


空中巴士公司一直是新材料新工藝在商用客機上使用的倡導者, 其在90年代初就開始參與到熱塑性樹脂基複合材料在大型客機上的應用研究,並成功地將PPS樹脂基熱塑性複合材料應用在一些結尺寸較小的肋、梁等小件上。


隨著材料性能、成型工藝、以及裝配技術的提高,高性能熱塑性複合材料已被逐漸使用到空客飛機的次承力結構件上,例如:A340-500/600前緣、A380機翼J-nose固定前緣,A400M駕駛艙地板等。波音在787上也有支架,頂部軌道等應用案例。早期落選的JSF原型機還使用了熱塑性復材的蒙皮。


A400M地板,來自:HPC/Jeff Sloan


Daher旗下的Socata Nantes工廠生產的最大熱塑性結構是用於空中巴士軍用A400M運輸機(3048毫米×3,058毫米)駕駛艙地板。其250個熱塑性複合材料部件用金屬緊固件組裝在一起。



熱塑性復材的部分應用案例,資料來自波音


在2009年,空客公司聯合荷蘭的工業企業啟動了一項為期4年的TAPAS飛機熱塑性主結構件項目,該項目目標是為未來飛機項目建立一項製造大型主結構件所必需的熱塑性複合材料技術。

TAPAS項目路線圖

2014年又啟動了TAPAS 第2階段,項目合作夥伴將致力於開發一個完全由熱塑性複合材料製成的示範尾部。與傳統飛機材料相比,輕質,堅固的熱塑性複合材料可減輕15%的重量,從而降低油耗,同時提高噴氣式客機的射程和負載。


空中巴士與荷蘭熱塑性塑料集群的TAPAS計劃合作夥伴關係還包括:Fokker公司,Airborne Composites,CoDeT,代爾夫特理工大學,DTC,KE-works,KVE,荷蘭國家航空航天實驗室(NLR),Technobis光纖技術和特溫特大學。


灣流公司的熱塑性復材壁板,來自CompositesWorld


雖然是起源歐洲的研發項目,TAPAS成果更多實際應用是對熱塑性復材興趣更高的灣流公司。G650方向舵和升降舵上的成功僅僅是一個開始。Fokker 於2017年開始與灣流合作,為機身面板創造設計理念。隨後在2018年和2019年設計和製造了幾個弧形面板,並在今年的JEC展會上展示了裡程碑式的第一個壁板


GKN Fokker正在繼續建造面板,並期望在今年晚些時候實現TRL4(部件驗證)。



Fokker公司的雙曲率壁板案例,圖片來自Fokker


Fokker 與灣流團隊知道,通過金屬或傳統的熱固性複合材料製造方法來應對複雜曲率是困難的。新一代自動鋪絲機AFP使設計師能夠根據外殼的複雜形狀從局部優化纖維取向,並偏離標準0 / 45/90纖維方向。「用於形狀和重量優化的纖維方向轉向是該項目最重要的進步之一,」項目負責人介紹。


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