热塑性复合材料初级结构与变形翼技术的创新实践​ ——以欧洲HERVINGT 项目为例

在全球航空业加速向低碳化转型的时代背景下，清洁航空绿色区域飞机计划（GRA）下的混合电动区域机翼集成新型绿色技术（HERWINGT）项目，以前瞻性的技术探索，成为推动航空领域可持续发展的关键力量。该项目聚焦热塑性复合材料初级结构与变形翼技术研发，致力于为混合电动区域飞机（HERA）打造高效、环保的新型机翼，其创新成果不仅将重塑航空制造业格局，更为全球航空减排目标的实现提供了技术路径。

一、项目目标：锚定清洁航空新方向

HERWINGT 项目以打造具有划时代意义的绿色航空装备为核心目标，计划开发一款适用于 100 座级、航程 500 - 1000 公里的混合电动区域飞机机翼，目标在 2035 年投入使用。项目致力于实现与 2020 年最先进飞机相比，燃油消耗与温室气体排放降低 50% 的突破性成果。这一目标的设定，契合全球航空业应对气候变化、推动可持续发展的迫切需求，将极大提升区域航空运输的绿色竞争力。

为达成这一目标，项目采用多维度技术创新策略。在机翼设计上，采用桁架支撑结构，以复合材料支柱连接机身与机翼，优化结构力学性能；在系统集成方面，通过更高效的内部系统布局，减少能量损耗；而新材料技术的应用，尤其是热塑性复合材料的研发与推广，成为实现减重与减排目标的关键突破口。

二、热塑性复合材料初级结构：轻量化与可持续的双重突破

热塑性复合材料（TPC）在 HERWINGT 项目中占据核心地位，其优异的性能为机翼结构革新提供了可能。项目团队通过原位固化（ISC）TPC 技术，结合自动纤维铺放（AFP）工艺，实现了复合材料构件的高效制造。

在中央翼盒前缘制造中，FIDAMC 等合作伙伴对 AFP ISC 技术进行深度优化。将工艺流程从龙门机床升级至川崎机器人，配合旋转芯轴与 AFP 机器人的协同作业，显著提升了复杂几何形状构件的加工能力。同时，改进 AFP 加热源，将二极管激光器进行分段控制，可灵活调整丝束层压数量，满足不同部位的成型需求。这种技术创新不仅提高了生产效率，更确保了构件的精度与质量。

FIDAMC正在使用一个机器人AFP系统，该系统的激光分为四个部分，为HERWINGT生产一个原位整合TPC前沿演示器。来源| FIDAMC

在材料选择上，项目针对不同部件需求精准匹配材料。前缘演示器采用 APC2 PEEK 材料，凭借其出色的机械性能与耐高温特性，满足关键部位的高强度要求；襟翼演示样机则选用由碳纤维与 LMPAEK 聚合物组成的 TC1225 预浸料带，在保证性能的同时，降低制造成本。通过这些材料与工艺的结合，项目成功实现机翼部件层面减轻 15% 重量、降低 20% 燃油消耗的目标，为飞机整体性能提升奠定坚实基础。

热塑性复合材料的应用还赋予项目显著的可持续发展优势。TPC 材料可使用回收材料，通过共固化与焊接技术消除紧固件，减少材料浪费；其可回收特性，使部件在报废后仍能实现资源再利用。此外，AFP ISC 工艺避免了高压釜循环，大幅降低生产过程中的能耗，从全生命周期角度践行绿色制造理念。

三、变形翼技术：气动效率的革命性提升

变形翼技术是 HERWINGT 项目的另一大创新亮点，旨在通过机翼表面的自适应变形，替代传统控制面，实现气动效率的跨越式提升。项目从三个维度展开研究，分别是可变形前缘和后缘（用于襟翼和副翼）、可变形支柱，这些技术均以复合材料为基础，充分发挥其可设计性强的优势。

米兰理工大学负责开发的可变形前缘和后缘副翼，采用玻璃纤维增强环氧树脂材料。相较于碳纤维，玻璃纤维具有更好的延展性，更适合大变形需求。团队基于智能结构设计理念，通过优化纤维取向，实现结构变形与气动性能的完美平衡。该方案无需依赖智能材料，而是通过创新结构设计，降低技术复杂度与成本，提高可靠性。

在HERWINGT内部，Polimi正在开发一种由玻璃纤维/环氧树脂制成的变形副翼，用于前缘和后缘，该副翼已在许多其他此类演示中使用。来源| HERWINGT项目和米兰理工大学

意大利航空航天研究中心（CIRA）专注于后缘襟翼的可变形设计，与米兰理工大学的成果形成互补。双方将在大型风洞中进行全尺寸变形测试，验证技术可行性与性能优势。

荷兰代尔夫特理工大学研发的可变形支柱技术，为机翼变形提供了全新思路。研究人员通过在底部蒙皮开槽，利用复合材料模块与弹性体连接，实现翼型扭转和弯度的差动控制。为解决结构变形中的应力问题，团队采用硅胶替代部分蒙皮，增强结构柔顺性。该技术有望在不增加过多重量的前提下，显著提升飞机在不同飞行阶段的气动性能。

由Polimi公司开发的配备变形副翼的全尺寸风洞原型。来源|米兰理工大学

四、数字孪生：全生命周期管理的智慧引擎

数字孪生技术在 HERWINGT 项目中扮演着不可或缺的角色，为项目研发与管理提供了数字化解决方案。作为一个集成产品全生命周期信息的框架，数字孪生技术将制造、装配、维护等环节数据进行整合，形成一个动态、实时更新的数字模型。

对于复合材料部件，数字孪生技术在设计制造阶段尤为关键。其不仅包含部件的几何信息，还涵盖纤维取向、铺层工艺、性能参数等详细数据。通过传感器实时采集服役过程中的结构状态信息，结合预设算法，可准确预测故障模式，优化维护计划，实现从设计到退役的全生命周期精准管理。

在项目协同研发过程中，数字孪生技术构建了统一的数据平台，确保各合作伙伴信息共享与协同作业。通过建立单一的“真实来源”，避免数据孤岛，提高研发效率与决策准确性，为新型机翼的成功开发提供了强大的技术支撑。

五、项目进展与未来展望

HERWINGT 项目自 2023 年 1 月启动，计划于 2026 年 10 月完工。尽管项目获得 10 个月延期以完善演示与测试工作，但已取得的阶段性成果令人瞩目。各参与机构在热塑性复合材料制造、变形翼技术开发及数字孪生应用等方面均实现关键技术突破，部分成果已进入工程验证阶段。

展望未来，HERWINGT 项目的成功实施，将为混合电动区域飞机的商业化运营奠定坚实基础。其创新技术不仅适用于航空领域，还可向汽车、船舶等交通运输行业拓展，推动整个制造业向轻量化、智能化、绿色化方向发展。随着技术的不断成熟与成本降低，热塑性复合材料与变形翼技术有望成为未来交通工具的标准配置，引领全球交通运输行业的绿色变革。