首页 > 航空 > 正文

经编技术在航空航天领域的应用, 提升航空航天技术创新发展

时间:2019-01-27 16:36:53        来源:

经编是一种高效的织物加工方法,是产业用特别是航空航天领域纺织材料理想织造手段产品结构丰富尺寸稳定性强、适型性强、可设计性强,综合性能优越,在多个领域以织物或复合材料的形式被广泛应用,如卫星天线航空航天飞行器的壳体与内饰等。本文系统地总结了用于航空航天领域的主要经编结构特征,阐述其生产设备技术创新发展同时介绍了几种典型经编结构在航空航天领域的应用情况,并对经编结构在航空航天领域的未来发展方向做了展望。

根据航空航天领域对经编织物和经编复合材料的应用需求,主要涉及的结构包括:经编网眼结构、经编轴向结构和经编3D间隔结构。

经编擅长形网眼织物,具有网眼大小与形状可控、无结头、表面光滑、质轻等优势,已经被广泛用于医学、建筑和航空航天等多个领域。随着新型织造原料的研发、织造设备的改进以及织造工艺的优化,以高性能纱线甚至金属丝材作为织造原料的经编网眼织物的开发已经逐步获得成功。使经编网眼结构不仅用于服装、装饰织物和常规产业用领域,更能满足航空航天等高端领域的需要。此外,作为柔性结构,该类织物在保证尺寸稳定性和功能性的同时,还有利于展开和折叠收纳,具备独特的优势。

经编轴向织物由轴向纱和捆绑纱两个纱线体系组成,其丝束平行伸直排列,形成纱线层,由经编地组织沿厚度方向进行绑缚,形成一个稳定的整体,使得诸如碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维或芳纶等高性能纤维的力学性能得到了最大程度发挥。经编轴向结构是典型的无屈曲结构,纱层轴向对称,取向性强,可设计性强,由于其纱层无交结,因此,极大程度地避免了纱线交结部位树脂聚集区的出现,同时具有良好的树脂导流性和浸润性,成型性能优异,成为制备超薄、超厚的平面或曲面复合材料的理想增强结构。所以,在航空航天领域中,尤其在飞行器壳体的制备中,经编轴向增强复合材料得到了越来越多的关注和应用。

经编3D间隔结构是一种在双针床经编机上生产的典型的三维经编成形结构,由2层面纱和间隔纱组成,具有良好的空间可塑性。通过经编织物的纤维排布、密度调整和结构变化,满足气体可通过性、液体可流动性和固体可嵌入性等功能,实现经编材料的集热、储能、供排水和传感等性能。在应用中,实现功能整合,符合功能导向的需要,是理想的轻质、超厚复合材料增强体和功能材料载体。

经编结构以其丰富多样、柔性、轻质、高强特点在航空航天领域得到越来越多的应用。未来经编结构将以超薄、超厚、功能集成等作为主要发展方向,同时,新结构的研发将使经编结构在有效替代传统结构的同时,提升部件的综合性能。

当今,经编装备技术正向着高生产效率、高精细度和高稳定性的方向发展,经编产品的品质与功能得到了有力提升,使其更能满足航空航天领域高品质、高标准的要求。

生产经编网眼产品的设备以少梳栉特里科或拉舍尔经编机为主,可满足经编网眼结构多样、可设计性强的要求,根据最终用途,可对网孔的形状、大小、孔隙率等进行调整,且织物质量轻、结构稳定、易收纳,尤其适合航空航天用可展开金属天线网状结构的开发与织造。随着高速经编机电子横移技术的发展以及新材料结构件的应用,织造网眼结构的经编设备正在向着功能化、稳定化的方向发展。

电子横移机构的应用,使得组织变化方便快捷,并且打破了传统设备花型受限的局面,提升了花型变化灵活度,使得网眼结构形成方法多样,网眼尺寸与形状可根据设计需要而改变。并且,优化后的织造技术与编织工艺更利于极细金属材料的连续织造,是开发不同密度、不同接收频率的航空航天卫星天线的良好设备。此外,随着以碳纤维复合材料为主的新型轻质高强结构件在经编机上的应用,进一步降低了部件的疲劳损耗,使经编设备的精度得到了提升,确保设备运行的稳定性,也缓解了金属材料的编织难度,同时,恒张力控制技术与在线疵点检测技术的发展,也为实现金属天线网状结构稳定的高质量生产提供了有利条件

多轴向经编机自1981年问世以来,通过不断的技术创新与完善,已经成为了无屈曲纺织结构织造和高性能纺织复合材料增强体制备的重要装备。目前国内外设备生产厂家致力于进一步提升多轴向经编设备的高速化和精准化,为高标准航空航天领域复合材料构件的生产奠定了基础

德国KarlMayer(卡尔迈耶)公司生产的马里模型多轴向经编机,设计最高机速达到1400r/min,产量为240m/h。国内企业近年来也在经编多轴向设备的研发中取得了显著成绩,打破了国外设备的技术垄断提高了铺纬高速定位精度,有效地提升了整机速度,最高机速可达1350r/min。同时,江苏润源、宏发纵横等企业还成功研发了用于织造碳纤维的多轴向经编机,填补了国内设备在该领域的空白。

此外,设备生产商还通过技术整合与集成对多轴向经编机进行了创新设计。卡尔迈耶将钢丝花梳技术和电子提花原理应用于多轴向经编机,配合碳纤维条带喂入模块,通过横移运动生产出在指定位置和方向进行纱线衬入,为优化航空航天结构件的设计,实现特殊部件的定向增强提供了可能性。

双针床经编机是织造经编3D间隔结构的典型设备,可通过调整脱圈板距离实现不同厚度间隔织物的编织。常规经编3D间隔织物的隔距在0.3~65mm范围内,随着技术的不断提升,现在经编3D间隔织物的隔距可达到100~300mm,极少数可达650mm以上,形成了超大隔距、超厚经编3D间隔结构。经编3D间隔织物的应用范围也相应地得到了进一步的拓展,并成为了航空航天飞行器功能化轻质板材的理想选择之一。

此外,随着产品功能的细化,对于经编3D间隔成形体的结构复杂性要求越来越高,以适应产品抗弯曲、抗剪切和抗压等高性能需求,这也催生了双针床经编机的结构改进与技术整合。例如,国外设备生产商将多轴向经编衬纱技术与双针床3D间隔结构相结合,创造出双针床多轴向经编机,并且通过穿纱设计调整两个面纱之间的连接程度,实现T形、H形等异形经编3D间隔结构的编织。这类设备可实现新型复合材料预制体的生产,同时也为提升航空航天飞行器关键部位中的结构支撑部件的整体性和稳定性提供了硬件支持

经编织造设备是航空航天用高性能经编结构制备的基础,对经编设备关键部件的性能提升将提高部件的抗疲劳性能,保证设备稳定性,延长使用寿命;此外,电子横移、恒张力控制与在线疵点检测等新型控制技术的应用,使经编设备向着精细化、智能化的方向发展;同时,织造技术的整合与集成创新,也将为新型结构的研发提供有效的解决方案

随着航天通讯技术的发展,口径卫星天线发挥着越来越重要的作用,并且对于天线的可收纳与可展开的柔性特征也有更高的要求。经编网眼结构既可满足大尺寸卫星天线的织造要求,以减小地面接收装置面积和体积;同时可收缩便于火箭承载,并在使用时展开成工作状态。此外,还可通过对经编网眼结构的网眼形状、网孔大小、孔隙率等规格以及织造材料等的调整,满足低频和高频卫星天线的力学性能要求和信号传输功能要求。因此,对于可展开卫星天线这一用途,柔性经编网眼结构是理想的选择。

国内多所高校相继开展了对经编卫星天线的研究。东华大学针对频段和高频段卫星天线,设计了14种经编网眼结构,采用舌针编织,选择凸轮式梳栉横移机构,缩短送经路径,并优化牵拉卷取结构,且通过调整金属纱线的弯曲刚度等手段成功采用直径为0.03mm的单根金属丝进行编织。此外,还建立了新型组织结构金属网的线圈结构模型,对其网状结构的尺寸和力学性能进行模拟预测江南大学等高校也将可展开卫星天线中的金属经编网眼结构的可编织性能作为研究重点之一,并且成功地在特里科和拉舍尔经编机上实现了多种结构的编织。

航空领域是复合材料的传统应用领域,主要用于飞行器机翼机身整流罩舷窗引擎罩盖等。目前,小型商务机和直升飞机的复合材料用量已达55%左右;民航大型客机使用复合材料的比例为:空客A350XWB52%、波音78750%、加拿大庞巴迪C系列46%、空客A38025%、中国商飞C91912%。预计到2018年,机身中复合材料所占比重将提高到77.4%,航空发动机占4.8%,飞行器内饰占17.8%。经编轴向织物结构非常适用于飞机壳体一类低曲率大部件的成型,可制成超薄或超厚复合材料,比强度高,耐疲劳。如今,碳纤维双轴向/多轴向经编结构增强的复合材料部件已经被成功应用于空客A380的外翼翼梁、空客A400M货舱门和波音787大型客机的厚承压框等部件。

卡尔迈耶公司将金属丝与0/90和±45碳纤维衬纱相结合,形成具有显著导电性的复合材料增强结构并用于飞机壳体的制备,使复合材料在具备杰出的机械性能和低密度的同时,满足高空飞行中防雷电的需要,弥补了航天复合材料中导电性能差的弱势。

江南大学通过对曲面经编多层多轴向复合材料壳体Feature专题研究纺织导报China Textile Leader 2018产业用纺织品专刊91的力学性能实验研究和数值模拟,系统揭示了该类超薄、超厚壳体构件在准静态冲击低速冲击条件下的面内和层间失效形式与损伤机理,为轻质高强的曲面经编多轴向结构增强复合材料在飞行器壳体上的应用奠定了理论基础。

由于3D经编间隔结构密度与厚度可根据实际用途进行灵活设计与制备,同时在结构内部的连接纱具有加固、支撑、保持厚度、反射声波等作用,因此该结构具有良好的缓冲性能、隔热性能以及声波反射与折射性能,可被广泛应用于飞机内饰,如桌板、侧壁版、天花板、行李箱架和地板等,是航空航天器舱内温度保持和降低噪音优良选材,并大幅减轻飞机内部结构的自重,还可充分利用间隔结构中的空隙进行传感器嵌入与布线,进一步提升其功能用途。

另外,3D经编间隔织物还成功地应用于飞机座椅等关键部件。通过与聚氨酯泡沫等填充材料的结合,形成具有卓越减震效果的多孔结构,同时保持良好的抗压强度、抗压刚度与能量吸收能力,在长时间使用的情况下,实现座椅面料的保形、透气与弹性,有效提升乘客的乘坐舒适度。

经编技术的革新、经编结构的创新以及产品功能的提升将极大程度地拓展经编产品在航空航天领域的应用。在此过程中,必须进一步开拓思路,通过新材料研发、织造和成形装备的改造升级,拓宽经编产品种类,细化产品分类。另外,要充分利用经编材料生产效率高、可设计性强、综合性能优异的特点,扩展其应用范围,促进经编织物及经编结构增强复合材料在航空航天领域的推广。随着经编结构创新和成型加工一体化生产技术的提升以及生产系统的完善,高性能经编材料的开发将进一步提高产品的机械强度,满足特殊工作环境,如高温、高湿、高寒环境等的需要,同时具备自适应性、自修复性和可回收再生性,为航空航天领域提供专业性能更强、综合性能更高的经编材料,使该类材料在高性能、多用途、良性循环的状态下健康发展。

    阅读下一篇

    为什么飞机遇难, 航空公司宁可

    世界这么大,我想去看看。现在很多人都喜欢出国旅游,而出国旅游最便捷的交通工具无外乎飞机。虽然现在的飞机都很舒适安全,但是偶尔也