“HiCAM 正在使复合材料广泛应用于下一代飞机。为了做到这一点，我们需要创建能够以具有竞争力的成本快速生产飞机的建造系统，”位于弗吉尼亚州 NASA 兰利研究中心的 HiCAM 项目经理 Rick Young 说。
可持续航空机队
碳纤维的近距离视图，它在制造之前从线轴上开始。
碳纤维是一种广泛使用的复合材料，在被制造成飞机部件之前，它开始使用像这张图片中的线轴一样。像这样的复合材料用于波音 777 飞机等。
HiCAM 是可持续飞行伙伴关系 (SFNP) 的一部分，NASA 及其在工业、学术界和政府方面的合作伙伴正在努力利用绿色技术使航空业更具可持续性。
通过用复合材料制造更多的飞机部件——可以是定制的塑料、石墨和陶瓷等材料的混合物——飞机的重量可以大大减轻，从而提高燃油效率。
但是复合材料如何使这些创新设计成为可能呢？
“复合材料工作原理的一个很好的类比是一张胶合板，”杨说。“它有很多层木头，每一层的纹理都朝着不同的方向延伸。这些层堆叠起来并粘合在一起，制成胶合板。将层放在不同的方向可以防止每一层木材沿着纹理分裂，使其更坚固。”
复合材料具有多层纤维增强材料，通常是塑料。这些层非常薄——只有一张纸的厚度——并且由比人类头发小 10 倍的坚硬、轻质的石墨纤维制成。每一层都以不同的方向运行，当它们堆叠在一起并硬化时，它们会形成一个不易断裂的坚硬结构。
因此，复合材料可以比目前用于飞机制造的金属更坚固、更轻。这种品质还使飞机设计师能够更有创意地提出有助于减少燃料使用的创新空气动力学形状。
新的抱负，新的项目
在接下来的 20 年中，商业航空机队将需要大约 40,000 架新飞机来满足日益增长的航空旅行需求并更换老化的客机。
老旧飞机的退役，加上航空旅行需求的预期增长，将取代目前机队的大部分，并将其规模扩大一倍。单通道市场将需要这些新飞机中的大部分。
碳纤维线轴被用于制造波音 777 飞机的机翼部分。
“目前，像波音 737 这样的单通道客机每月以大约 60 架飞机的速度建造，它们是由金属结构制成的。已经使用复合材料的飞机，如空客 A220 或更大的波音 787 梦幻客机，每月的生产速度不超过 14 架，”杨说。
HiCAM 的目标是加快这一进程，力争实现每月使用复合材料制造 80 架飞机的能力。为了实现这一目标，研究人员正在研究哪种复合材料和构造方法可以好地加速到这种高生产率。
“我们正在做的大部分工作是将复合材料的生产提升到一个新的水平。我们正在采用已经被证明的方法，并找出如何更快地做到这一点。提高生产率可以显着降低复合结构的成本，这是国际竞争所必需的，”Young 说。
生产速度受限于制造零件、组装它们以制造大型飞机部件以及检查结果质量所需的时间。
目前由复合材料制成的大多数飞机部件都是热固性材料，其工作原理类似于房屋周围使用的两部分环氧树脂。当这两种材料混合并加热时，会发生化学反应，将它们结合成一个坚固的刚性物体。该过程是不可逆的，两种材料无法再次分离。
对于每个零件，原始复合材料逐层放入模具中。模具的柔性内容物通过在称为高压釜的巨大烤箱中在高温和高压下固化而变成固体。
总而言之，这是一个漫长的过程，将材料放入模具中，为高压釜准备，在高压釜内固化长达八小时，冷却并组装成成品组件——更不用说整个过程所需的所有检查了。
寻找合适的东西
HiCAM 工作的核心是研究哪些复合材料在高压釜中固化速度快，哪些可以在不使用高压釜的情况下固化，以及是否有其他复合材料可以用于飞机制造。
例如，该项目正在考虑使用热塑性材料的想法。与热固性塑料相反，热塑性塑料类似于胶棒或热胶。当加热时，它们会融化成液体。冷却后，它们会以任何新的形状变成固体。
“热塑性塑料不像热固性塑料那样需要长达八小时的烘烤过程。它们已广泛用于飞机内部，例如头顶储物箱，但它们从未在飞机制造业中用于机翼或机身等大型部件，”Young 说。
除了热塑性塑料，HiCAM 还在研究使用新树脂将固化时间从几小时缩短到几分钟，甚至完全不需要高压釜。
HiCAM 寻求加快生产速度的另一种方法是减少装配时间。目前，由复合材料制成的飞机部件被制成较小的部件，并使用数千个紧固件组装在一起。HiCAM 正在研究的一种解决方案是在复合材料部件固化之前将其“缝合”在一起——有效地制造一个不需要紧固件的大型复合材料部件。
生产过程中其他耗时的步骤是人类执行某些任务（例如检查）时。有时，这会减慢整个装配线的速度，尤其是在发现组件存在缺陷的情况下。
为了解决这些延迟，HiCAM 正在研究如何让检查等任务更加自动化，这将加快处理速度。还被关注的是现场检查，或制造过程本身的检查。
行业实施
HiCAM 正在与先进复合材料联盟的行业合作伙伴合作开发这些高速复合材料制造工艺。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。
“我们所追求的技术旨在用于 2030 年代初期投入使用的新型运输机，”Young 说。“HiCAM 的目标是证明到 2026 年复合材料的建造率可以达到，然后将技术转移到航空业，以便他们可以在新的飞机生产计划中实施。”
虽然 HiCAM 的重点是运输机，但 Young 指出该技术在其他应用方面的潜力，包括用于先进空中机动性的小型飞机结构。
