复合材料通用飞机传统上采用编织纤维布为增强材料,由纤维束正交交叉、上下交错编织而成,如下图所示,经树脂预浸和高温固化后形成的构件具有机械性能在各个方向基本相同的“准各向同性”,类似于铝材。这种材料系统虽然适于多种应用,但在航空器承载中却并非理想,飞机的大部分构件主要是某一方向受载(例如机翼蒙皮的主要载荷来自由于机翼弯曲而形成翼展方向的拉伸和压缩),编织纤维布在这些情况下只有受载方向的纤维承载,正交方向的纤维不但没有承载反而增加了重量;此外,由于纤维只有在伸直时才能有效承载,固化的编织布中纤维因上下交错形成“非线性”自然弯曲,必须经由一定负载拉直后才能发挥承载作用,造成约20%~40%的机械性能损失。传统复合材料通用飞机采用编织纤维布系统的原因,是因为它们的开发者大都不是材料专家,选择机械性能类似于传统铝材又易于获取的材料对他们来说较为省事。
纵观复合材料飞机的发展历史,目前市面上的复合材料飞机,它们在开发时均以铝材作为竞争对手,只要是复合材料,不论何种技术都比铝制材料性能优越。随着技术的发展,当今通航界已经到了需要与其他复合材料技术竞争的时代,温德克在复合材料方面的深厚根基,意味着它不仅优于铝制材料,而且优于其他复合材料。“鹰I”的开发与大多数复合材料通用飞机不同,在陶氏化学公司的资助下,老温德克博士以“开发最好的航空复合材料和工艺”为初衷,发现非编织单向纤维复合材料更适合飞行器构件中单向承载的特点。在这种材料系统中,所有的纤维束均向单一方向平行排列,如下图所示,避免了纤维上下交错形成的“非线性”弯曲、省去了不起承载作用的纵向纤维,提高了负载效率,降低了重量。在飞机构件制造时,单向承载构件采用与负载一致的纤维方向,复杂承载构件采用优化的不同纤维方向多层结构,增加强刚度重量比达一倍左右。经过10多年的努力,老温德克解决上述技术中的所有问题,研制了采用该技术的“鹰I”飞机并获得了FAA的型号认证。非编织单向纤维复合材料优越的强刚度重量比,是鹰型机机体大、重量轻、速度快、航程长、油耗低、载重大的根本原因,是“鹰”型机最重要的关键技术。
目前大部分复合材料通用飞机采用树脂预浸加高温烘焙工艺,直接购买已经预先加灌树脂和固化剂的“预浸料”半成品,成型后经高温烘焙激活固化剂,实现固化。由于固化剂的加入,预浸料的架上寿命有限,必须在接近零度的环境下运输和存储,高温固化所用的设备昂贵,而生产出的结构富含短分子链,疲劳和耐候性不理想。
采用温德克专有的树脂混合和强化技术,经过独特的稍高温固化,实现更优化的树脂纤维比和极高的层间剪切强度,结构更轻更强、耐候性更好,而且固化设备要求和成本较低。实验数据表明,用这种工艺制成的“鹰”型机构件,其机械性能在近20年后不但没有降低,反而稍有提高。“鹰”型机结构上采用与鸟类骨骼类似的玻纤泡沫结构,负载转移和分配类似于鸟的肌肉和韧带,效率极高,如下图所示。其泡沫芯材使用聚氨酯发泡塑料,相比于其他复合材料主流机型采用的聚氯乙烯发泡塑料泡沫或者蜂窝结构,强度更高、重量更轻。
传统的复合材料工艺中,脱模、补损、抛光、完成和上漆等是多道工序,其间要经过多次喷砂打磨,而本项目利用专有的表面脱模工艺将这些融为一道工序,可以从模具中直接脱出已经抛光完成并油漆涂字的构件,不但减少工序、降低成本,而且避免了多次喷砂打磨对飞机气动形状带来的负面影响。
由于使用了轻型复合材料,温德克“鹰I”飞机的基本载重比铝材制造的比奇G36高出18%,因此满油载重、满客储油等指标明显领先,最终体现在单位里程油耗直接降低4%,加上基本载重优势,最终体现在满客航程上的绝对优势!而这一切说到底都缘于复合材料制作的机身明显轻便。温德克机身由复合材料制成,由于这种材料可以像布料一样剪切,因此复合材料机身制造工序制造出的边角余料和废料将大幅度减少。以往的飞机主要是铝制的,必须将大片或大块材料碾碎后进行机械加工,然后用来制造飞机结构,被用来制造飞机零部件的原材料中,通常有90%在生产过程中成为了边角余料,同时消耗了大量能源。虽然这些材料可以再循环,但再循环的方法也需要经过高耗能的重新熔炼回炉,因此,尽可能避免浪费、减少“材料生命全周期工序环节”无疑是更好的办法,温德克复合材料飞机为此给出了最佳解决方案。随着复合材料技术的发展,越来越多的复合材料被从小飞机逐步应用于民航大飞机制造业。在提高飞机强度、韧度的同时,复合材料的大面积使用还使飞机变得越来越轻,大幅度提升了飞机的燃油效率。另外,使用复合材料还可以大幅降低紧固件和铆钉的数量。有业内人士认为,“复合材料只有5%的废料,而铝是90%”。事实上,正是温德克飞机开辟了航空制造的复合材料时代!