翱翔在天际中

　　几十年来，航空航天制造商一直在把复合材料组件安装到飞机上，以减轻重量，节省燃料并减少商业、商务和军事飞行对环境的影响。随着新技术的发展，复合材料将在未来的飞机中发挥更大的作用。

　　航空航天复合材料的研究在许多方面都在继续，本文重点介绍了其中的三个。航空发动机制造商罗尔斯• 罗伊斯（Rolls-Royce） 在英格兰的新技术中心展示了复合风扇部件的自动化生产。在美国堪萨斯州，Spirit AeroSystems 正在寻找方法来改善用于超音速飞行的复合材料的性能和生产。在佛罗里达州，大学研究人员大大提高了3D 打印复合材料的强度，使其更适合用作飞机结构部件。

　　新的生产方法

　　更可持续、更自动化的复合材料生产可能会增加它们在航空航天工业中的应用。罗尔斯• 罗伊斯（Rolls- Royce）位于英国布里斯托尔（Bristol）的新复合材料技术中心为未来的制造提供了可能的模式。该工厂于2020 年 1 月开业，为罗尔斯• 罗伊斯（Rolls- Royce）创新的UltraFan® 发动机示范机型制造CFRP 风机叶片和风机外壳。 UltraFan 代表了劳斯莱斯飞机发动机数十年来的首次重大架构变化。

　　“UltraFan汇集了一系列新技术，将通过动力变速箱驱动的大型低速风扇，与高技术、高速、功率密度极高的燃气发电机核心的推进效率优势结合在一起。”罗尔斯• 罗伊斯公司 UltraFan 产品开发和技术的首席工程师Andy Geer 表示。这既可以减少燃料燃烧，又可以减少排放。Geer说：“从成本和环境足迹的角度来看，这是航空航天未来发展的方向。”

　　该公司估计，采用复合风扇叶片和风扇外壳将使喷气发动机的重量减轻1500 磅以上，相当于7 名乘客的重量。总体而言，与罗尔斯• 罗伊斯公司的首款Trent发动机系列成员相比， UltraFan 将减少25% 的燃油消耗和二氧化碳排放。

　　罗尔斯• 罗伊斯与英国国家复合材料中心合作开发了UltraFan 复合风扇组件。最初的工作是公司位于怀特岛的学术研究设施中完成的。下一阶段将在复合材料技术中心进行，这是一个具有先进自动化制造方法的预生产设施。该建筑主要由太阳能供电，并采用低能耗、低排放的制造工艺来实现可持续发展。

　　Geer 说：“我们投入了大量精力，以确保复合材料的铺设和固结是相对低温的过程，以及在组装过程中释放出的气体或产品不会对环境造成伤害。”出于对可持续发展的关注，罗尔斯• 罗伊斯（Rolls-Royce）选择了 CFRP组件的材料，并设计了制造工艺，以减少浪费。

　　为了制造风扇叶片，罗尔斯• 罗伊斯公司制造了数百层碳纤维材料，并预先填充了可提高其韧性的树脂。东丽（Toray）公司制造了碳纤维，Hexcel Composites 将其掺入到其提供的预浸料中。罗尔斯• 罗伊斯公司（Rolls- Royce）与位于特拉华州的Accudyne 合作开发了专门的自动机器人系统，用于进行物料铺放。复合材料通过加热和加压固化，叶片采用了薄钛前缘，以防止侵蚀、外来物体和鸟类撞击。检验系统集成在整个生产过程中，以确保生产的每个部件的质量。

　　工厂的预生产技术可以轻松扩大规模，以满足实际的生产需求。在航空航天业中，这尤其重要，新的飞机部件必须经过严格的资格测试。

　　“一旦获得了认证，就必须证明随后制造的零件与经过认证的零件完全相同。因此，精度、准确性和可重复性是该过程的关键部分。”Geer说。通过控制制造过程，该公司可以证明其制造的第100 个零件将与制造的第一个零件相同，并达到相同的质量标准。如果涉及人为因素，例如人工铺设，则很难做到这一点。

　　风扇叶片和外壳并不是UltraFan 发动机上唯一的复合部件。Geer表示，有机聚合物基复合材料广泛应用于整个风扇系统，其他复合材料也被用于隔音板、气动整流罩的填充材料和环空（发动机燃烧系统的一部分）的填充物中。陶瓷基复合材料被用于发动机的高温部分。

　　罗尔斯• 罗伊斯公司计划在 2021 年底之前完成其UltraFan 发动机的演示模型。尽管该公司正在与航空航天制造商讨论在新飞机设计中加入发动机，但与covid -19 相关的行业放缓使得很难预测此类项目何时会取得进展。

　　Geer 说：“我们的目的是通过相当严格的特性描述和测试程序，证明我们了解这项技术，并完全准备好将其投入生产。”

　　超级速度

　　高超音速飞机主要用于国防和武器工业，其设计速度从5马赫（约3800 英里/小时）到20马赫（约15000英里/小时）或更高。在设计这种速度的飞机时，最大的挑战之一是开发能够处理大气阻力影响的材料。

　　高超音速飞行器在某些区域必须承受大约1,200 华氏度到4,000 华氏度以上的温度，具体取决于飞机的运行速度。“材料和结构对温度的快速变化做出反应的能力，以及当飞行器在结构的不同部分经历巨大的温度差异时能够正常工作的能力是绝对必要的。”Spirit AeroSystems 国防工程高级总监和总工程师Chris Boshers说。

　　为高超音速飞机提供热保护的结构需要高强度和刚度，因为它们还必须承受高超音速飞行的巨大动态压力和g 载荷（加速力）。复合材料可以提供这些特性，但是那些单向纤维可能会发生分层和过早失效。

　　“（用于超音速飞机的）极其坚固而有效的温度材料具有沿三个方向定向的纤维，以对三维施加的载荷做出反应。”Boshers 说。

　　为了生产这些高超音速复合材料，在材料设计和制造方面具有专长的Spirit AeroSystems 公司最近收购了FMI 公司，后者已经开发和生产高温复合材料超过50 年。合并后的团队希望通过制造所需材料来改善高超音速飞行的价值，从而使飞机更经济、更高效和可批量的生产。

　　Spirit 正在研究两种不同类型的高超声速复合材料——碳/碳和陶瓷基体。碳/ 碳（C/C）复合材料可以在超过4000华氏度的温度下保持高强度，同时保持可预测的空气动力强度。在高超声速飞机中，C/C 复合材料被用于机头、控制面、热保护系统（TPS）、航空外壳应用以及火箭发动机排气系统的喷嘴和喉部。其他潜在的应用包括用于太空再入飞行器的TPS、防热罩和高温发动机部件，以及用于工业应用的烘箱壁和高温探头。

　　为了生产C/C 复合材料部件， Spirit 将几束碳纤维编织成直的或无卷曲的三向排列，每束碳纤维由数千根单独的碳纤维束组成。

　　Boshers 解释说：“在质量保证检查后，确保纤维结构是正确的，然后加热、加压沥青被强制进入纤维之间的空间。”在这个灌注过程之后，坯料被加热到沥青的焦化，只留下碳。反复多次的灌注过程来填充剩余的空隙，从而形成非常致密、非常均匀的碳碳块或坯段。”该公司可以用一个坯料制造多个飞机部件。

　　Spirit 正在努力使C/C 制造过程自动化，以降低人工成本并提高产品质量，加快致密化过程并生产接近最终形状的组件。Boshers 表示，这些变化可能会改善C/C材料的比率特性，使其价格更便宜。

　　Spirit 还正在开发方法，以量产大量用于超音速飞行器的陶瓷基复合材料（CMC）。CMC 像C/C 复合材料一样保持强度和刚度，但是在1,500 F 至2,200 F 的较低温度范围内运行。 CMC 确实比C/C 具有更好的耐环境性，尤其是抗氧化性。它们可用于飞机非峰值热区部件、某些热屏蔽和超燃冲压发动机进口管道。

　　Spirit 的CMC 材料包括碳、碳化硅（SiC）或氧化铝（Ox）纤维。公司采用碳化硅和碳化硅纤维作为基体材料。氧化铝纤维与氧化铝基体一起使用。

　　为了对C/C 和CMC 进行专门的高温测试（最高5,000 F），Spirit 建立了自己的能源材料测试实验室。它还与美国国家航空研究所（NIAR）合作，在威奇托建造一个高温材料测试设施。 Boshers 说：“该设施将提供高温C/C 和CMC 材料的特性，并为高超声速飞行器结构的设计提供经过认证的B 基准统计允许值。”（B- 基准是100 个试样中只有10 个会以95% 置信水平失效的强度值。）

　　Boshers 在高超音速市场看到了复合材料的许多额外机会。“我们正在探索新的纤维结构和材料，在高超音速应用中提供成本/ 性能优势。” 他解释说，“近净形状材料、更大尺寸的部件以减少或消除接头，以及能够更有效地抵抗烧蚀或侵蚀的材料目前正在开发中。从长远来看，耐高温、耐用的材料可以用于喷气发动机，以减轻重量和提高效率，从而减少燃料使用和降低二氧化碳排放。”

　　尽管国防工业一直是高超音速飞机材料的最大客户，但商业部门的兴趣也在不断增长。SpaceX 和维珍银河（Virgin Galactic）等公司正在开发技术，将大幅缩短目前在世界各地运送乘客和货物的时间。复合材料将发挥关键作用，不仅在这些高超音速飞机的发展，而且在许多其他创新未来飞机的生产上。

　　3D打印飞机部件

　　复合材料的增材制造（AM）能够以极低的浪费快速生产几乎无限几何形状的组件。但是今天大多数AM 的工作是用热塑性材料完成的，这种材料不具备飞机结构部件所必需的性能。用碳纤维制成的热固性复合材料可以提供所需的强度和耐久性，不过，将碳纤维融入打印混合物中存在问题。当碳纤维数量过高时，纤维会聚集在一起，堵塞3D 打印机的喷嘴，导致打印机无法打印。

　　美国迈阿密大学（University of Miami）机械和航空航天工程助理教授 Emrah Celik 开发了一种方法来解决这个问题。他发现，振动打印机喷嘴处的碳纤维可以防止它们结块，从而使打印过程得以进行。

　　在为NASA 和空军工作AM 项目的过程中，Celik 能够定制现成的3D 挤压打印机来生产碳纤维热固性部件。 2019 年，Celik 和他的空军研究伙伴发表了一篇论文，描述了他们如何能够按体积生产碳纤维约6% 的热固性部件。“这在当时是非常棒的，我们超越了先进的实践。”他说。

　　但是Celik 想要添加更多的纤维来生产更强的复合材料。在他的研究生助理Nashat Nawafleh 的帮助下，他探索了几个变量，包括碳纤维的理想长度、这些纤维的表面处理以及不同程度的振动对热固性材料的影响。

　　以振动为例，Celik 说：“你不想振动太多，因为你不想降低分辨率或改变尺寸精度。但是震动的大小必须要合适，这样才能把纤维分开，这样它们才不会堵塞喷嘴。”

　　在使用凯夫拉尔® 纤维和玻璃纤维进行实验后，Celik 将重点放在了碳纤维上，因为碳纤维为复合材料提供了强大的强度。他最初使用的是长度约为6 毫米的短切碳纤维，但最终选择了大约50 微米长的磨细碳纤维。在测试了这些短纤维的各种表面化学成分后，Celik 发现，在树脂和碳纤维之间，胶料材料提供了极好的连接。

　　在热塑性AM 中，复合材料层之间的结合可能不强，因为材料在打印时被加热，然后很快冷却。Celik 的热固性AM 过程提供了一个更各向同性的结果；打印“墨水”由纳米粘土或二氧化硅组成，与热固性树脂混合，然后在喷嘴处与碳纤维混合。他解释说： “它变成了一种凝胶状的材料，当你在表面挤压它时，它有足够的强度来保持形状。”每一层的凝胶都能很好地与下面的层融合，当这个部分完成后，就把它放入烤箱过夜固化。

　　由于使用了较短的碳纤维，各向同性性能也得到了改善。挤出过程中，油墨中的纤维在打印方向趋于对齐，其他方向强度降低。由于短纤维不像长纤维那样排列整齐，Celik 的热固性复合材料的横向强度为80%。

　　通过所有这些改变，Celik 在打印热固性复合材料中实现了碳纤维含量的显著提高。他解释说：“以前我们只需要5% 到6% 的纤维，现在我们可以用46% 的碳纤维来制造材料。”这种材料的强度和金属一样，但比钢轻 80%，比铝轻50%。

　　Celik 相信，通过这种增材制造工艺生产的轻质热固性复合材料零件将能够代替较重的金属零件。此外，借助3D 打印复合材料，飞机制造商可以重新设计零部件。只有需要结构完整性的零件才必须是坚固的。在其他地区，蜂窝结构可用于进一步减轻飞机的重量。

　　已经有几个机构对Celik 的工作表示了兴趣。虽然航空航天可能是第一个使用该技术的行业，但他认为在交通运输和其他行业中还会有更多应用，特别是如果可以降低生产碳纤维的成本。

　　从3D 打印到材料的进步，当今正在进行的各种研发反映了复合材料为未来飞机和航天器提供的多种可能性。