通用航空飞机的复合材料之路

通用航空是一个广义术语，涵盖所有非大规模、定期货运和客运运营的民用航空。这意味着从超轻型飞机到多引擎涡轮螺旋桨飞机和涡轮风扇喷气式飞机。

DarkAero1是一架远程、高速、双人、实验性全复合材料飞机。整个机身主要由碳纤维/环氧树脂制成，重约200磅。
图片来源：DarkAero

通用航空，无论是经过认证的还是实验性的，采用纤维增强复合材料已有60多年的历史。 20世纪50年代末，Piper Aircraft（美国佛罗里达州）制造了全玻璃纤维原型机PA-29 Papoose。 20世纪60年代，滑翔机制造商一直致力于减轻重量并提高升阻比，开始广泛使用玻璃纤维。经过八年的认证过程后，Windecker Eagle I于1969年成为第一架获得美国联邦航空管理局 （FAA） 认证的全复合动力飞机，其采用无纺玻璃纤维“Fibaloy”和泡沫结构。

复合材料实验型（自制或套件）通用航空飞机在20世纪70年代初真正起飞，Burt Rutan非常受欢迎的包括VariEze（以及Long-EZ等衍生品）鸭翼推进式飞机。Rutan的创新之一是使用夹层泡沫作为“工具”，实现复合材料的“无模”制造。

20世纪90年代，通用航空开始使用碳纤维复合材料，并从20世纪80年代开始慢慢走出低谷。主要的通用航空制造商，如Cirrus Aircraft和Diamond Aircraft Industries，推出了仍然流行的单引擎认证飞机系列。实验飞机很快转向了不断增加的碳纤维含量，而新的轻型运动飞机（LSA）类别为复合材料带来了更多机会。

通用航空飞机类别

通用航空固定翼飞机的三大类（认证型、实验型和轻型飞机）都给复合材料的应用带来了不同程度的机遇与挑战。

经过认证的飞机经过政府批准（由美国联邦航空局批准），需要多年的开发和测试来证明设计和制造工艺。实验飞机大部分是由个人根据计划或套件建造的，虽然有一些政府监督，但更加宽松，因此对更多创新持开放态度。

轻型飞机是其他两个类别之间的桥梁。这些飞机没有经过严格的认证（使用行业共识标准而不是政府指令），因此对更多创新持开放态度，但通常是制造商制造的，比实验飞机具有更多的过程控制。轻型飞机设计在飞机重量、乘客数量和速度方面也受到限制，不过有关部门正在考虑制定新规则来扩大这些限制，并可能增加一个新类别：轻型个人飞机。

实验飞机

通用航空类别的复合材料和加工各不相同。但从广义上讲，重点是低成本和中等性能，标准的、标准的未增韧环氧树脂和E-玻璃纤维增强材料非常常见（尽管标准模量碳纤维越来越普遍）。

对于实验类别，无论是玻璃纤维还是碳纤维，基本湿法铺层加工历来占据主导地位。低粘度、两部分室温固化环氧树脂以精确的重量比例手工混合，并手动铺在干布上，然后切割成型并铺在简单的工具或成型泡沫上，作为夹层结构的工具。

近年来，真空辅助树脂传递模塑（VARTM）等灌注加工变得越来越流行。干织物包括 7781 玻璃纤维和/或2x2碳斜纹布（主要是玻璃纤维和少量碳纤维的混合铺层很常见），然后将其铺在带有增粘剂的模具中并装袋；低粘度的两部分环氧树脂通过真空被拉入叠层中。像Arion Lightning或DarkAero的DarkAero 1这样的飞机正在利用灌注工艺加工排列有序、质量更好、纤维体积更大的部件。

DarkAero（美国威斯康星州）由三名工程师兄弟团队组成，他们认为利用碳纤维改进的空气动力学形状和卓越的结构性能，能够实现其雄心勃勃的宏大目标，即每小时275英里巡航超过六个小时。

DarkAero 设计主要采用平纹丝束编织，在大部分或全部负载集中在一个方向的区域采用单向 （UD） 织物进行局部加固。局部刚度由芳纶蜂窝、泡沫或Lantor （Veenendaal，荷兰）Soric可熔芯混合而成。对于更小、更复杂的几何形状，例如碳纤维旋转器（螺旋桨前面的锥形部分），DarkAero使用2x2斜纹布，以实现卓越的悬垂性和舒适性。灌注后，零件在工具上进行室温固化，随后与粘合组件同时进行后固化。

DarkAero的下部结构采用由4×8英尺大型板材制成的碳纤维织物面夹层板，保持简单且低成本。最终的子结构形状经过CNC加工，并在高温下使用糊状粘合剂将子组件粘合在一起。 固化在烘箱中进行；鉴于高压釜太过昂贵，非高压灭加工的材料也在不断改进，现在已经可以用烤箱加热的方式替代了。

DarkAer超越了复合材料应用的普通蒙皮和下部结构，甚至飞机的支架、挂点和曲柄也是通过加工注入的多轴非卷曲碳纤维织物实心坯料制成的，这使得该公司能够迅速地构建准各向同性层压板。

DarkAero认识到设计和制造高性能单引擎飞机存在许多挑战，但正如DarkAero创始人卡尔三兄弟之一的Keegan Karl所说：“了解复合材料设计和制造的细微差别是解开谜团的关键。”

轻型运动飞机

与实验飞机非常相似，轻型运动飞机复合材料通常使用湿法铺层或灌注，但预浸料已越来越多地用于提高质量和性能。Flight Design GmbH（德国 Hoerselberg-Hainich）是最受欢迎的 轻型运动飞机制造商之一，已经从树脂浸渍湿增强材料转向了Hexcel（美国）。将Hexcel的M79预浸料用于其新型F2-LSA（该公司也正在努力获得 F2-C23 认证）。

碳纤维增强环氧树脂正在手工铺设到Icon A5独特形状的主船尾舱壁。
图片来源：Icon Aircraft

轻型运动飞机不仅可以停留在陆地和飞翔于空中——Icon Aircraft（美国加州）的运动型A5是一种两栖飞机，这意味着它可以降落在跑道上，也可以降落在湖泊或海湾等水域上。Icon从最初的设计开始就决定使用预浸料来为其独特的陆地海洋应用获得最大的性能优势。此外，它还看到了预浸料的制造优势：比湿法铺层更少的劳动力、更快的加工和更一致的结果。

Icon选择复合材料是因为它们使公司能够轻松制造非常复杂的形状并且耐腐蚀，后者对于可能在水上或水周围度过相当长使用寿命的飞机来说是一个非常重要的考虑因素。Icon 轻型运动飞机结构的95%以上是使用2x2碳纤维斜纹布/环氧预浸料制成的，部分区域使用UD标准模量碳纤维预浸料来加固高负载（和高方向负载）区域。

为了降低生产成本并提高可重复性，Icon CNC消减所有铺设细节，使用激光投影仪和模板在手工铺设过程中定位铺设工具中的铺设，并在手工铺层过程中使用激光投影仪和模板在工具中定位层。无需在某些区域添加额外的结构刚度层，而是根据需要使用闭孔泡沫芯材来增加结构的刚度，从而减少重量损失并节省大量成本。泡沫芯材经过CNC加工，并添加了斜角坡道以方便层过渡。然后可以将其热成型。复合材料零件通常采用烤箱固化，但对于某些高负载结构（例如翼梁），使用高压釜来减少孔隙率并获得理想的质量和性能。

组装主要采用糊状粘合（环氧树脂），使用喷砂和溶剂擦拭进行表面处理。键合间隙被设计到组件中并使用键合夹具进行控制。糊状粘合剂的混合和涂抹全部由手工完成。初始固化在室温下进行，然后进行高温后固化。

尽管飞行条件可能很恶劣，但复合材料的性能似乎证明了最初设计选择的合理性。Icon的工程总监Rodolfo Correa表示，经过八年的使用历史以及几架飞行时间超过1000小时的机身，粘合接头或层压部件没有出现任何故障。该公司对结果非常满意，除了继续提供A5的LSA 型号外，Icon还开始对A5进行认证。

经过认证的飞机

具有高复合材料含量的第一代通用航空认证飞机（大量生产），如Diamond Katana/DA-20或Cirrus SR20，通常采用E－玻璃，因为其成本低且易于检查，通过简单的目视检查就能发现大多数缺陷。

然而，Diamond DA-42或Cirrus SR22等第二代飞机越来越多地使用碳纤维或S2玻璃，而第三代飞机，如DA-62、SF50 Vision Jet和Epic的E1000则大部分或全部转向使用碳纤维，以提高其结构效率。

同样，树脂系统的趋势是选择性能更高、更坚韧且玻璃化转变温度 （Tg） 更高的环氧树脂，以实现深色涂料并提高抗损坏性。加工过程通常是通过烘箱或高压釜固化预浸料的手工铺层。

Diamond DA50 RG 右侧机身的碳纤维/环氧树脂“湿预浸料”叠层。
图片来源：Icon Aircraft

Cirrus Aircraft（美国明尼苏达州）系列SR飞机据称是近年来最畅销的单引擎活塞通用航空飞机，自20世纪90年代末问世以来一直采用全复合材料。虽然该公司最新的复合材料进展尚未公开，但Cirrus与东丽先进复合材料公司建立了长期合作关系，使用其BT250环氧树脂系统和TC275-1。后者是用于SF50 Vision Jet的275°F固化真空袋（VBO）环氧预浸料。加工过程采用传统的手工铺层与粘贴粘合组装。

Cirrus在全复合认证通用航空市场的主要竞争对手之一是 Diamond Aircraft（奥地利）。凭借其玻璃纤维动力滑翔机的经验，Diamond仍然使用“湿法预浸料”作为半自动化方法来帮助控制湿法敷层树脂的应用。

与Cirrus非常相似，随着时间的推移，Diamond在其设计中所占的碳纤维比例从早期DA20 C1型号中的10%（相对于其余90%为玻璃纤维）增加到DA42中的50%，以及最新的设计——DA50 RG和DA62——百分比已完全翻转为90%碳纤维，仅约10%玻璃纤维。Diamond使用了高强度和标准模量的碳纤维，这提高了材料（和相关数据）的可用性并改善了机身性能，从而推动了其使用的增加。

Diamond 的“湿法预浸料”工艺可按需生成内部预浸料（或湿法叠层）。干纤维卷通过定制设计的设备运行，计量一定量的低粘度环氧树脂以生产湿预浸料，该预浸料立即切割成型并铺设在模具中。DA20、DA40和DA42中使用的原始树脂是Momentive（德国）的L160或L285环氧树脂。较新的设计（DA42-VI、DA50 RG 和 DA62）因其高Tg而转向Westlake Epoxy的RIM935灌注环氧树脂。由于L285的Tg较低，Diamond的早期型号仅限于大多数或全白油漆方案；转向RIM935使该公司能够添加新的、引人注目的配色方案，这些方案通常受到客户的青睐。

湿预浸料层的处理可能具有挑战性，有时甚至有点混乱；Diamond已考虑引入自动铺层技术，以帮助缩短周期时间并减轻技术人员的工作量。Diamond还在其加工系列中添加了树脂灌注——将其用于对孔隙率要求更高的零件，例如碳纤维翼梁（出于结构原因）和玻璃纤维天线罩（较低的孔隙率可实现更好的电磁传输，从而转化为更好的雷达性能）。

Diamond的粘合组件使用剥离层和砂纸进行表面处理。粘合层树脂与天然湿预浸料相同，但用棉片或微球增稠成糊状。混合和涂抹全部由手工完成。粘合剂在室温下固化，然后整个结构（层压板和粘合层）接受高温后固化。

Diamond公司表示，在40年的经验中，从未有过飞机因复合材料问题而退役。 机身每6,000个飞行小时进行一次检查，通常不需要进行任何检查或维修工作。“复合材料融入了我们的 DNA。”Diamond Aircraft设计组织负责人Robert Kremnitzer在回顾Diamond产品的超长使用寿命时说道。

Epic Aircraft（美国）将一款流行的实验飞机变成了性能最高的经过认证的涡轮螺旋桨飞机之一。E1000和现在的E1000 GX由一台Pratt & Whitney Canada（加拿大）PT6A-67A 涡轮螺旋桨发动机提供动力，其久负盛名的 PT6 发动机系列最近刚刚突破 10 亿飞行小时。可以以380英里/小时的速度在高达34,000英尺的高度上舒适地行驶2,000英里。

正是性能和耐用性（例如，抗疲劳性，对于加压机身尤其重要）首先吸引了Epic使用碳纤维复合材料。在获得美国联邦航空局型号和生产认证的七年过程中，它通过测试和重新测试来学习和完善设计，最终实现了非常坚固的复合材料机身，经过测试，其负载约为服役期间预期最高负载的两倍。

2021年，Epic对E1000 GX进行了认证，目前该飞机已成为该公司的标准生产飞机。GX升级了航空电子设备，并在PT6A-67A涡轮螺旋桨飞机的前部安装了五叶复合材料螺旋桨。 新型复合材料螺旋桨提高了起飞性能，同时降低了噪音并提高了乘客的舒适度。

Epic的首席工程师Brock Strunk曾在Lancair获得复合材料认证，并在全行业支持共享复合材料数据库以帮助通用航空方面拥有丰富的经验。这些努力包括先进通用航空技术实验 （AGATE）、国家先进材料性能中心 （NCAMP） 和CMH-17。Strunk是公共数据库的主要支持者，该数据库允许小型飞机公司更轻松地将先进复合材料纳入其设计中。

Epic手工铺设TAC的碳纤维和玻璃纤维2510环氧预浸料，以制造每艘船组中的大约550个复合材料部件。与其复合材料和粘合材料供应商的密切技术关系至关重要，Epic利用其技术专长来帮助优化制造工艺。此外，通过选择已经合格并拥有公共数据库的复合材料，Epic能够利用节省的资金来更深入地了解工艺变化如何影响最终性能，从而实施强大的复合材料生产系统。

Epic的大部分部件均由织物预浸料制成，具有高负载结构，例如使用UD预浸料的机翼和水平翼梁。局部刚度通常由赫氏芳纶/酚醛蜂窝过度膨胀 （OX） 芯材和汉高（美国）乐泰EA 9696 航空环氧薄膜粘合剂，泡沫芯主要用于可热成型的复杂几何形状。组装时采用粘贴胶粘剂粘合；同样来自汉高的环氧糊状粘合剂混合了额外的增稠剂，有助于防止机身两半和机翼闭合过程中的塌陷。

未来潜在的进步

通用航空复合材料的技术增长可能由一个因素驱动成本。通用航空原始设备制造商愿意探索新的轻量级选项和加工技术，以使机身更加省油（甚至电气化或氢动力），但放弃经过验证的材料和工艺可能成本高昂。不仅是原材料的价格，还包括鉴定和认证新复合材料结构的时间和成本。

NCAMP和CMH-17等已发布的数据库对小型制造商采用新材料有很大帮助；材料供应商应考虑在其推向市场的任何新型结构复合材料系统中包含一套基本的允许值。

在通用航空飞机和先进空中机动 （AAM） 复合材料市场预测的推动下，复合材料行业正在转向开发性能更高的复合材料，同时降低材料、加工和使用成本。

Epic E1000 GX的最终结构组装。前机身碳纤维结构是压力舱壁，也是防火墙的一部分。蓝色区域为含铜防雷蒙皮。
图片来源：Icon Aircraft

增韧环氧树脂的进步可以在较低的温度和压力下实现更快的固化，同时仍提供类似高压釜的性能，从而能够在单向纤维中使用更硬的中间模量碳纤维。UD纤维的效率比机织布纤维高大约25-50%。总之，可以显著减轻重量，占用的机翼内部空间更少，从而为燃料留下更多空间。

聚醚醚酮 （PEEK） 和聚醚酮酮 （PEKK） 等高性能半结晶热塑性树脂的价格将继续下降，并且与环氧树脂（甚至增韧环氧树脂）相比，具有更好的平面外和损伤容限性能。高温处理要求带来了一系列挑战，但新的处理和建模可以帮助解决这些挑战。

碳纤维，尤其是中间模量的碳纤维，将因其无与伦比的结构性能（尤其是刚度）而应用于通用航空主结构。大丝束碳纤维的新进展和具有额外碳纤维产能的新生产工厂，共同降低了碳纤维的成本，进一步推动了其在通用航空领域的使用。

新复合材料工艺的研究和开发（R&D），包括先进纤维铺放（AFP）和自动铺带（ATL），不仅能产生非常高质量和一致的复合材料结构，而且利用单向碳纤维实现最终的结构效率还可以制造大型、集成、复杂的结构，降低装配成本。另一种加工技术是压制成型，它使用加热工具和机械力进行固化，可以将零件加工周期从几小时或几天缩短到几分钟。

总体而言，通用航空所有领域的复合材料的未来都是光明的。利用为其他市场开发的材料和工艺将显著提高性能（走得更远、更快，燃烧的燃料更少），同时提高耐用性并降低采购成本。

来源：荣格-《国际复材技术商情》

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