Продвижение мультифункционального демонстратора фюзеляжа: пионерство устойчивой авиационной инновации

Снижение выбросов топлива и энергопотребления, и способность производить однопроходные коммерческие самолеты со скоростью не менее 60 в месяц, движут технологическое развитие европейского партнерства Clean Sky 2 для следующего поколения самолетов, взлетающих в небо в 2035 году и далее. Легкие композиты и более быстрые, более экологически сознательные производственные процессы делают эти цели реальностью, особенно для проекта Мультифункционального демонстратора фюзеляжа (MFFD).

Основным entregable этого проекта, который возглавляется Airbus (Гамбург, Германия) с партнерами из академии и авиаиндустрии, является 8-метровый термопластичный композитный демонстратор фюзеляжа однопроходного коммерческого самолета, который будет произведен к 2022 году. MFFD — один из трех полноразмерных секций фюзеляжа, производимых в рамках платформы инновационных авиационных демонстраторов (IADP) Large Passenger Aircraft (LPA) Clean Sky 2.

Начатый в 2014 году, цели проекта MFFD включают:

• Обеспечить производственные темпы 60-100 самолетов в месяц
• Снизить вес фюзеляжа на 1000 килограмм
• Снизить повторяющиеся затраты на 20%.

Для достижения этих целей десятки отдельных проектов и пакетов работ выполняются, с двумя основными структурами, производимыми: верхней оболочкой фюзеляжа и нижней оболочкой фюзеляжа, которые будут сварены вместе для формирования конечного демонстратора. Фактически, бесстыковое соединение (без крепежей или отверстий) через сварку — один из главных компонентов программы. Обе половины производятся из препрега Toray Cetex TC1225 низкотемпературного полиарилэтеркетона (PAEK) углеродного волокна термопластичного препрега от Toray Advanced Composites (Морган Хилл, Калифорния, США). Согласно д-ру инж. Ларсу Ларсен, руководителю технологий соединения и сборки в Немецком аэрокосмическом центре (DLR; Аугсбург, Германия), обе половины будут тестировать использование разных производственных техник.

Нижняя секция фюзеляжа MFFD производится через проект STUNNING (SmarT mUlti-fuNctionNal and INtegrated thermoplastic fuselaGe), который сам имеет много проектов под собой (таких как MECATESTERS, сфокусированных на индукционной сварке). Нижняя секция будет включать нижнюю оболочку фюзеляжа со сваренными стрингерами и ребрами, структуру пола кабины и багажника и соответствующие внутренние и системные элементы.

STUNNING возглавляется GKN Fokker (Папендрехт, Нидерланды) с ключевыми партнерами Diehl Aviation (Лаупхайм, Германия), Нидерландским аэрокосмическим центром (NLR; Амстердам, Нидерланды) и Техническим университетом Дельта (TU Delft; Дельт, Нидерланды). Проект направлен на дальнейшее зреление автоматизированных процессов сборки, термопластичного производства и технологий сварки, интегрированного дизайна и производственной разработки и передовых архитектур электрических систем.

«Наше промышленное воздействие двоякое: уровень автоматизации, который мы применяем к сборке демонстратора, и разработка устойчивых способов производства деталей», — говорит д-р Бас Велдман, менеджер программы в GKN Fokker.

По статье Велдмана, опубликованной в феврале 2020 года, модульная сборка нижнего фюзеляжа ключева для достижения цели быстрых производственных времен. Для производства основной кожи фюзеляжа крупные предформы из препрега углеродное волокно/термопластик укладываются ультразвуково- или лазер-нагреваемой автоматизированной машиной укладки лент (ATL), но не in-situ консолидированы. Детали укладываются машиной автоматизированного размещения волокна (AFP). Роботы затем помещают предформы в женскую консолидационную форму, и после упаковки в мешок кожа консолидируется в автоклаве. Согласно Велдману, внеавтоклавовые процессы также исследуются. Стрингеры и ребра будут сварены к коже.

«Изначально план был иметь все детали произведенными в этом году», — говорит Велдман, но из-за задержек, связанных с коронавирусом, «Сейчас это переходит в следующий год тоже. Но у нас уже довольно много деталей, которые были завершены», включая многие мелкие пресс-формованные детали вроде клипсов, стойок и кронштейнов, которые будут использоваться для крепления авиасидений и других компонентов. Подчеркивая устойчивое производство, Велдман добавляет, что некоторые клипсы производятся из повторно используемых обрезков от других деталей демонстратора, через проект Clean Sky 2 под названием ECO-CLIP.

Начиная с начала 2020 года, консорциум, производящий 8-метровую верхнюю оболочку, включает Airbus, Premium Aerotec (Аугсбург, Германия), который является промышленным и структурным дизайн-лидом; DLR, ответственный за укладку кожи и разработку технологии сварки; и Aernnova (Витория-Гастейс, Испания), которая производит стрингеры.

Дизайн для верхней половины. Фото: Немецкий аэрокосмический центр (DLR)

Для авиаиндустрии для перехода к более дорогим термопластичным материалам, Ларсен говорит: «Мы должны показать, что мы можем экономить затраты во время производства». Консорциум верхней половины разрабатывает новаторскую передовизную технологию размещения волокна (AFP) с, заметно, in-situ консолидацией для укладки кожи углеродное волокно/PAEK, а также индустриализацию непрерывной ультразвуковой сварки и сопротивления сварки для интеграции стрингеров, ребер и других компонентов, улучшая безопасность и снижая затраты. DLR сначала строит 1-метровую пред-демонстрационную оболочку для валидации технологий перед построением полноразмерного демонстратора, и планирует иметь кожу для пред-демонстрационной оболочки отработанной к концу 2020 года. Интеграция стрингеров запланирована на начало 2021 года.

Полноразмерные версии обеих половин ожидаются к концу 2021 года. После завершения они будут сварены в конечный демонстратор в Институте Fraunhofer по производственным технологиям и передовым материалам IFAM (Штаде, Германия).