摘要：清洁航空计划中的HERWINGT项目正在为混合动力支线飞机开发一种新型的超高性能机翼，包括热塑性复合材料(TPC)和变形复合材料的机翼部件，到2026年年底，将完成多达20个复合材料演示器(图片来源：HERWINGT 项目、TU Delft和 FIDAMC)

清洁航空计划中的HERWINGT项目,旨在“为到2035年推出燃料消耗降低50%的混合动力支线飞机”作好技术储备，包括至少16个复合材料演示器。

清洁航空计划中的HERWINGT项目正在为混合动力支线飞机开发一种新型的超高性能机翼，包括热塑性复合材料(TPC)和变形复合材料的机翼部件，到2026年年底，将完成多达20个复合材料演示器(图片来源：HERWINGT 项目、TU Delft和 FIDAMC)

作为清洁航空计划绿色支线飞机（简称GRA）项目的一部分，“混合动力支线机翼集成新型绿色技术（简称HERWINGT）”项目旨在为清洁航空计划的混合动力支线飞机（简称HERA）项目开发一种新型机翼，目标是制造一款拥有100个座位、航程500-1000公里的飞机，并于2035年投入使用。

01项目目标、技术、演示器

HERWINGT项目寻求开发一种机翼，该机翼有助于使混合动力支线飞机（HERA）的燃料消耗/温室气体排放比2020年最先进的飞机降低50%。该项目将通过新的减少阻力的机翼结构、更多集成的系统和新的材料技术来实现这一目标。

HERA 项目的范围（图片来源：HERA 项目）

新的材料技术主要依赖于复合材料，目标是在机翼部件层面减轻15%的重量以及降低20%的燃料消耗。正在开发的机翼包括一个桁架支撑结构，其中，复合材料支柱从机身延伸出来以支撑机翼。

HERWINGT项目的技术目标和合作伙伴（图片来源：HERWINGT项目）

#HERWINGT项目由空中客车防务与航天公司（简称Airbus D&S，西班牙马德里）负责协调，将对整个机翼进行架构分析和权衡研究，同时为中翼段（挂架到挂架）构建物理演示器：

1.集成的中间段翼盒结构与内推进级，包括具有多翼梁架构的挂架到挂架的扭力盒概念、检修面板和集成的燃油通风系统。

2.内段前缘带有集成的感应防冰系统，并具有多功能性，如侵蚀、冲击和雷击防护以及变形概念。

3.内侧襟翼采用多功能设计并集成高升力解决方案。

HERWINGT项目采用的关键加工技术包括低成本、高度集成的非热压罐(OOA)复合材料技术：

1.铺放干纤维并灌注液态树脂，以集成多梁扭力盒。

2.原位固结(ISC)热塑性复合材料(TPC)，以集成襟翼蒙皮和前缘应用。

3.将热塑性复合材料的焊接和共固结用于集成。

4.探索可得到认证的粘接技术。

HERWINGT项目还承诺提供：

1.数字孪生以及有关组件、子系统和全翼系统的生命周期评估（LCA），该评估与作为参考的飞机数字框架和要求相兼容。

2.全尺寸的机翼演示器在飞机层面上首飞的路线图。

3.与拟议行动相关的混合动力支线飞机（简称HERA）的资格认证和认证计划。

HERWINGT项目的关键技术于2025年1月在AIAA SciTech上得到展示（图片来源：空中客车防务与航天公司对HERWINGT项目的概述）

HERWINGT项目始于2023年1月，计划于2026年完工，现已获得10个月的延期，以完成大型演示器和测试。按照目前的计划，该项目将于2026年10月结束，并将其新的机翼设计提供给由Leonardo（意大利罗马）负责协调的HERA项目。

02热塑性复合材料(TPC)前沿

HERWINGT项目中的多家合作伙伴正在推进原位固结(ISC)热塑性复合材料(TPC)的结构，包括 GKN Fokker(荷兰Hoogeveen)和复合材料技术中心FIDAMC(西班牙赫塔费)。“我们研究这些结构始于清洁天空2计划的OUTCOME项目，我们的目标是，展示‘使用自动纤维铺放（AFP）铺层和原位固结’制成的飞机主结构具有更轻的重量。”FIDAMC的热塑性复合材料行动研究员兼技术协调员Isabel Martín Hernando 解释说，“我们与AFP设备供应商 MTorres（西班牙Torres de Elorz）合作，开发了一个完整的测试金字塔，以证明该材料满足机翼的结构要求。然后，由空中客车防务与航天公司对成品部件进行测试，验证在其FEA模型中估算的载荷。根据这些测试结果，我们开始为HERWINGT项目做准备。”

在OUTCOME项目中，FIDAMC复合材料技术中心使用碳纤维/PEEK制作了一个用于翼箱的1米×4米的加固上盖，为其在HERWINGT项目中开展研究作好准备（图片来源：FIDAMC、《复合材料世界》新闻）

“我们的想法是，继续使用AFP ISC，但要增加形状的复杂性。”她继续说道，“在OUTCOME项目中，我们展示了一个带有加强筋的上翼箱蒙皮覆盖物，该加强筋具有简单的曲率。在HERWINGT项目中，我们将生产中翼箱前缘。我们还将从使用龙门机器进展到使用川崎机器人来进行加工操作，这有助于生产更复杂的结构。”她补充说，FIDAMC复合材料技术中心正在与MTorres合作，用AFP机器人来协调旋转芯轴，以获得更大的灵活性并实现更复杂的形状。

“我们还更换了AFP的加热源。”Hernando说道，“我们也使用一个二极管激光器，但将它分成了4段，以便单独控制。我们最多可以铺放4股0.5英寸宽的丝束，同时，使用这种分段的激光器，我们可以指向每个单独的丝束。因此，我们可以选择将一个、两个、3个或全部的4个用于层压，这对于制造前缘来说更加通用，因为在某些区域，如前缘机头，我们需要层压的丝束较少。”

FIDAMC复合材料技术中心使用机器人AFP系统和分成4段的激光器，为 HERWINGT项目生产原位固结的热塑性复合材料前缘演示器（图片来源：FIDAMC复合材料技术中心）

该前缘的加强筋带有T形纵梁和肋，它们都始于冲压成型的组件。“对于纵向加强筋，我们首先冲压两个L形，然后在它们之间加上填充物（条状），并放入固结模具中。”Hernando解释道，“接着，我们在加热炉中进行第二次加热循环，集成并共固结这些组件，这样，就制成了T形的肋。”

FIDAMC复合材料技术中心将使用其带有旋转芯轴的AFP生产热塑性复合材料的前缘。在复杂的模具中，放上预制好的热塑性复合材料纵梁和肋，然后再放入蒙皮（图片来源：FIDAMC 复合材料技术中心）

然后，将这些加强筋放入复杂的模具中，该模具由FIDAMC与HERWINGT项目的合作伙伴Aciturri(西班牙 Miranda de Ebro)共同开发。“该模具将被安装到我们的旋转芯轴中。”她介绍说，“然后，将在顶部层压表皮，第一层将共固结到加强筋上，接着使用AFP ISC 层压整个蒙皮。Aciturri公司还在研究一种基于等离子的陶瓷沉积工艺，以提高抗侵蚀性。”

Hernando表示，总体思路是，与金属结构相比重量更轻，并进一步提高将热塑性复合材料用于主结构的能力。由于能够使用回收成分，以及能够通过共固结和焊接来消除紧固件，并且热塑性复合材料部件在使用寿命结束时还可以得到回收利用，因此这种能力更具可持续性。AFP ISC 还避免了热压罐循环，从而降低了铺层和固化过程中的能耗。

用于襟翼演示器的PEEK、AFP工艺和LMPAEK

对于HERWINGT项目的前缘演示器，FIDAMC使用了APC2 PEEK 材料(Syensqo公司，美国佐治亚州Alpharetta)。“在OUTCOME项目期间，我们针对这种材料开发了一个大型测试金字塔和数据库，空中客车防务与航天公司使用这些信息来确定该结构的载荷和设计。”Hernando说道。

在OUTCOME项目中，FIDAMC开发了一种AFP ISC工艺，该工艺使用两个激光器和两个固结辊——一个用在铺放带的过程中，一个用在辊之间。“在OUTCOME项目中，我们对材料的冷却过程进行管理，以控制聚合物的结晶，从而确保机械性能。”Hernando 解释说，“但现在，在做出更多的演示器后，我们更进了一步。通过使用自热模具，我们可以使材料得到更好的结晶，这还有助于防止热残余应力和形状变形。因此，我们现在使用分段激光器和单个压实辊。”

FIDAMC 还将使用AFP ISC为HERWINGT襟翼演示器生产复合材料的结构。“为此，我们将使用东丽(荷兰 Nijverdal)的TC1225 预浸带，但仅限于我们负责的下蒙皮和翼梁。Aciturri 将负责协调其他使用各种技术的结构。”

TC1225预浸带由碳纤维和威格斯（英国克利夫利斯）的LMPAEK聚合物制成。Hernando表示：“我们在MFFD项目中使用这种低熔融温度的材料，不是直接用于整个8米的演示器，而是用于Aernnova的小型测试中。因此，由于我们对APC2进行了全面的测试，我们希望提取LMPAEK的相同信息，以便工程部门能够针对不同的结构，为这些AFP ISC 设计作好计算和准备。”

03变形机翼部件

HERWINGT项目的另一个关键部分是开发变形机翼表面以提高空气动力学效率。“我们的想法是，在不使用传统控制表面的情况下，让机翼表面能够改变形状，以便结构（通常是后缘和前缘）不使用由传统致动器移动的独立部件。”米兰理工大学航空航天科学与技术教授Sergio Ricci博士解释道，“这很有挑战性，因为必须同时解决两个不同的问题：部件的结构能够变形，以及为空气动力学性能选择最佳形状。”

全尺寸风洞原型配备了Polimi开发的变形副翼（图片来源：米兰理工大学）

“在HERWINGT项目中，我们正在开发3种主要的解决方案。”他继续说道，“前两种涉及变形的前缘和后缘，有两种不同的应用：襟翼和副翼。变形的前缘和后缘副翼由Polimi开发，而后缘襟翼由CIRA的空气动力学小组和智能结构小组开发。”他指的是HERWINGT项目的另一个合作伙伴Centro Italiano Ricerche Aerospaziali（简称CIRA，意大利卡普阿）。第三种解决方案是由另一个小组开发的变形支柱，这将在下面讨论。

用复合材料开发所有这些变形结构。“如果你想通过结构的变形来实现形态的变化，就需要使用伸长率非常高的材料，这种材料在某些情况下具有可调的内部刚度。”Ricci说道，“纤维增强复合材料是最灵活的解决方案，因为可以优化纤维取向以获得所需的性能。”尽管这些解决方案是基于碳纤维增强聚合物(CFRP)，但 Polimi团队决定使用玻璃纤维增强环氧树脂。“这取决于需要多大的变形。对于变形后缘襟翼，需要的变形非常大，而副翼并不那么具有挑战性，因为只需要上下移动。每一次有不同的要求时，都可以为此选择最好的材料。”他解释道。

在HERWINGT项目中，Polimi正在开发一种用于前缘和后缘的变形副翼，该副翼由玻璃纤维/环氧树脂制成（图片来源：HERWINGT项目的帖子和米兰理工大学）

因此，Polimi选择了玻璃纤维，因为它比碳纤维具有更好的伸长率。“但也是因为我们大约在10年前就开始了这类研究，我们所有其他的演示器都是基于玻璃纤维的，因此，我们在这方面有很多知识和经验，而且对这种材料的性能感到满意。”Ricci 说道，“此外，还存在疲劳等其他问题。现在，我们决定不在材料方面考虑太多，坚持采用我们已验证过的材料。”

他指出，由Polimi在HERWINGT项目中开发的解决方案不是基于智能材料，而是基于智能结构。“这意味着我们正在使用智能设计和普通的复合材料。我们没有使用压电材料等。我们正在研究前缘，它将与CIRA生产的后缘相结合，然后将在我们的大型风洞中对变形进行全尺寸的测试。”

04变形复合材料翼柱

HERWINGT项目的第三个变形开发项目涉及翼柱，正在代尔夫特理工大学（简称TU Delft，荷兰）完成。代尔夫特理工大学的两位研究人员——航空结构和材料研究工程师Xavier Carrillo Córcoles和航空工程助理教授 Jurij Sodja对此作了解释。其理念是，既然在HERWINGT项目中考虑用于混合动力支线飞机（HERA）的桁架支撑翼已有支柱，为什么不利用这些以及传统的控制面，让支柱也改变形状呢？

“几年来，代尔夫特理工大学一直在研究变形表面，包括前缘和后缘部件。我们的想法是，可以在底部蒙皮中引入一个槽，然后拉动或推动变形表面的底部蒙皮，这将导致所需要的偏转，从而提高空气动力学效率。”Córcoles说道。

代尔夫特理工大学正在开发变形支柱，其中复合材料部分与弹性体部分连接，以实现偏转和扭曲，从而优化空气动力学（图片来源：HERWINGT项目）

“这是我们的第一个概念，现在我们通过Smart X 和 Smart Alpha 版本对其进行了改进。作为概念验证，这些版本在风洞中得到了测试。”他继续说道，“对于 HERWINGT项目，我们正在使用复合材料进行迭代。我们使用由复合材料制成的不同模块，与弹性体部分连接，形成一个连续的组件。然后，可以根据翼型的扭曲和外倾进行差分驱动，以便能够根据飞行条件控制并优化其形状，比如在爬升或巡航期间。”

Sodja 解释了为什么不能使用连续的复合材料蒙皮：“我们主要通过弯曲变形来移动结构。但是，如果应用它而使一个模块向上偏转，使相邻的模块向下偏转，则会在结构中产生很大的拉力和剪力。相反，我们切掉了蒙皮的尾部，并用弹性材料来代替它，使其更柔顺。我们通常使用硅胶，通过在间隙中倒入液态硅胶来创建这些部分，从而与复合材料层压板保持良好的粘接。”

Sodja指出，变形支柱很可能使用玻璃纤维增强环氧树脂。“只要结构要求不太高，玻璃纤维层压板的性能就比其他材料的更好。比如，由于玻璃纤维层压板的柔韧性更高，所以能显著降低致动载荷，从而减轻致动器的重量，因此还能减少这种变形概念的重量损失。”

代尔夫特理工大学为变形航空结构开发的有限元建模显示了3种主要的载荷情况（图片来源：“使用集成和分布式后缘外倾角设计智能变形机翼”一文的图16，作者：Jurij Sodja 等人）

对于HERWINGT项目，代尔夫特理工大学将测试其变形支柱演示器，以评估形状变化和由此产生的空气动力阻力以及对这些变形机制的极限。

05数字孪生

推进数字孪生的使用是HERA和HERWINGT项目的主要目标。“数字孪生是用于编译‘与整个生命周期过程相关的’产品所有信息的框架，这包括制造、组装和定期维护。因此，数字孪生必须由参与开发和使用过程的每一个利益相关者来提供。”空客的结构设计工程师及HERWINGT项目的机翼结构设计团队成员 Miriam Agúndez Manzano 解释道。

“在复合材料部件中，数字孪生在生成和集成这些数字模型的设计-制造阶段具有特殊的意义。”她补充道，这不仅包括部件的形状，还包括纤维在层中的取向和排列（参考轴），以及表面防护、部件重量和互换性等。“然后，生成的‘竣工'模型将在使用中通过传感器而受到监控，以实时评估结构状况。”

“实际上，数字孪生的核心元素本质上是一个大型数据库，它包含了部件开发过程中所有涉及学科输入的信息——包括应力、疲劳、设计、制造、可维护性等，并准备包含与生命周期的未来步骤相对应的信息。”Manzano 说道，“数字孪生还包含一组算法，用于预测失效模式的最终演变，以便使结构的维护计划适应其实际状况。”

“对于HERWINGT项目，考虑到数字孪生技术在设计层面的演示器开发中非常有用且更高效，因为这些信息必须在合作伙伴之间共享，所以使用数字孪生使我们能够为开发的不同步骤提供单一的'事实来源'，其中所需的所有信息都随时可用。”Manzano 总结道。

来源：小雅科技说