AFRL、ブレーディング・SMP工具・VARTMで将来エンジン・インレット・ダクトのコスト削減を検証

米空軍2030年科学技術戦略の一部には、将来の交戦支援のための低コスト無人航空システムの大量配備が含まれます。このビジョンを実現するには、レガシー・プロセスで現在利用可能なコストより低コストで、高品質航空宇宙コンポーネントの迅速製造を支援できる新製造戦略を特定する必要があります。

空軍研究所（AFRL、オハイオ州デイトン、米国）製造産業技術部門と、オハイオ州拠点の契約チーム、コーナー・ストーン・リサーチ・グループ（デイトン）、A&Pテクノロジー（シンシナティ）、スピンテックLLC（ゼニア）は、レガシー・プリプレグ手積層を、ドライ・ファイバー・ブレード・プリフォームと真空支援樹脂移転成形（VARTM）に置き換えることで、全長11フィート、S字形状の複合材エンジン・インレット・ダクト製造のメリットを定量化する研究を実施しました。

航空機エンジン・インレット・ダクトは、エンジン・コンプレッサーのストール防止のため一定の空気供給を提供します。インレットは可能な限り少ないドラッグを生成しなければなりません。気流供給の最小ギャップでも、重大なエンジン問題と大幅な効率損失を引き起こします。インレット・ダクトが最小乱流で十分な空気を供給するには、清潔で完璧でなければなりません。

S字形インレット・ダクトの新規製造アプローチは、マルチピース・スチール・マンドレル上での手積層プリプレグとオートクレーブ硬化を、ドライ・ファイバーを適用する自動オーバーブレード・プロセスに置き換えます。非常に重いマルチピース・スチール・マンドレルは、軽量単一ピース形状記憶ポリマー（SMP）マンドレルに置き換えられます。ドライ・ブレード・カーボンファイバーは、低コスト・エポキシ樹脂とオーブン硬化を用いたVARTMで複合材構造に加工されます。

チームはオーバーブレード・アーキテクチャの解析、SMP成形工具とプリフォーム・オーバーブレード・プロセス中の工具として機能するSMPマンドレルの製造を完了しました。S字形インレット・ダクトの複雑な形状のため、オーバーブレード・マシン設定を最適化し、複合材材料の皺を最小化するために複数回の反復が必要でした。合計4つのインレット・ダクトを製造し、レガシー部品のコストと製造時間を新設計と比較します。

「再利用可能な形状記憶ポリマー・マンドレルの導入と、自動オーバーブレード・プロセス、オーブンベースのVARTM複合材硬化の組み合わせが、大幅なコストとサイクルタイム削減につながると信じています」と、AFRL製造産業技術部門の低コスト消耗品航空機技術イニシアチブ製造リーダー、クレイグ・ネスレンは述べています。「製造メリットの定量化と構造的完全性の検証は、ポジティブなビジネス・ケース確立と、新材料とプロセスを将来の低コスト・エンジン・インレット・ダクト設計に組み込むべきだと設計者と製造業者を説得する上で重要です。」

最終インレット・ダクトは、AFRL航空宇宙システム部門内の補完的機体設計・製造プログラムへの更なる統合のため、米空軍に納入されます。航空宇宙ビークル部門が、統合ブレード胴体とインレット・ダクト構造の静的地上試験を実施します。

「消耗許容度が設計基準とその結果としての製造材料・プロセスに及ぼす影響をすべて定義できていませんが、フル・スケール機体地上試験で評価する強度と剛性のベースライン閾値要件はあります」と、航空宇宙ビークル部門の航空宇宙エンジニア、レイ・フィッシャーは述べています。

AFRLは米空軍の主要科学研究開発センターです。空軍、宇宙、サイバー戦力のための手頃な戦闘技術の発見、開発、統合を主導する不可欠な役割を果たしています。9つの技術分野と世界40以上のその他オペレーションで11,000人以上の労働力を擁し、基礎から先端研究開発まで多様な科学技術ポートフォリオを提供しています。詳細はwww.afresearchlab.comをご覧ください。