杏彩体育官网杨超凡的材料世界【25】：用航空复材制造下一代飞

杏彩体育网页LTA咨议公司的观点验证探途者1号采用碳纤维复合资料框架，达成了全刚性飞艇打算的今世化。研发一经初步为来日供应更大量量、更自愿化的筑造。

LTA咨议复合资料群集型探途者1号飞艇复合资料使下一代刚性飞艇打算成为恐怕。LTA Research的探途者1号是其第一艘全尺寸电动原型飞艇，正在美国加利福尼亚州山景城筑造时期显示。该飞艇的很多机合都运用了复合资料，席卷能够通过一面翻开的飞艇表壳看到的碳纤维复合框架。

现在，大型硬框飞艇平时只可正在20世纪上半叶的口舌照片中看到，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风行。这两艘飞艇、德国兴登堡号和其他飞艇的悲剧事件最终导致了搭客和货色以及队伍刚性飞艇时期的罢了。自20世纪60年代以还，本日的飞艇人人詈骂刚性飞艇。

然而，几家公司正正在竭力开采新一代刚性机合飞艇，与美国联国航空照料局（FAA）的准则团结，并运用今世本领和资料来确保更安闲的筑造和运营。

此中之一是飞艇公司Lighter Than Air（LTA）Research（美国加利福尼亚州山景城），该公司旨正在创设新一代飞艇，其实质上比以前筑造的飞艇更安闲、更速。

LTA的首席实行官Alan Weston曾正在空军咨议实践室（AFRL）、美国国度航空航天局艾姆斯咨议核心和中佛罗里达大学佛罗里达航天咨议所职业，他开创该公司的方针是裁减航空运输中的碳排放。他裁夺将重心放正在电动或代替动力飞艇的今世化上，行动一种潜正在的低排放或零排放航空运输采选。

2014年，韦斯顿初步深刻咨议飞艇打算，从阿克伦大学的史册学家和咨议职员初步，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打算师举办了交叙杏彩体育官网。

跟着咨议职业的转机，韦斯顿明白到他正正在开采的飞艇有恐怕加英雄性主义抢救职业，比方向天然磨难灾区运送物资。飞艇简直能够停靠正在任何地方，不依赖于完善的容易机场或着陆区，能够长岁月悬停接送职员或货色，还能够打算成带领大型有用载荷，全体这些都能够很好地用于抢救职业。

该公司于2015年正式建设，由谷歌结合创始人谢尔盖·布林接济。到2016年，LTA Research有两个住址：位于美国俄亥俄州阿克伦的一个研发实践室，用于测试打算和筑造本领，以及位于美国加利福尼亚州山景城的一个机库。那年，LTA正在山景城筑造并航行了其首个幼型飞艇模子，不久后初步临盆其首个全尺寸飞艇“探途者1号”。

探途者1号是LTA的观点验证（POC- proof-of-concept）飞艇，为来日的迭代摊平了道途，但它不是一个幼界限的模子，长不到400英尺，直径不到66英尺，由电动机驱动。遵循美国联国航空照料局的资历认证指南，方针是阐明资料和筑造本领，并将任何体味教训用于开采下一代以至更大的探途者飞船。

从一初步，该公司就裁夺采用刚性飞艇打算，而不是气球状飞艇或半刚性打算。正在全体刚性的打算中，氦袋如故供应飞艇的升力，但存在正在一个由彼此邻接的管道构成的骨架状内部框架内，正在这种情景下，由Tedlar（美国特拉华州威尔明顿市杜国公司临盆）蒙皮遮盖，称为信封，用于支持船下的吊舱，以容纳搭客和货色。

刚性打算为运载货色以及今世导航和安十足例供应了最大的强度，但更多的机合部件也意味着整体飞艇的重量增长，恐怕会低落航程或有用载荷才气。

Morgan说明说，LTA以20世纪早期的飞艇打算为根柢，采用当今的资料、筑造本领以及促进和导航本领举办今世化改造，“复合资料属于今世资料的领域。古代飞艇平时起码正在一种情景下运用铝以至木柴筑造，但当你对比刚度和重量时，复合资料是咱们运用的了了管理计划。”

西门子（美国佐治亚州Alparetta）的Femap有限元认识软件和Ansys（美国宾夕法尼亚州Canonsburg）的模仿软件被用于打算每一艘飞艇的机合。

“复合资料被用于很多须要轻质机合的地方，”Morgan说。碳纤维、Kevlar和玻璃纤维的运用取决于所需的重量、刚度和抗攻击本能。

复合资料组件席卷由团结伙伴齐柏林飞船筑造的吊舱；座舱邻接支柱；多部件、多资料鼻锥，也是与齐柏林飞船团结筑造的，席卷Kevlar防护罩和碳纤维加强集合物（CFRP）邻接机构；鳍；玻璃纤维复合资料电机罩；卷包、热压罐表（OOA- out-of-autoclave）固化的复合资料电机挂架；手工铺设和压固化舷梯板；以及通过热压罐和OOA手工铺设复合资料的夹杂物筑造的表部进气口和支架。

对付像探途者1号如此的刚性飞艇来说，能够说最首要的机合元件——当然是除了表壳除表最大的—是13个管状主机。Morgan说，碳纤维复合资料从一初步便是最有力的角逐者。“从一初步，咱们就对一种出格安闲、出格结实的东西感兴会。”

Morgan说明道：“框架的打算斟酌到了当今的资料。”。“碳纤维与铝或木柴比拟的抗压强度会自愿改革你开采的完全机合，由于它承载的负载差别。”同时，他说LTA不念全体从新出现轮子。“若是你看看飞艇的旧打算，它们运用了相像的测地形式，就像咱们一律，即使此中很多是基于桁架的体例，”这意味着，正在半刚性飞艇打算中，沿着机合底部的龙骨或构架支持着上面的充氦表壳。

今世化的刚性飞艇框架。LTA咨议公司的机身以20世纪的刚性飞艇为根柢，但采用了今世资料和新的、更安闲的拼装本领。探途者1号的框架由10000多根邻接到钛轮毂的中空碳纤维复合管构成。

对付LTA的框架，高强度和低重量是首要斟酌成分；其余，为了简化判断流程，LTA裁夺依托现有的航空航天判断资料。这些方针导致了一种由航空级碳纤维预浸料造成的中空管的打算，该中空管由一系列特意打算的焊接钛轮毂邻接。完全探途者1号框架由近3000个焊接钛轮毂构成，邻接10000根多层CFRP管。

为了简化拼装，LTA裁夺采用两种管道筑设，直径辨别约为3英寸和4英寸，切割成种种长度，最长可达12英尺。正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）团结，该公司特意临盆种种运用的复合管。

对付Pathfinder 1，管道是通过卷包工艺筑造的，正在卷包工艺中，预浸片材被切割成特定尺寸，然后用手正在心轴边际以指定的层铺设。将加热的压缩带层增加到管中举办压实，然后举办烘箱固化轮回。运用来自东丽（日本东京）的航空航天及格的碳纤维预浸料，席卷拥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首席实行官Craig Wilson说明说，卷包复合资料管是该公司的“面包和黄油”，但Kilwell的步骤和工艺须要升级，以餍足LTA和FAA的质料规范，席卷步骤的温度、湿度和颗粒物照料体例，以及每个零件每个工艺办法的条形码和数据跟踪新流程。

Kilwell临盆司理Jason Daniels增补道：“与其他极少项目比拟，咱们开采了一个更专业的固化周期，须要更高的温度和更长的固化周期材干餍足哀求，而且所罕见据都取得了监控和跟踪。”

探途者1号飞船用碳纤维复合资料预浸管数英里的碳纤维加强塑料管。总部位于新西兰的Kilwell Fibrelab采用卷包和烤箱固化工艺临盆拼装正在Pathfinder 1上的管道。

Wilson指出，自2016年尾筑造出第一批样品管以还，截至2023年夏末，Kilwell一经临盆了24840根总长凌驾25英里的样品管，以接济LTA的探途者安放。

除了管子自身，对框架机合的另一个挑衅是拼装。Morgan说，过去，飞艇的拼装出格消耗人力，须要来自数十个专业界限的数百人，此中很多人不得不正在脚手架上危殆地职业。他说：“本日，咱们能够运用今世本领来预先加载流程，以工程师和自愿化的体例运用更多，并大大裁减接触劳动力。”

复合资料群集型打算。除了CFRP框架表，LTA及其筑造团结伙伴还正在Pathfinder 1上运用了种种复合资料。这些席卷鳍（如图）、吊舱、启发机罩等。

原形上，LTA一经为很多开发申请了专利，这些开发旨正在煽动更速、更安闲的施工。从实质上讲，主机管和轮毂部件邻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无别，由支持机合吊挂正在地面上。地面上的本领职员将部件邻接到夹具上，然后盘旋整体开发，将主机架的该一面晋升到所需高度。

这种拼装措施，以及管道和轮毂自身杏彩体育官网，都被打算为易于扩展，由于LTA初步将眼神投向来日更大的飞艇，超越探途者1号。Morgan说：“这才是咱们运用的架构真正改革游戏条例的地方，即可扩展性。若是咱们念筑造一艘差别尺寸的飞艇，咱们能够运用无别的本领，运用无别的器械和认识本领来打算飞艇，并运用无别或宛如的碳纤维管相对疾速地筑造。”

复合资料群集型打算。除了CFRP框架表，LTA及其筑造团结伙伴还正在Pathfinder 1上运用了种种复合资料。这些席卷鳍（如图）、吊舱、电机盖等。

为了接济飞艇尺寸的增长，LTA须要更大的筑造空间。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船埠，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股公司）于20世纪20年代筑造的大型史册开发，曾是很多飞艇、飞艇和其他飞机的筑造地。Morgan说：“当咱们斟酌筑造一艘更大的飞船时，咱们明白咱们须要为它找到另一个家，而阿克伦是飞艇行业的来源。有良多史册常识。”

Morgan暗示，下一代探途者“正在打算大将正在很大水准上跟从探途者1号的脚步，正在飞艇上运用大宗复合资料。这是一次打算演变，而不是一场革命。”，更加是当该公司寻求符合更大的零件尺寸，并着眼于来日的贸易临盆、更高的筑造量时。

CFRP框架构件便是一个范例的例子。Morgan说明道：“进入下一次迭代，咱们正正在寻找无别的应变重量比，框架组件的本能无别，但咱们须要一种大量量的筑造措施。”。

约莫三年前，LTA正在咨议可能更高效、更可扩展地筑造框架部件的工艺时，与Exel Composites（芬兰万塔）创立了合联，该公司特意从事复合管和型材的拉挤和拉绕。Morgan说明道：“Exel正在批量筑造和自愿化筑造方面的专业常识是咱们采选它们的原故。”

要紧方针是可反复性和体积，同时餍足强度、耐久性、韧性和刚度哀求。咱们以为Exel的拉丝工艺是最适合的。拉伸纠缠实质上连合了细丝纠缠和拉挤：就像拉挤一律，碳纤维丝束被指导通过树脂浴，然落伍入加热模具，成型为最终零件。然而，正在牵拉纠缠流程中，极少丝束不是以线性体例直接穿过，而是螺旋纠缠正在心轴边际，这应允种种布列的纤维增长强度和打算精巧性。与拉挤成型一律，该流程是不断的，型材随后被切割成必然长度。

Exel Composites美国区域贩卖司理Marc Tagher说明道：“这比手动包装流程自愿化得多，类似性出格高。这是一个不断的流程，能够无误地将每根纤维安置正在须要的地方。”

Morgan增补道：“拉伸纠缠本领让咱们有了更多的精巧性，由于这个流程运用丝束而不是织物，于是咱们可能特意调节纠缠的铺设，以餍足咱们的需求。”比方，将纤维纠缠正在心轴上，尽管管壁相对较薄，也能增长管的环向强度。其余，“与手动上卷包装比拟，拉卷速率约莫速一个数目级，以至正在足够大的临盆周期内俭约了本钱。”

从目前的预浸料辊包装工艺改动为拉伸纠缠工艺也涉及到新资料的采选。Exel的管子由HM和IM碳纤维的夹杂物造成，并采用了一种专有树脂，听说这种树脂是为完了合高本能和与拉力纠缠工艺的兼容性而采选的。

Exel正在芬兰的研发团队不停正在优化种种迭代的管道，然后将其送往LTA举办刻板测试。一朝这些管子初步大界限临盆，Exel安放将临盆变动到美国肯州Erlanger的工场。

目前，探途者1号的凯旋是LTA的首要劳动。第一艘飞艇于2023岁首正在山景城实行，截至2023年年中，一经实行了几次室内航行测试。LTA暗示，正在本年剩下的岁月里，其方针是进入下一阶段的户表航行测试，并连接培训其认证航行员和体味丰裕的机组职员团队。