“明日之翼”项目助力复合材料树脂灌注技术进一步发展

A350和B787复合材料机翼的制造，开创了一个新时代。不过，随着未来市场对飞机需求的提升，特别是对单通道飞机的激增，目前采用的自动铺带/铺丝和热压罐固化的生产效率远不能满足未来市场的发展脚步。

据预测，到2025年空客A320飞机要达到每个月80架的产量，A320未来的替代机型甚至要超过每月100架的生产速度，因此为了适应新的目标，飞机制造厂商正在做好两手准备：优化目前的复合材料制造技术以及另辟蹊径寻求新的更经济可靠的技术。

多年来，飞机制造商一直试图通过提高自动化程度、减少人工工作量以及增加设备数量等办法来提高热压罐技术生产效率，但这种解决方案的空间会受到成本的制约，因为无论是提高自动化程度或者增加热压罐的数量，高成本都是该技术的硬伤，一般公司承受不起。

近些年来，一些低成本、高效率的技术正在飞机复合材料机翼的制造中悄然兴起，比如树脂灌注技术，特别是俄罗斯新客机MC-21以及空客A220机翼对该技术的成功实现，更是推升了航空界的兴趣。欧洲“明日之翼”项目的参与公司也正欲使用该技术制造演示机翼，以便寻求最优的复合材料机翼解决方案。

01 “明日之翼”项目   

成立于2015年的“明日之翼”研究项目便是着眼于解决制约飞机生产效率中的瓶颈问题，研究内容主要集中在3个方面：机翼部件制造工艺的改进、开发自动化程度更高的新装配方法、以及采用比现在“更模块化”的方式完成机翼及其内部系统的集成。项目的总体目标是减少工艺步骤、人工和零件数量。

空客公司试验的下一代单通道飞机A321LR

空客公司是项目的牵头公司，也是项目成果的最大受益方。欧洲和英国的多家飞机制造商都参与了项目研制。空客负责机翼上壁板、翼盒、长桁、襟翼以及小翼等，SPIRIT AEROSYSTEMS欧洲公司负责机翼下壁板、前缘以及缝翼等，英国GKN负责后翼梁、后缘以及翼盒的装配等，以及英国复合材料中心（NCC）负责演示件的制造等。

“明日之翼”计划在2020年完成三个全尺寸机翼演示件的制造和组装：第一个将用于结构测试，以验证新的复合材料制造技术。第二个演示机翼将用于验证系统集成方法。第三个演示机翼将验证真正的工程生产能力。项目的最终成果将由空客公司来评估。

02  项目进展情况

目前各项工作都正在稳步推进中。空客已经确定了演示机翼的形状和结构，通过了关键设计审查，有些部件的试验件已完成，正在进入演示件的制造阶段。SPIRIT AEROSYSTEMS是机翼下壁板的负责公司，目前正在尝试树脂灌注非热压罐工艺。

采用树脂灌注技术制造飞机机翼并不是新鲜事，目前已经有两款商用飞机使用了这种制造方法：空客A220和俄罗斯伊尔库特MC-21，均为单通道飞机。A220的树脂灌注机翼由庞巴迪公司位于北爱尔兰贝尔法斯特的工厂制造。俄罗斯MC-21机翼由俄罗斯航空复合材料公司使用索尔维公司提供的单组分树脂体系采用树脂灌注和烤箱固化完成。

空客A220和MC-21的例证表明，树脂灌注成型对商用飞机而言是可行的。但是，这两款飞机的树脂灌注速度都相对较慢。该技术必须进一步改进，才能满足高速率制造的要求。

采用热固性树脂灌注和烤箱固化的 MC-21飞机机翼

在此之前，Spirit英国工厂采用树脂灌注技术制造了7米长的机翼试验件，在各项试验通过之后，工厂计划从2020年下半年进入到17米长全尺寸机翼演示件的制造阶段。该演示件的尺寸、形状等都类似未来单通道飞机的机翼，壁板最大的弦长3.3米，翼尖处宽1.1米，最小厚度5mm，最大厚30mm。

未来单通道飞机的机翼

为成功实现17米长蒙皮的树脂灌注工艺，空客及其合作伙伴做了大量的材料、模具以及工艺方面的改进。

SPIRIT AEROSYSTEMS公司研制了一套智能树脂灌注系统（IRIS），主要包括一套专用模具，可实现材料自动沉积、蒙皮与桁条一体化成形以及精确控温等功能。

这套系统最大的不同之处在于在模具表面嵌入了细小的电阻丝，通过控制输入的电量便能精确地控制不同区域的加热温度和速度。这种根据零件尺寸和体积定制的加热方案对于零件的精确成形非常重要，并且还可以降低电能消耗以及生产时间。

17米长全尺寸的机翼下壁板模具，

使用了半柔性的真空膜以及专业化的控温技术

英国复合材料中心（NCC）是原型件的主要制造商，为新机翼专门研制了一套龙门式机器人高效铺丝系统，采用了瑞士固格（Güdel） 公司的自动化技术。该机器人系统可实现纤维拉伸、裁剪、铺放以及测量等功能。工作时两座高7m、宽13m的桥式龙门沿着26m的轨道运行，两个巨大的机械臂固定在龙门上，定位精度小于0.2mm。该单元可在一次行进中实现宽5m、长达20m的复合材料铺层。据NCC称，该单元将彻底改变飞机机翼的生产，减少单独零件的数量并提高生产速度。该系统是NCC公司专为下一代商业飞机研制的全新生产线，铺放速度、质量和成本都可以满足下一代商业飞机的要求。 

NCC研制的龙门式机器人高效铺丝系统

一旦纤维层铺丝完成之后，机翼用真空袋包裹，移入到大尺寸树脂灌注设备中，配合使用20米烘箱在8小时180℃的高温炉中完成机翼零件的制造。大尺寸树脂灌注设备是英国复合材料中心（NCC）公司2019年为航空航天、风能行业等新研制的灌注设备，可加工单组分或双组分树脂系统，设备上使用了大量传感器技术，能够收集和分析生产数据，实时调整，实现灌注工艺的自动化，确保成形精度。该系统将首先用于下一代单通道飞机机翼的制造。

大尺寸树脂灌注设备

03  小 结

1、A320替代机型的复合材料机翼将采用树脂灌注技术是不容置疑的，目前各参与公司已经从工艺、设备和材料上做好了准备。Spirit公司已经制造出长7米的复合材料下壁板试验件，今年要完成1：1的演示件；GKN公司去年试制出长4米的复合材料机翼后梁，今年也要完成1：1的试验件。

2、今后A320替换机型的生产速度可能会达到每月100 架，也就是每天 3 架以上。目前与 A320 同类型的俄罗斯的MC-21复合材料机翼树脂注入和固化大概需要 20 个小时，从预制件的组装到机翼最后交付大约需要两个月的时间，显然这种材料和工艺技术不能满足每天 3 架的生产速率。因此“新A320”的树脂灌注工艺将不同于MC-21。

3、从目前的报道上来看，下一代单通道干线飞机的复合材料机翼应该采用的是热塑性树脂灌注，而不是MC-21使用的热固性树脂。使用热塑性树脂的好处不仅是可以回收再利用，而且热塑性零件还可以使用焊接连接，在欧盟的另外一个“洁净天空”项目中就有研究热塑性零件焊接性的问题，相信不远的将来我们将能看到一个完全无铆钉的整体成形机翼。

（作者单位：中国航空制造技术研究院）