DigiProp為渦輪螺旋槳飛機(jī)開發(fā)下一代復(fù)合材料葉片
隨著航空業(yè)對(duì)清潔環(huán)境、低成本航空飛行的需求不斷增加，飛機(jī)設(shè)計(jì)和制造正經(jīng)歷新一輪創(chuàng)新。對(duì)于英國來說，保持和推廣其在可持續(xù)航空推進(jìn)技術(shù)方面的全球領(lǐng)先能力至關(guān)重要。根據(jù)航空航天行業(yè)的預(yù)測(cè)，渦輪螺旋槳飛機(jī)的需求將逐步開始上升，因?yàn)榕c傳統(tǒng)的噴氣式飛機(jī)相比，這種類型的飛機(jī)可以節(jié)省更多燃料。
作為“數(shù)字螺旋槳推進(jìn)器”（DigiProp）計(jì)劃中的一項(xiàng)重要任務(wù)，英國國家復(fù)合材料中心（NCC）采用了一種前所未有的制造工藝和系統(tǒng)，設(shè)計(jì)并制造了全新的復(fù)合材料渦輪螺旋槳葉片全尺寸原型件。這款葉片已經(jīng)顯示出了降低成本的極大潛力。
項(xiàng)目背景
“數(shù)字螺旋槳推進(jìn)器”計(jì)劃是一項(xiàng)英國政府和行業(yè)于2017年推出的聯(lián)合投資計(jì)劃，為期4年，總價(jià)值達(dá)到2000萬英鎊，由GE航空旗下的Dowty螺旋槳推進(jìn)系統(tǒng)公司領(lǐng)導(dǎo)。該計(jì)劃旨在發(fā)展和維持英國制造商在渦輪螺旋槳飛機(jī)推進(jìn)技術(shù)方面的優(yōu)勢(shì)地位，集結(jié)全英國的優(yōu)勢(shì)資源，對(duì)Dowty螺旋槳系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試等各個(gè)方面進(jìn)行創(chuàng)新。該計(jì)劃通過英國航空航天技術(shù)研究所，英國商業(yè)、能源和工業(yè)戰(zhàn)略部以及英國專注于創(chuàng)新的實(shí)體“創(chuàng)新英國”共同發(fā)起，計(jì)劃通過合作解決技術(shù)、能力和供應(yīng)鏈挑戰(zhàn)。
作為該計(jì)劃的重要組成部分，Dowty公司與NCC合作，致力于設(shè)計(jì)和開發(fā)一款新型復(fù)合材料螺旋槳葉片，不僅可降低成本，還可提高性能。這項(xiàng)創(chuàng)新研究工作將加速Dowty的數(shù)字制造能力，進(jìn)一步展示和驗(yàn)證英國在渦輪螺旋槳飛機(jī)推進(jìn)技術(shù)方面的全球領(lǐng)先技術(shù)。
項(xiàng)目進(jìn)展
在該項(xiàng)目的實(shí)施過程中，研究團(tuán)隊(duì)需要克服諸多挑戰(zhàn)：一是螺旋槳葉片具有復(fù)雜的外觀，需要評(píng)估多個(gè)參數(shù)，目前并沒有三軸纖維編織技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)可進(jìn)行比較。
二是需要完成更大尺寸原型件的制造，并完成葉片工作狀態(tài)測(cè)試——現(xiàn)階段已經(jīng)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化的原型件初步測(cè)試和研究。但完整的實(shí)驗(yàn)和工況性能測(cè)試必須在全尺寸葉片原型件上完成，與簡(jiǎn)化的原型件相比，全尺寸原型件的外觀更加復(fù)雜。
三是編織——確定編織角度并測(cè)試材料的厚度、強(qiáng)度和性能是NCC研究團(tuán)隊(duì)面臨的重大挑戰(zhàn)。最終研究人員通過在半尺寸葉片上利用材料表征和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試等方式，了解零部件是否符合規(guī)格，從而克服了此難題。
四是材料成分中的干纖維和用于灌注干纖維葉片的樹脂尚不確定，因?yàn)槿~片的結(jié)構(gòu)要求耐用且沒有表面缺陷。干纖維預(yù)制件須嚴(yán)格保持外形，并且在纏繞芯軸分層時(shí)不會(huì)出現(xiàn)下垂、扭曲或位移。這是為了確保纖維能夠正確定位，符合設(shè)計(jì)意圖并保證葉片性能。
五是熱塑性復(fù)合材料葉片的制造工藝解決方案需要開發(fā)用于編織的剛性芯軸。該芯軸能夠比較容易地從模具中取出，但仍保留一個(gè)可充氣的彈性硅膠氣囊，使得其能夠在內(nèi)部對(duì)復(fù)合材料預(yù)成型件施加壓力。同時(shí)，還需要使表面存在小孔的結(jié)構(gòu)獲得足夠的強(qiáng)度和剛度。主要的解決方案是使用蠟和硅膠制造芯軸。其中研究團(tuán)隊(duì)面臨的一個(gè)重大挑戰(zhàn)是硅膠的厚度。如果厚度不合適，就會(huì)存在氣囊失效，葉片預(yù)制件難以完全固化的風(fēng)險(xiǎn)。
為完成這一具有創(chuàng)新性的項(xiàng)目，NCC與Dowty公司和來自高價(jià)值制造彈射器計(jì)劃（HVM Catapult）的研究中心——謝菲爾德大學(xué)先進(jìn)制造研究中心和制造技術(shù)中心開展了合作。通過DigiProp計(jì)劃，NCC研究團(tuán)隊(duì)首先將熱塑性復(fù)合材料的先進(jìn)三軸碳纖維編織技術(shù)作為低成本、可自動(dòng)化、高性能和環(huán)保的制造工藝。熱塑性復(fù)合材料可以通過熔融的方法進(jìn)行回收，也可以再成形為另一種產(chǎn)品，因此可以減少廢料產(chǎn)生。整個(gè)過程是全自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)的，全面減少了制造過程中產(chǎn)生缺陷的數(shù)量，同時(shí)減少了不必要的返工。
為了以更低的成本生產(chǎn)更輕的葉片，NCC團(tuán)隊(duì)還進(jìn)行了材料和工藝的重重篩選，研究團(tuán)隊(duì)利用測(cè)試得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行了技術(shù)和工藝流程的實(shí)驗(yàn)。NCC團(tuán)隊(duì)先后共開發(fā)制造了6個(gè)螺旋槳葉片原型件，每個(gè)新的原型件都在前一版原型件基礎(chǔ)上強(qiáng)化了設(shè)計(jì)和制造技術(shù)。
影響意義
與目前傳統(tǒng)的工藝相比，采用新工藝制造復(fù)合材料葉片可顯著降低制造時(shí)間，節(jié)省大量成本。與此同時(shí)，用材的改變也大大縮短了工藝固化階段。通過使用熱塑性復(fù)合材料，NCC發(fā)現(xiàn)新工藝流程可將制造時(shí)間減少至5分鐘左右，而使用熱固性環(huán)氧樹脂復(fù)合材料固化制造同類零部件則通常需要4小時(shí)。此外，新工藝去除泡沫芯材改善了疲勞壽命，同時(shí)也使結(jié)構(gòu)更輕?？紤]到螺旋槳槳葉部位可能會(huì)受到更多外來物體撞擊，新材料和工藝也能明顯提升結(jié)構(gòu)的損傷容限。
DigiProp計(jì)劃是Dowty公司開展過的最大研究項(xiàng)目。該項(xiàng)目的持續(xù)推進(jìn)使Dowty擁有了一套先進(jìn)的新技術(shù)，能夠?yàn)楣驹谛鹿谝咔楹蠹铀侔l(fā)展可持續(xù)航空平臺(tái)奠定基礎(chǔ)。對(duì)NCC來說，在DigiProp計(jì)劃中，與Dowty公司和其他高價(jià)值制造彈射器計(jì)劃中心合作，NCC可以為螺旋槳葉片設(shè)計(jì)開發(fā)數(shù)字制造技術(shù)和解決方案，同時(shí)技術(shù)也能夠在其他中空的3D結(jié)構(gòu)中取得更廣泛的應(yīng)用，例如用于小型電動(dòng)飛行器低成本可回收復(fù)合材料組件。通過DigiProp積累的專業(yè)技術(shù)和研發(fā)經(jīng)驗(yàn)也促使NCC 開展了另一個(gè)項(xiàng)目，研究使用類似制造技術(shù)開發(fā)復(fù)合材料山地自行車，這可以進(jìn)一步演示驗(yàn)證復(fù)合材料如何推動(dòng)各類應(yīng)用的創(chuàng)新。
在項(xiàng)目執(zhí)行期間，Dowty公司與合作伙伴還共同探索了許多其他領(lǐng)域。例如，通過與MTC的合作，Dowty在其新工廠內(nèi)的研發(fā)過程中引入了數(shù)字孿生，不僅優(yōu)化了工廠的占地空間，同時(shí)還首次確定了生產(chǎn)過程中的瓶頸。這種產(chǎn)出方式不僅減少了制造時(shí)間和能源消耗，還顯著提高了產(chǎn)品的首次產(chǎn)量和性能，并加快了客戶所需產(chǎn)品的問世。通過建立復(fù)雜的數(shù)據(jù)模型，該項(xiàng)目將為Dowty的客戶提供全系統(tǒng)級(jí)空氣動(dòng)力學(xué)和聲學(xué)性能改進(jìn)，并通過創(chuàng)建數(shù)字線索為大數(shù)據(jù)的使用奠定基礎(chǔ)。Dowty工程負(fù)責(zé)人表示，研究人員開發(fā)的參數(shù)化螺旋槳系統(tǒng)模型使他們能夠用幾周時(shí)間就在一些復(fù)雜問題上提供人腦需要數(shù)千年才能完成的運(yùn)算能力。這些能力為客戶提供了比以往更快的設(shè)計(jì)響應(yīng)能力和更高水平的設(shè)計(jì)優(yōu)化能力。
Dowty目前已經(jīng)開始使用DigiProp計(jì)劃中實(shí)現(xiàn)的新技術(shù)開展研發(fā)工作，并瞄準(zhǔn)了下一代飛機(jī)平臺(tái)。潛在客戶也正受益于Dowty提供的數(shù)據(jù)分析能力。
