刘亚威
　　热塑性复合材料具有一些独特的优势，例如韧性、相对较高的平面外（法向）强度和环境可持续性、可回收性。几十年来，这一直吸引着飞机设计工程师关注热塑性复合材料主结构，但是，飞机制造工程师一直无法确定能否找到一种高性价比的方法，将其从CAD模型转移到生产车间。不过，这并没有阻止他们前进的步伐，开发必要制造技术的工作在全球范围内一直在持续——其中以荷兰最为积极。
　　荷兰的努力
2009年，九家荷兰工业公司和研究机构与空客公司共同组成了热塑性经济可承受飞机主结构（TAPAS）联盟。该计划在2014年扩展到12个合作伙伴，并作为TAPAS2继续开展工作。针对空客在TAPAS2中开发的应用，吉凯恩福克公司在2019年使用“对接正交网格技术”开发了一个机身验证件，它演示了热塑性复合材料机身设计能够高性价比地生产。随着湾流航空航天公司与福克合作推进TAPAS2机身技术的发展，他们将材料和工艺应用到了完整机身。新开发的机身壁板背后的故事是设计和制造方法的进步之一，而且是一种更彻底的集成设计-制造工程方法。
　　传统上，无论是使用织物还是单向带，设计人员通常都会被束缚在0、90和45度方向的常规铺层上，他们使用纤维层铺放表格工作，而不与其他学科交互。新方法是一个集成的、数字化的设计制造软件平台，来自各个领域的工程师都使用相同的数字模型，并且能够将更复杂的零件设计形成方案。这打开了一个全新的世界，它拥有前所未有的优化可能性。对于复杂的外形，各种纤维方向可能遍布各个位置。可以制造非常规的层压板，并重新审视设计许用值范围、制造的间隙和重叠部分、半径等等，可以局部优化结构的强度。这些扩展的设计选项更充分地利用了自动丝束铺放（AFP）机床的纤维转向能力，并在其他制造能力方面取得了进步。
　　事实证明，这种集成数字化系统所提供的设计自由度对于公务机壁板的设计和制造是必不可少的。在TAPAS2机身设计中，碳纤维/聚醚酮酮（PEKK）壁板拥有一个焊接的无紧固件框-蒙皮连接，这是设计出高性价比的重要因素。福克预计与铝制机身壳体相比可实现成本持平，这是因为铝制壳体需要铆接。与常规的复合材料解决方案相比，取消机械紧固件有望使飞机主结构的成本降低20％，重量减轻10％。当然，许多成本和重量的节省来自于取消紧固件本身以及安装它们的人工成本。同样非常重要的是，这还消除了复合材料组件中用于容纳紧固件的孔，这些孔需要加强措施，从而会增加重量。
　　福克于2017年12月在TAPAS2中使用空客的增压机身达到了技术成熟度等级3级（TRL3），即概念验证，证明了与铝制机身壁板相比成本是持平的。在此过程中，福克团队扩大了对该热塑性塑料机身技术的应用愿景——从商用客机到公务机。
　　湾流的兴趣
福克在湾流热塑性复合材料组件方面取得的成功，使两者的进一步合作成为必然。湾流多年来一直在制造采用热塑性复合材料零件的飞机。机身壁板项目自然成为其一直以来所做工作的继续，即从简单的零件开始，向着主结构零件发展。两家公司合作开发了许多热塑性复合材料次承力部件，包括G650尾部的升降舵和方向舵以及地板。
　　2015年，福克向湾流展示了TAPAS2项目的开发情况，湾流团队认识到了从TAPAS2结果中受益的潜力——潜在的减重效益、更好的抗冲击性和韧性以及增强的性能。无紧固件的设计也对湾流很有吸引力，焊接技术将使其能够更高效地组装机身。与福克的合作伙伴关系支持湾流研究和开发更复杂的机身外形，而这种外形用金属结构制造不具经济可行性。到目前为止，还只能靠拉伸使金属成形，而复杂外形所需的接头和支撑结构不是很高效，这种复杂的几何外形很难用常规技术制造。
　　为了实现无紧固件、具备可生产性的设计，福克的方法着重于让机身连接承受住两个关键的力：座舱压力和诸如工装掉落之类的撞击。座舱压力将径向力施加在机身上，从而在框-蒙皮接头处产生高载荷。在常规设计中，机身框要留出让纵向桁条穿过的“老鼠洞”。在座舱压力的作用下，这些孔洞会成为承受高剥离力的不连续点，这是无紧固件设计的主要考虑因素，因为复合材料的法向强度低于金属。撞击也会在框-蒙皮接头处产生高载荷，因为框在冲击下不会弯曲。
　　福克/湾流团队知道，用金属或常规的复合材料设计制造方法来应对复杂曲率带来的挑战是不可行的。特别是，如果没有纤维转向，将无法实现复杂的机身设计。AFP机床的这种能力使设计人员能够根据壳体的复杂外形在局部优化纤维走向，并摆脱标准的0/45/90纤维走向方案。用于外形和重量优化的纤维转向是该项目最重要的进步之一。福克为热塑性预浸带快速铺放开发了超声AFP机床，并用它制作了机身壁板的蒙皮。该预浸带是单向的，与织物带相比，它还可以提高层压性能。
　　TAPAS和TAPAS2下开发的新概念成功地处理了由座舱压力和冲击力以及其他性能要求所产生的高载荷，现在已在湾流壁板中采用，被称为“正交对接接头加强的蒙皮与焊接框”。下文强调了三个关键设计特征以及实现这些特征所需开发的制造技术：正交网格、对接接头、焊接技术。
　　关键的技术
正交网格技术。通过完全互连的正交网格进行加强，可以部分满足壁板的强度要求。这种正交网格消除了与“老鼠洞”相关的峰值载荷，从而不会再设计出让剥离力扩大的那些点。正交网格由连续的纵向桁条和框组成，框包括两个截然不同的组件：不连续但相互连接的周向片状桁条和焊接在桁条上的框。
　　这代表了新一代的机身加强筋设计，该设计在多年的正交网格开发中不断发展。最初，福克使用T形桁条，其中纵向构件和周向构件的帽是连续的，并且在拐角处重叠。然而，与框连接需要移除周向帽，因此，T桁条变成L桁条，框变成了焊接到周向片状桁条上的框。还需要进行另一个修改，因为纵向和周向使用的弯曲桁条使工装的释放更具挑战性。因此，L桁条的帽-片角度设计为大于90度，让工装始终可以从桁条网格侧面滑出。
　　对接接头技术。福克不仅开发了正交网格设计，而且还开发了网格的新制造方法以及网格-蒙皮的连接机制。制造网格的成本可能高得惊人，但是福克的网格是由平直层压板和简单的注塑成型“填充物”组成的。更具体地说，福克将其获得专利的对接技术应用于湾流壁板（也适用于之前的TAPAS面板）。T或L桁条组件的片和帽以及片状桁条组件均由预成型件制成，这些预成型件是用平直的碳纤维/PEKK层压板进行水刀切割而成。连接元件（蒙皮-片和片-帽）是由短切碳纤维/PEKK材料制成的pi形注塑成型填充物。树脂和碳纤维类型均与网格构件中的类型匹配。
　　蒙皮和正交网格在殷钢内模线工装中共固化，该工装拥有凹槽，可将正交网格组件和模具块装入其中。然后将AFP成形的蒙皮放在工装上，将整个组件装入真空袋并进行热压罐固化。
　　焊接技术。正交网格和对接接头设计的组合使正交网格和框可以通过焊接实现无紧固件的连接。TAPAS团队成员在TAPAS2阶段开发了几种焊接技术，包括感应焊接、传导焊接和超声焊接技术。湾流壁板采用传导焊接将框连接到周向片状桁条，在这项任务中，焊接头被安装到机器人上，这是有助于高性价比可制造性的另一项开发。
　　持续的前进
福克于2017年开始与湾流合作，为机身壁板创造了新的设计理念。随后在2018年和2019年进行了几块弯曲壁板的设计和制造，具有里程碑意义的首个壁板验证件在2019年的JEC展会上展出。福克将继续建造壁板，并在2019年末实现TRL4，即组件验证。壁板设计并非针对特定平台，因此壁板测试将有助于加深湾流对材料特性和性能的了解。对于热塑性复合材料主结构的更广泛的商业案例，包括飞机的性能、制造成本、使用成本和耐用性，相信随着在研发之路上的深入，湾流将对它们有更好的了解。目前，重点是使这些复杂的外形具有高性价比。