【技术干货】碳纤维复合材料在超音速飞行演示器中的应用
摘 要
距离全球首架超音速飞机因运行成本等因素停飞已经将近20年时间，近年来随着先进材料和技术的发展，商业航空成本大幅下降，尤其是碳纤维复合材料在商业飞机中应用，在降低飞机重量、运行成本、燃油排放等效果显著，因此国外多家公司正在尝试超音速飞机重新升空。
即将在今年10月7日发布的Boom公司XB-1喷气式飞机有望成为下一个实现超音速飞行的飞机，该飞机的机身、机翼、垂直尾翼、水平尾翼、进气口、副翼和方向舵均采用了日本东丽公司碳纤维增韧环氧预浸料制成，在外部还预涂了美国Hexcel公司的IM7碳纤维。
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协和飞机是第一架提供客运服务的超音速飞机，它将人员从美国东部沿海地区运送到巴黎和伦敦的时间仅为标准商业航空公司的一半。但是在2003年，经过27年的跨大西洋飞行之后，由于运营成本过高，燃油效率低下以及对环境的关注，飞机被关闭。
虽然目前还没有一家公司能成功填补这一空白，但仍有几家公司正在研发超音速商用飞机，包括Boom Supersonic。Boom由Blake Scholl于2014年创立，目前正在开发Overture，这是一款2.2马赫的商业客机，可容纳55至75名乘客。该公司有信心现在是时候重新启动超音速旅行了。公司首席执行官指出，与协和飞机相比，数十年来的技术进步和燃油效率的提高使我们能够制造出具有更好的运行经济性的超音速客机。
自成立以来，Boom一直在研究XB-1，这是Overture的三分之一比例演示器。它将展示主流超音速飞行的关键技术，并通过类似的关键技术帮助完善Overture的设计和工程——主要包括：先进的碳纤维复合材料，以及空气动力学和推进力设计和分析。
在过去的一年中，该公司在演示器上达到了多个工程和生产里程碑。它完成了机翼测试，进行了Boom第二代模拟器的首飞，并完成了一些关键的粘合事件：系统舱和主起落架舱进入机身，并关闭了左右机身蒙皮。Boom的团队将于今年完成XB-1的建造，并于2021年在加利福尼亚的莫哈韦航空航天港开始飞行测试。
作为超音速飞行演示器XB-1的关键原材料，碳纤维复合材料是不可或缺的，该演示器的机身、机翼、垂直尾翼、水平尾翼、进气口、副翼和方向舵均采用了日本东丽公司下属Toray Advanced Composites公司的TC350-1增韧环氧预浸料制成，在外部还预涂了美国Hexcel公司的IM7碳纤维，只有发动机机舱和后机身是金属的。
TC350-1增韧环氧预浸料是日本东丽Toray Advanced Composites生产的最新一款高温固化体系树脂，它兼具热/湿性能、机械性能转换和韧性的优点，并充分利用了高压釜制造工艺的优势，展示了高压釜加工材料的强度。
TC350-1不仅保留了高压釜产品的性能，而且一次又一次超过了它们，从而提供了一种坚固的材料，并降低了高压釜的成本和复杂性。
TC350-1树脂体系的主要优点如下：
低孔隙率
21天定位寿命/ 45天工具寿命
预筛选为NCAMP数据库协议
冲击强度优异
3小时 135-149°C固化，然后需要177°C的2个小时固化。
TC350-1树脂体系对于确保XB-1在飞行过程中所经历的高温下保持强度至关重要。据Boom公司称，标准商用机身的工作温度范围为160°F至-65°F。而超音速飞行器在2.2马赫的速度下，XB-1结构可能一次连续几个小时超过300°F的高温。因此，350°F高温TC350-1增韧环氧预浸料可为超音速飞行提供安全防护。
XB-1演示器所使用的制造工艺也会根据结构类型而有很大差异。根据最经济的方式，将零件层压在不同的工具上，因为该公司仅制造每个零件中的一个。这些包括碳面片模具（预浸料和输注）、铝坯模具和CFOAM ®基于碳纤维的泡沫复合材料模具。
XB-1前机身由复合材料舱壁和蒙皮制成。该公司通过层压工艺制备了独立的蒙皮和舱壁，然后使用蒙皮层压工具作为装配夹具来固定蒙皮，同时将复合材料舱壁粘合到位。它们与EA 9394/C2环氧糊状粘合剂粘合在一起，并使用计量学将整个机身的每个舱壁和下部结构精确地定位在0.04英寸之内。其他许多结构如机翼、垂直尾翼和进气口，也使用相同的过程。
飞行控制表面包括水平尾翼、副翼和方向舵，是通过薄膜胶粘剂粘结在一起的实心结构。动臂制作了外皮和肋骨，然后加工了芯部以匹配外皮。完成后，将它们用定制设计的组装工具粘合在一起。动臂使用构造块方法来测试XB-1机身。早期，该公司为该程序购买了一个负载框架，因此团队可以表征层压板的特性。从那里开始，Boom建造了粘结和紧固接头组件以进行组件级测试，然后对各种测试和飞行物品进行全面的结构测试。
今年3月，Boom公司成功完成了XB-1机翼的静态载荷测试，模拟了60,000磅的最大飞行载荷。工程师使用多种仪器监控了机翼的完整性，其中包括声发射传感器，这些传感器可追踪3英寸半径内任何内部可听活动的精确起源。
当Boom公司技术团队完成XB-1的工作时，它同时在设计Overture，预计2020年10月将进行飞行测试。基于总体规模和生产量，并非XB-1的所有制造过程都将用于构建Overture。但XB-1的制造也使团队在核心碳纤维复合材料和制造工艺方面获得了丰富的经验，尤其是XB-1的开发可提供有关节省成本、安全性、效率和可持续性的方案，帮助进一步优化了Overture。
在新冠疫情爆发之前，Boom公司已经获得了至少60亿美元的飞机预订单，价格为2亿美元，买家包括维珍集团和日本航空，后者在2017年向该公司投资了1000万美元。如果一切按计划进行，设计为可容纳55至75人的超音速飞机，将在2030年开始客运航班。
据悉，Boom公司并不是唯一一家从事超音速飞机研究的公司，比如美国宇航局NASA也在研究由洛克希德·马丁公司设计的X-59超音速喷气机，X-59计划于2021年上空，与协和飞机相比要安静得多；而Aerion公司目前也正在其位于内华达州里诺的总部开发一种可容纳多达12位乘客的AS2超音速客机。