杨超凡的材料世界【25】：用航空复材制造下一代飞艇
复合材料密集型探路者1号飞艇的许多结构使用了复合材料，特别是碳纤维复合框架，使得下一代刚性飞艇设计成为可能。这艘飞艇在加利福尼亚州山景城建造期间展示，其全尺寸电动原型设计体现了创新与前瞻性的结合。
在20世纪上半叶，德国弗里德里希沙芬的齐柏林飞艇和阿克伦号、梅肯号等军用飞艇曾广泛流行。然而，由于齐柏林飞艇、兴登堡号和其他飞艇的悲剧性事故，乘客、货物以及军队使用的刚性飞艇时代最终结束。自20世纪60年代起，飞艇大多转向了非刚性设计。
尽管如此，一些公司正在致力于开发新一代刚性结构飞艇，与美国联邦航空管理局（FAA）合作，利用现代技术和材料确保更安全的制造和运营。LTA研究公司便是其中之一，该公司位于美国加利福尼亚州山景城，旨在创造更安全、更快的新一代飞艇。
LTA的首席执行官Alan Weston在空军研究实验室、美国国家航空航天局艾姆斯研究中心和中佛罗里达大学佛罗里达航天研究所拥有丰富经验，他创办LTA Research的目标是减少航空运输中的碳排放，重点放在电动或替代动力飞艇的现代化上，旨在作为潜在的低排放或零排放航空运输选择。
韦斯顿在2014年开始深入研究飞艇设计，并与阿克伦大学的历史学家和研究人员、德国汉莎航空公司和固特异轮胎橡胶公司的飞艇设计师进行了交流。随着研究的深入，韦斯顿意识到LTA正在开发的飞艇有可能在人道主义救援中发挥关键作用，例如向自然灾害灾区运送物资。
成立于2015年的LTA Research由谷歌联合创始人谢尔盖·布林支持。在2016年，LTA Research在俄亥俄州阿克伦设立研发实验室，用于测试设计和制造技术，同时在山景城拥有机库。同年，LTA在山景城建造并飞行了首个小型飞艇模型，并开始生产其首个全尺寸飞艇“探路者1号”。
探路者1号是LTA的概念验证飞艇，旨在为未来的飞艇设计铺平道路，同时证明材料和制造技术的有效性。根据美国联邦航空管理局的资格认证指南，其目标是为下一代甚至更大的飞艇开发经验教训。
工程副总裁Daniel Morgan解释说，探路者1号的设计重点是安全和简化组装过程。LTA决定采用刚性飞艇设计，而非气球状或半刚性设计。在刚性设计中，氦袋提供升力，而生活在一个由管道组成的骨架内，表面覆盖有Tedlar蒙皮，称为信封，用于支撑船下的吊舱。
刚性设计提供了最大的强度，但增加了结构部件的重量，可能影响航程或有效载荷能力。因此，LTA认识到复合材料可以在保持强度的同时降低重量。碳纤维、Kevlar和玻璃纤维等材料的使用取决于所需的重量、刚度和抗冲击性能。
西门子的Femap有限元分析软件和Ansys的模拟软件在设计过程中发挥了关键作用。碳纤维复合材料从一开始就成为最有力的竞争者，LTA采用了20世纪早期飞艇设计的基础，结合现代材料、制造技术和推进、导航技术进行了现代化改造。
复合材料组件包括由齐柏林飞船建造的吊舱、座舱连接支柱、多部件、多材料鼻锥、鳍、电机罩、卷包、热压罐外固化复合材料电机挂架、手工铺设和压固化的舷梯板，以及通过热压罐和OOA手工铺设复合材料制造的外部进气口和支架。
对于探路者1号来说，最重要的结构元件之一是13个管状主机，碳纤维复合材料从一开始就成为首选。除了外壳之外，主机管是最大的结构组件。LTA决定采用由航空级碳纤维预浸料制成的中空管，并使用一系列专门设计的焊接钛轮毂进行组装。
为了简化组装过程，LTA采用了一种由直径约为3英寸和4英寸的管道配置，最长可达12英尺。Kilwell Fibrelab生产这些管道，采用卷包工艺和烤箱固化工艺。
除了CFRP框架，LTA及其制造合作伙伴还在Pathfinder 1上使用了各种复合材料，包括鳍、吊舱、发动机罩等。LTA已经为许多设备申请了专利，以促进更快、更安全的施工。
通过一种圆形通用主机夹具，LTA使用易于扩展的组装方法，将主机管和轮毂部件连接起来，以适应更大的飞艇尺寸。随着对更大飞艇的需求增加，LTA收购了阿克伦航空码头，这是一个由固特异齐柏林飞船公司建造的历史悠久的建筑，用于建造飞艇、飞艇和其他飞机。
LTA计划将设计、制造和操作知识融入下一代飞艇中，该飞艇将在俄亥俄州阿克伦建造。与Exel Composites的合作涉及使用拉伸缠绕技术批量制造框架部件，以实现更高的可重复性和体积生产，同时满足强度、耐久性、韧性和刚度要求。
Exel Composites的管子由HM和IM碳纤维混合物制成，采用专有树脂，以结合高性能和与拉伸缠绕工艺的兼容性。Exel的研发团队优化了管道设计，然后将其送往LTA进行机械测试。大规模生产后，Exel计划将生产转移到美国肯州Erlanger的工厂。
目前，探路者1号已完成组装，正在进行飞行测试。LTA的目标是继续进行户外飞行测试，并培训认证飞行员和经验丰富的机组人员。在探路者1号成功推出后，LTA计划在美国俄亥俄州阿克伦的机库中制造一系列飞艇。
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