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用“布”做的飞机：X-55A先进复合材料货运飞机 |
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newmaker |
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据美国《航宇日报》近日报道 X-55A先进复合材料货运飞机（ACCA）作为一种低成本运输机已经完成了其最新一阶段的飞行测试。美国洛克希德公司的这款概念机在“道尼尔”328喷气机的基础上采用复合材料机身和更加先进的水平垂尾。尽管美国空军研究实验室主导的计划包括加装一个货运坡道并要求加宽机身以便能够装载两个463升的货盘，但是首要的目标是提供更多的装载能力，采用先进复合材料制造能够有效降低机身零件数。
由于其创新的结构，X-55A被认为是自20世纪80年代YC-14和YC-15计划后最重要的运输机验证项目，并且它也是自1964年LTV XC-142全动翼飞机后首架达到飞行测试阶段的全尺寸X型飞机，几乎全部由MTM45-1型复合材料制作。相对于政府12个月和5000万美元的要求，这款飞机从建造、定型到试飞这样一个“标准阶段”共用去了20个月的时间。工程师们更愿意使用巨大的、单件预成型结构而不愿意采用机械紧固件。
“这种创新性的设计使我们比原定计划晚了8个月，主要是为了验证复合技术的效果”，洛克希德公司说。尽管X-55A比328JET机身长69.7英尺、翼展宽68.8英尺、机身高26.4英尺，但是其机身相对于328JET的3000个零部件减少到了300个左右，其机械紧固件的总数也从30 000多个降低到了4000个左右。
最近在加利福尼亚棕榈谷完成的第三架试飞飞机，已经解决了2009年6月第二架试飞机在倾转32度时出现的“荷兰滚”现象。在阿纳海姆举行的最新一届社会实验试飞员会议上，洛克希德X-55A的首席试飞员罗伯特说它非常好操作。本次测试成果还包括在高达7英尺每秒的下降率下尝试降落，来检查机体结构的着陆能力。同时还新建了另一个机身段用于进一步的长时疲劳测试。
用“布”做的飞机：X-55A先进复合材料货运飞机
当前，复合材料已经广泛应用于人类生活的方方面面，在航空领域更是不可或缺。大到大型客机、运输机、轰炸机，小到私人飞机、无人机、航空模型等，复合材料已经成为飞机研制的重要基础和关键技术之一。然而，传统的复合材料生产工艺所导致的昂贵制造成本，在一定程度上限制了大型结构件在军用运输机上的应用。
为此，美国空军未雨绸缪，着眼于下一代运输机的需求，通过实施一项“先进复合材料货运飞机”（ACCA）计划，由洛克希德·马丁公司所属的臭鼬工厂研制出一架X-55A验证机，重点测试新型复合材料大型构件机身和垂尾的结构性能。目前，该机已经完成各项飞行试验，达到了预期目标。有专家认为，这一计划有可能在未来10年内引发航空制造业的一场革命。
ACCA计划的主要目标
根据未来的作战需求，美国空军研究实验室（AFRL）将论证多年的“先进机动概念飞机”（AMC-X）项目和“下一代隐身运输机”（M-X）项目合并，提出了一个“先进联合空中作战系统”(AJACS)项目。该项目主要针对下一代军用运输机的性能要求，重点验证一些关键技术的可行性和实用性，ACCA计划就是其中之一。
早在10年前，AFRL就提出了一项“复合材料倡议”（CAI），以推动先进复合材料及其制造工艺的发展，尝试改变目前广泛应用的飞机制造技术。从航空制造业发展的历史来看，飞机的成本通常是由尺寸和重量所决定的，对于大型运输机来说更为突出。
目前，树脂基复合材料已经在军用和民用飞机结构中得到了广泛应用，但是在制造过程中仍然需要通过热压罐来产生较高的压力和温度实现固化，以获得所需的结构强度。例如，波音公司采用Toray 3900-2树脂制造波音787飞机的大型圆柱体机身，不仅需要花费昂贵资金来建造大型设备，而且在制造过程中需要消耗大量的氮气，导致成本居高不下。
针对这一现状，AFRL于2006年12月正式宣布了ACCA计划，希望推动先进复合材料技术的发展，证明结构尺寸尽管仍然会产生一定影响，但不再成为最终决定飞机成本的重要因素。按照计划，AFRL预期在3年内研制一架概念验证机，并完成飞行测试，验证先进复合材料及其相关制造技术的工程实用性，以便在2020年左右可以应用于未来短距起降战术运输机的研制项目。
2007年1月，AFRL发布了有关ACCA计划的投标要求，向有关公司征集ACCA平台方案。选择平台的具体要求是：必须是一架上单翼喷气式飞机，具有全增压机身和足够内部容积，以适合于标准尺寸的军用463升货盘；结构坚固，能够承受常见的作战损伤；货舱地板可以兼容463升货盘和车辆，后部要有便于装卸的货桥；飞机必须能够在野战机场跑道上起降，并可以忍受恶劣天气。
ACCA计划从2007年4月正式启动，到2010年10月结束，经历了三个主要阶段。第一阶段，AFRL初步评估各公司提交的9种平台方案，从中选择出两家公司展开研制工作。被选中的两家企业分别是极光飞行科学公司和洛克希德 马丁公司先进发展计划分部，后者即众所周知的臭鼬工厂。
由于经费有限、时间紧迫，两家公司针对ACCA计划的要求，分别提出了各自的设计理念，都不约而同地选择了改装现役运输机的研制方案，其中极光飞行科学公司选择了安-72运输机，而臭鼬工厂则选择了道尼尔328JET飞机。
对于这两个方案，AFRL经过为期半年的评估，认为后者的风险更小，于是将第二阶段合同正式授予了臭鼬工厂。历经了20个月的平台改装后，臭鼬工厂研制的ACCA验证机于2009年6月2日顺利完成首飞，标志着ACCA计划第二阶段正式结束。10月21日，AFRL将ACCA验证机正式列入X飞机序列，编号为X-55A验证机。
ACCA计划在运作模式上体现了臭鼬工厂实施项目的特点，即由各路专家组成一个小型团队，以方便协调，提高管理效率。在研制X-55A验证机过程中遇到问题时，工程师们从车间聚集到过道，在几分钟内就可以解决相关问题。即便是在ACCA计划的高峰期，臭鼬工厂也仅仅指派了80名雇员参与其中。
2007年11月，臭鼬工厂按照设计要求选定的一架道尼尔328JET运输机飞抵加利福尼亚州的帕姆代尔，接着被大卸八块。研制人员先将驾驶舱、前段机身和旅客舱门从机身上拆卸下来，随后又拆卸掉水平尾翼、方向舵、发动机和机翼，以便其后重新安装。
在改装过程中，臭鼬工厂完全保留了该机的前机身、机翼、动力系统和起落架，但原来的中机身、后机身和垂直尾翼则要用先进复合材料制造的全新结构所替代。为了满足验证计划需要，X-55A验证机的机身在改装时相应加宽、加长，以适应安装军用标准的463升货盘，并增加了一个货舱门和货桥。
就ACCA计划来说，X-55A验证机实际上是一个飞行实验室，主要用于试验一种MTM45-1低温复合材料。这种新型先进复合材料用于制造大型结构件时，无需采用复杂的加工和粘合工艺，所产生的直接效益是可减少90%的结构部件。如该机的复合材料机身长17米、宽3米，在改装过程中只采用了8个结构支撑框，其中4个用于承受主起落架部位、3个用于支撑尾翼、1个用于增强货舱坡道周围的区域。
因此，X-55A验证机尽管总体尺寸较大，但机身和垂尾通过采用新型复合材料和制造工艺，显著减少了零部件的数量。相对于原先的金属机身而言，X-55A的零部件减少了一个数量级，从3000个减少到300个，并且大幅度减少了机械紧固件的数量，从大约30000个减少到4000个左右。这些紧固件主要用于连接座舱、机翼、发动机和水平尾翼。
由于不再采用铆钉等传统连接件，先进复合材料结构不仅具有良好的气动性能，而且还将解决诸多与全金属结构有关的腐蚀和失效等问题，可大大减少机体的维护费用。同时，复合材料的结构重量轻，有助于增加货物的容积、提高飞机的性能和降低使用成本。
在完成了总装和地面测试后，2009年6月2日6点55分，两名飞行员驾驶X-55A验证机从美国空军第42工厂的跑道上滑行起飞，向东飞去，然后转弯向西飞行，爬升到大约3050米高度，完成了一系列空速、稳定性与控制等测试。总共87分钟的首次试飞，验证了基本的飞行品质，完成了ACCA计划的一个重要节点。
X-55A验证机的首飞成功有力地推动了ACCA计划的进一步发展。同年9月，AFRL将第三阶段研制合同授予洛克希德·马丁公司，主要内容包括进一步扩展飞行包线、训练政府部门的飞行员、建立一套机身疲劳试验规程和附加的材料试验规程、完成相关的材料试验。在此后不到一年时间里，X-55A验证机顺利地完成了第三阶段的飞行测试任务。
大型构件的关键制造技术
X-55A验证机成功地完成各项试飞任务，很大程度上得益于ACCA计划在复合材料领域取得的重大突破。从复合材料制造工艺的发展来看，在近10年里，小型部件已经开始利用真空辅助树脂传递成形工艺，无需通过传统的热压罐来固化成形。但是，这一工艺施加的压力相对有限，加工出来的复合材料结构不太坚固，在大多数情况下还是局限于一些较小部件或非商业飞机的结构上。
由此可见，制造大型承力构件的解决方案，首先是要研制一种性能更加先进的树脂，并寻找到更加理想的复合材料制造工艺。作为一项关键技术试验，ACCA计划充分验证了利用低温工艺制造大型复合材料承力结构的可行性，其中，新型MTM45-1MTM低温复合材料及其关键制造工艺在降低成本和复杂性方面功不可没。与其它树脂基复合材料不同的是，MTM45-1复合材料的主要特点是无需在热压罐内完成固化，降低了加工成本，从而可以制造出非常大的单件结构。改装设计中，X-55A验证机的机身均由MTM45-1复合材料蒙皮和Nomex芯材（一种非金属HRH-10弯曲形蜂窝结构）组成，结构上分为上、下各半个部件。这些大型部件都是在一个房间大小的低温炉内实现成形、固化和粘合。具体而言，低温固化工艺分为两个步骤，先是在65.5℃下实现成形，稍后再进一步迅速固化。
从复合材料制造工艺方面看，X-55A验证机的机身制造过程充分利用了3项关键技术：一是采用大型整体夹层结构。该技术可以使部件数量减少一个数量级，通常情况下，将两个或更多的独立部件制造成为一个整体部件，从而减少装配时间和成本。二是专门定制强化（HiTS）工艺。按照复合材料的基质，该工艺可以根据部件的最有效方式来定向纤维，从而减少制造部件所需的工时。三是采用“派”（Pi）连接件。这种连接件看起来像希腊字母π，故此得名。它将X-55A验证机的上、下机身蒙皮充分粘合在一起，无需花费时间钻孔和安装紧固件，从而简化了生产工艺，减少了95%的金属紧固件。
作为ACCA计划的“主角”，MTM45-1复合材料的强度是否能够满足安全要求，一直是美国空军和业内人士最为关心的。答案是肯定的。
在ACCA计划启动前，臭鼬工厂就已经掌握了这种复合材料的制造技术，并在制造P175“臭鼬”无人机中进行了尝试。由于采用新的复合材料和工艺，整架无人机的零部件还不到200个。从各项性能指标来看，MTM45-1材料可以与热压罐固化树脂相媲美。
但是，与目前已经用于商业飞机制造中的最先进复合材料相比，MTM45-1复合材料在试验中所测得的强度性能还略显逊色。因此，低温固化工艺制造的复合材料结构暂时还有所限制，只能用于像X-55A验证机和“臭鼬”无人机等项目中。
由此可见，复合材料技术在确保MTM45-1材料的强度达到用于商业飞机适航管理条例的要求之前，还要进一步完善。按照以往惯例，航空航天工业制造商在新技术应用方面通常都会采取比较保守的方式，因此MTM45-1复合材料的生产应用还需要更多的时间。但是，这种期待不会降低MTM45-1材料在ACCA计划里的重要性。
所以，X-55A验证机的飞行试验显得至关重要，主要用于全面了解新型复合材料运输机在各种速度和高度下的性能数据，以作为今后各项试验的基础。为获得足够的试验数据，在X-55A验证机上安装了600多个传感器和加速度计，以测量机身结构所受到的压力等。精确测试各种飞行条件下的结构性能，是确定这些技术是否适合于未来战术运输机应用的基础和关键。
低温固化技术的应用潜力
就低温固化工艺本身而言，这项技术有可能显著简化全复合材料结构的制造工艺。目前，X-55A验证机的试飞结果已经证明这个概念是可行的。作为ACCA计划的延续，臭鼬工厂正在准备为X-55A验证机设计和制造一对全新的复合材料机翼，用于替代目前使用的金属机翼。早在2007年，AFRL就曾经表示，要通过ACCA计划验证先进的动力增升系统，为AJACS项目的技术需求进行探索，铺平技术道路。
为此，臭鼬工厂还计划在X-55A验证机上设计一些增升装置，为今后发展未来联合战场空运（JFTL）飞机提供短距起降能力。美国空军也希望利用这项研究，在2020年前后制造一种新型短距起降运输机，它的外形尺寸与现役战术运输机相当，但具有更轻的空重和更低的成本。
今后，X-55A验证机还可以发挥更大的作用，满足航空航天领域日益增加的验证计划需求。AFRL正在与工业界和NASA密切合作，宣传X-55A验证机在飞行试验领域内可以承担的角色，并已经在考虑各种应用方案。作为各项先进技术计划的一个试验平台，它可以用于进一步研究复合材料、能量效率、ISR技术和先进气动布局等。与此同时，航空航天领域希望借助于飞行试验来检验各种传感器载荷的性能，因此X-55A验证机可以作为承担这些任务的最初使用平台。
长远来看，低温固化技术的潜力远远超出了运输机领域，将会对下一代无人机和远程攻击机的发展产生潜在的连锁效应。因为航空航天工业的现有制造工艺大多数都是建立在制造金属材料结构基础上的，而臭鼬工厂则希望通过ACCA计划，从根本上改变未来制造飞机的方式。
有专家认为，这一计划有可能在未来10年内引发航空制造业的一场革命。正如AFRL高级材料工程师兼ACCA计划负责人约翰 拉塞尔博士所言：ACCA计划验证的新型复合材料技术，不但能够应用于未来的军用飞机，而且可以应用于“战神”V运载火箭上……(end)
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(3/30/2012) |
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