新一代清洁天空飞机机翼结构—GKN创新推出
发布时间:2016-06-20   作者:Jean L. Broge
  • 吉凯恩航宇的创新机翼前缘总成,已交付给空客的清洁蓝天BLADE项目。
  • Clean Sky的SFWA项目中生产的创新机翼前缘复合夹板,图为地面展示阶段的产品。


今年初,吉凯恩航宇(GKN Aerospace)公司表示,已经向一个大型研究项目交付了公司研发的机翼元件。该项目会在一架测试飞机的机翼上进行试验,测试与测量自然层流(NLF)设计的优势。据悉,欧洲的清洁天空(Clean Sky)智能固定翼飞机(Smart Fixed Wing Aircraft,下简称SWFA)计划旨在通过减少飞行阻力,降低下一代飞机的燃料消耗和尾气排放。该大型计划的经费50%来自欧盟,也同时获得了多方的参与和支持,吉凯恩参与的欧洲突破性层流翼验证机(Breakthrough Laminar Aircraft Demonstrator in Europe,下简称BLADE)项目也是该计划的一部分。  


吉凯恩航宇公司高级工程技术副总裁Russ Dunn表示,“通过SFWA计划下的BLADE项目,我们可以推进有潜力的创新技术、概念和功能,进一步提升飞机的燃料经济性。”


吉凯恩航宇公司提供的关键机翼前缘总成和上盖,目前已经用于空客(Airbus)A340试飞机右翼的NLF翼截面。由于采用了全新的设计方法和创新制造技术,吉凯恩得以提供一种具有超高耐受性的特殊表面,从而达到NLF级别的性能表现。


在2017年的飞行试验中,该翼截面将承担测试NLF机翼结构性能与特点的任务,从而协助验证预期可以取得的经济和环境效益:根据预测,采用NLF机翼可以将飞机的飞行风阻降低8%,燃油经济性提升大约5%。


“无论能够带来多少空气动力学优势,设计与制造NLF机翼的关键挑战仍在于严格控制机翼的表面。”Dunn表示,“消除机翼表面的突起、缝隙、粗糙、不平整处,以及紧固件的接头至关重要,因为这些都会让飞机落入更加传统的‘湍流(turbulent flow)’性能级别。吉凯恩航宇的团队曾利用民用飞机项目中的结构设计和研发流程,打造了一批整合式共固化(co-cured)复合上盖,以及具有超高耐受性的机翼前缘表面。结果,我们的第一批零部件质量非常高,已经交付给飞行测试项目使用。”


几年前,为了基于地面演示(ground based demonstrator,简称GBD)而研发的机翼是一款面积为4.5 m x 1 m的机翼前缘。该前缘连接在部分机翼翼盒(partial wing box)之上,非常具有代表性。这种前缘设计可以将机翼分为两个区域,允许吉凯恩的工程师探索两种截然不同的设计哲学。


其中,“基础”部分采用了常见于绝大多数金属前缘的传统设计,即为翼肋增加了一层整体复合皮。而“创新”部分则采用了更加激进的设计,从而解决基础设计不能达到NLF级耐受性需求的问题。本部分采用了一款轻质前缘夹板,结合使用了电热机翼除冰保护(wing ice protection)技术、防腐蚀涂层,以及没有采用紧固件的外表面。


在Krueger创新设计中,团队还采用了增材制造工艺,打造机翼支撑结构,替代基础设计中的铝制翼肋。这样一来,仅需三根翼肋就能完成支撑前缘壁板的任务,分别为一根中央翼肋和二根端部翼肋。这样的设计能够确保机翼前缘可以在任何正常工作温度下,保持合理的空气动力学性能。与基础部分相比,创新部分使用的元件和紧固件数量更少,因此质量也更轻,可以极大地提高能效。 


本项目由吉凯恩航宇的3个英国技术中心合作完成,分别为英国国家复合材料中心(National Composites Center)、位于卢顿的吉凯恩航宇,以及位于布里斯托尔的吉凯恩航宇增材制造中心。


作者:Jean L. Broge
来源:SAE 《航空航天工程》杂志
翻译:SAE 上海办公室

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