Крыловой коробок IIAMS: дорожная карта сертификации

Рис. 7 «Процесс сертификации модификаций для прототипа», включающий внешнее крыло FTB#2. Фото: «Structural Radar Research of Airbus Defense and Space as Clean Sky Partnership» Мануэля Иглесиас Вальехо, Рубена Техерины Эрнанс, Антонио Хименеса и др., Airbus Defence and Space, 8-я Европейская конференция по авиации и космическим наукам (EUCASS), 1-4 июля 2019.

Airbus DS, FTB#2 и будущий турбопроп-авиация

Airbus Defence and Space (Airbus DS, Кадис, Испания) вошла в европейскую программу исследований и технологий Clean Sky как EADS CASA. Основанная как Construcciones Aeronáuticas SA в 1923 в Гетафе, Испания, CASA имеет долгую историю в авиапроизводстве и была одним из оригинальных членов консорциума Airbus. Второй сайт основан в Кадисе в 1926, компания произвела 22 модели самолетов и компоненты для Airbus и Eurofighter военных самолетов и для коммерческих самолетов Airbus и Boeing.

Clean Sky 1 включает 7 проектных областей — 6 Интегрированных Технологических Демонстраторов (ITD) и Технологический Оценщик. ITD, каждый ко-лидируемый 2 промышленными организациями, покрывают разные сегменты авиаперевозок.

Clean Sky 2 включает 9 проектных областей — 3 Инновационных Авиационных Демонстраторских Платформ (IADP), 3 ITD, 2 Трансверсальные Активности и Технологический Оценщик.

https://www.cleansky.eu/discover

Airbus DS прогрессировала от ко-лидера Green Regional Aircraft (GRA) ITD в оригинальной программе Clean Sky (2008-2017) к ко-лидеру AIRFRAME ITD и лидеру flight test bed 2 (FTB#2) в REGIONAL интегрированной авиационной демонстраторской платформе (IADP) в следующей программе Clean Sky 2 (2014-2024).

А.Е. Хименес Гаэте, со Структурами и Дизайном, Инженерией и Технологией Директората в Airbus DS, описывает разработку FTB#2 в сентябре 2020 статье Materiales Compuestos «Airbus Defence and Space highly integrated wing box section manufactured by dry fiber placement and liquid resin infusion». Эта работа Airbus DS в Clean Sky 2 будет применена к будущему военному транспорту или коммерческому региональному турбопроп-самолету. Одна из главных целей — развить внешнее крыло для FTB#2, которое будет иметь OOA композитные первичные структуры, включая интегрально-усиленный термопластиковый композитный верхний кожух крылового коробка и единый, one-shot крыловой коробок, сделанный с AFP с сухими волокнистыми лентами и жидкой смольной инфузией.

Последняя — именно структура, разработанная и произведенная MTorres в проекте Clean Sky 2 IIAMS, как описано в CompositesWorld марте 2020 «Advancing the OOA infused wing box». Заметно, что крыловой коробок интегрирует нижнюю обшивку, передний и задний лонжероны, но не включает верхнюю обшивку. Из иллюстрированных дорожных карт ниже очевидно, что верхняя обшивка будет термопластиковым композитом.

Цели и бэкграунд внешнего крыла FTB#2

«Любой будущий дизайн самолета потребует больше эко-эффективности во всем жизненном цикле», — говорит Гаэте. Это должно включать:

• Меньше энергии в производство компонентов
• Меньше лома первичного материала
• Снижение потребления производственных жидкостей и вспомогательных материалов
• Повышенную перерабатываемость.

Такие улучшения были ключевыми факторами в разработке структурного дизайна и производственного процесса внешнего крыла FTB#2, вместе с целями снижения веса (-10%) и производственной стоимости, а также повышения производственной эффективности.

Термопластиковые композиты и смольная инфузия оба играют ключевую роль во внешнем крыле FTB#2. In-situ консолидированные (ISC) термопластиковые композиты (TPC) и сухое волокно/смольная инфузия позволяют крупные первичные структуры производить OOA при сниженной стоимости versus традиционные автоклавные процессы. Термопластиковая сварка и высокоинтегрированные структуры, инфузионные в one-shot, также снижают влияние сборки, механических крепежей, обработки для крепежей и инспекции.

Технологии инфузии в Clean Sky 2 начались с предыдущих проектов Clean Sky: GRA, ECO-DESIGN, APOLO и CERTERIN. Тем временем ISC TPC зрела в проектах Clean Sky ICARO, TARGET, ECO-DESIGN и Green Regional Aircraft-Light Weight (GRA-LW), позволяя включить эту технологию в Clean Sky 2 FTB#2 летный демонстратор.

Сертификация внешнего крыла FTB#2

Как объяснил Гаэте, «Шаг за шагом мы [Airbus DS] проходим через всю пирамиду тестов аэрофрейм-структур от купонов до полноразмерных статических тестов внешнего крыла». Hexcel HiTape, UD 210 г/м² и 12,7 мм ширины с термопластичной вуалью V800E по обеим сторонам (вес вуали 4 г/м² с каждой стороны), инфузированная эпоксидной смолой Hexcel HexFlow RTM6 180°C отверждения, полностью характеристикована, включая унинаправленные и мульти-угловые свойства. Тесты показали, что материал хорошо работает по модулю, но менее хорошо по прочности по сравнению с Hexcel HexPly M21E эпоксидным препрегом из HexTow IMA промежуточного углеродного волокна, используемым для производства крыльевых обшивок, лонжеронов и центрального крылового коробка Airbus A350. Квази-изотропные ламинаты показали хорошие результаты по сравнению с тем же референсом.

Гаэте объясняет: помимо купонов для материальной характеристики, и до детальных и панельных субкомпонентных тестов для получения дизайн-допусков, производственные демонстраторы использовались для валидации «какие дизайн-фичи могли быть получены с выбранными производственными процессами». DEMO1 интегрирует секцию переменной толщины обшивки, J-лонжерон с ребристыми усилками и двумя стрингерами, интегрированными в обшивку и фланец J-лонжерона. DEMO2 — 3 метра длиной × 0,86 м ширины × 3,44 м высоты — симулирует общие размеры FTB#2 внешнего крылового коробка и включает пять стрингеров. Гаэте отмечает: некоторые процессные корректировки сделаны через несколько итераций перед получением успешных результатов в структурных тестах деталей.

Матрица тестов деталей дизайна также завершена, включая тесты на удар молнии, run-out стрингеров и crippling стрингеров (для оценки потери устойчивости и отказа). Субкомпонентные панельные тесты также завершены с позитивными результатами. Со всей пирамидой тестов успешно завершенной, от купонов до субкомпонентов, говорит Гаэте, остаются только финальные полноразмерные статические и функциональные тесты внешнего крыла для получения квалификации FTB#2 к полету. Эти тесты планируются к концу 2021 года.

FTB#2 как часть более широкого технологического развития

Внешний крыловой коробок — лишь одна часть FTB#2, которую поставляет Airbus DS. Другие структурные демонстраторы — как объяснено в 2019 бумаге «Structural radar research of Airbus Defense and Space as Clean Sky partnership», написанной Airbus DS и опубликованной EUCASS в 2019 — включают MT1 или MT2 кокпиты (см. изображение ниже) с высокой структурной интеграцией для снижения веса и стоимости, крыльевые передние края с морфинг-фичами и полное внешнее крыло с винглетом и морфинг-кнопкой. (Примечание: последнее продвигается через проект Air Green 2 CIRA — итальянский аэрокосмический исследовательский центр).

Иллюстрация ниже показывает различные исследования Airbus DS в Clean Sky (CS1) и Clean Sky 2 (CS2) как часть широкого технологического портфолио.

Также объяснено в EUCASS бумаге, эти исследовательские проекты не только продвинули композитные технологии, но и новые разработки в металлах, аддитивном производстве, оснащении и ремонте:

• Высокоинтегрированные первичные структуры
  • One-shot ко-отвержденные усиленные многофункциональные двойно-криволинейные твердые ламинаты
  • Высокая интеграция объемных рам через жидкую смольную инфузию (LRI)
    • Твердый ламинат (нижний фоер FR-9)
    • Усиленный сэндвич (переднее давление переборка FR-1)
    • Нижняя обшивка и лонжероны крылового коробка FTB#2
  • Высокая интеграция через термопластиковую in-situ консолидацию (ISC)
    • Малая кривизна (FR-4 MT1/MT2; верхняя обшивка внешнего крылового коробка FTB#2)
    • Термопластиковое непрерывное формирование (стрингеры)
    • Высокая/двойная кривизна (передний край и обтекатель)
  • Фюзеляжная рама/крыловой ребро из легкого сплава горячей штамповки
• Вторичная структура: низкостоимостные TPC и ALM (аддитивное слойное производство) оконные рамы
• Технологии оснащения: низкостоимостные композиты и ALM
• Ремонт и обслуживание
  • Стандартный ремонт высокоинтегрированной криволинейной усиленной обшивки (препрег)
  • Термопластиковая ISC ко-консолидация и сварка
  • RTM-LRI структурные элементы
    • Препрег-патч применение
    • Сухие материал патчи плюс инъекция смолы
  • Инъекция смолы для фиксации внешних многофункциональных слоев

Бес-тиговый монтаж (jig-less assembly) также был повторяющимся акцентом, как и зрелость новых 4.0 цифровых систем и тестовых технологий, таких как в EUCASS бумаге:

• Интерферометрия (DIC)
  • Мульти-ударное среднеэнергетическое тестирование
  • Вибрационное тестирование
• Термография
  • НК применение
  • Структурное поведение в горячей среде
• SHM сенсоры и измерительные техники
  • Волоконная оптика FBG (Fiber Bragg Grating)
  • OBR (Optical Backscatter Reflectometry)
  • MEMS (Микро-электро-механические системы, комбинирующие электрические и механические компоненты на одном чипе)
• p-U акустика (метод измерения in-situ абсорбции на основе давления-скорости)

Коллаборативный ЕС фреймворк для сертификации

Финальная нота из EUCASS и Гаэте бумаг — кредит тесному сотрудничеству и работе ключевых партнеров Airbus DS включая NLR (Нидерландский аэрокосмический центр), Airborne (Гаага, Нидерланды), Applus+ Laboratories (Барселона, Испания), MTorres (Торрес де Элорц, Испания) и FIDAMC (Гетафе, Испания), последнее описанное как «значительно вовлеченное во все технологии, разрабатываемые с композитными материалами и их производственными процессами».

Некоторое время я отмечал активности и публикации инженеров Airbus в Гетафе и писал о работе ISC TPC в FIDAMC и других. CW также подсвечивал лидерство Airbus DS во многих статьях о проектах Clean Sky. Но до сих пор я не понимал, насколько долгосрочной и запланированной была стратегия Airbus DS, делающей максимальное использование участия и вклада в программы Clean Sky. Имеет идеальный смысл закладывать основу сертификации во время разработки новых кокпитов и крыловых демонстраторов. CW писала об этом же подходе, преследуемом топик-лидером Airbus Germany в Clean Sky 2 Multifunctional Fuselage Demonstrator (MFFD). В том случае полная характеристика низкотемпературного полиарилэтеркетона (LM PAEK) в сварных стыках будет достигнута в суб-проекте MECATESTERS.

Дорожные карты Airbus DS и иллюстрация структурного технологического радара, показанные в этом отчете — еще один пример того, как европейская авиация и композитная индустрия работают вместе, чтобы быть готовыми к будущему. Clean Sky 2 продолжает успевать, предоставляя европейским авиационным и аэрокомпозитным индустриям амбициозное видение и финансируемый фреймворк для работы вместе для достижения четких целей. Эта работа также поможет, когда индустрия пивотирует к электрификации, водороду и альтернативным топливам для преодоления изменения климата, и авиация и композиты имеют ключевые роли в этом достижении.