DigiProp：为涡轮螺旋桨飞机开发下一代复合材料叶片

陈济桁
　　随着航空业对清洁环境、低成本航空飞行的需求不断增加，飞机设计和制造正经历新一轮创新。对于英国来说，保持和推广其在可持续航空推进技术方面的全球领先能力至关重要。根据航空航天行业的预测，涡轮螺旋桨飞机的需求将逐步开始上升，因为与传统的喷气式飞机相比，这种类型的飞机可以节省更多燃料。
　　作为“数字螺旋桨推进器”（DigiProp）计划中的一项重要任务，英国国家复合材料中心（NCC）采用了一种前所未有的制造工艺和系统，设计并制造了全新的复合材料涡轮螺旋桨叶片全尺寸原型件。这款叶片已经显示出了降低成本的极大潜力。
　　项目背景
“数字螺旋桨推进器”计划是一项英国政府和行业于2017年推出的联合投资计划，为期4年，总价值达到2000万英镑，由GE航空旗下的Dowty螺旋桨推进系统公司领导。该计划旨在发展和维持英国制造商在涡轮螺旋桨飞机推进技术方面的优势地位，集结全英国的优势资源，对Dowty螺旋桨系统的设计、制造和测试等各个方面进行创新。该计划通过英国航空航天技术研究所，英国商业、能源和工业战略部以及英国专注于创新的实体“创新英国”共同发起，计划通过合作解决技术、能力和供应链挑战。
　　作为该计划的重要组成部分，Dowty公司与NCC合作，致力于设计和开发一款新型复合材料螺旋桨叶片，不仅可降低成本，还可提高性能。这项创新研究工作将加速Dowty的数字制造能力，进一步展示和验证英国在涡轮螺旋桨飞机推进技术方面的全球领先技术。
　　项目进展
在该项目的实施过程中，研究团队需要克服诸多挑战：一是螺旋桨叶片具有复杂的外观，需要评估多个参数，目前并没有三轴纤维编织技术标准可进行比较。
　　二是需要完成更大尺寸原型件的制造，并完成叶片工作状态测试——现阶段已经实现简化的原型件初步测试和研究。但完整的实验和工况性能测试必须在全尺寸叶片原型件上完成，与简化的原型件相比，全尺寸原型件的外观更加复杂。
　　三是编织——确定编织角度并测试材料的厚度、强度和性能是NCC研究团队面临的重大挑战。最终研究人员通过在半尺寸叶片上利用材料表征和实验室测试等方式，了解零部件是否符合规格，从而克服了此难题。
　　四是材料成分中的干纤维和用于灌注干纤维叶片的树脂尚不确定，因为叶片的结构要求耐用且没有表面缺陷。干纤维预制件须严格保持外形，并且在缠绕芯轴分层时不会出现下垂、扭曲或位移。这是为了确保纤维能够正确定位，符合设计意图并保证叶片性能。
　　五是热塑性复合材料叶片的制造工艺解决方案需要开发用于编织的刚性芯轴。该芯轴能够比较容易地从模具中取出，但仍保留一个可充气的弹性硅胶气囊，使得其能够在内部对复合材料预成型件施加压力。同时，还需要使表面存在小孔的结构获得足够的强度和刚度。主要的解决方案是使用蜡和硅胶制造芯轴。其中研究团队面临的一个重大挑战是硅胶的厚度。如果厚度不合适，就会存在气囊失效，叶片预制件难以完全固化的风险。
　　为完成这一具有创新性的项目，NCC与Dowty公司和来自高价值制造弹射器计划（HVM Catapult）的研究中心——谢菲尔德大学先进制造研究中心和制造技术中心开展了合作。通过DigiProp计划，NCC研究团队首先将热塑性复合材料的先进三轴碳纤维编织技术作为低成本、可自动化、高性能和环保的制造工艺。热塑性复合材料可以通过熔融的方法进行回收，也可以再成形为另一种产品，因此可以减少废料产生。整个过程是全自动化实现的，全面减少了制造过程中产生缺陷的数量，同时减少了不必要的返工。
　　为了以更低的成本生产更轻的叶片，NCC团队还进行了材料和工艺的重重筛选，研究团队利用测试得到的数据进行了技术和工艺流程的实验。NCC团队先后共开发制造了6个螺旋桨叶片原型件，每个新的原型件都在前一版原型件基础上强化了设计和制造技术。
　　影响意义
与目前传统的工艺相比，采用新工艺制造复合材料叶片可显著降低制造时间，节省大量成本。与此同时，用材的改变也大大缩短了工艺固化阶段。通过使用热塑性复合材料，NCC发现新工艺流程可将制造时间减少至5分钟左右，而使用热固性环氧树脂复合材料固化制造同类零部件则通常需要4小时。此外，新工艺去除泡沫芯材改善了疲劳寿命，同时也使结构更轻。考虑到螺旋桨桨叶部位可能会受到更多外来物体撞击，新材料和工艺也能明显提升结构的损伤容限。
　　DigiProp计划是Dowty公司开展过的最大研究项目。该项目的持续推进使Dowty拥有了一套先进的新技术，能够为公司在新冠疫情后加速发展可持续航空平台奠定基础。对NCC来说，在DigiProp计划中，与Dowty公司和其他高价值制造弹射器计划中心合作，NCC可以为螺旋桨叶片设计开发数字制造技术和解决方案，同时技术也能够在其他中空的3D结构中取得更广泛的应用，例如用于小型电动飞行器低成本可回收复合材料组件。通过DigiProp积累的专业技术和研发经验也促使NCC 开展了另一个项目，研究使用类似制造技术开发复合材料山地自行车，这可以进一步演示验证复合材料如何推动各类应用的创新。
　　在项目执行期间，Dowty公司与合作伙伴还共同探索了许多其他领域。例如，通过与MTC的合作，Dowty在其新工厂内的研发过程中引入了数字孪生，不仅优化了工厂的占地空间，同时还首次确定了生产过程中的瓶颈。这种产出方式不仅减少了制造时间和能源消耗，还显著提高了产品的首次产量和性能，并加快了客户所需产品的问世。通过建立复杂的数据模型，该项目将为Dowty的客户提供全系统级空气动力学和声学性能改进，并通过创建数字线索为大数据的使用奠定基础。Dowty工程负责人表示，研究人员开发的参数化螺旋桨系统模型使他们能够用几周时间就在一些复杂问题上提供人脑需要数千年才能完成的运算能力。这些能力为客户提供了比以往更快的设计响应能力和更高水平的设计优化能力。
　　Dowty目前已经开始使用DigiProp计划中实现的新技术开展研发工作，并瞄准了下一代飞机平台。潜在客户也正受益于Dowty提供的数据分析能力。