HERWINGT项目开发混合电动区域飞机新型机翼，目标2035年实现燃油消耗和温室气体排放减少50%

作为清洁航空绿色区域飞机计划（GRA） 的一部分，混合电动区域机翼集成新型绿色技术（HERWINGT） 项目旨在为清洁航空的混合电动区域飞机（HERA） 项目 开发一种新型机翼，目标是打造一架拥有 100 个座位、航程 500-1,000 公里、于 2035 年投入使用的飞机。

项目目标、技术、示范者

HERWINGT 将致力于研发一种机翼，帮助 HERA 实现与 2020 年最先进的飞机相比，燃油消耗/温室气体排放减少 50%。该机翼将通过新颖的减阻机翼配置、更集成的系统和新材料技术来实现这一目标。

后者高度依赖复合材料，目标是在机翼部件层面减轻15%的重量并减少20%的燃油消耗。正在开发的机翼采用桁架支撑结构，复合材料支柱从机身延伸以支撑机翼。

在空中客车防务与航天公司（Airbus D&S，西班牙马德里）的协调下，HERWINGT 将分析整个机翼的架构并进行权衡研究，同时为中央机翼部分（吊架到吊架）构建物理演示器：

• 集成式中心段翼盒结构与内推进级，包括具有多翼梁结构的吊架到吊架扭力箱概念、检修面板和集成式燃油通风系统。
• 内段前缘带有集成感应防冰系统以及额外的多功能性，如防侵蚀、防撞击和防雷击以及变形概念。
• 内段襟翼采用多功能设计和集成高升力解决方案。

HERWINGT 的关键加工技术包括低成本、高度集成、非热压罐 （OOA） 复合材料：

• 集成多翼梁扭力箱的干纤维铺设和液态树脂灌注。
• 用于集成襟翼蒙皮和前缘应用的原位固结 （ISC） 热塑性复合材料 （TPC）。
• TPC焊接和共固结以实现一体化。
• 探索可认证的粘合技术。

HERWINGT 还承诺提供：

1. 与参考飞机数字框架和要求兼容的组件、子系统和全机翼系统的
2. 首次飞行的飞机级全尺寸机翼演示路线图。
3. 与拟议活动相关的 HERA资格和认证计划。

HERWINGT 项目计划于 2026 年完工，于 2023 年 1 月启动，并已获得 10 个月的延期，以完成更大规模的演示和测试。该项目将于 2026 年 10 月结束，并将新的机翼设计交付给由意大利罗马Leonardo 公司协调的 HERA 项目。

TPC领先优势

ISC TPC 结构正由 HERWINGT 的多家合作伙伴推进，其中包括 GKN Fokker（荷兰霍赫芬）和复合材料技术中心 FIDAMC（西班牙赫塔菲）。“我们在 Clean Sky 2 项目 OUTCOME 中开始研究这些结构，”FIDAMC 的 TPC 活动研究员兼技术协调员 Isabel Martín Hernando 解释说。“我们的目标是展示使用自动纤维铺放 [AFP] 铺层和 ISC 制造的轻型飞机主结构。我们与 AFP 设备供应商MTorres（西班牙 Torres de Elorz）合作，开发了一个完整的测试金字塔，以证明该材料满足机翼的结构要求。然后，空中客车 D&S 对成品部件进行了测试，验证了其 FEA 模型中计算出的预估载荷。根据这些测试结果，我们开始为 HERWINGT 项目做准备。

她继续说道：“我们的想法是继续使用 AFP ISC，但要增加几何形状的复杂性。“ ”在 OUTCOME 项目中，我们演示了一个带有简单曲率加强筋的上翼盒蒙皮罩。在 HERWINGT 项目中，我们将生产中央翼盒前缘。我们还将工艺从龙门机床升级到川崎机器人，这有助于处理更复杂的结构。“ 她补充说，FIDAMC 正在与 MTorres 合作，协调旋转心轴与 AFP 机器人的配合，从而为更复杂的几何形状提供更大的灵活性。

“我们还改变了AFP加热源，”Hernando说道。“我们仍然使用二极管激光器，但它被分成四个部分，可以单独控制。我们可以放置最多四条0.5英寸宽的丝束，通过这束分开的激光器，我们可以分别控制每条丝束。因此，我们可以选择使用其中一条、两条、三条或全部丝束进行压层。这对于制造前缘来说更加灵活，因为在某些区域，例如机头前缘，我们需要使用更少的丝束进行压层。”

该前缘的加强筋包括T形纵筋和肋条。这些部件首先由冲压成型的部件组成。“对于纵向加强筋，我们首先冲压两个L形部件，然后将它们连同中间的填充物（面条）一起放入固结模具中，”Hernando解释说。“然后，我们在烤箱中进行第二次加热循环，将它们整合在一起并共同固结。这样，我们就可以制作T形肋条了。”

这些加强筋随后将被放入FIDAMC与HERWINGT合作伙伴Aciturri （位于西班牙米兰达-德埃布罗）共同开发的复杂模具中。她指出：“该模具将安装在我们的旋转心轴上，然后将蒙皮层压在其上，将第一层与加强筋共同固化，然后使用AFP ISC层压整个蒙皮。Aciturri还在研究一种基于等离子的陶瓷沉积工艺，以提高耐腐蚀性。”

Hernando 表示，总体思路是减轻金属结构重量，并进一步提升热塑性复合材料 （TPC） 用于主要结构的能力。由于能够使用回收材料，并采用共固化和焊接工艺以减少紧固件的使用，以及在使用寿命结束后能够回收 TPC 部件，因此被认为更具可持续性。AFP ISC 还避免了高压釜循环，从而降低了铺层和固化过程中的能耗。

PEEK、AFP 工艺、LMPAEK 用于皮瓣演示器

对于 HERWINGT 前缘验证机，FIDAMC 正在使用 APC2 PEEK 材料（Syensqo，美国佐治亚州阿尔法利塔）。“我们在 OUTCOME 期间针对这种材料开发了一个大型测试金字塔和数据库，空客 D&S 团队利用这些信息来确定该结构的载荷和设计，”Hernando 说道。

在 OUTCOME 项目中，FIDAMC 开发了一种 AFP ISC 工艺，该工艺使用两台激光器和两台压实辊——一台在胶带铺设过程中，另一台位于压实辊之间。“在 OUTCOME 项目中，我们控制材料的冷却阶段，以控制聚合物的结晶，从而确保机械性能，”Hernando 解释道。“但现在，在进行了更多演示后，我们取得了进一步的进展。通过使用自加热工具，我们可以在材料中获得良好的结晶效果。这也有助于防止热残余应力和几何变形。因此，我们现在使用分段激光器和单个压实辊。”

FIDAMC 还将使用 AFP ISC 生产 HERWINGT 襟翼演示器的复合材料结构。“为此，我们将使用东丽（荷兰奈弗达尔）的 TC1225 预浸料带，但仅限于我们负责的下部蒙皮和翼梁。Aciturri 将使用各种技术协调其他结构。”

TC1225 由碳纤维和威格斯（英国克利夫利斯）的 LMPAEK 聚合物组成。Hernando 指出，FIDAMC 和 Aciturri 选择了 TC1225。“我们在 MFFD 项目中曾使用过这种低熔点材料，但并非直接用于完整的 8 米演示器，而是与 Aernnova 一起进行了小规模测试。因此，由于我们已对 APC2 进行了全面的测试，因此我们希望从 LMPAEK 中提取相同的信息，以便工程部门能够计算并准备针对不同结构的 AFP ISC 设计。”

变形机翼部件

HERWINGT 的另一个关键部分是开发可变形机翼表面，以提高气动效率。“我们的想法是设计一种无需传统控制面即可改变形状的机翼表面，这样机翼结构（通常是后缘和前缘）就无需使用由传统执行器驱动的独立部件，”米兰理工大学（Polimi，意大利米兰）航空航天科学与技术教授 Sergio Ricci 博士解释道。“这很有挑战性，因为你必须同时解决两个不同的问题：设计可变形的机翼结构，以及选择最佳的气动性能形状。“

“在 HERWINGT，我们正在开发三种主要解决方案，”他继续说道。“前两种方案涉及可变形的前缘和后缘，以及两种不同的应用：襟翼和副翼。可变形的前缘和后缘副翼由米兰理工大学 （Polimi） 开发，而后缘襟翼则由 CIRA 的空气动力学团队和智能结构团队开发。“ 他指的是 HERWINGT 的另一个合作伙伴——意大利航空航天研究中心（CIRA，位于意大利卡普阿）。第三种解决方案是可变形支柱，由另一个团队开发，我们将在下文讨论。

复合材料正被用于开发所有这些可变形结构。“如果想通过结构变形来实现变形，就需要具有极高伸长率的材料，在某些情况下，还需要可调节内部刚度的材料，”Ricci说道。“纤维增强复合材料是最灵活的解决方案，因为您可以通过优化纤维取向来获得所需的性能。” 虽然存在基于碳纤维增强聚合物 (CFRP) 的解决方案，但米兰理工大学的团队决定使用玻璃纤维增​​强环氧树脂。“这取决于您需要多大的变形，”他解释说。“对于可变形的后缘襟翼，您需要非常大的变形。而副翼则不那么具有挑战性，因为您只需上下移动即可。每次您有不同的要求，您可以根据这些要求选择最合适的材料。”

因此，米兰理工大学选择了玻璃纤维，因为它比碳纤维具有更好的延展性。“同时也因为我们大约10年前就开始了这类活动，而且我们所有其他的演示产品都是基于玻璃纤维的，”Ricci说道。“因此，我们在这方面拥有丰富的知识和经验，并且对其性能感到满意。此外，还存在其他问题，例如疲劳。目前，我们决定不让材料方面复杂化，而是坚持我们已经验证过的方法。”

他指出，米兰理工大学在 HERWINGT 研发的解决方案并非基于智能材料，而是基于智能结构。“这意味着我们采用智能设计和普通复合材料。我们不使用压电材料之类的。我们正在研发前缘，它将与 CIRA 生产的后缘相结合，然后在我们的大型风洞中进行全尺寸变形测试。”

变形复合材料机翼支柱

HERWINGT 的第三个变形开发涉及机翼支柱，目前正在荷兰代尔夫特理工大学（TU Delft， Netherlands） 完成。两位代尔夫特理工大学的研究人员对此进行了解释：航空航天结构与材料研究工程师 Xavier Carrillo Córcoles 和航空航天工程助理教授 Jurij Sodja。他们的想法是，既然 HERWINGT 中正在考虑用于 HERA 的桁架支撑机翼已经带有支柱，那么为什么不将这些支柱与传统的控制面一起使用，并让支柱也改变形状呢？

“代尔夫特理工大学几年来一直在研究变形表面，”科尔科莱斯说道，“包括前缘和后缘部分。我们的想法是，在底部蒙皮上开一个槽，然后拉动或推动变形表面的底部蒙皮[见右图]，这将产生所需的偏转，从而提高气动效率。”

“这是我们的第一个概念，现在我们通过Smart X和Smart Alpha版本对其进行了改进，并在风洞中进行了概念验证测试，”他继续说道。“对于HERWINGT，我们正在使用复合材料对其进行迭代。我们使用由复合材料制成的不同模块，并与弹性体部分连接，形成一个连续的组件。这样，就可以对翼型的扭转和弯度进行差动控制，从而根据飞行条件（例如在爬升或巡航时）控制和优化其形状。”

Sodja 解释了为什么无法使用连续的复合材料蒙皮：“我们主要通过弯曲变形来移动结构。但如果采用这种方式，导致一个模块向上偏转，而相邻的模块向下偏转，就会在结构中产生很大的拉力和剪切力。因此，我们切掉了蒙皮的尾部，并用弹性材料代替，使其更加柔顺。我们通常使用硅胶，将液态硅胶倒入缝隙中，从而形成这些部分，使其与复合材料层压板紧密结合。”

Sodja 指出，变形支柱很可能会使用玻璃纤维增强环氧树脂。“只要结构要求不太高，玻璃纤维层压板就能比其他材料提供更好的性能。例如，由于玻璃纤维层压板的柔韧性更高，它可以显著降低驱动负载，从而减轻执行器的重量，从而减少此类变形概念的重量负担。”

对于 HERWINGT，代尔夫特理工大学将测试其变形支柱演示器，以评估形状变化和由此产生的空气动力阻力以及这些变形机制的极限。

数字孪生

推进数字孪生技术的应用是 HERA 和 HERWINGT 项目的关键目标。“数字孪生是一种框架，旨在汇编与产品全生命周期相关的所有信息，”空客结构设计工程师、HERWINGT 机翼结构设计团队成员 Miriam Agúndez Manzano 解释道。“这涵盖了制造、装配和定期维护。因此，数字孪生必须由参与开发和服役过程的每个利益相关者提供信息。”

“在复合材料部件中，数字孪生在生成和集成这些数字模型的设计制造阶段具有特殊的意义，”她补充道，并指出它们不仅包括部件的几何形状，还包括纤维取向和铺层的玫瑰花结（参考轴），以及表面保护、部件重量和互换性等。“然后，将通过传感器对最终的‘竣工’模型进行监控，以实时评估结构的状况。

“实际上，数字孪生的核心要素本质上是一个大型数据库，”Manzano说道。“它包含了零件开发过程中涉及的所有学科的输入，包括应力、疲劳、设计、制造、可维护性等，并准备纳入与生命周期未来步骤相对应的信息。数字孪生还包含一套算法，用于预测故障模式的最终演变，以便根据结构的实际状态调整维护计划。”

“对于 HERWINGT 项目而言，数字孪生技术在演示器的设计层面开发中确实非常有用，而且效率更高，因为这些信息必须在合作伙伴之间共享，”Manzano 总结道。“使用数字孪生技术使我们能够在开发的不同阶段拥有一个单一的‘真实来源’，所有需要的信息都可轻松获取。”