A400M軍用運(yùn)輸機(jī)從體積上比C-130J大力神略大，但比C–17環(huán)球霸王小，是一款復(fù)合材料密集型軍事運(yùn)輸機(jī)。由于A400M軍用運(yùn)輸機(jī)的翼梁采用復(fù)合材料制造，因此在它身上可以容納下世界上最大的渦輪螺旋槳飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)。此外，在西班牙工廠制造的A400M垂直尾翼和水平尾翼也成為目前世界上最大的由碳纖維環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料制造的飛機(jī)部件。

    今年1月，由歐洲航空防務(wù)和航天公司（EADS公司）軍用航空系統(tǒng)業(yè)務(wù)部（位于德國(guó)奧格斯堡）為空中客車(chē)公司首架A400M軍用運(yùn)輸機(jī)制造的結(jié)構(gòu)部件——上貨艙門(mén)，正式交付使用。A400M運(yùn)輸機(jī)的上貨艙門(mén)是迄今使用真空輔助樹(shù)脂滲透工藝制造的最大的復(fù)合材料飛機(jī)結(jié)構(gòu)部件。歐洲航空防務(wù)和航天公司（EADS公司）是空中客車(chē)系列最大的外部機(jī)構(gòu)件供應(yīng)商，EADS公司通過(guò)其核心競(jìng)爭(zhēng)力促進(jìn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的材料和技術(shù)創(chuàng)新。其貨艙門(mén)產(chǎn)品曾在上個(gè)月法國(guó)巴黎舉辦的JEC復(fù)合材料展展出。該產(chǎn)品在低成本、熱壓釜處理、以及高度苛刻的結(jié)構(gòu)應(yīng)用等方面實(shí)現(xiàn)了重大突破。

    低成本設(shè)計(jì)

    A400M軍用運(yùn)輸機(jī)采用4臺(tái)渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)，高翼、和貨艙門(mén)機(jī)身后部開(kāi)放的設(shè)計(jì)。在下貨艙門(mén)（配有金屬坡道）向外和向下旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，全復(fù)合材料上貨艙門(mén)（長(zhǎng)4m/13×寬7m/23英尺），會(huì)配合其下方的貨艙門(mén)進(jìn)行向上和向內(nèi)的擺動(dòng)，以方便車(chē)輛和貨物裝載或卸載。當(dāng)處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，兩個(gè)艙門(mén)緊貼機(jī)身下腹位置形成光滑流暢的曲線。

    據(jù)一位EADS奧格斯堡設(shè)計(jì)工程師介紹，上艙門(mén)之所以采用這種復(fù)雜的幾何學(xué)設(shè)計(jì)目的是為了盡可能降低艙門(mén)的重量，減少艙門(mén)產(chǎn)生的負(fù)載，以最終滿足A400M軍用運(yùn)輸機(jī)整體的重量目標(biāo)。因?yàn)橹挥袡C(jī)身重量減輕了，才有可能承擔(dān)更大的有效載荷。此外，該設(shè)計(jì)使艙門(mén)嵌在機(jī)身內(nèi)部，兩者幾乎融為一體，也使艙門(mén)的整體剛度達(dá)到最大化，并且有效提高飛機(jī)在飛行增壓循環(huán)過(guò)程中的疲勞載荷。

    EADS的工程師首先利用有限元分析（FEA）軟件對(duì)艙門(mén)進(jìn)行預(yù)期負(fù)載設(shè)計(jì)。然后使用EADS的真空輔助滲透專利技術(shù)，和熱壓釜設(shè)備制造艙門(mén)，以減少生產(chǎn)成本。正如當(dāng)今在復(fù)合材料行業(yè)所普遍采用的滲透工藝，采用真空滲透的特點(diǎn)是促進(jìn)真空袋中環(huán)氧樹(shù)脂滲透對(duì)干燥碳纖維的增強(qiáng)效果。目前，多數(shù)制品的固化采用烤箱，而不用熱壓釜。

    艙門(mén)包括幾大要素：最大的部件是艙門(mén)外殼—一個(gè)稍微隆起的圓錐矩形體，由固體無(wú)芯碳環(huán)氧層壓板制造而成。而內(nèi)殼的表面是由16根平行于機(jī)身長(zhǎng)軸的桁條加固。艙門(mén)的外緣采用一個(gè)獨(dú)立的端壁（大約203毫米/8英寸高）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。九根結(jié)實(shí)的橫梁與桁條垂直交錯(cuò)，通過(guò)金屬緊固件加筋到艙門(mén)外殼上。艙門(mén)內(nèi)側(cè)中心部分則由較窄的內(nèi)殼所覆蓋，其作用主要是為了增加艙門(mén)的剛度。除此之外，艙門(mén)外殼還通過(guò)一個(gè)金屬鉸鏈固定到機(jī)身上，而在艙門(mén)邊緣則裝有較大的金屬掛鉤用來(lái)控制艙門(mén)的位置，以防在飛行過(guò)程中走偏。

    而對(duì)于艙門(mén)的設(shè)計(jì)和真空輔助滲透工藝過(guò)程來(lái)說(shuō)最關(guān)鍵的因素是：桁條與艙門(mén)的內(nèi)外殼必須緊緊相連不可分離，從而確保完成最終的“同步固化”�！巴�步固化”不僅可以節(jié)省加工時(shí)間，還能為設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)免去約3,000個(gè)金屬鉚釘，從而大大降低艙門(mén)的重量和節(jié)省下緊固件的成本。

    無(wú)需使用熱壓釜

    艙門(mén)的制造首先要從外殼開(kāi)始，以碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料為模具，采用手糊工藝，全部設(shè)計(jì)和制造工作都由歐洲宇航防務(wù)集團(tuán)（EADS）承擔(dān)。雖然該公司沒(méi)有透露關(guān)于內(nèi)外殼厚度以及定向的具體數(shù)字，但是層壓板是由SAERTEX（德國(guó)澤爾貝克）供應(yīng)的多軸向碳纖維復(fù)合增強(qiáng)材料（0/90°和±45°經(jīng)緯度的組合），以及由Hexcel（加利福尼亞州都柏林）提供的單軸干布構(gòu)成的。而層壓板最靠?jī)?nèi)的一層則需要通過(guò)橫梁和縱梁支撐隆起。

    奧格斯堡的工程師指出，整體桁條采用“L-Z”設(shè)計(jì)，大約65毫米/2.5英寸高，還有一個(gè)50毫米/2英寸寬的邊緣。為了控制好預(yù)成形過(guò)程中桁條的位置，增強(qiáng)材料的頂面組織有一部分是熱塑性聚酰胺紗，遇熱時(shí)，熱塑性聚酰胺紗中的樹(shù)脂會(huì)熔化變粘，從而起到粘合層壓板的作用。

    技術(shù)員們首先在一塊廉價(jià)的木模板上對(duì)桁條進(jìn)行預(yù)成形處理，將多軸桁條堆疊，然后用一只小型熱融槍將熱塑性材料熔化，從而將堆疊的桁條粘結(jié)在一起。上翼緣上所堆積的短桁條均采用單向材料制成；而連續(xù)桁條則是由0/90°和±45°不同經(jīng)緯向的材料組成的。桁條內(nèi)部空隙采用小直徑碳纖維織物填充，以防止層裂情況的產(chǎn)生。

    隨后，將預(yù)制桁安置進(jìn)艙門(mén)外殼。桁條的兩端裝有長(zhǎng)碳纖維環(huán)氧樹(shù)脂心軸，用以保持預(yù)制桁的形狀，同時(shí)在固化的過(guò)程中為其提供持續(xù)的壓力。每根桁條和心軸都覆蓋著的GORE-TEX透氣膜，該透氣膜材料由戈?duì)枀f(xié)會(huì)（W.L.Gore&Assoc.位于特拉華州紐瓦克）提供。

    當(dāng)所有的桁條都被安置到位以后，技術(shù)員就開(kāi)始用標(biāo)準(zhǔn)真空袋薄膜材料對(duì)整個(gè)艙門(mén)（包括艙門(mén)外殼和桁條）裝袋和真空滲透。滲透所采用的樹(shù)脂采用赫氏制造的RTM-6單組分環(huán)氧樹(shù)脂，該樹(shù)脂在真空滲透工藝領(lǐng)域小有名氣，被認(rèn)為是最易于操作，并能提供優(yōu)質(zhì)熱（180°C/350°F）/濕性能，同時(shí)幫助整個(gè)滲透過(guò)程持續(xù)兩個(gè)多小時(shí)。要知道，足夠的滲透時(shí)間對(duì)于像飛機(jī)艙門(mén)這么大規(guī)模的部件來(lái)說(shuō)尤為重要。

    隨著真空滲透過(guò)程的啟動(dòng)，套著艙門(mén)外殼的真空袋將被緩緩拉緊，真空袋外層的GORE–TEX透氣薄膜能夠?yàn)槊扛�桁條外包裹的袋進(jìn)行空氣疏散。僅利用真空壓力就可以引導(dǎo)樹(shù)脂流入到每根桁條以及艙門(mén)外殼的位置，而GORE–TEX透氣膜能夠確保樹(shù)脂在每個(gè)真空袋中停留足夠長(zhǎng)的時(shí)間，以完成充分的滲透。GORE–TEX供應(yīng)商聲稱這種特殊的膜制品將確�！巴�步固化”程序的順利完成，其工程師解釋說(shuō)：“GORE–TEX能夠允許空氣，而非樹(shù)脂通過(guò)，因此我們可以確保將所有的空氣排空，并且?guī)椭鷺?shù)脂均勻的輸送到每根桁條的位置，同時(shí)最大限度地減少纖維的含量�！�

    樹(shù)脂滲透完成之后，艙門(mén)外殼將被放進(jìn)烤箱，在180°C/350°F的溫度下完成固化，無(wú)需任何后固化程序。

    此外，艙門(mén)的其他部分，包括窄內(nèi)殼及其內(nèi)部桁條也是采取相同的滲透方式，和固化程序——“同步固化”。制造艙門(mén)采用的端壁是Rohacellpolymethacrylimide泡沫夾芯材，由德國(guó)羅門(mén)德固賽公司（RohmDegussaGmbH，位于德國(guó)達(dá)姆施塔特）提供。泡沫夾芯材用在橫梁之間的連接位置，可以有效幫助降低重量。橫梁是一根根結(jié)實(shí)的實(shí)心層壓材，其下緣沿部分經(jīng)過(guò)剪切，以容納下桁條。

    生產(chǎn)準(zhǔn)備

    艙門(mén)的裝配會(huì)涉及大型夾具，用以支撐艙門(mén)外殼，和完成一系列組裝程序，包括焊接，鉆孔和門(mén)鉸鏈的緊固。組裝完成后，再對(duì)艙門(mén)進(jìn)行涂裝，最后交付給空中客車(chē)公司位于德國(guó)不來(lái)梅的工廠。據(jù)空中客車(chē)公司介紹說(shuō)，將由空客不來(lái)梅工廠完成機(jī)身組裝，和靜態(tài)/動(dòng)態(tài)測(cè)試。

    奧格斯堡工程師指出，全面投產(chǎn)后，奧格斯堡工廠每月至少生產(chǎn)3個(gè)艙門(mén)。雖然目前手預(yù)成形方法能夠基本滿足初始的生產(chǎn)任務(wù)，但是空客公司還是從長(zhǎng)遠(yuǎn)的角度考慮，已與一家德國(guó)公司簽署了自動(dòng)化預(yù)成形工藝引進(jìn)協(xié)議，該設(shè)備將大大提高真空滲透的效率，并有效降低制備成本。

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