Spirit AeroSystems（美國堪薩斯州威奇托）于6月17日星期一2019年巴黎航空展（法國巴黎）首次推出一種專為下一代高容量單通道機身生產而設計的新型復合材料制造技術。該技術在展覽會上展示了18英尺×12英尺的演示機身面板 - 被稱為ASTRA（Advanced Structures Technology and Revolutionary Architecture/先進結構技術和革命性建筑） - 采用新型材料/工藝組合制造的集成桁條，現有架構和生產系統方法相比，節約了了大概30%的成本。 “對我來說，這是對Spirit能做什么的一個很好的證明，”Spirit AeroSystems的研究和技術高級主管Eric Hein說。

 

       Hein說，差不多兩年前，該公司開始研究下一代單通道飛機機身的潛在需求，并確定了必須克服的設計和M＆P挑戰，以使復合材料成為飛機制造商的可行選擇。

 

        首先，他說，是速率的問題。波音和空中客車公司估計，下一代單通道替代產品分別為737和A320，產量為60-100架。復合材料密集型波音787和空中客車A350目前分別以每月約14架和10架的速度制造。因此，下一代制造技術必須滿足比現有技術快4到10倍的生產速度。

 

       其次，Hein說，與鋁相比，應用于單通道飛機的現有復合材料和配置的重量和成本都很高。因此，為了使下一代復合材料機身外皮更具競爭力，Hein說，它們必須是幾層更薄 - 并且仍然滿足所有適用的沖擊和負載要求。

 

       因此，在過去的18個月中，Spirit AeroSystems進行了貿易研究，并為廣泛的M＆P組合開發了設計值，旨在評估哪種組合為滿足Hein確定的費率和成本目標提供了最可行的途徑。對于費率，該公司假設每月60個船舶。為了降低成本，該公司假設與現有的金屬材料相同。 Hein說，貿易研究評估了高壓釜固化的預浸料，液體樹脂灌注（包括樹脂傳遞模塑）和熱塑性復合材料。所有這些都顯示出下一代單通道飛機的潛在可行性。 “我們相信復合飛機的未來可以以低成本的方式制造，”Hein說。

 

       Spirit AeroSystems為ASTRA演示器選擇的組合是高壓滅菌預處理的預浸料，因為它為確定的成本和速率目標提供了最易管理的途徑。然而，達到這些目標取決于對工具配置和面板架構的一些新穎思考。

 

       為降低模具成本，Spirit AeroSystems將模具面與模具支撐結構分離。在這樣做時，該公司選擇了較低成本的金屬支撐結構，然后開發了一種“浮動”雙馬來酰亞胺（BMI）模具面板，該面板位于該結構上。這使得模具投資可以集中在最重要的地方 - 在零件制造表面上。

 

       面板最具創新性的方面可能是集成皮膚和縱梁的設計，這與傳統的復合機身皮膚/縱梁結構有很大不同。對于787和A350，機身縱梁分別制造，然后插入機身蒙皮工具中的固定裝置/插槽中。然后將它們用通過自動纖維鋪放（AFP）施加的單向碳纖維預浸料包裹以構建表層壓板。然后將整個結構在高壓釜中共固化。 787設計規定機身采用桶形段制造。 A350設計規定機身采用面板部分制造。

 

       Hein說，當前皮膚/縱梁結構的挑戰之一是每個縱梁雖然與皮膚共同固化，但是是一個不連續的部分，在縱梁位置之間產生不連續性。他說，為了克服這個問題，通常將幾毫米厚的碳纖維復合材料層壓板連接到機身蒙皮的內表面，以填充每個縱梁之間的間隙，從而提供縱梁到縱梁的連續性。此外，在桁條的末端，這種不連續性通常通過使用緊固件來解決。

 

       ASTRA設計繞過這種架構，Hein稱之為“板材縱梁技術”。采用這種技術，縱梁由首先放置在開槽機身模具面上的碳纖維預浸料板制成。然后，使用真空成型，將片材拉入縱梁通道中，實際上產生波紋縱梁面板。然后，如現在所做的那樣，通過AFP覆蓋機身蒙皮，然后進行高壓釜固化。結果是機身面板具有連續的內部皮膚，具有完全集成的縱梁。

 

       隨著這種工具策略和面板架構的建立，Spirit AeroSystems隨后與威奇塔州立大學的國家航空研究所（NIAR）合作開展了一項測試機制，旨在評估皮膚和板條縱梁中的不同纖維組合。該公司測試了抗沖擊性，強度，疲勞，環境沖擊，雷擊，FST（火焰，煙霧，毒性）和損傷容限。 Hein說，它開發的ASTRA機身結構通過了所有的結構測試，并滿足了公司目標的減少的厚度。“

 

       "這項具有顛覆性的全新技術將為航空復合材料部件的制造成本和重量的降低帶來飛躍。例如，集成桁條加強板是機身內部的支撐結構，采用新方法可以實現現場制造，免去了許多現有的常規工藝步驟，其中包括一條獨立的桁條生產線，以及多種工具的使用。”

 

       Hein解釋說，新方法集成了多種新技術，比如，無縫桁條加強板和蒙皮為連接結構和其他部件提供了光滑、連續的表面；復合材料鋪絲鋪帶技術的更高效利用能夠有效實現減重；航空結構件制造過程中使用無排氣氣囊系統能夠顯著提高產品品質；低成本制造工具的使用則能降低新技術的整體成本。

 

       另外，Spirit AeroSystems公司采用了東麗公司能夠顯著提高部件結構性能的T1100/3960復合材料，以及A&P技術公司具有更優加工性能的QISO編織物。這些新材料經過上百次的試制和結構測試，最終獲得了Spirit AeroSystems公司研發人員的認可。