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全球氣候正呈現出逐漸變暖的趨勢，歐盟航空業需要為降低飛機的溫室氣體排放和噪音作出努力。而“清潔天空”計劃就是歐盟委員會為配合新環保要求針對歐洲航空業設計的大型科技研發計劃。
歐洲清潔天空二階段計劃（Clean Sky 2 FRAMES，以下簡稱CS2）于 2020 年 7 月開始，其主要目標是驗證用于生產由德國航空航天中心 (DLR) 制造的先進后端演示器的制造方法，并作為用于大型客機（LPA）的CS2技術平臺。該演示器旨在為自動纖維鋪放 (AFP) 期間的加熱模擬提供可靠且具有競爭力的解決方案，以實現熱塑性加強板和自加熱摸具的高速制造，以支持表皮加強板組裝的穩固。
氙閃燈加熱系統的光學熱模型
碳纖維增強熱塑性(CFRTP)復合材料的自動鋪絲技術主要依靠激光加熱來達到加工高性能熱塑性基體材料所需的高溫，如PEEK(聚醚醚酮)、PEKK(聚醚酮)和LM-PAEK(低熔點聚醚酮)。然而，一種基于脈沖氙閃燈的新技術已經出現。這種技術是強大的寬光譜加熱源輸出，并由石英導光塊收集和傳送的高能量、短脈寬脈沖。自動鋪絲模塊頭的起軋點附近的石英導光塊，使光能成形并引導定位，在壓實滾筒實現固化前，來加熱基底和傳入的絲束。這種氙閃燈系統已經被證實可以匹配激光的快速響應時間，并達到加工熱塑性復合材料所需的溫度。
在自動鋪絲處理過程中，氙閃燈脈沖必須被控制，來適應速度和幾何形狀的變化，并保持目標溫度。這是通過改變閃光燈脈沖能量、脈寬和頻率來實現的。為了優化這些參數，我們建立了一個光熱模擬模型。使用光線追蹤技術(計算每個表面的折射角/反射角)來描述閃光燈光源特性，以及有限元素分析(FEA)來預測最終的加工溫度。使用這些模擬工具，可以避免反復試驗;可以選擇脈沖參數來實現所需的加工溫度，而無需昂貴和耗時的物理試驗。
賀利氏特種光源(英國劍橋)正帶領開發應用于humm3®閃光燈系統的光學熱學模型。創建可靠模擬的過程包括了使用角度測量(繞軸旋轉)和光譜輻照度(表面接收到的光能)測量的氙閃燈光源的光學特性，然后測量光譜能量級別、光源的空間分布和光電轉換能源效率。
測量光譜能量
下面的圖1顯示了配備光譜輻照度，來測量氙燈關于波長的能量輻射實驗裝置。這個系統中，氙閃燈發出的光進入一個預先設定的距離(通常是0.5到1米，見左下圖)的探測器。然后，光通過光纜傳輸到雙單色儀系統(見最下面的左圖)，該系統測量特定波長的光強度。這就得到了光源的詳細光譜輻照度圖——這種情況下，測量到了humm3®閃光燈發出的氙氣光能量的整個發射曲線(圖2)。
圖1
用于光譜輻照度測量的雙單色儀測試裝置。氙燈發出的光(右上)進入探測器(左上)，探測器通過光纜將光傳輸到雙單色儀，雙單色儀測量特定波長的光強度。這樣就可以繪制出閃光燈發射光能的光譜細節圖。
圖2
humm3®氙閃燈出光的光譜輻照度測量
圖片來源:賀利氏特種光源
測量能效
圖3
德國哈瑙的賀利氏驗室中，通過積分球(圖3)對系統效率進行了評估，以準確地確定在不同電壓水平下從humm3®導光塊輸出的光譜能量。球體的特點是具有高度反射的漫反射表面，引導幾乎所有的光學能量從閃光燈模塊頭發出到雙單色儀探測器。通過對給定脈寬和頻率的脈沖能量進行調節，根據閃光燈對應的電壓范圍，可以測量出humm3®模塊頭發出的平均光學功率。
分析角能量分布
為了達到高質量的復合材料鋪疊，閃光燈模塊頭對于自動鋪絲(AFP)的起軋點的位置也是極其重要的因素。與此同時，為了測量輸出能量，我們也測量了氙閃燈光強隨著光源角度的變化情況。所有研究角能量分布的測量都是標準化的，而不是測某個點的能量。這些測量結果用于閃光燈的光線追蹤模擬實驗，來預測氙燈的脈沖能量在基材、起軋點和進來的絲束之間是如何分布的。
圖4
Noblelight 用TracePro軟件的光學模型實驗結果。
圖片來源:賀利氏特種光源
光學光線追蹤分析（圖4）-----使用了TracePro 軟件 (Lambda Research Corp., Littleton, Mass., U.S.)----詳盡的計算了復合材料絲束和基材的表面輻照度輪廓。這些輻照度輪廓，用于熱學模擬邊界條件的參考意見。碳纖維增強LM-PAEK(低熔點聚醚酮)帶的光學和熱學性能，也給相關的加工溫度提供了模型。
物理實驗驗證
作為驗證步驟，自動鋪絲(AFP)物理實驗也在法國工程師學院復合工業材料實驗平臺(Compositadour (Bayonne, France))進行。以此來展示用模擬實驗來預測實際自動鋪絲(AFP)鋪疊溫度值的能力。紅外溫度記錄儀，和鋪放復合材料內的嵌入式薄熱電偶，用于測量自動鋪絲(AFP)實驗加工溫度。測量看得出，和接近起軋點區域和沿著厚度方向的預測溫度輪廓，有相當的一致性。
但是，測量強調了熱學管理模具對于一開始幾層的材料影響。在鋪疊的開始，一開始的幾層非常接近于模具表面。模具形成了散熱板。因此，我們使用了被加熱的模具。模具的溫度對于自動鋪絲(AFP)起軋點的溫度有著強烈的影響。
圖5
用humm3®氙閃燈加熱系統的熱塑性復合材料鋪疊實驗。
圖片來源：法國工程師學院復合工業材料實驗平臺(Compositadour)
在鋪疊的初始階段，為了保持起軋點溫度的恒定，氙閃燈的脈沖參數需要調節。但是只要有幾層材料被鋪疊，這幾層就開始變成一種隔熱層，模具溫度的影響減少。這點在工藝上，無需在做進一步的脈沖參數調節。
在FRAMES項目驗證實驗期間，加熱的模具用于驗證不同的自動鋪絲(AFP)加工溫度。 Guillaume Fourage(法國工程師學院復合工業材料實驗平臺(Compositadour)工程師)解釋道，先進尾部展示器的制造方法并非一成不變的。我們在驗證的方法來做表面鋪疊，目的是找到工藝時間、能量消耗和鋪疊質量的平衡。改變模具表面的溫度需要我們根據達到適合的起軋點溫度，來調整脈沖的參數。這是光學了些模型開發計劃的一部分。這幫助我們增加在不同鋪疊條件下的模擬的可靠性和穩定性。
這些模擬模型也應用到最終的加熱系統和清潔天空2熱塑性復合材料先進尾部展示器模具構造。零件將于2021年生產、2022年組裝，目的是在2023年項目結束前達到技術就緒等級(TRL)6。同時，生產就緒等級(MRL)已達到5/6。不僅是為了先進尾部展示器，也為了相關的正在開發中制造工藝和模具。總體先進尾部展示器項目的目標包括：成本減少達20%、復合材料重量減少達20%、燃料消耗減少達1.5%，同時改善空氣動力學符合清潔天空的環境目標。
此項目得到了清潔天空2聯合企業在撥款協議編號886549下的資助。聯合企業得到了歐盟的地平線2020研發創新項目的支持，除歐盟之外，清潔天空2聯合企業成員也給與了大力支持。
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