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非热压罐技术发展趋势不可逆

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非热压罐技术发展趋势不可逆

发布日期:2018-04-24 00:00 来源:http://www.dalianyingtian.cn 点击:

  大型热压罐

 俄罗斯联合飞机制造公司(UAC)在其即将推向市场的MS-21单通道客机上,采用非热压罐成形技术制造机翼主承力构件,这在民用飞机制造史上具有里程碑意义,将对世界航空制造业的发展产生深远影响。

 

  MS-21客机承载了俄罗斯复兴民用航空工业的梦想。作为一款全新的飞机,MS-21机体结构复合材料用量达到了40%,在商用飞机中仅次于空客A350XWB、波音787和庞巴迪C系列。

 

  如何在A320neo、737MAX等机型的夹击下凸显竞争力?UAC的研发战略十分明确,那就是以重量更轻、成本更低的方法来制造复合材料机翼。UAC选择了翼梁、蒙皮壁板和中央翼盒6个截面壁板等主承力构件,委托旗下航空复材公司组建了跨国团队进行干纤维树脂浸渍工艺(一种非热压罐成形技术)的开发。

 

  干纤维树脂浸渍工艺的特点是用液体树脂以压力注入干纤维然后成形,固化过程使用固化炉而不依赖热压罐,它可以节省大量的纤维预浸、运输、保管费用,设备投资和能耗也较低,具有投入更少、能耗更低、重量更轻的优势,这是俄罗斯人选择它的主要理由。

 

  对于MS-21机翼中的这些大尺寸主承力构件,如果采用热压罐固化需要在设备上投入上千万美元,使用固化炉则可以节省数百万美元。热压罐的运营成本比同等体积的固化炉高数倍,在固化过程中给热压罐加热及在几个大气压的压强下输送氮气,能量消耗巨大,而干纤维树脂浸渍工艺使用的固化炉绝热性能良好,可以节省大量能量。利用干纤维制造预成形件可以成形大型整体带筋结构,大大减少零件和紧固件数量,从而达到更好的减重效果。MS-21机翼的翼梁、蒙皮壁板和中央翼盒截面壁板都是这样的整体成形件,这对于实现机体减重10%~15%的目标是非常重要的。

 

  2010年,开发团队的成员之一菲舍尔未来先进复合材料股份公司(FACC)研制出了树脂浸渍的复合材料翼盒原型,之后又完成了3个翼盒原型的制造;2011年,FACC在莫斯科航展上展示了由6个复合材料组件构成的翼盒,共计300多个零件、9000多个紧固件;2012年,这些翼盒完成了大量静态和连续循环试验;2013年,MS-21开始总装。按计划,2014年,航空复材公司将装配首个全尺寸外翼;2015年,完成总装下线,并且实现首飞;2017年,交付客户。

 

  复合材料非热压罐成形技术经历了几十年的发展历程,近几年开始重新受到人们的关注,并且运用到商用飞机主承力构件制造中。非热压罐成形技术的前景,取决于未来单通道客机的发展和选材。在未来一段时期内,波音和空客不太可能再设计研发全新的双通道客机,现有的热压罐设备和技术足以保障波音787和A350XWB系列的生产,改换非热压罐对节约成本意义不大,应该把目光转向波音737和空客A320这样的单通道客机。

 

  未来10年内,737系列和A320系列每月生产速率将达到45~50架,一旦波音和空客决定将这些飞机的机翼铝合金材料换成复合材料,或者干脆开发全新的飞机,那么非热压罐成形技术极有可能派上用场。

 

  据测算,如果每月交付100架飞机,就意味着要制造400套,每套重约1吨的机翼蒙皮,至少需购买20个大型热压罐,每个热压罐的安装成本就达到4000万~5000万美元。也就是说,波音和空客仅热压罐一项技改项目,就要投入数亿美元,已经日趋成熟的非热压罐成形技术成本优势将更加明显。

 

  事实上,波音、空客及英国GKN航宇公司等制造商已经在这个方面进行了大量研究。波音和空客合作开展了一个复合材料机翼技术验证项目,使用空客的专利技术制造了一个2.5米长的正弦波形网状碳纤维复合材料机翼翼梁,这种方法可以进一步减轻机翼10%的重量。

 

  波音研制的“鬼眼”无人机验证机,由三部分组成、长45.7m的机翼也是利用非热压罐成形技术制造的。GKN航宇公司在欧盟“洁净天空”计划的资助下,利用非热压罐成形技术制造出了下一代复合材料整体机翼翼盒验证件,翼盒集成了带加强筋的蒙皮、复杂弯曲轮廓及4个不同的长桁形状。GKN的技术开发目标是比现有复合材料机翼减重5%,总成本减少25%,并具备50个/月或2个/天的生产速度。

 

  非热压罐成形技术进程的快慢,影响范围有多大,最终会形成什么局面,还要取决于市场环境、技术和制造成熟度等多方面的因素,但非热压罐技术发展趋势,就像当年复合材料替代铝合金一样不可逆转。


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