商用航空航天业是运营难度最大、最为复杂的行业之一。如今,商用飞机制造商和运营商必须应对经济、技术、安全及环境等多方面的复杂要求,才能实现长期的商业成功。
航空结构件是这一复杂体系中的关键组成部分。除了满足精确的结构要求外,航空结构件还必须达到成本、可制造性、耐久性和耐候性方面的目标。内饰部件也必须符合严格的阻燃性和热释放法规。
采用由Nomex® Kevlar® 纸制成的轻质蜂窝芯材的三明治式航空结构,已在业内应用数十年。如下图所示,此类结构在飞机各处得到广泛应用,从要求较低的内部部件到要求极高的外部结构均可见其身影。此类部件是已知结构效率最高的,能在尽可能轻的重量下实现所需的机械性能。
轻量化的优势
减轻重量能带来诸多好处。最明显的是燃油效率。较轻的飞机所需的升力较小,这意味着:
- 降低燃油消耗和费用
- 载荷增加
- 续航里程增加
轻量化带来的另一个好处是可持续性。全球航空航天业产生的二氧化碳排放量约占全球总量的2%(www.iea.org/reports/aviation)。减少航空业对环境的影响,是实现行业可持续发展的重要途径。
燃油消耗的减少将带来运营排放的降低。鉴于飞机在其整个生命周期中,超过99%的二氧化碳排放发生在运营阶段,减轻重量是降低飞机碳足迹最直接、最可行的途径之一,并在其20至30年的运营寿命内带来巨大的效益。
这些优势不仅限于燃油驱动的飞机;新型电动先进航空出行(AAM)/电动垂直起降(eVTOL)飞机同样受益。有人认为,对于AAM而言,轻量化甚至更为关键,因为电池的能量密度比液态烃低一个数量级以上,这极大地限制了航程和载荷(即乘客或货物的数量)。 对于AAM的商业模式而言,每减轻一磅重量都弥足珍贵。
Kevlar® 1密耳纸
为满足进一步轻量化的需求Arclin 一种超轻型Kevlar® 纸产品推向市场,该产品适用于飞机客舱内饰夹层结构——尤其是商用飞机和先进航空器(AAM)。由于客舱内饰约占飞机总重量的 15%,内饰部件的轻量化不仅能直接降低燃油消耗,还能降低运营成本、减少碳足迹,并增加航程和/或载荷。
采用尖端复合材料通常成本高昂,因为此类材料尚处于生命周期的早期阶段,且产量较低;然而Arclin Kevlar® 1密耳纸与其他N636等级产品一样,均在现有的商业化生产设施中制造。重要的是,这通常无需对零部件制造工艺进行重大调整。
超轻型 5 公斤 侧壁演示机
Arclin 德国复合材料技术中心有限公司(CTC,空客旗下公司)以及全球航空航天蜂窝材料制造商Euro-Composites近期合作的一个项目,充分证明Kevlar® 1密耳纸的优势。
该项目的主要目标是减轻典型双通道客机侧壁面板的整体重量。侧壁通常由蜂窝芯构成,两侧覆有酚醛/玻璃预浸料层压板,且面板的可见表面贴有装饰箔。
除了这些显著的减重优势外,由于工艺流程保持不变,不仅制造现场的实施成本得以降低,与零件预处理相关的劳动力成本也大幅减少:采用Kevlar® 1密耳纸制成的全尺寸侧壁部件,其蜂窝图案的透印现象显著减少,因此在贴覆装饰箔之前,仅需进行极少的手工表面处理。