杨超凡的材料世界【25】：用航空复材制造下一代飞艇

  LTA研究公司的概念验证探路者1号采用碳纤维复合材料框架，实现了全刚性飞艇设计的现代化。研发慢慢的开始为未来提供更大批量、更自动化的制造。

  LTA研究复合材料密集型探路者1号飞艇复合材料使下一代刚性飞艇设计成为可能。LTA Research的探路者1号是其第一艘全尺寸电动原型飞艇，在美国加利福尼亚州山景城建造期间展示。该飞艇的许多结构都使用了复合材料，包括能够最终靠部分打开的飞艇外壳看到的碳纤维复合框架。

  如今，大型硬框飞艇通常只能在20世纪上半叶的黑白照片中看到，当时德国弗里德里希沙芬的齐柏林飞艇和阿克伦号和梅肯号等军用飞艇都很流行。这两艘飞艇、德国兴登堡号和其他飞艇的悲剧事故最后导致了乘客和货物以及军队刚性飞艇时代的结束。自20世纪60年代以来，今天的飞艇大多是非刚性飞艇。

  然而，几家公司正在努力开发新一代刚性结构飞艇，与美国联邦航空管理局（FAA）的法规合作，并使用现代技术和材料来确保更安全的制造和运营。

  其中之一是飞艇公司Lighter Than Air（LTA）Research（美国加利福尼亚州山景城），该公司旨在创造新一代飞艇，其本质上比以前建造的飞艇更安全、更快。

  LTA的首席执行官Alan Weston曾在空军研究实验室（AFRL）、美国国家航空航天局艾姆斯研究中心和中佛罗里达大学佛罗里达航天研究所工作，他创办该公司的目标是减少航空运输中的碳排放。他决定将重点放在电动或替代动力飞艇的现代化上，作为一种潜在的低排放或零排放航空运输选择。

  2014年，韦斯顿开始深入研究飞艇设计，从阿克伦大学的历史学家和研究人员开始，并与德国汉莎航空公司和固特异轮胎橡胶公司等公司的飞艇设计师进行了交谈。

  随着研究工作的进展，韦斯顿认识到他正在开发的飞艇有可能加强人道主义救援工作，例如向自然灾害灾区运送物资。飞艇几乎能停靠在任何地方，不依赖于完整的简易机场或着陆区，可以长时间悬停接送人员或货物，还可以设计成携带大型有效载荷，所有这些都可以很好地用于救援工作。

  该公司于2015年正式成立，由谷歌联合创始人谢尔盖·布林支持。到2016年，LTA Research有两个地点：位于美国俄亥俄州阿克伦的一个研发实验室，用于测试设计和制造技术，以及位于美国加利福尼亚州山景城的一个机库。那年，LTA在山景城建造并飞行了其首个小型飞艇模型，不久后开始生产其首个全尺寸飞艇“探路者1号”。

  探路者1号是LTA的概念验证（POC- proof-of-concept）飞艇，为未来的迭代铺平了道路，但它不是一个小规模的模型，长不到400英尺，直径不到66英尺，由电动机驱动。根据美国联邦航空管理局的资格认证指南，目标是证明材料和制造技术，并将任何经验教训用于开发下一代甚至更大的探路者飞船。

  LTA Research的工程副总裁Daniel Morgan解释说，探路者1号总体设计的最初目标是安全和简化组装过程。

  从一开始，该公司就决定采用刚性飞艇设计，而不是气球状飞艇或半刚性设计。在完全刚性的设计中，氦袋仍然提供飞艇的升力，但生活在一个由相互连接的管道组成的骨架状内部框架内，在这种情况下，由Tedlar（美国特拉华州威尔明顿市杜邦公司生产）蒙皮覆盖，称为信封，用于支撑船下的吊舱，以容纳乘客和货物。

  刚性设计为运载货物以及现代导航和安全系统提供了最大的强度，但更多的结构部件也代表着整个飞艇的重量增加，可能会降低航程或有效载荷能力。

  因此，LTA认识到，复合材料可能会在某些特定的程度上用于保持飞艇在最大强度下尽可能低的重量。

  Morgan解释说，LTA以20世纪早期的飞艇设计为基础，采用当今的材料、制造技术和推进和导航技术进行现代化改造，“复合材料属于现代材料的范畴。传统飞艇通常至少在一种情况下使用铝甚至木材建造，但当你比较刚度和重量时，复合材料是我们应用的明确解决方案。”

  西门子（美国佐治亚州Alparetta）的Femap有限元分析软件和Ansys（美国宾夕法尼亚州Canonsburg）的模拟软件被用于设计每一艘飞艇的结构。

  “复合材料被用于许多需要轻质结构的地方，”Morgan说。碳纤维、Kevlar和玻璃纤维的使用取决于所需的重量、刚度和抗冲击性能。

  复合材料组件包括由合作伙伴齐柏林飞船建造的吊舱；座舱连接支柱；多部件、多材料鼻锥，也是与齐柏林飞船合作建造的，包括Kevlar防护罩和碳纤维增强聚合物（CFRP）连接机构；鳍；玻璃纤维复合材料电机罩；卷包、热压罐外（OOA- out-of-autoclave）固化的复合材料电机挂架；手工铺设和压固化舷梯板；以及通过热压罐和OOA手工铺设复合材料的混合物制造的外部进气口和支架。

  对于像探路者1号这样的刚性飞艇来说，可以说最重要的结构元件——当然是除了外壳之外最大的—是13个管状主机。Morgan说，碳纤维复合材料从一开始就是最有力的竞争者。“从一开始，我们就对一种非常安全、非常坚固的东西感兴趣。”

  Morgan解释道：“框架的设计考虑到了当今的材料。”。“碳纤维与铝或木材相比的抗住压力的强度会自动改变你开发的整体结构，因为它承载的负载不同。”同时，他说LTA不想完全重新发明轮子。“如果你看看飞艇的旧设计，它们使用了类似的测地模式，就像我们一样，尽管其中许多是基于桁架的系统，”这在某种程度上预示着，在半刚性飞艇设计中，沿着结构底部的龙骨或构架支撑着上面的充氦外壳。

  现代化的刚性飞艇框架。LTA研究公司的机身以20世纪的刚性飞艇为基础，但采用了现代材料和新的、更安全的组装技术。探路者1号的框架由10000多根连接到钛轮毂的中空碳纤维复合管组成。

  对于LTA的框架，高强度和低重量是首要考虑因素；此外，为了简化检验判定的过程，LTA决定依靠现有的航空航天鉴定材料。这些目标导致了一种由航空级碳纤维预浸料制成的中空管的设计，该中空管由一系列专门设计的焊接钛轮毂连接。整体探路者1号框架由近3000个焊接钛轮毂组成，连接10000根多层CFRP管。

  为了简化组装，LTA决定采用两种管道配置，直径分别约为3英寸和4英寸，切割成各种长度，最长可达12英尺。在测试了几家供应商的样品后，该公司与Kilwell Fibrelab（新西兰罗托鲁瓦）合作，该公司专门生产各种应用的复合管。

  对于Pathfinder 1，管道是通过卷包工艺制造的，在卷包工艺中，预浸片材被切割成特定尺寸，然后用手在心轴周围以指定的层铺设。将加热的收缩带层添加到管中进行压实，接着进行烘箱固化循环。使用来自东丽（日本东京）的航空航天合格的碳纤维预浸料，包括具有专有树脂的平纹平纹编织中模量（IM）预浸料和单向高模量（HM）预浸片。

  Kilwell首席执行官Craig Wilson解释说，卷包复合材料管是该公司的“面包和黄油”，但Kilwell的设施和工艺要升级，以满足LTA和FAA的品质衡量准则，包括设施的温度、湿度和颗粒物管理系统，以及每个零件每个工艺步骤的条形码和数据跟踪新流程。

  Kilwell生产经理Jason Daniels补充道：“与其他一些项目相比，我们开发了一个更专业的固化周期，需要更高的温度和更长的固化周期才能满足规定的要求，并且所有数据都得到了监控和跟踪。”

  探路者1号飞船用碳纤维复合材料预浸管数英里的碳纤维增强塑料管。总部在新西兰的Kilwell Fibrelab采用卷包和烤箱固化工艺生产组装在Pathfinder 1上的管道。

  Wilson指出，自2016年末制造出第一批样品管以来，截至2023年夏末，Kilwell已经生产了24840根总长超过25英里的样品管，以支持LTA的探路者计划。

  除了管子本身，对框架结构的另一个挑战是组装。Morgan说，过去，飞艇的组装非常耗费人力，需要来自数十个专业领域的数百人，其中许多人不得不在脚手架上危险地工作。他说：“今天，我们大家可以使用现代技术来预先加载流程，以工程师和自动化的方式使用更多，并大大减少接触劳动力。”

  复合材料密集型设计。除了CFRP框架外，LTA及其制造合作伙伴还在Pathfinder 1上使用了各种复合材料。这些包括鳍（如图）、吊舱、发动机罩等。

  事实上，LTA已经为许多设备申请了专利，这些设备旨在促进更快、更安全的施工。从本质上讲，主机管和轮毂部件连接到一个圆形通用主机夹具上，该夹具的直径与飞艇的直径相同，由支撑结构悬挂在地面上。地面上的技术人员将部件连接到夹具上，然后旋转整个设备，将主机架的该部分提升到所需高度。

  这种组装方法，以及管道和轮毂本身，都被设计为易于扩展，因为LTA开始将目光投向未来更大的飞艇，超越探路者1号。Morgan说：“这才是我们使用的架构真正改变游戏规则的地方，即可扩展性。如果我们想建造一艘不同尺寸的飞艇，我们能够正常的使用相同的技术，使用相同的工具和分析技术来设计飞艇，并使用相同或相似的碳纤维管相对快速地建造。”

  复合材料密集型设计。除了CFRP框架外，LTA及其制造合作伙伴还在Pathfinder 1上使用了各种复合材料。这些包括鳍（如图）、吊舱、电机盖等。

  为了支持飞艇尺寸的增加，LTA需要更大的制造空间。2022年，该公司收购了位于美国俄亥俄州阿克伦的1175英尺长、325英尺宽、211英尺高的阿克伦航空码头，这是一座由固特异齐柏林飞船公司（固特异和齐柏林飞船当时的合资公司）于20世纪20年代建造的大型历史建筑，曾是许多飞艇、飞艇和其他飞机的建造地。Morgan说：“当我们考虑建造一艘更大的飞船时，我们大家都知道我们需要为它找到另一个家，而阿克伦是飞艇行业的起源。有很多历史知识。”

  目前正在筹划的是探路者系列的下一艘飞艇，其设计与探路者1号相似，但要大得多，长600英尺，直径98英尺。

  Morgan表示，下一代探路者“在设计上将在很大程度上追随探路者1号的脚步，在飞艇上使用大量复合材料。这是一次设计演变，而不是一场革命。”，尤其是当该公司寻求适应更大的零件尺寸，并着眼于未来的商业生产、更高的制造量时。

  CFRP框架构件就是一个典型的例子。Morgan解释道：“进入下一次迭代，我们正在寻找相同的应变重量比，框架组件的性能相同，但我们应该一种大批量的制造方法。”。

  大约三年前，LTA在研究能够更高效、更可扩展地制造框架部件的工艺时，与Exel Composites（芬兰万塔）建立了联系，该公司专门从事复合管和型材的拉挤和拉绕。Morgan解释道：“Exel在批量制造和自动化制造方面的专业相关知识是我们最终选择它们的原因。”

  主要目标是可重复性和体积，同时满足强度、耐久性、韧性和刚度要求。我们大家都认为Exel的拉丝工艺是最合适的。拉伸缠绕本质上结合了细丝缠绕和拉挤：就像拉挤一样，碳纤维丝束被引导通过树脂浴，然后进入加热模具，成型为最终零件。然而，在牵拉缠绕过程中，一些丝束不是以线性方式直接穿过，而是螺旋缠绕在心轴周围，这允许各种排列的纤维增加强度和设计灵活性。与拉挤成型一样，该过程是连续的，型材随后被切割成一定长度。

  飞行准备就绪。截至2023年夏末，探路者1号已全面建成，可在加利福尼亚州进行飞行测试。

  LTA计划将飞艇的设计、制造和操作知识融入下一代更大的、针对生产的飞艇中，该飞艇将在美国俄亥俄州阿克伦建造。

  Exel Composites美国地区销售经理Marc Tagher解释道：“这比手动包装过程自动化得多，一致性非常高。这是一个连续的过程，可以精确地将每根纤维放置在需要的位置。”

  Morgan补充道：“拉伸缠绕技术让我们有了更多的灵活性，因为这样的一个过程使用丝束而不是织物，所以我们也可以专门安排缠绕的铺设，以满足我们的需求。”例如，将纤维缠绕在心轴上，即使管壁相对较薄，也能增加管的环向强度。此外，“与手动上卷包装相比，拉卷速度大约快一个数量级，甚至在足够大的生产周期内节省了成本。”

  从目前的预浸料辊包装工艺转变为拉伸缠绕工艺也涉及到新材料的选择。Exel的管子由HM和IM碳纤维的混合物制成，并采用了一种专有树脂，据说这种树脂是为了结合高性能和与拉力缠绕工艺的兼容性而选择的。

  Exel在芬兰的开发团队一直在优化各种迭代的管道，然后将其送往LTA进行机械测试。一旦这些管子开始大规模生产，Exel计划将生产转移到美国肯州Erlanger的工厂。

  目前，探路者1号的成功是LTA的第一个任务。第一艘飞艇于2023年初在山景城完成，截至2023年年中，已完成了几次室内飞行测试。LTA表示，在今年剩下的时间里，其目标是进入下一阶段的户外飞行测试，并继续培训其认证飞行员和经验比较丰富的机组人员团队。

  在探路者1号成功推出后，LTA的目标是最终在美国俄亥俄州阿克伦的机库中制造一系列飞艇。