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来源|民机战略观察

作者| 宋钢

结构是支撑航空平台实现预期功能和性能的基础，对提高飞行器效率、控制研制成本、保证使用寿命具有举足轻重的作用。 飞机结构强度技术以飞机机体结构为对象，基于一定的设计理念，采用各种先进的设计方法，实现强度、刚度、重量、寿命等指标的综合设计和优化。 2022年，国外将继续在航空结构强度领域开展大量研究。 热塑性复合结构、新型智能结构、结构减振降噪、数字孪生与结构健康监测、先进结构制造工艺等将成为年度研究热点。

美国和欧洲都致力于热塑性复合材料的生产和应用验证

复合材料以其高比强度、高比刚度、耐疲劳、耐腐蚀等优点被广泛应用于飞机结构的设计和制造中。 与热固性复合材料相比，热塑性复合材料具有更强的抗冲击性，具有一定的延展性，可以重新加热成型，更符合民机经济和环保的设计理念。 2022年，美国和欧洲都将开展热塑性复合材料的设计和验证，推动热塑性复合材料在民机大型结构件上的应用。

1. 波音公司验证了热塑性碳纤维复合材料制造机舱内板的可行性

2022年5月，波音与意大利复合材料生产解决方案提供商Cannon Ergos合作，进行了一次成型试验，以验证用再生碳纤维增强的高性能热塑性塑料制造飞机机舱内侧板的可行性，从而减少环境污染和实现可持续发展目标。

2、DLR完成“多功能机身验证件”全尺寸热塑性复合材料上机身面板制造

2022年4月，DLR宣布完成“（MFFD）多功能机身演示部件”全尺寸上机身面板的生产。 DLR将利用该试件开展热塑性复合材料生产技术的一系列验证工作。 DLR 正在利用清洁焊接技术将热塑性复合材料用于机身框架和蒙皮集成。 东丽生产的新型防雷击（LSP）薄膜材料也作为蒙皮叠层的第一层融入机身结构中。

2021年6月，由荷兰航空航天中心（NLR）和GKN Fokker组成的联合团队完成了下机身面板的制造，两部分机身面板样品将运往德国弗劳恩霍夫制造技术和先进材料研究所组装。

通过电阻焊焊接集成肋的桥

3. 西班牙马德里卡洛斯三世大学探索热塑性复合材料在航空航天领域的应用

2022年4月，马德里卡洛斯三世大学（UC3M）承担了欧盟“地平线2020”（Horizo​​n 2020）计划中的“热塑性复合材料的高温表征与建模”（HITCOMP）项目，研究热塑性材料在航空航天领域的应用。 工业中的应用。 研究团队使用一种基于 PAEK 树脂的新型热塑性材料来改善热固性复合材料在热损伤下的性能。 HITCOMP项目旨在建立热塑性复合材料在机械载荷、火焰、高温等条件下的力学表征方法，通过红外热成像准确测量材料的实际温度，利用计算机模拟计算材料性能，并与传统的热固性复合材料。 性能比较。

继续研究新的智能结构

仿生结构、变体结构等新型智能结构是实现未来飞行器结构性能颠覆性创新的重要途径。 2022年，部分仿生结构材料将应用于民用飞机，完成各种变型机翼设计的风洞试验或飞行试验。

1、德国巴斯夫公司仿鲨鱼皮薄膜结构在民用货客机上得到应用

2022年初，汉莎集团与德国巴斯夫公司合作研发的AeroSHARK仿鲨鱼皮表面膜结构应用于汉莎货运777F货机； 飞机上使用的AeroShark薄膜成为第一家将这种仿生结构应用于客运服务的航空公司。 该薄膜可以承受极端温度、紫外线辐射、污垢和除冰液铰链试验机，并且可以拆除进行维护。 仿生薄膜的应用有效降低表面摩擦阻力，B777-300ER飞机燃油效率提升1.1%，减少碳排放。 Swissair 计划将 AeroShark 应用于所有 12 架 B777 飞机。 该膜模仿鲨鱼皮的特性，由约 50 微米的肋骨组成，可优化飞机的空气动力学性能，从而减少阻力并降低油耗。

2、空客可变形小翼完成试飞

2022年初，欧盟“清洁天空”计划支持的“变形小翼”将在空客C-295运输机上完成飞行试验。 小翼由机电致动器 (EMA) 驱动，并集成了低成本的免夹具复合材料技术。 目标是减重15%左右，飞机风阻降低5%左右，飞机阵风载荷降低10%左右，从而提高飞机的飞行效率，降低油耗.

空客“可变形小翼”完成C-295运输机飞行试验

3、空客“超高性能机翼”项目

2022年4月，空客完成了“超高性能机翼”（eXtra Performance Wing）项目演示样机的风洞试验。 采用3D打印技术制造。

空客“超高性能机翼”（eXtra Performance Wing）项目演示样机风洞试验

“超性能机翼”项目于2021年9月启动，目标是通过仿生设计提高机翼的气动性能，兼容未来所有飞机配置和推进系统，以减少二氧化碳排放。 按照计划，缩比演示样机将基于赛斯纳“奖状VII”公务机试验平台，进行典型飞行条件下的飞行试验。

“超性能机翼”项目重点研究和验证四项技术：一是安装阵风传感器，使飞机能够自动调整机翼操纵面以应对阵风载荷； 另一种是使用半气动弹性铰接翼尖，翼尖可以自动折叠或展开。 该技术在空中客车“AlbatrossONE”项目的小型原型机飞行中得到验证； 三是采用多功能变体机翼，在飞行中可以改变后缘形状，提高了飞机的整体气动性能； 四是加装弹出式扰流板，可根据气流情况迅速偏转至所需角度，从而优化机翼性能。

4、DLR与布伦瑞克工业大学共同完成液压驱动可变形机翼的设计与制造

2022年7月，在欧盟“清洁天空2”计划的支持下，德国宇航中心（DLR）复合材料结构与自适应系统研究所与布伦瑞克工业大学共同完成了液压驱动的可变形机翼后缘演示原型设计和制造。 可变形机翼演示样机翼展1米，具有金属加固弹性液压腔，机翼后缘在液压驱动下偏转。 演示样机配备了德国PhotonFirst公司提供的光纤位置传感器，可用于闭环控制。 DLR 计划在 2023 年中期完成试验。

5、荷兰代尔夫特理工大学设计智能机翼并完成风洞试验

2022年4月和2022年8月，荷兰代尔夫特理工大学将通过设计智能可变形机翼探索超轻结构和可持续航空。 智能翼已完成两轮风洞试验。 测试原型包括一个控制面和一个扰流板。 基于物理和数据驱动的非线性算法的主动气动弹性控制技术已经通过风洞试验得到验证。

代尔夫特理工大学设计的智能机翼

6.变体结构用于超音速飞机音爆抑制研究

2022 年 9 月，由德克萨斯 A&M 大学领导的美国宇航局大学领导倡议团队展示了其首个多段变形飞机结构面板。 面板由15块铝板组成，在形状记忆合金扭力管的驱动下，可以变形为最佳的“凸”“凹”形状，从而达到降低音爆强度的目的，是实现静音超音速飞行的关键技术之一。

7. 中佛罗里达大学研发可变形鱼鳞结构

2022年7月，美国中佛罗里达大学的研究人员发现了仿生鱼鳞结构中独特的非线性刚度和阻尼行为背后的机制。 受到鱼的运动的启发，研究人员使用复杂的滑动运动来编程关键的机械特性，以设计出空气阻力更小的更轻的结构。

(a) 变形形态的天然鱼鳞； (b) 仿鱼鳞可变形结构的弯曲变形； (c) 仿鱼鳞可变形结构的扭曲变形； (d) 仿鱼鳞可变形结构的弯扭联合变形。

8、镍钛形状记忆合金由美国Texas A&M大学生产

2022年5月，德州农工大学（TAMU）通过激光粉末床融合技术生产出镍钛形状记忆合金，具有优异的拉伸超弹性，加热或消除应力后可恢复原状，这种智能材料的应用方向包括未来飞机自适应结构的驱动因素等。另外，增材制造生产的形状记忆合金可以降低零件的制造成本，缩短制造周期。

结构减振降噪研究成果显着

减振降噪是飞机结构设计需要考虑的关键因素之一，尤其是对舒适性和环保要求较高的民用飞机，降低结构噪声尤为重要。 2022年围绕航空发动机降噪隔声设计开展研究，取得显著成果。

1. High Tech Coatings GMBH 开发新型高性能发动机降噪涂料

2022 年 7 月，在 HIPERFAN 项目中，奥地利公司 High Tech Coatings GMBH 与多所大学合作开发了一系列经过系统分析、表征和优化的高性能涂料。 这些涂层将集成到劳斯莱斯超级风扇 (Ultrafan™) 超高涵道比发动机技术中，可将噪音污染、碳排放和燃料燃烧减少高达 25%，同时减少氮氧化物排放。 与带涂层的衬套或滚柱轴承相比，新涂层减轻了重量和空间，为新型齿轮传动涡轮风扇技术提供了有效的解决方案。 此外，研究人员使用虚拟技术（数字孪生）来模拟涂层生成过程并计算关键性能。

2. Falcon 900 Skandia隔音套件获得EASA的STC认证

2022年9月，斯堪迪亚为达索猎鹰900全机型设计的隔音套件获得EASA的STC认证。 这是 Skandia 第五个获得 EASA 认证的隔音声学解决方案。 隔音系统采用斯堪迪亚设计的隔音材料制造，旨在降低猎鹰900的机舱噪音，提升乘客舒适度。经测试，飞机整体噪音降低了4分贝，部分区域的噪音机舱座位区的噪音降低了约 6 分贝。

数字孪生与结构损伤检测技术取得重大进展

商用飞机行业的新进入者必须在技术上脚踏实地。 技术和进步就像一把双刃剑。 商用飞机市场被巨头垄断，有限的市场空间相互争夺。 谁先投产，谁就拥有市场优势。 产品开发出来后，可以不断优化，但失去的市场就很难弥补了。 只有在技术与进步之间找到正确的平衡点，获得客户的认可，项目才有成功的基础。

数字孪生技术利用虚拟仿真为飞机结构创建数字孪生，从而提高结构设计、制造和维护支持的效率； 先进的结构损伤检测技术，可以更准确、更快速地检测结构损伤，降低结构维修成本，提高维修保养水平。 效率，保证飞行器的安全可靠。 2022年国外将开展数字孪生和结构损伤检测技术研究，并取得一定研究成果。

1.诺斯罗普格鲁曼公司开发CRJ700试验机数字孪生体

2022年2月，美国诺斯罗普·格鲁曼公司表示，计划开发高改型庞巴迪CRJ700试验机（包括飞机子系统）的“数字孪生复制品”，并将试验数据集中存储在大型存储库中。 这个被称为“数字影子”的“双胞胎”有助于加快新技术的开发、修改和测试，同时降低技术开发的成本和风险。 该公司已将数字工程作为降低成本和缩短技术开发周期的手段。

2. Deutsche Aircraft 创建数字孪生系统和飞机翼梁盒原型

2022年7月，德国飞机制造公司Deutsche Aircraft与德国咨询和工程服务公司umlaut合作，共同打造数字孪生系统，将D328eco飞机翼梁盒数字化，完成3D建模。 同时，德国航空零部件制造公司Heggemann在此基础上，按照工业4.0标准优化制造工艺，在进行可行性分析后，生产并测试了第一台晶石箱样机。 这表明D328eco的自动化生产能够达到德飞所希望的程度。 此外，德飞透露，将对更多零部件进行数字化处理，实现D328eco的全数字化生产。

3、福斯特集团推出基于热成像技术的无损检测解决方案

2022 年 1 月，德国无损检测技术开发商 Foerster Group 推出了一种新的无损自动化解决方案，用于使用感应热成像技术检测烧结部件。 该技术可以对形状复杂的金属部件进行非接触式裂纹检测，而涡流探头几乎无法检测到这些裂纹。 该工艺可以识别开裂纹、气孔、热处理裂纹、锻造搭接、焊接缺陷等。可用于粗糙、不平整的表面和涂有水或油的表面，测试时间不到1秒。

4. NCMS展示新型热成像检测技术

2022 年 5 月，国家制造科学中心 (NCMS) 发布了一份报告，描述了大间距/大面积热成像 (LASLAT) 系统的优势，这是一种可以提高无损检测能力的先进热成像工具。 LASLAT 系统的一个关键优势是其便携性，允许技术人员将系统直接带到飞机上以检测结构表面缺陷或异常，包括分层、分离、流体侵入、冲击损坏等。 系统可自动覆盖5.2米×4.6米的检测区域，检测速度约0.65平方米/分钟，大型飞机螺旋桨叶片检测时间由10-14小时缩短至3-4小时.

5. Theta Technologies开发非线性声学检测方法

2022 年 2 月，英国无损检测解决方案提供商 Theta Technologies 开发了一种非线性声学 (NLA) 无损检测方法，可以通过使用音频和超声波频率在几秒钟内快速检测增材制造零件中的缺陷，显着提高提高金属增材制造工艺的效率并降低生产成本。 与染料渗透检测和X射线检测等其他无损检测方法相比，该方法可以检测简单或复杂几何形状部件上小于1mm的裂纹、分层和蠕变。 此外，与线性声学检测工艺相比，这种方法忽略了零件之间的尺寸差异，消除了零件尺寸假阴性的风险，同时也不受表面缺陷的影响，使增材制造零件能够在抛光前进行准确测试。

6. Dolphitech公司研究dolphicam2超声波平台检测的有效性

2022 年 3 月，挪威超声矩阵成像技术开发商 Dolphitech 进行了一项性能研究，以深入研究支持超声无损检测的系统 dolphicam2 超声平台在检测飞机复合材料时的有效性。 研究结果表明，使用 dolphicam2 超声波平台能够检测出所有制造缺陷，包括缺少密封剂、Dremel 切口、预浸衬垫等。

7. Dolphitech公司研究dolphicam2超声波平台检测的有效性

2022 年 3 月，挪威超声矩阵成像技术开发商 Dolphitech 进行了一项性能研究，以深入研究支持超声无损检测的系统 dolphicam2 超声平台在检测飞机复合材料时的有效性。 研究结果表明，使用 dolphicam2 超声波平台能够检测出所有制造缺陷铰链试验机，包括缺少密封剂、Dremel 切口、预浸衬垫等。

8. AlphaSTAR 和马里兰大学开发主动结构健康监测系统

AlphaSTAR 和马里兰大学的一个团队为美国海军开发了一种主动结构健康监测系统，该系统融合了用于故障诊断和预测的传感器和软件。 该系统将实时损伤测量与损伤演化模型相结合，以预测关键焊接结构的健康状况。 剩余生命。

新材料、新工艺推动飞机结构性能不断提升

先进的材料和制造工艺是结构设计的基础和前提。 新材料、新工艺的进步正在不断推动飞机结构性能的提升。 2022年，国外将继续保持对新材料、新工艺的研究热情，相关研究成果对未来航空结构设计具有重要意义。

1. GKN推出新型耐磨玻璃镀膜材料

2022年11月，英国GKN公司推出永久防水耐磨玻璃镀膜技术。 目前，驾驶舱挡风玻璃上的疏水涂层不会持续很长时间，必须由操作员重新涂抹。 GKN 的新型防水和耐磨玻璃涂层技术具有防水性，可提高耐磨性，并减少对挡风玻璃刮水器的损坏，从而消除维护任务。 GKN 还通过将紫外线阻断剂混合到原材料中来延长挡风玻璃的使用寿命，并在设计中采用内外涂层和夹层来减少紫外线透射。 涂层技术正处于开发的最后阶段，包括飞行测试。

2. 新泽西州罗格斯大学开发出大型复杂零件的低成本增材制造技术

2022 年 8 月，美国新泽西州罗格斯大学的研究人员开发出一种低成本增材制造大型复杂零件的新工艺，即多喷嘴熔丝制造 (MF3) 工艺。 该工艺可以同时打印单个或多个几何形状不同、不连续、尺寸不同的部件。 MF3 打印机配备了一系列小喷嘴，而不是传统打印机中常见的单个大喷嘴来沉积熔融材料，能够提高打印分辨率和零件尺寸，并大幅缩短打印时间。 此外，由于喷嘴可以独立开启和关闭，MF3流程灵活，当一个喷嘴出现故障时，打印过程不需要停止，而可以由同一臂上的另一个喷嘴承担。

3. NASA开发复合材料高速制造工艺

2022 年 8 月，NASA 与 Advanced Composites Consortium 的行业合作伙伴（包括飞机制造商、设备和软件开发商以及材料供应商）合作启动了 HiCAM 项目，旨在以更快的速度开发复合材料的高速制造工艺。 制造大型飞机部件，例如机翼和机身。 HiCAM项目的研究内容包括：不同复合材料在高压釜中的固化速度、不使用高压釜固化的材料、探索其他可应用于飞机制造的复合材料等。

4.英国开发出新型液态树脂注射成型工艺

2022 年 11 月 Composite Integration 是一家英国树脂传递模塑和树脂灌注工艺开发商，它已与 Hill Helicopters 合作，使用单件、单次、液态树脂注射成型方法开发复杂的真空密封多部件模具工艺技术（无粘合接头）碳纤维直升机机身原型的制造。 Composite Integration 凭借该技术赢得了 2022 年英国复合材料行业奖 - 复合材料制造类别创新。

5、英国复合材料自动预成型技术取得突破

2022 年 8 月，英国自动化解决方案开发商 Loop Technologies 推出了 FibreFORM，这是一种新型复合材料层沉积工具，用于大型预制零件的自动化铺层。 对于毫米级精度和可重复性要求的工艺，该工具每小时可以沉积 200 千克材料，使航空航天领域的大批量、高精度预成型能力达到一个新水平。