臭鼬工厂的碳纤维运输机——X-55A

摘要：传统的飞机使用螺栓、铆钉和焊接连接金属结构部件和蒙皮，复合材料可负担性倡议（CAI）则提供了一个新的途径。复合材料结构在战斗机/攻击机应用中已已经非常普遍。但在大型飞机上应用则受到限制，人们认为成本和风险高于预期。CAI 是五角大楼有史以来启动的最大复合材料研

冷门飞行器197

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X-55A

传统的飞机使用螺栓、铆钉和焊接连接金属结构部件和蒙皮，复合材料可负担性倡议（CAI）则提供了一个新的途径。复合材料结构在战斗机/攻击机应用中已已经非常普遍。但在大型飞机上应用则受到限制，人们认为成本和风险高于预期。CAI 是五角大楼有史以来启动的最大复合材料研发计划。CAI 的核心技术是使用新型粘合技术结合大型集成的初级飞机结构，以简化生产以及降低成本。

X-55A

由空军研究实验室、海军研究办公室、贝尔直升机德事隆、波音公司、洛克希德马丁公司和诺斯罗普·格鲁曼公司组成的 CAI 团队为国防部供应商基地提供了一套工具和技术，但实际应用非常有限，唯一的成果是C-17的起落架舱门。

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2006 年，CAI 团队获得了演示其技术的机会。空军研究实验室（AFRL）发起了主要使用复合材料建造完整军用运输飞机演示机的需求征集，要求包括使用有限的资金并确保飞机在授予合同后 18 个月内飞行。

洛克希德 ACCA方案

2007 年 1 月AFRL发布了一份先进复合货机（ACCA）提案邀请，要求完成一架 CAI 复合材料技术演示机，尺寸是 C-130 的 50% 到 75%满足军用运输机的特征。预算限制为 5000 万美元，2008 年 10 月前首飞。AFRL收到了9份提案，选择了两份进行详细设计竞争。

AFS 的安东诺夫 An-72 改进 ACCA方案

由于预算和交付期限限制，投标人选择了使用现有平台，极光飞行科技（Aurora Flight Sciences ）提供了基于安东诺夫 An-72的设计，洛克希德臭鼬则提出了一架使用费尔柴尔德-道尼尔Do 328Jet客机（【冷门飞行器134】）平台的改造设计。

费尔柴尔德-道尼尔Do 328Jet

尽管这两个概念都被认为是可行的，但后者被选为风险较小的概念。因此，洛克希德马丁公司被授权进入第二阶段开始工程建造工作。

洛克希德ACCA概念图

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臭鼬拆解了道尼尔喷气式飞机，保留了驾驶舱和飞行控制、发动机、子系统和许多其他关键部件，以便在 ACCA 上重复使用。由两台加拿大普拉特-惠特尼PW306B 涡轮风扇发动机提供动力，这架飞机经过重新设计，铝合金的前机身保留，在舱门后采用了扩展的、全复合材料的、粘合的后机身。具有共粘合组件的复合垂直尾翼，复合材料的机尾装载货舱门，以及坚固的主起落架整流罩和舱门，新加宽的机身允许通过后坡道装载货物。

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19.8 米/65 英尺长的上下机身蒙皮结构采用三明治设计，使用 Advanced Composites Group提供的 MTM-45-1 高压釜外（OOA）碳/环氧树脂预浸料在 Janicki Industries提供的低成本、短交货期复合材料模具上制造，采用烘箱固化（350°F/177°C）和真空压合。

制作中的复合材料后机身

机身蒙皮芯是由 Hexcel提供的非金属 HRH-10 Flex-Core。这些大型集成部件是迄今为止使用 MTM-45-1 材料生产的最大部件。框架、地板支撑、货舱门、压力舱壁和整流罩采用相同或类似的材料和方法制造，并使用三维编织“pi”预制件粘合到上下蒙皮上。必要时，在碳复合材料和铝部件之间使用玻璃纤维隔离层，以防止电腐蚀。

上下机身组件使用 Cytec Engineered Materials Inc.的 FM-300 粘合剂以双搭接剪切配置粘合，然后用 MTM-45 层包裹并烘箱固化。与传统金属设计相比，这种机身制造方法需要的零件数量只有十分之一，紧固件数量减少了 98%

3.8 米/12.5 英尺长的垂直尾部是使用 Hexcel 提供的 IM7/977-3 预浸料胶带放置的纤维，蒙皮在高压釜中预固化。肋条和纵梁网单独制造组合并与由相同 IM7/977-3 材料制成的 pi 接头共粘合。控制面驱动机构安装在尾部，以机械方式连接。

机身组装后，结构验证测试于 2008 年 12 月完成。测试结果与有限元模型的预测高度拟合。由于在 OOA 复合材料的应用和大规模粘合方面遇到的挑战，第一个下部蒙皮的粘合不令人满意因此另外制造了一个，这造成了延误，ACCA在2009年6 月 2 日成功首飞，比计划晚了 9 个月。在10月正式获得了X-55A的验证机编号。

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随后的试飞包括15-20个架次，ACCA计划的技术目标已经实现：一架具有大型集成和粘合复合结构的飞机，满足军事用途目标，尺寸相当接近 C-130，并在政府投资的 5000 万美元成本限制内完成。

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ACCA 团队评估了零件整合对成本的影响。CAI 对大型集成和粘合结构减少了设计、规划、采购、安排、制造、校准、采购、存储和库存工具所需的劳动时间。此外，零件及各个方面的工时减少 90% ，包括钻孔/紧固等工序，类似设计的制造成本估计只有传统设计的一半。

X-55A

但问题也不是没有，大型复合材料机身结构的维修性上近期受到广泛质疑，这在诸如波音787这一类广泛使用复合材料的商业客机上已经显现出来，比如在发生擦尾事故后，787很可能会导致需要更换整体尾部结构，严重情况会直接报废，在传统结构客机上，这一类损坏可以通过简单的更换部件并局部加固解决。作为大型军用运输机，很难保证全运行周期不会碰到类似的不大不小的结构损坏事故。