X-59超音速试验机碳纤维增强塑料前锥

X-59是一种实验性喷气式飞机，由洛克希德·马丁臭鼬工厂（美国加利福尼亚州帕姆代尔）设计和制造，美国国家航空航天局使用它进行研究，作为其Quesst（安静超音速技术）任务的一部分，以减少超音速飞机的音爆。Swift Engineering股份有限公司（美国加利福尼亚州圣克莱门特）签约建造这架飞机38英尺长的鼻锥，旨在控制超音速飞行过程中尖端形成的空气动力压力波（冲击波-shock waves）。但首先，Swift需要与Skunk Works合作进行初步设计——采用蜂窝芯和碳纤维增强环氧树脂蒙皮的三明治结构——并完成鼻锥的结构尺寸、分析和测试验证。

详细了解X-59的设计、制造、组装和测试。

为此，它使用了科利尔航空航天公司（美国弗吉尼亚州纽波特纽斯）的HyperX软件，该软件能够将鼻锥的重量减少25%以上。它还使Swift Engineering能够评估各种负载情况下的设计，使用允许的数据进行详细的故障分析，并优化可制造性。Swift Engineering的技术顾问比尔·詹内蒂 (Bill Giannetti)表示：“我们要在紧迫的项目截止日期前完成工作，唯一的办法就是自动化应力分析。我知道HyperX软件可以做到这一点，并且还可以生成我们需要的报告，以使这种结构获得飞行认证。”事实上，Giannetti的团队不仅能够满足减重要求，而且能够在预算范围内提前交付鼻锥。

减少吊杆和重量

当这篇文章在2025年初夏起草时，X-59正在进行地面测试，为多次飞行的首次飞行做准备。其任务是收集数据，以帮助为Boom Technology（美国科罗拉多州Centennial）的XB-1等飞机的商业超音速飞行建立可接受的噪音标准，该公司已经开始投入生产。由于X-59的细长鼻锥，预计它将大大减少超音速飞行的噪音影响。

Swift Engineering在9个月内设计鼻锥并在6个月内建造的合同是在与Skunk Works的一次会议上开始的。詹内蒂说：“我在Swift Engineering工作了大约8年，当时是结构组的技术研究员。”。“在他们的项目经理审查了目标后，他强调，对于我们可以从鼻子上移除的每一磅质量，他们可以从X-59尾部移除3磅，以优化重心。我坚持地说，我们不仅可以按时完成结构设计优化，而且我们可以从他们400磅的原始设计中提取100磅。然而，他们必须向整个工程团队提供带有Skunk Works标志的马球衫。他同意了。”

 

Swift Engineering的X-59鼻锥设计、分析和验证流程，指出HyperSizer和Hypermesh现在包含在HyperX中。

“我们的时间表非常特殊，”他继续说道。“但我知道我们可以用HyperSizer来实现这一点，HyperSizer是当时Collier套件中的一种产品的名称。我们会采用他们的有限元(FE- finite element )模型，并在其上放置我们的特定机头配置。然后我们会运行所有负载情况，并挖掘关键负载情况的数据，完善我们的模型，然后运行HyperFEA，它将您的最终分析结果输入HyperSizer以重建模型卡。然后我们重新运行FEA并继续这样做，直到我们达到所需的最小质量安全裕度。我知道该软件还将生成所需的最终认证级别报告。这是我们按时完成的唯一方法。然而，拉动结构之外的质量将完全是另一回事。”

调整尺寸，在第一次通过时达到质量目标的60%。Swift工程团队的第一个问题是，最初提出的32英尺长的配置在他们收到的CAD文件中实际上是38英尺。“我们从容应对，开始了我们的工作流程，” 詹内蒂说。“我们将最初的设计从使用具有单个舱壁的实心层压板转换为具有多个舱壁的最小尺寸蜂窝结构。通过这种方法，我们觉得我们可以将质量从结构中拉出，同时仍然满足严格的波纹度和变形要求。结构需要非常坚硬。

“然后，我们建立了模型，用一个壳单元平面表示面板和核心，并得到了270个临界载荷情况。我们建立了有限元分析并运行了载荷情况。然后我们拉了所有的应力，然后我们在HyperSizer中进行了设置，并开发了我们的面板尺寸，这是HyperSizer集成的关键步骤之一。我们加载了所有的材料卡和所有的舱壁，并给它提供了一系列层压板供选择。然后我们按下了求解按钮，只需第一次通过，我们就可以实现100磅质量减少目标的60%。”

 

材料，最终减少30磅

由于时间紧迫，詹内蒂的团队选择了一种具有完整定义的材料允许范围的材料。他解释说：“我们需要选择一种已经合格的材料，因为我们没有时间测试任何东西。”。该材料是Toray Composite Materials America（美国华盛顿州塔科马市）2510预浸料，采用T700S标准模量碳纤维，在250°F固化的增韧环氧树脂中，具有公共AGATE数据库，Toray指出，该数据库是为航空航天主要结构的热压罐外（OOA- out-of-autoclave）加工而配制的。

詹内蒂说，该团队随后执行了一系列尺寸优化步骤，“但我们没有实现100磅的质量减轻。因此，我们使用了HyperSizer中的一个功能，该功能通常有助于确定机翼中肋骨的最佳数量。它基本上从给定的间距开始，然后迭代，直到你提出一个质量优化的结构。对于你试图实现的载荷、材料和结构特性以及安全裕度，将有一个最佳配置。我们用它来定义舱壁的数量、尺寸和位置，这将使我们能够实现质量优化结构。我们基本上采用了机翼概念并将其应用于机头。这又为我们节省了10%的质量。但我们仍然还有30英镑。”

詹内蒂和他的团队讨论了他们的选择。他说：“我们使用了一个对称的三层三明治，三层芯，直径为1/8英寸的蜂窝，用于每立方英尺3磅的Nomex蜂窝芯。”。“看看这个结构，我认为我们可以消除最内层，这将拉出大约30磅。所以，我们采用了三层外层、核心和两层内层的结构。我们达到了目标，我们的队员得到了马球衫。”

故障标准、验证测试

詹内蒂指出，Swift Engineering也在创纪录的时间内完成了交付，“我们提交了一份公司认为是使用HyperSizer定义类别的报告。我们粘合和栓接舱壁的每个螺栓都有承载余量，使用的性能包括高温和亚环境温度下的屈曲。我们使用热/湿裸眼压缩（OHC-open hole compression）性能作为定义失效标准。这些是最保守的性能，这使我们能够满足疲劳要求，因为我们使用最大OHC应变作为尺寸应变。然后我们将主应变与该值进行了比较，这给了我们安全裕度。这有点保守，但它涵盖了疲劳、随机振动和所有这些次要的长期影响和要求。”

 

Swift Engineering随后建造了一个300磅、38英尺长的全尺寸结构，并完成了测试以验证设计。詹内蒂说：“他们进行了垂直变形测试，基本上是向上、向下、向左和向右推，看看是否能听到任何形式的应力释放或开裂，这是你在使用声发射进行此类测试时通常会听到的。它很安静，击中了所有标记。我们的数字是正确的，我们对此感到非常兴奋。”

检查所有负载情况、故障分析

科利尔航空航天公司由克雷格·科利尔（Craig Collier）创立。他解释说，HyperSizer最早是在30年前开发的，现在已被HyperX取代。他说：“它有不同的外观和感觉，而且更强大。”。“从计算的角度来看，它是多线程和多进程的。HyperX保持了所有相同的功能，但它是一个全新的代码库和真正的下一代软件，而不仅仅是升级。”

“我在20世纪80年代参与了B2轰炸机的研制，”他说。“尽管我们对我们的计算充满信心，但我们没有时间检查每种可能的负载情况。我们必须筛选出我们认为不同区域的关键负载情况。从这些情况中，我们也不一定能进行所有的故障分析，因为我们没有时间。所以，我们做了我们认为最能控制的分析。在Collier Aeropsace，我们多年来的愿景是使用高性能计算实现极快的计算能力，这样我们就可以处理结构上的所有外部负载，而无需假设哪些负载是关键的。对于其中的每一个，我们都会处理所有的失效分析。但我们也包括可追溯性，在任何时候你都可以深入了解并检查每个中间计算，以验证输入的数据是否是您批准的。”

他指出，HyperX还使公司能够定制他们想要如何进行认证分析。科利尔说：“他们将允许的方法与故障分析方法结合起来。”。“HyperX可以由一大群人使用，确保每个人都在一致地使用它，这是整个分析认证方法的一部分。您还可以在所有故障分析中使用一致的数据，从而提供交互式可追溯性。”

更新负载收敛设计

科利尔解释说，HyperX与FEA代码无关。“我们可以使用Nastran和Abaqus等领先的有限元分析程序从模型中提取结果，然后同时进行故障分析，探索不同的层压板选项或芯密度或芯深度，以减少可能发生的任何潜在故障。”

“但是，您还必须使用FEA求解器进行迭代，以便在更改结构时收敛负载路径，”他指出。“我们的软件使用层压板中材料系统刚度矩阵的正确术语更新有限元法，如果你想通过分析进行认证，这也是你必须具备的能力的一部分。你不仅必须有良好的失效标准，而且能够以适当的方式与最终模型进行交互。”

 

詹内蒂强调了这一点的重要性。“你需要包括用新设计更新FEM的过程，并用FEA求解器迭代以获得负载路径收敛，”他解释道。“当你对模型或结构进行更改时，结构中的载荷分布就会发生变化。你上一次的优化设计现在可能没有足够厚的层压板，而在其他地方则不够薄。因此，你进行了这些更改，并将其放回有限元法中以获得新的载荷路径。但你必须以正确的方式进行，HyperX非常擅长更新有限元法，以便在下一次迭代中获得正确的有限元法内部载荷路径，从而可以获得正确的安全裕度计算。”

将循环压缩到认证

“如果我们使用与鼻锥类似的方法，我们可能会在一半的时间内用10%的人完成这项工作。”

詹内蒂举了一个例子，说明该软件包如何将工程周期压缩到认证。“我所在的一个由60名工程师组成的团队花了一年多的时间进行了与这个鼻锥类似的分析，但针对的是直升机飞行结构。我们被要求使用一种不同的方法，使用有限元分析来生成载荷，然后在另一个软件中使用这些载荷来基本上手工计算所有的应力和裕度。我们最终分析了900多个组件，如果我们使用与鼻锥相似的方法，我们可能可以在一半的时间内用10%的人完成这项工作。

“最后，在这个过程的最后是压力报告，”他继续说道，“我们能够显示机构中每个位置的所有输入和输出的每一个故障分析安全裕度。仍然需要进行全面测试，但有能力制定一个更好的过程来确保没有遗漏，对所有可能出错的事情进行调查和评估——你不能用物理测试来做到这一点。”

詹内蒂指出，HyperX有一个新的图形用户界面（GUI-graphic user interface），具有更有序的结构树。他指出：“在过去的FEA中，一切都是命令并写入块中。”。“新的GUI使用图标作为功能，允许您快速深入查看大量命令，这为用户提供了更大的能力。它更符合逻辑，使用更快，实现了更优化的工作流程。”他补充说，Collier的软件为他节省了无数小时，不仅在自动化分析方面，而且在认证的最终报告中。“工程师不应该写报告。他们应该能够点击报告按钮。这就是HyperX提供的。”

原文《Cutting 100 pounds, certification time for the X-59 nose cone》

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