清洁天空项目：热塑性塑料机身结构演示器

为了充分利用热塑性复合材料在航空领域的全部潜力，下一代多功能机身演示（MFFD）项目正在朝着整合创新的清洁天空技术的方向发展，这将有助于使欧洲客机生产的未来变得更快，更环保，更具竞争力。随着机身，机载系统，货物和客舱元素在早期设计阶段使用整体和模块化方法的更大集成，欧洲的飞机装配线将更好地应对全球航空运输市场5%的增长率。

“模块化，集成和创建通用平台是关键”，空中客车运营有限公司机身研究与技术典型机身Ralf Herrmann说，“我们早就知道，在使用热塑性复合材料时，减轻重量和降低飞机生产中经常性成本的好处只能通过整合多个学科来实现。这意味着仅关注结构无法实现复合材料技术的全部优势，我们需要从一开始就与系统专家和驾驶室专家在多个层面上进行合作，并且我们需要应用新的颠覆性想法并将其整合到各个职能部门中。这样做将使我们能够真正利用这几个学科的机会，将这一技术整合到一个组合技术中。”

MFFD项目旨在使用复合材料热塑性塑料，创新的设计原理和先进的系统架构与下一代机舱相结合来验证机身结构，客舱和系统的高潜力组合-具有强大的可量化目标清单：

每月至少60架大型客机的生产率，同时将机身重量减少1吨，同时降低成本。这反过来又会显著减少燃料消耗，从而减少一氧化碳和氮氧化物排放，通过降低系统重量和改进的系统架构集成，大幅降低飞机的整体能耗。支撑这一切的是工业4.0时代的应用，包括制造和自动化设计，传感化和数据分析，以展示所需的制造成本效应。

该项目由空中客车公司领导，并结合了福克GKN，DLR，TU Delft，NLR，FRAUNHOFER-GESELLSCHAFT和其他合作伙伴的专业知识，将持续到2023年，其中一个主要的“可交付成果”是热塑性复合材料8米长的机身枪管，将于2022年制造。在该计划的准备阶段，该地面演示器将得到各种小型测试台和组件演示器的支持，旨在在新材料，制造和组装概念方面达到技术成熟度TRL 6。

该项目成功的关键是复合材料热塑性塑料在多大程度上适合统一系统，机舱和机身的功能。

“纤维复合材料在轮廓设计和成型等方面非常灵活。我们现在在加工方面所做的是评估热塑性塑料，这些热塑性塑料易于通过压制或冲压来建模，这些工艺已经在汽车和金属工业中使用，“Herrmann说。“我们一直在使用一种铸造注塑成型将扁平材料重塑为更复杂的形状零件。我们有复杂的模具，其中将热塑性材料和纤维注入其中，以便我们可以生产真正复杂的零件，特别是将机身结构与系统和机舱纪念碑连接起来的支架和其他类型的部件。我们可以用非常低的制造成本做到这一点。

减轻重量和简化飞机装配和安装过程只是故事的一部分 - Herrmann说，也有令人信服的环境效益：

“除了优化重量减轻之外，我们正在开发的生产过程也更省时，这意味着使用更少的能源，这些效率最终将转化为一氧化碳。2和氮氧化物减排。另一个重要方面是，通过使用热塑性材料，部件在其使用寿命结束时可以回收利用。

根据Clean Sky的项目官员Paolo Trinchieri的说法，热塑性塑料的多功能性需要与设计方法相结合：“有必要在飞机预设计阶段消除功能的人工分离，并在一开始就计划飞机制造，组装和安装的高生产率。这不仅是热塑性材料的问题，也是如何设计更有效的系统以提高飞机速度，降低成本和降低飞机重量的问题。这是多功能机身演示器项目的关键因素之一 - 设计新的解决方案来设计机身结构，并以更好的方式集成系统和机舱元件。

该项目对欧洲航空制造业也具有重要的战略意义。为了跟上航空旅行的增长率（目前约为5%），机身制造商需要提高生产水平。但目前的飞机制造方法涉及一种顺序方法，即机身需要处于先进的完成状态，然后才能安装系统，随后可以安装机舱和货物功能。这就是Clean Sky的MFFD项目改变游戏规则的地方：

Herrmann 解释说：“顺序制造方法既耗时又'对故障敏感'，因此，我们真正希望拥有高度集成的预装结构元件和系统模块，这些模块可以在最终组装发生之前很早就安装到结构中。

“通过更好地整合结构，系统和内部元素，减少连续步骤的数量变得可行。使用新的热塑性塑料连接技术，使模塑元件能够组合成更大的部件也是该计划的一部分。我们现在正在做的是研究和测试通过使用焊接连接更大的热塑性结构，从而生产出完整的机身机筒。热塑性塑料是一种比目前用于结构及其连接支架和锚点的材料更昂贵的材料，但由于我们可以自动化并提高效率，我们可以降低整体制造成本以及经常性成本，“Herrmann说。“欧洲以外的机身制造商也在寻求类似的机会，但如果我们成功了，这将是欧洲航空业向前迈出的一大步。

这在航空学中是相当新颖的。该项目目前正致力于生成和改进适用于大型复合热塑性结构焊接的“技术模块”，以确保这种前所未有的规模的焊接热塑性塑料能够在机身使用寿命期间承受载荷。在工艺和参数方面，这是一个调整已知关于较小热塑性塑料零件的问题，并了解扩大规模以制造大型机身零件所需的内容。该计划是在2020年开始生产实际的机身枪管，在2021年准备好第一批大型部件，并在2022年底之前准备好最终的机筒。

这对飞机的运营商来说可能意味着，通过更加模块化的设计形式，如果航空公司希望在飞机的使用寿命期间改变机舱元素，如新的纪念碑，座位，机舱隔板，厨房等，则可以调整和修改机舱内部。客舱内部升级对于航空公司品牌和机上乘客体验的差异化至关重要，热塑性机身可以设计成集成的锚点，这将使未来的客舱家具变更更容易实施。

Herrmann 总结道：“我们目前正在与合作伙伴一起进行试样测试和小部件测试，并探索如何使用焊接大型结构元件来减轻整体重量并提高操作员将来重新配置驾驶室的灵活性的可能性。“对于欧洲来说，这可能是竞争方面的一种独立能力。清洁天空一直是，并将继续是将该项目中的所有合作伙伴聚集在一起的关键。虽然我们有时是其他项目的竞争对手，但这个特殊的清洁天空项目展示了合作的力量及其对欧洲航空业未来的价值。

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