用于波音787的新型复合材料机翼除冰系统

作者：刘代军 陈亚莉    来源：航空制造技术

欢迎访问e展厅 展厅 8 航空与航天设备展厅 直升机, 无人机, 航空发动机, 航空材料, 飞机座椅, ... 波音787“梦幻”飞机——碳纤维/ 环氧树脂复合材料革命的代表，其复合材料用量达到了50%。在波音787 上大面积使用碳纤维/ 环氧树脂复合材料，减轻了飞机重量并使创新理念得以实现。当波音公司开始考虑在787“梦幻”飞机上大量使用结构复合材料时，波音工程师们只是认为碳纤维/ 环氧树脂复合材料结构能大大降低飞机重量，从而节省燃料、扩大飞行范围。但是后来对复合材料的深入研究表明，复合材料还可以带来重大的设计变化，通过这种变化可以进行功能系统集成，也可以改变层流，发展了空气动力学。 现代商业飞机的机翼除冰系统 空气动力学对飞机飞行的一个重要要求就是机翼表面必须非常光滑。机翼表面结一层冰就会产生不规则外形，而即使冰层只有1m m 厚也足够影响飞机的正常飞行。对于大型商业飞机来说，飞机的正常飞行高度很高，而周围环境温度都在0℃以下，所以即时掌控机翼前缘的结冰情况对飞机的安全飞行十分重要。 对机翼结冰的处理分为两大类：防冰（防止结冰）和除冰（结冰后除去）。而后者是现在飞机上采用的主流技术，采用除冰系统在冰层没有达到有害厚度时除去。绝大多数除冰技术采用特殊物质（起飞前喷洒的化学物质）或机上携带的机械装置松动冰层，让流经机翼表面的气流将冰带走，从而达到除冰的目的。 在机械系统方面，现代商业飞机通常采用一系列管道从发动机内部引入加热的空气，通过加热空气在结冰机翼表面内侧的流动加热附近的机翼表面，从而达到除冰的目的。但是这不仅会使设计变得复杂，同时还会降低发动机的有效推力。所以，多年来研究人员一直在开发一种替代技术，即向机翼前缘表层里面置入导电元件来直接加热机翼表面，使冰层不会聚集变厚。设计这样一个系统的关键是能够开发一个加热盘、片或者加热元件来提供连续均匀的加热，而且能够在苛刻的环境中正常工作。同时要求该集成的加热系统在损坏或者出现故障时可以方便更换。目前，在技术上还不能满足以上条件，从而使该集成加热系统还没有成功应用于商用飞机的先例。 新型除冰系统的研制 1 喷涂金属导电层 英国G K N 宇航公司对加热元器件开展了多年研究，近年来针对客机上大量采用复合材料而开发出一套复合材料加热解决方案。该方案后来被波音公司选中，其首次商业应用是在787“梦幻”飞机机翼前缘除冰系统上。此外，该技术还具有军事用途，如可用在V -22“鱼鹰”倾转旋翼机发动机进气口和F-35“闪电I I”联合攻击机F135 普惠发动机的进气道上。 GKN 宇航公司的这种方案跟以前除冰系统的加热方法完全不一样，采用的是喷涂金属层沉积技术，即将液态金属直接喷涂到玻璃纤维织物上以形成导电层，通过产生的持续均匀的热量来加热复合材料机翼前缘。纤维织物上喷涂的金属层具有双重功效，既作为导电体导电，又作为电热元件产生热量，把电能直接转化为热能。通过该金属喷涂技术可以将金属层置入金属或者复合材料内部。目前，G K N 宇航公司为波音787 飞机制造的除冰系统就是应用这种技术将金属置入了碳纤维复合材料结构来制备加热垫。 2 除冰系统加热垫的制备 对波音787、V -22 和F -35 来说，G K N 宇航公司可以采用金属喷涂技术将金属材料置入加热垫中。这种加热垫是碳纤维和玻璃纤维的多层复合材料结构，其构件形状和尺寸大小主要依赖于飞机的机翼剖面和配电系统。G K N 宇航公司为波音787 飞机制造了8 个加热垫（附着在前缘缝翼上），每个机翼上有4 个。每个加热垫和前缘缝翼构成一个整体，是一个加热区域，每个前缘缝翼（即每个加热区域）又分为4 ～ 8 个加热面。通过加热垫上预先加工好的孔洞可将加热垫固定在前缘缝翼上。 无论用途如何，加热垫都是按相同的方法制造的, 只是其形状随着要附着结构外形的不同或者应用强度和结构要求的不同而有所变化。波音787 机翼前缘上使用的加热垫是在铝合金阳模上铺设而成的，这样可以满足产品的耐久性要求。模具和其他部件都非常平直，在宽度方向上则严格满足波音公司指定的机翼前缘的空气动力学弯曲曲率要求。 加热垫原料为碳纤维/ 环氧预浸料（单向或者织物）。波音787 上加热垫采用的预浸带为机织物，内部有15 层，切割和装配基本采用全自动的切割系统。根据应用需要，加热垫的预浸带层数可以变化。在碳纤维预浸带的最上层铺一层干态的玻璃纤维织物，这层玻璃织物主要是在碳纤维和喷涂金属层之间起绝缘层作用，防止碳纤维和金属直接接触而发生电偶腐蚀。铺放玻璃纤维织物后，采用机械手将熔融金属直接喷涂到织物上，待冷却凝固。金属层厚度也是根据实际需要而不断变化的。总的来说，厚的金属层产生的电阻小，而薄的金属层产生的电阻大。 喷涂过程现在采用手动操作，但是为了提高效率和产品质量，G K N宇航公司正在积极开发自动操作系统。待金属层凝固成型后，再在上面焊接1 组电线来和飞机上的配电系统连接。在金属层上铺上一层干态玻璃纤维织物和15 层碳纤维/ 环氧树脂预浸带，加上平直盖板后送入真空热压罐中固化成型，而最终的形状以及与飞机机翼连接的孔洞都要经过数控加工。由于热压罐固化工艺存在能耗大等缺点，G K N 宇航公司也正在努力寻找性能优良且经济实惠的非热压罐固化预浸带，以采用非热压罐固化工艺。 该加热垫的一个显著特点就是模块化、标准化，这样每个加热垫都能够很容易地安装在波音787 的前缘缝翼上，并方便在损坏或者出现故障时拆换。而且将电源装置除去后，该加热垫看起来跟其他复合材料没有什么不同。 3 除冰系统的能源损耗 飞机上的电能非常有限，所以在能够达到相同效果的情况下应尽量采用低功率的设备来降低能耗。波音787 飞机上提供除冰服务时使用的加热垫就是显著的例子，该加热垫工作时温度范围为7.2 ～ 21.1℃，能量损耗只有45 ～ 75k W。而采用防冰系统时，则需要消耗150 ～200k W 的电能。波音787 上加热垫的电源控制系统由英国超级电子公司（Ultra Electronics）提供，且每个前缘缝翼配备1 个控制器。 金属喷涂技术在其他方面的应用 为满足不同需要，G K N 宇航公司可采用蜂窝夹芯材料来增加加热垫刚性，也可通过改变加热垫形状和金属层上下的碳纤维铺层的厚度来增加或者减少其强度。如提供给V -22 和F -35 发动机进气道的加热垫的形状就与波音787 前缘缝翼上的不一样。此外，还可以将金属层放在层板叠层的任何位置，甚至包括表面层（直接暴露在气流中），或放在最里层。 GKN宇航公司的金属喷涂技术不仅仅在除冰装置上获得了成功，还可用于其他领域。如通过加热垫中信号传输的改变，该技术还可以监测结构健康，包括对压力、载荷、裂纹以及材料断裂等的监测，而用其他方法很难或者根本无法实现。 (end)

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