A400M軍用運輸機從體積上比C-130J大力神略大，但比C–17環(huán)球霸王小，是一款復合材料密集型軍事運輸機。由于A400M軍用運輸機的翼梁采用復合材料制造，因此在它身上可以容納下世界上最大的渦輪螺旋槳飛機發(fā)動機。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)氧樹脂復合材料制造的飛機部件。

    今年1月，由歐洲航空防務和航天公司（EADS公司）軍用航空系統(tǒng)業(yè)務部（位于德國奧格斯堡）為空中客車公司首架A400M軍用運輸機制造的結構部件——上貨艙門，正式交付使用。A400M運輸機的上貨艙門是迄今使用真空輔助樹脂滲透工藝制造的最大的復合材料飛機結構部件。歐洲航空防務和航天公司（EADS公司）是空中客車系列最大的外部機構件供應商，EADS公司通過其核心競爭力促進飛機結構件的材料和技術創(chuàng)新。其貨艙門產(chǎn)品曾在上個月法國巴黎舉辦的JEC復合材料展展出。該產(chǎn)品在低成本、熱壓釜處理、以及高度苛刻的結構應用等方面實現(xiàn)了重大突破。

    低成本設計

    A400M軍用運輸機采用4臺渦輪螺旋槳發(fā)動機，高翼、和貨艙門機身后部開放的設計。在下貨艙門（配有金屬坡道）向外和向下旋轉的同時，全復合材料上貨艙門（長4m/13×寬7m/23英尺），會配合其下方的貨艙門進行向上和向內(nèi)的擺動，以方便車輛和貨物裝載或卸載。當處于關閉狀態(tài)時，兩個艙門緊貼機身下腹位置形成光滑流暢的曲線。

    據(jù)一位EADS奧格斯堡設計工程師介紹，上艙門之所以采用這種復雜的幾何學設計目的是為了盡可能降低艙門的重量，減少艙門產(chǎn)生的負載，以最終滿足A400M軍用運輸機整體的重量目標。因為只有機身重量減輕了，才有可能承擔更大的有效載荷。此外，該設計使艙門嵌在機身內(nèi)部，兩者幾乎融為一體，也使艙門的整體剛度達到最大化，并且有效提高飛機在飛行增壓循環(huán)過程中的疲勞載荷。

    EADS的工程師首先利用有限元分析（FEA）軟件對艙門進行預期負載設計。然后使用EADS的真空輔助滲透專利技術，和熱壓釜設備制造艙門，以減少生產(chǎn)成本。正如當今在復合材料行業(yè)所普遍采用的滲透工藝，采用真空滲透的特點是促進真空袋中環(huán)氧樹脂滲透對干燥碳纖維的增強效果。目前，多數(shù)制品的固化采用烤箱，而不用熱壓釜。

    艙門包括幾大要素：最大的部件是艙門外殼—一個稍微隆起的圓錐矩形體，由固體無芯碳環(huán)氧層壓板制造而成。而內(nèi)殼的表面是由16根平行于機身長軸的桁條加固。艙門的外緣采用一個獨立的端壁（大約203毫米/8英寸高）結構設計。九根結實的橫梁與桁條垂直交錯，通過金屬緊固件加筋到艙門外殼上。艙門內(nèi)側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的剛度。除此之外，艙門外殼還通過一個金屬鉸鏈固定到機身上，而在艙門邊緣則裝有較大的金屬掛鉤用來控制艙門的位置，以防在飛行過程中走偏。

    而對于艙門的設計和真空輔助滲透工藝過程來說最關鍵的因素是：桁條與艙門的內(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)省加工時間，還能為設計團隊免去約3,000個金屬鉚釘，從而大大降低艙門的重量和節(jié)省下緊固件的成本。

    無需使用熱壓釜

    艙門的制造首先要從外殼開始，以碳纖維/環(huán)氧樹脂復合材料為模具，采用手糊工藝，全部設計和制造工作都由歐洲宇航防務集團（EADS）承擔。雖然該公司沒有透露關于內(nèi)外殼厚度以及定向的具體數(shù)字，但是層壓板是由SAERTEX（德國澤爾貝克）供應的多軸向碳纖維復合增強材料（0/90°和±45°經(jīng)緯度的組合），以及由Hexcel（加利福尼亞州都柏林）提供的單軸干布構成的。而層壓板最靠內(nèi)的一層則需要通過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”設計，大約65毫米/2.5英寸高，還有一個50毫米/2英寸寬的邊緣。為了控制好預成形過程中桁條的位置，增強材料的頂面組織有一部分是熱塑性聚酰胺紗，遇熱時，熱塑性聚酰胺紗中的樹脂會熔化變粘，從而起到粘合層壓板的作用。

    技術員們首先在一塊廉價的木模板上對桁條進行預成形處理，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，將預制桁安置進艙門外殼。桁條的兩端裝有長碳纖維環(huán)氧樹脂心軸，用以保持預制桁的形狀，同時在固化的過程中為其提供持續(xù)的壓力。每根桁條和心軸都覆蓋著的GORE-TEX透氣膜，該透氣膜材料由戈爾協(xié)會（W.L.Gore&Assoc.位于特拉華州紐瓦克）提供。

    當所有的桁條都被安置到位以后，技術員就開始用標準真空袋薄膜材料對整個艙門（包括艙門外殼和桁條）裝袋和真空滲透。滲透所采用的樹脂采用赫氏制造的RTM-6單組分環(huán)氧樹脂，該樹脂在真空滲透工藝領域小有名氣，被認為是最易于操作，并能提供優(yōu)質(zhì)熱（180°C/350°F）/濕性能，同時幫助整個滲透過程持續(xù)兩個多小時。要知道，足夠的滲透時間對于像飛機艙門這么大規(guī)模的部件來說尤為重要。

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

    樹脂滲透完成之后，艙門外殼將被放進烤箱，在180°C/350°F的溫度下完成固化，無需任何后固化程序。

    此外，艙門的其他部分，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”。制造艙門采用的端壁是Rohacellpolymethacrylimide泡沫夾芯材，由德國羅門德固賽公司（RohmDegussaGmbH，位于德國達姆施塔特）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。橫梁是一根根結實的實心層壓材，其下緣沿部分經(jīng)過剪切，以容納下桁條。

    生產(chǎn)準備

    艙門的裝配會涉及大型夾具，用以支撐艙門外殼，和完成一系列組裝程序，包括焊接，鉆孔和門鉸鏈的緊固。組裝完成后，再對艙門進行涂裝，最后交付給空中客車公司位于德國不來梅的工廠。據(jù)空中客車公司介紹說，將由空客不來梅工廠完成機身組裝，和靜態(tài)/動態(tài)測試。

    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個艙門。雖然目前手預成形方法能夠基本滿足初始的生產(chǎn)任務，但是空客公司還是從長遠的角度考慮，已與一家德國公司簽署了自動化預成形工藝引進協(xié)議，該設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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