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极光公司开发丝束牵引碳纤维机翼

核心提示: 自动化纤维铺放技术(AFP)已经取代了手动铺叠,成为被广泛认可的生产复合材料飞机结构(如机翼)的方法。但是构成复合材料层压板的单层碳纤维,仍然以统一的方式排列,因此可能无法实现结构中的载荷点精确对准。

机翼蒙皮的纹理展示了由自动化纤维铺放头沿着弯曲路径进行碳纤维转向铺丝成型的成果。

极光公司的自动化纤维铺放机在铺设碳纤维丝束时,可以实现最佳的丝束铺放路径。

自动化纤维铺放技术(AFP)已经取代了手动铺叠,成为被广泛认可的生产复合材料飞机结构(如机翼)的方法。但是构成复合材料层压板的单层碳纤维,仍然以统一的方式排列,因此可能无法实现结构中的载荷点精确对准。

在传统的复合材料机翼中,每个单层均相对于“全局零点”放置,通常是一个掠角,从而使得碳纤维从机翼根部到翼尖以0°无弯曲形式直线铺放,纵横交错纤维以±45°角和90°角铺放。

极光飞行科学公司已经为NASA生产了一个新型机翼,组成该机翼的复合材料单层碳纤维是按照不断变化的“局部零点”排列而成的,即纤维是沿着机翼内部实际载荷情况的路径弯曲排列而成。复合材料仅在纤维取向方向上拥有较好的强度和硬度,因此将这些纤维层与载荷精准对齐将有助于生产出具有更高展弦比、更轻质坚固且阻力更低的客机机翼。

由极光公司为NASA生产的被动弹性剪裁(PAT)机翼具有“丝束牵引”(Tow-Steered)的复合材料蒙皮。这种复合材料机翼摒弃了传统的纤维直线铺放模式,而是将自动化纤维铺放机的铺放头按照密歇根大学优化得出的最佳弯曲路径曲线铺放碳纤维窄带或丝束,从而使机翼蒙皮精准承受载荷。

极光公司的自动化纤维铺放机通常配有一个可一次性铺放16个0.5英寸宽丝束——即8英寸宽带——的铺放头。为了生产PAT机翼,铺放机采用了一次性可铺放8个0.25英寸宽丝束的另一个铺放头。这个更窄的带可允许更加严格的曲率变化,可保证丝束沿着弯曲的路径从机翼根部一直铺放到翼尖。

极光公司研发部副总裁Brian Yutko表示:“我们使用密西西比工厂的自动化纤维铺放机制造机翼蒙皮。除了蒙皮,机翼的其他部分都是采用传统方法制造的。现在机翼正在进行装配,随后将被运送往NASA阿姆斯特朗飞行研究中心的负载实验室进行相关测试。”

这个11.8米长的机翼结构是一个基于NASA通用研究模型的缩比半翼展机翼。该尺寸的机翼是一架波音777-200ER级飞机的配置。该机翼计划在年底前交付给NASA。

Yutko表示:“PAT正在展示一种全新的制造技术,在不增加重量的情况下实现制造更高效、更灵活、更高展弦比的机翼。在阿姆斯特朗测试的目的是对机翼模型进行充分验证,以便后续在飞行器设计中纳入相关技术。验证结果将量化节省的重量,预计重量降低将是几个百分点,Yutko补充道:“这些数据的获得需要基于对模型的完整验证。”

在PAT项目下,极光公司正在与佐治亚理工学院合作,对复合材料机翼结构进行厚度优化。这将涉及翼梁和翼肋的拓扑优化,仅在存在载荷的地方使用材料,从而减小结构重量。

预计这种优化会产生更多的有机或“仿生”结构,这些结构将只能使用3D打印进行生产。Yutko说:“我们并没有做出验证机,只是做了一个模型。它还处于技术成熟度非常低的阶段。”


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