藝術(shù)家的構(gòu)思展示了貨艙的后端，由兩部分組成的貨艙門形成了后機(jī)身光滑、上翹的下腹。

 

　　

     
        A400M 不同尋常的分體式貨艙門配置允許在無需降落和起飛的情況下進(jìn)行設(shè)備/補(bǔ)給空投等戰(zhàn)術(shù)演習(xí)。

 

　　

     
        三個(gè)A400M機(jī)身段已準(zhǔn)備好安裝艙門，最近的機(jī)身段上已安裝好復(fù)合材料上部。
 

　　
 
       步驟1：CAD圖紙顯示整體零件設(shè)計(jì)：外板為藍(lán)綠色，整體加勁桁條為深綠色，橫梁為黃色。較小的部分內(nèi)門顯示為粉紅色。注意零件周邊的端壁。大鉤連接處用于在飛行中密封門。
 

 

　　
       步驟2：一名技術(shù)人員將干式多軸無卷曲織物和單向碳纖維增強(qiáng)材料，放置在一個(gè)復(fù)合材料凹模模具中，成為門板外蒙皮。
 

 

　　步驟3：完成外蒙皮鋪放。注意桁條和橫梁位置處的堆積模式。

 

 

　　步驟4：將預(yù)成形長桁放在門板上，并用GORE-TEX薄膜裝袋。在裝袋和輸液過程中，一系列膠帶將預(yù)成形長桁及其相關(guān)工具固定在一起。

 

  

　
       
      步驟5：裝袋過程的特寫，顯示桁條在門板上的位置。
 

    

 

　　
       步驟6：蒙皮和桁條固化完成后，將部分完成的零件放入臨時(shí)木制夾具中進(jìn)行無損檢測(cè)。資料來源：EADS軍用航空系統(tǒng)公司，奧格斯堡
 

 

　　
      步驟7：一個(gè)可操作的夾具將零件固定在適當(dāng)?shù)奈恢茫糜阢@孔和精加工步驟，因?yàn)闄M梁、端壁和鉸鏈都用金屬緊固件連接。
 

 

　　
      步驟8：涂漆部分的特寫顯示了將橫梁固定在外板和端壁上的金屬緊固件。

 

 

　　
      步驟9：完成的門的外表面
 

 

　　
        步驟10：安裝在A400M后機(jī)身上的第一扇艙門。

 

　　空運(yùn)能力和物資便攜性是任何國家軍事和應(yīng)急準(zhǔn) 備的關(guān)鍵要素。到目前為止，波音公司的 C-17“環(huán)球霸王”和洛克希德·馬丁公司幾十年前推出的 C- 130J“大力神”已經(jīng)構(gòu)成了世界上大約2300輛老化軍用運(yùn)輸工具的大部分，其中許多將進(jìn)行翻新。空中客車軍用公司（法國布拉尼亞克）希望通過其新型A400M貨機(jī)占領(lǐng)這一戰(zhàn)略市場(chǎng)的一大塊。

 

　　新的空運(yùn)機(jī)比C-130J稍大，但比C-17小，是復(fù)合材料密集型的——A400M的復(fù)合材料翼梁的設(shè)計(jì)和制造，將支持世界上最大的渦輪螺旋槳飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，在上一期的HPC中有描述。該飛機(jī)的垂直和水平尾翼在西班牙生產(chǎn)，也是一種大型碳纖維/環(huán)氧樹脂部件。

 

　　今年 1 月，歐洲航空防務(wù)與航天公司（EADS）軍用航空系統(tǒng)事業(yè)部（德國奧格斯堡）向空中客車公司交付了第一扇A400M上部貨艙門，這是迄今為止使用真空輔助樹脂灌注工藝生產(chǎn)的最大的結(jié)構(gòu)復(fù)合飛機(jī)部件。EADS Augsburg 是空客家族最大的外部供應(yīng)商， 并通過其能力中心幫助設(shè)計(jì)和推廣航空結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新材料和技術(shù)。其中一扇貨艙門最近在法國巴黎的 JEC復(fù)合材料展上展出。該門代表著在高要求的結(jié)構(gòu)應(yīng)用中低成本、熱壓罐外固化的重大突破。

 

　　降低成本的設(shè)計(jì)

 

　　A400M有四個(gè)渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)和高機(jī)翼，設(shè)計(jì)有打開機(jī)身后部的貨艙門。本文中描述的7米/23英尺長、4米/13英尺寬的全復(fù)合材料上貨艙門向上和向內(nèi)擺動(dòng)，而配有金屬坡道的下貨艙門同時(shí)向外和向下旋轉(zhuǎn)，以便裝載或卸載車輛和貨物。當(dāng)關(guān)閉時(shí)，兩個(gè)艙 門形成光滑的后機(jī)身腹部。

 

　　EADS奧格斯堡公司的一位設(shè)計(jì)工程師表示，幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜的上艙門是為盡可能低的重量而設(shè)計(jì)的， 目的是減少門機(jī)構(gòu)的負(fù)載，并幫助實(shí)現(xiàn) A400M 的整體 重量目標(biāo)。機(jī)身重量較小意味著可以拖動(dòng)更大的有效載荷。此外，零件剛度必須最大化，因?yàn)殚T位于機(jī)身 的加壓部分內(nèi)，在加壓循環(huán)期間受到顯著的疲勞載荷。

 

　　EADS 的工程師使用有限元分析（FEA-finite element  analysis）軟件為預(yù)期載荷設(shè)計(jì)門。他們還選擇放棄高壓滅菌器，使用 EADS 的專利輸液技術(shù) VAP-vacuum-assisted  process（真空輔助工藝）制造門，以最大限度地降低生產(chǎn)成本。與目前復(fù)合材料行業(yè)中使用的許多其他灌注工藝一樣，VAP采用真空來促進(jìn)干碳纖維增強(qiáng)體在真 空袋下的環(huán)氧樹脂灌注。然后，零件在烘箱中固化， 而不是在熱壓罐中固化。

 

　　門由幾個(gè)元件組成。最大的外殼是一個(gè)略微圓頂 和錐形的矩形，由實(shí)心、無卷曲的碳/環(huán)氧樹脂層壓板制成。蒙皮的內(nèi)表面由 16 根桁條加固，桁條與機(jī)身長軸平行。一個(gè)單獨(dú)的邊緣墻，大約203毫米/8英寸高，形成了零件的周邊。九根結(jié)實(shí)的橫梁垂直于桁 條，并用金屬緊固件連接在蒙皮上。狹窄的內(nèi)層（見右側(cè)步驟1和7）覆蓋艙門內(nèi)表面的中心部分，并起到 部分內(nèi)層的作用，以增加剛性。它還用幾個(gè)小桁條加固。用螺栓固定在外殼上的金屬鉸鏈將艙門連接到機(jī)身上，在飛行過程中，固定在邊緣壁上的大型金屬鉤用于將艙門固定到位。

 

　　設(shè)計(jì)和VAP過程的一個(gè)關(guān)鍵因素是，加強(qiáng)桁條與門的內(nèi)外蒙皮是一體的，可以節(jié)省大量的生產(chǎn)時(shí)間， 并消除數(shù)千個(gè)緊固件。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)能夠省去將桁條連接到蒙皮上所需的大約3000個(gè)金屬鉚釘，從而節(jié)省了緊固件的重量和可觀的成本。

 

　　無需熱壓罐

 

　　門的制造始于在EADS內(nèi)部設(shè)計(jì)和制造的內(nèi)模線碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料模具上鋪設(shè)外蒙皮。雖然該 公司沒有公開表層的確切數(shù)量和方向，但由SAERTEX （德國 Saerbeck）提供的 0/90°和±45°風(fēng)格的干碳 纖維多軸增強(qiáng)材料，以及由Hexcel（加利福尼亞州都柏林）提供的干單軸織物組成了層壓板。最內(nèi)層（見步驟3）在桁條和橫梁將接觸的區(qū)域有額外的堆積物。

 

　　奧格斯堡的工程師將整體加勁桁條稱為“L-Z”設(shè)計(jì)，其形狀基本上類似于大寫字母Z，具有垂直腹板，疊加在后向大寫字母L上。桁條高約65 mm/2.5英寸，下翼緣寬50mm/2英寸。桁條頂部凸緣中的多 個(gè)層板下降到垂直腹板中數(shù)量的大約一半；腹板層然 后分裂以形成水平的下凸緣。SAERTEX 0/90°和 ±45°多軸干織物以及Hexcel 的單向材料的組合構(gòu)成了桁條。為了在預(yù)成型期間將干燥的桁條增強(qiáng)件固定到位，Augsburg 報(bào)道稱，一些增強(qiáng)件在頂面上提供了熱塑性聚酰胺面紗或薄膜；當(dāng)加熱時(shí)，熱塑性面紗熔化并變得粘稠，從而將多層粘合在一起。

 

　　技術(shù)人員在一個(gè)廉價(jià)的木制模板上預(yù)制桁條，方 法是堆疊無卷曲織物條，然后用小熱風(fēng)槍加熱，使熱塑性塑料熔化，從而將無卷曲織物條粘合在一起。頂部凸緣上的短層結(jié)構(gòu)由單向材料制成；0/90°和 ±45°的材料通過腹板形成連續(xù)的鋪層。將一個(gè)由小直徑碳纖維編織物制成的三角形“面條”或填充物插入鋪層分裂處形成的空隙中，形成平坦的下凸緣。

 

　　然后將預(yù)成型的桁條放置在疊層蒙皮上。長的碳纖維/環(huán)氧樹脂芯模放置在每個(gè)桁條的兩側(cè)，以將預(yù)成 型件保持在正確的形狀，并在固化過程中提供固結(jié)壓 力。然后，每個(gè)桁條及其心軸覆蓋由 W.L.GORE&Assoc.（特拉華州紐瓦克）提供的 GORETEX 透氣膜材料。

 

　　當(dāng)所有桁條都就位并裝袋后，技術(shù)人員用標(biāo)準(zhǔn)通氣材料和裝袋膜將整個(gè)門——蒙皮和桁條——裝袋， 并為輸液做準(zhǔn)備。該樹脂為RTM-6單組分環(huán)氧樹脂， 由Hexcel制造。據(jù)報(bào)道，這種眾所周知的灌注樹脂易于加工，在 180°C/350°F 的溫度下具有良好的熱/濕性能，并且它的加工窗口超過兩個(gè)小時(shí)，足夠時(shí)間灌注這種尺寸的一部分。

 

　　當(dāng) VAP 過程啟動(dòng)并在外袋上抽真空時(shí)，GORETEX允許從每個(gè)桁條袋中排出空氣。由于僅使用真空壓力將樹脂引入每個(gè)桁條和蒙皮中，GORE-TEX確保樹脂留在每個(gè)桁條袋中，以便完全浸泡。該公司聲 稱，這種特殊的薄膜使共聚概念發(fā)揮了作用。一位工 程師表示：“GORE-TEX 允許空氣通過，但不允許樹 脂通過，因此我們可以確保每個(gè)桁條完全排空空氣和 注入樹脂，最大限度地提高最終纖維含量，最大限度減少空隙。”

 

　　然后將外層蒙皮/桁條部件放置在 180°C/350°F 的烘箱中數(shù)小時(shí)以固化。不需要后固化。

 

　　門的狹窄內(nèi)蒙皮是以同樣的方式制成的，使用同樣的程序來固定其整體桁條。其余部件也使用VAP制造。端壁包括由 Rohm Degussa GmbH（德國達(dá)姆施塔特）提供的 Rohacell PMI（聚甲基丙烯酰亞胺）泡沫芯。型芯放置在橫梁緊固件位置之間的區(qū)域，以減輕零件重量。

 

　　橫梁是厚的實(shí)心層壓板，沿其下邊緣有一系列切口，以容納桁條。梁的下邊緣也有擴(kuò)展凸緣，以便于通過螺栓連接到外殼上（見右側(cè)的步驟 8）。

 

　　生產(chǎn)準(zhǔn)備就緒

 

　　整個(gè)貨艙門的組裝包括一個(gè)大型固定夾具（見右側(cè)步驟 9），該夾具支撐外殼，并能夠組裝、粘合、鉆孔和緊固所有艙門部件和鉸鏈部件。組裝完成后，艙門噴漆并交付給德國不來梅的空中客車公司。據(jù)空中客車公司稱，在HPC付印時(shí)，已經(jīng)組裝了三個(gè)機(jī)身， 其中一個(gè)將進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)試，直至失效。

 

　　奧格斯堡的工程師指出，在全面生產(chǎn)時(shí)，奧格斯堡工廠每月至少必須生產(chǎn)三扇門。雖然手工預(yù)成型方法足以用于最初的產(chǎn)品，但該公司已與一家德國公司簽訂合同，生產(chǎn)一臺(tái)旨在自動(dòng)化桁條預(yù)成型過程的機(jī) 器，這將有助于使注入的零件更具成本效益。

 

　　A400M的首飛計(jì)劃于2008年1月進(jìn)行。空中客車公司擁有190多個(gè)固定訂單，渴望滿足其公布的時(shí)間表，并于2009 年秋季開始向客戶交付飛機(jī)。A400M的成功在很大程度上取決于它——這是一個(gè)有潛力重振戰(zhàn)略空運(yùn)市場(chǎng)的新產(chǎn)品。

 

　　注：原文見，《 A400M cargo door: Out of the autoclave 》 2010．2．5．

 

　　楊超凡 2023.8.5