最近国内外多家媒体报道，空客A320准备用复合材料机翼，代替现在的铝合金机翼。空客这一举措，使得A320这个4-50年的老机型焕发青春。新A320在民机市场上，势必将波音737、C919、MC-21摔在后面。空客早在2015年就启动了，“明日之翼 - wing of tomorrow”研发项目。项目的核心一是使用复合材料, 二是符合空气动力要求的，先进结构设计, 三是采用数控自动化技术的生产线，要能够满足月产60-100架制造速率。另外具有成本效益竞争优势。
折叠机翼 (绞链翼尖)
折叠机翼在航母舰载飞机F-18，以及波音777X上已经应用了。它的主要功能是，当飞机停放在航母甲板或飞机在地面运转时，将翼尖向上收起减少占地面积。当飞机滑行起飞时，放平绞链翼尖并锁死。机翼固定部分与收起部分用绞链连接。
在“明日之翼”项目中，绞链翼尖不再是为了减少飞机占地面积，而是有新的具有空气动力功能的，信天翁（albatross）式的“半气动弹性铰链”机翼。信天翁是一种海鸟不用拍打翅膀就能翱翔数百公里。模仿这种飞行技术，有助于帮助减少阻力和对抗湍流的影响，使飞机设计更轻、更省油。传统机翼在湍流期间向机身传递巨大的载荷。这就需要对机翼的根部进行大量加固，从而由于大量加固的机翼翼盒而增加了飞机的重量。“半气动弹性铰链”机翼，通过允许翼尖对阵风做出反应和弯曲，载荷显著降低。同时，该技术可以减少阻力，对抗湍流和阵风的影响。空客工程师认为“信天翁”是下一代飞机机翼的代名词。
机翼使用复合材料制造，除了减轻重量、解决疲劳问题，还给空气动力带来很大的好处。机翼蒙皮是在具有蒙皮外形的凹模中用复合材料模塑成形的。蒙皮外形准确、且光滑流线，再加上它与长桁连接不用铆钉。装配好的机翼，比金属机翼阻力小。
复合材料比强度高，机翼做的比金属机翼薄。薄机翼阻力小。特别复合材料机翼，可以做到比金属机翼展弦比大。展弦比大，机翼的升力就大。展弦比大就是机翼窄长，像滑翔机、太阳能飞机，为追求大的升力，都有很长的机翼（展弦比特别大）。（注：展弦比，翼展与机翼平均气动弦之比。）
近期媒体报道，新A320机翼展弦比为15.5，铝合金机翼展弦比为9.5。但根据网上资料，新A320机翼展弦比有可能超过15.5。
新A320机翼选材和制造工艺
目前，制造复合材料机翼选材和制造工艺，有下列几种：
1）波音787、777X、空客A350，材料用预浸环氧树脂基材的碳纤维无捻纱带（slit tape）或碳纤维单向带（UD）。制造工艺用自动铺丝（AFP）或自动铺带（ATL）。在热压罐中历经180℃、10个大气压、10小时的高温、高压固化。机翼壁板蒙皮与长桁共固化。
2）俄罗斯MC-21复合材料机翼，材料用碳纤维无捻干纱带。制造工艺用自动铺丝（AFP）。在热灌注中心灌注环氧树脂基材。在180℃高温炉中固化。灌注基材树脂和固化两道工序，需要20多小时。机翼壁板蒙皮与长桁共固化。
3）空客A220（原庞巴迪C系列110/130）复合材料机翼，材料用碳纤维干无卷曲织物（NCF）。蒙皮与长桁在热压罐中经80℃、14psi真空压力，灌注环氧基材树脂。然后在热压罐中经180℃、2小时固化。灌注基材树脂和固化两道工序，需要8-10小时。机翼壁板蒙皮与长桁共固化。
空客制造新A320机翼，并没有直接使用上述工艺。在“明日之翼”项目中，针对上述三种工艺的不足之处，研发了一套新的工艺方法。制造机翼的材料选用，碳纤维干无卷曲织物（NCF）。
干无卷曲织物（NCF）使用超高速铺放工作站（UHRDCU -ltra High Rate Deposition Cell）。此工作站可以按设计要求，精准测量、切割干无卷曲织物（NCF）。使得以后成型的零件，做到净边无余量。此工作站还有两个材料处理系统，用于将切割好的无卷曲织物精确地装载到蒙皮工具中。第一个系统，称之为FibreFORM，由密集270个吸盘组成的吊具（图13.）。吸盘安装在柔性轴上，每个吸盘都能够根据产品三维模型数据，发出指令定位和提供吸力。它可以捡起一块切割好的无卷曲织物，并小心地将其吸成三维形状，然后将其放在模具上。第二个系统，称为FibreROLL，将切割好的、长的无卷曲织物叠层卷到滚筒上。此滚筒是吊具一部分。然后将它们吊往模具，精确地展开到模具上。
机翼壁板成形模具分加热上盖和下模。下模是有蒙皮外形的凹模。另外有半柔性薄真空袋。在靠近模具表面有集成加热装置，按不同区域、不同需要提供快速和精确的温度控制。
灌注基材树脂采取一套称为智能树脂灌注系统（IRIS-Intelligent Resin InfusionSystem ）的技术，多点注入基材树脂进行生产。
树脂灌注后，进入高温炉固化。
以上选材和制造工艺，在“明日之翼”项目中用7米长的机翼下壁板试验件、4米长的梁试验件，进行了验证。
新A320用新结构的襟翼和扰流板
新结构的襟翼和扰流板，均采用碳纤维无卷曲织物（NCF），灌注基材树脂，高温炉固化的材料和工艺。
现在A320的外襟翼有7.4米长。它用26个预浸料零件组装而成。在“明日之翼”项目中用干纤维（包括碳纤维无卷曲织物）、灌注基材树脂、高温炉固化，研制出无肋的三腔结构的外襟翼。
1987年开始使用的A320扰流板，是在蜂窝芯外面手工铺放碳纤维预浸料制成的。新的扰流板结构是一种无芯、整体蒙皮和梁。材料是干碳纤维无卷曲织物（NCF）。灌注基材树脂。高温炉固化。在苏格兰的普雷斯特威克，新建成制造新扰流板的专业工厂。新工厂高度自动化，目标是满足新A320月产60-100架飞机的需求。
今年4月份国外媒体报道了，英国GKN公司已经向空中客车公司交付了三套用热塑性聚醚酮酮（PEKK）复合材料制造的翼肋，其中一套翼肋将装入试验机翼测试。
翼肋用热塑性复合材料制造，是现民机首创。由于翼肋在飞行中，承受大的剪切载荷。热固性环氧树脂基碳纤维复合材料的剪切强度较低，不适合用于制造翼肋。目前，所有民机复合材料机翼的翼肋，都是用铝合金制造。如，波音787、777X；空客A350、A220；MC-21。
结束语
新复合材料机翼将于2023年完工。本文根据空客研发过程中陆续公开的信息，归纳出新复合材料机翼的诸多亮点。编写中感触颇深！技术实力雄厚的空客公司并未因循守旧，手中有什么就用什么。而是在现有基础上，去除不利因素，创新使用先进技术。对于新技术，严格执行成熟度规范的要求进行工作。只有成熟度达到一定的技术储备水平（TRL）等级，才能投入建造、生产。一个复合材料机翼项目，就从2015年启动到2023年完工历时8年。这正好印证了“磨刀不误砍柴工”这个古训。
写到此又为C919的技术决策惋惜 ! 最初机翼要用复合材料，全机复合材料用量达25%左右。项目中途机翼又改回到用铝合金。此举致使几年以后，C919无法再与新A320对标了。（来源 | 杨超凡 研究员 先端技术整理）
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