藝術家的構思展示了貨艙的后端，由兩部分組成的貨艙門形成了后機身光滑、上翹的下腹。

 

　　

     
        A400M 不同尋常的分體式貨艙門配置允許在無需降落和起飛的情況下進行設備/補給空投等戰術演習。

 

　　

     
        三個A400M機身段已準備好安裝艙門，最近的機身段上已安裝好復合材料上部。
 

　　
 
       步驟1：CAD圖紙顯示整體零件設計：外板為藍綠色，整體加勁桁條為深綠色，橫梁為黃色。較小的部分內門顯示為粉紅色。注意零件周邊的端壁。大鉤連接處用于在飛行中密封門。
 

 

　　
       步驟2：一名技術人員將干式多軸無卷曲織物和單向碳纖維增強材料，放置在一個復合材料凹模模具中，成為門板外蒙皮。
 

 

　　步驟3：完成外蒙皮鋪放。注意桁條和橫梁位置處的堆積模式。

 

 

　　步驟4：將預成形長桁放在門板上，并用GORE-TEX薄膜裝袋。在裝袋和輸液過程中，一系列膠帶將預成形長桁及其相關工具固定在一起。

 

  

　
       
      步驟5：裝袋過程的特寫，顯示桁條在門板上的位置。
 

    

 

　　
       步驟6：蒙皮和桁條固化完成后，將部分完成的零件放入臨時木制夾具中進行無損檢測。資料來源：EADS軍用航空系統公司，奧格斯堡
 

 

　　
      步驟7：一個可操作的夾具將零件固定在適當的位置，用于鉆孔和精加工步驟，因為橫梁、端壁和鉸鏈都用金屬緊固件連接。
 

 

　　
      步驟8：涂漆部分的特寫顯示了將橫梁固定在外板和端壁上的金屬緊固件。

 

 

　　
      步驟9：完成的門的外表面
 

 

　　
        步驟10：安裝在A400M后機身上的第一扇艙門。

 

　　空運能力和物資便攜性是任何國家軍事和應急準 備的關鍵要素。到目前為止，波音公司的 C-17“環球霸王”和洛克希德·馬丁公司幾十年前推出的 C- 130J“大力神”已經構成了世界上大約2300輛老化軍用運輸工具的大部分，其中許多將進行翻新。空中客車軍用公司（法國布拉尼亞克）希望通過其新型A400M貨機占領這一戰略市場的一大塊。

 

　　新的空運機比C-130J稍大，但比C-17小，是復合材料密集型的——A400M的復合材料翼梁的設計和制造，將支持世界上最大的渦輪螺旋槳飛機發動機，在上一期的HPC中有描述。該飛機的垂直和水平尾翼在西班牙生產，也是一種大型碳纖維/環氧樹脂部件。

 

　　今年 1 月，歐洲航空防務與航天公司（EADS）軍用航空系統事業部（德國奧格斯堡）向空中客車公司交付了第一扇A400M上部貨艙門，這是迄今為止使用真空輔助樹脂灌注工藝生產的最大的結構復合飛機部件。EADS Augsburg 是空客家族最大的外部供應商， 并通過其能力中心幫助設計和推廣航空結構的創新材料和技術。其中一扇貨艙門最近在法國巴黎的 JEC復合材料展上展出。該門代表著在高要求的結構應用中低成本、熱壓罐外固化的重大突破。

 

　　降低成本的設計

 

　　A400M有四個渦輪螺旋槳發動機和高機翼，設計有打開機身后部的貨艙門。本文中描述的7米/23英尺長、4米/13英尺寬的全復合材料上貨艙門向上和向內擺動，而配有金屬坡道的下貨艙門同時向外和向下旋轉，以便裝載或卸載車輛和貨物。當關閉時，兩個艙 門形成光滑的后機身腹部。

 

　　EADS奧格斯堡公司的一位設計工程師表示，幾何結構復雜的上艙門是為盡可能低的重量而設計的， 目的是減少門機構的負載，并幫助實現 A400M 的整體 重量目標。機身重量較小意味著可以拖動更大的有效載荷。此外，零件剛度必須最大化，因為門位于機身 的加壓部分內，在加壓循環期間受到顯著的疲勞載荷。

 

　　EADS 的工程師使用有限元分析（FEA-finite element  analysis）軟件為預期載荷設計門。他們還選擇放棄高壓滅菌器，使用 EADS 的專利輸液技術 VAP-vacuum-assisted  process（真空輔助工藝）制造門，以最大限度地降低生產成本。與目前復合材料行業中使用的許多其他灌注工藝一樣，VAP采用真空來促進干碳纖維增強體在真 空袋下的環氧樹脂灌注。然后，零件在烘箱中固化， 而不是在熱壓罐中固化。

 

　　門由幾個元件組成。最大的外殼是一個略微圓頂 和錐形的矩形，由實心、無卷曲的碳/環氧樹脂層壓板制成。蒙皮的內表面由 16 根桁條加固，桁條與機身長軸平行。一個單獨的邊緣墻，大約203毫米/8英寸高，形成了零件的周邊。九根結實的橫梁垂直于桁 條，并用金屬緊固件連接在蒙皮上。狹窄的內層（見右側步驟1和7）覆蓋艙門內表面的中心部分，并起到 部分內層的作用，以增加剛性。它還用幾個小桁條加固。用螺栓固定在外殼上的金屬鉸鏈將艙門連接到機身上，在飛行過程中，固定在邊緣壁上的大型金屬鉤用于將艙門固定到位。

 

　　設計和VAP過程的一個關鍵因素是，加強桁條與門的內外蒙皮是一體的，可以節省大量的生產時間， 并消除數千個緊固件。設計團隊能夠省去將桁條連接到蒙皮上所需的大約3000個金屬鉚釘，從而節省了緊固件的重量和可觀的成本。

 

　　無需熱壓罐

 

　　門的制造始于在EADS內部設計和制造的內模線碳纖維/環氧樹脂復合材料模具上鋪設外蒙皮。雖然該 公司沒有公開表層的確切數量和方向，但由SAERTEX （德國 Saerbeck）提供的 0/90°和±45°風格的干碳 纖維多軸增強材料，以及由Hexcel（加利福尼亞州都柏林）提供的干單軸織物組成了層壓板。最內層（見步驟3）在桁條和橫梁將接觸的區域有額外的堆積物。

 

　　奧格斯堡的工程師將整體加勁桁條稱為“L-Z”設計，其形狀基本上類似于大寫字母Z，具有垂直腹板，疊加在后向大寫字母L上。桁條高約65 mm/2.5英寸，下翼緣寬50mm/2英寸。桁條頂部凸緣中的多 個層板下降到垂直腹板中數量的大約一半；腹板層然 后分裂以形成水平的下凸緣。SAERTEX 0/90°和 ±45°多軸干織物以及Hexcel 的單向材料的組合構成了桁條。為了在預成型期間將干燥的桁條增強件固定到位，Augsburg 報道稱，一些增強件在頂面上提供了熱塑性聚酰胺面紗或薄膜；當加熱時，熱塑性面紗熔化并變得粘稠，從而將多層粘合在一起。

 

　　技術人員在一個廉價的木制模板上預制桁條，方 法是堆疊無卷曲織物條，然后用小熱風槍加熱，使熱塑性塑料熔化，從而將無卷曲織物條粘合在一起。頂部凸緣上的短層結構由單向材料制成；0/90°和 ±45°的材料通過腹板形成連續的鋪層。將一個由小直徑碳纖維編織物制成的三角形“面條”或填充物插入鋪層分裂處形成的空隙中，形成平坦的下凸緣。

 

　　然后將預成型的桁條放置在疊層蒙皮上。長的碳纖維/環氧樹脂芯模放置在每個桁條的兩側，以將預成 型件保持在正確的形狀，并在固化過程中提供固結壓 力。然后，每個桁條及其心軸覆蓋由 W.L.GORE&Assoc.（特拉華州紐瓦克）提供的 GORETEX 透氣膜材料。

 

　　當所有桁條都就位并裝袋后，技術人員用標準通氣材料和裝袋膜將整個門——蒙皮和桁條——裝袋， 并為輸液做準備。該樹脂為RTM-6單組分環氧樹脂， 由Hexcel制造。據報道，這種眾所周知的灌注樹脂易于加工，在 180°C/350°F 的溫度下具有良好的熱/濕性能，并且它的加工窗口超過兩個小時，足夠時間灌注這種尺寸的一部分。

 

　　當 VAP 過程啟動并在外袋上抽真空時，GORETEX允許從每個桁條袋中排出空氣。由于僅使用真空壓力將樹脂引入每個桁條和蒙皮中，GORE-TEX確保樹脂留在每個桁條袋中，以便完全浸泡。該公司聲 稱，這種特殊的薄膜使共聚概念發揮了作用。一位工 程師表示：“GORE-TEX 允許空氣通過，但不允許樹 脂通過，因此我們可以確保每個桁條完全排空空氣和 注入樹脂，最大限度地提高最終纖維含量，最大限度減少空隙。”

 

　　然后將外層蒙皮/桁條部件放置在 180°C/350°F 的烘箱中數小時以固化。不需要后固化。

 

　　門的狹窄內蒙皮是以同樣的方式制成的，使用同樣的程序來固定其整體桁條。其余部件也使用VAP制造。端壁包括由 Rohm Degussa GmbH（德國達姆施塔特）提供的 Rohacell PMI（聚甲基丙烯酰亞胺）泡沫芯。型芯放置在橫梁緊固件位置之間的區域，以減輕零件重量。

 

　　橫梁是厚的實心層壓板，沿其下邊緣有一系列切口，以容納桁條。梁的下邊緣也有擴展凸緣，以便于通過螺栓連接到外殼上（見右側的步驟 8）。

 

　　生產準備就緒

 

　　整個貨艙門的組裝包括一個大型固定夾具（見右側步驟 9），該夾具支撐外殼，并能夠組裝、粘合、鉆孔和緊固所有艙門部件和鉸鏈部件。組裝完成后，艙門噴漆并交付給德國不來梅的空中客車公司。據空中客車公司稱，在HPC付印時，已經組裝了三個機身， 其中一個將進行靜態和動態測試，直至失效。

 

　　奧格斯堡的工程師指出，在全面生產時，奧格斯堡工廠每月至少必須生產三扇門。雖然手工預成型方法足以用于最初的產品，但該公司已與一家德國公司簽訂合同，生產一臺旨在自動化桁條預成型過程的機 器，這將有助于使注入的零件更具成本效益。

 

　　A400M的首飛計劃于2008年1月進行。空中客車公司擁有190多個固定訂單，渴望滿足其公布的時間表，并于2009 年秋季開始向客戶交付飛機。A400M的成功在很大程度上取決于它——這是一個有潛力重振戰略空運市場的新產品。

 

　　注：原文見，《 A400M cargo door: Out of the autoclave 》 2010．2．5．

 

　　楊超凡 2023.8.5