專利名稱：帶整體除冰裝置的結(jié)構(gòu)式機翼的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件，它包括作為一個整體部件的從構(gòu)件外表面將一種固體(例如冰層)分離開的裝置，更具體地說，本發(fā)明涉及一種特別適合于作為機翼翼面或前緣的結(jié)構(gòu)件，該構(gòu)件用于飛機前緣表面時，它包括一個作為整體部件的適用于為復(fù)合材料構(gòu)件的高模量外表層除冰的加力位移機構(gòu)。
從帶有動力裝置的航空時代始，飛機就在令人討厭的在其零件(例如機翼和撐桿)表面積冰的飛行狀態(tài)下飛行。如果不加抑制，這種積冰就給飛機增重并改變飛機機翼和控制表面的輪廓，以致造成不可飛行的狀態(tài)。人們通過努力，已提出三種去除積冰的通用方法(通常稱為除冰工藝)用來防止和/或去除飛行狀態(tài)下的積冰。
第一種除冰法稱為熱除冰法，就是對前緣加熱，從而使積冰與飛機零件間的附著力松弛。這里說的“前緣”意指飛機零件上易結(jié)冰并受流過飛機的氣流沖擊的那些邊緣，這些邊緣還有氣流滯止的點或線。通過加熱，一旦附著力松弛，積冰通常就會被流過飛機的氣流從飛機零件上吹走。加熱前緣的方法通常有兩種。一種是所謂電熱除冰法，在飛機零件的前緣區(qū)放置一電熱元件，放置方法或者是放在包住前緣的高彈性套內(nèi)，或者放入飛機零件的蒙皮內(nèi)。這些加熱元件一般由一個或多個由飛機發(fā)動機驅(qū)動的發(fā)電機提供電能，它的開或關(guān)要保證有足夠的熱量來松弛積冰。小飛機不能提供足夠量的電能來采用電熱除冰法。
另一種加熱方法是使來自渦輪發(fā)動機的一級或多級壓縮機的高溫氣體流過飛機零件(如機翼和撐桿)的前緣，以便形成一種除冰或防止結(jié)冰的效果。這種方法僅用于帶渦輪發(fā)動機的飛機，因為這種渦輪發(fā)動機的一級或多級壓氣機可排出高溫壓縮空氣可供應(yīng)用。這種加熱方法可降低燃油消耗和渦輪輸出功率。
第二種通用的除冰法是化學(xué)法。在有限的情況下，將一種化學(xué)藥品施加在飛機的全部或部分零件上，以降低與飛機與積冰間的附著力，或降低積集在飛機表面上的水的凝固點。
第三種通用的除冰法是機械除冰法。在主要的商用機械除冰裝置中，有氣動除冰裝置，將多個可膨脹的可用壓縮流體(通常為壓縮空氣)充滿的管狀構(gòu)件覆蓋在飛機的前緣區(qū)或機翼或撐桿零件上。充氣時，管狀構(gòu)件傾向于使機翼或撐桿的前緣形狀膨脹，使積在其上面的冰碎裂，散入通過飛機零件的氣流中。一般說來，這些管狀構(gòu)件的形狀大致平行于飛機的前緣。這些普通的低壓氣動除冰器由具有似橡膠的或大致為彈性的化合物構(gòu)成。構(gòu)成這種除冰器構(gòu)件中可充氣管的材料在一個充氣循環(huán)中一般可膨脹或擴大40%或更多，從而造成除冰器以及前緣形狀的較大變化，而使積在前緣上的冰碎裂。這些普通的氣動除冰器需要一個大量的空氣充入其高膨脹管中使其膨脹，并且管子的充氣時間，一般習(xí)慣上平均為約2～6秒。由于管子充氣引起的機翼翼型形狀的變形會顯著改變通過機翼的氣流模型，因此對機翼的提升特性有不利影響。構(gòu)成這些普通的氣動除冰器的橡膠或類似橡膠材料一般的楊氏模量(彈性模量)約為6900KPa。冰的彈性模量有多種報導(dǎo)，為大約275，000KPa到大約3，450，000KPa之間。通常認為冰具有的彈性模量能使積冰控制到使支持這種積冰的表面輪廓變化最小。普通除冰器用的橡膠化合物的彈性模量比與積冰有關(guān)的彈性模量低得多。普通的氣動除冰器具有大的膨脹量，具有使積冰碎裂或斷裂的作用，因此可使積冰被沖擊的氣流掃除掉。
另一種機械除冰裝置包括電機械錘擊裝置，如美國專利№.3，549，964(Levin等人)所述的那種。由于機翼蒙皮對于在整個長時間錘擊時發(fā)生應(yīng)力疲勞有敏感性，故不大可能從商業(yè)上大大發(fā)展或應(yīng)用這種技術(shù)。
美國專利№.4，690，353(Haslim等人)公開了另一種電機械除冰裝置。將一個或多個疊加的柔性帶狀導(dǎo)體(每一個本身都折起來)嵌入一種彈性材料內(nèi)。如果對該導(dǎo)體供給大脈沖電流，那么導(dǎo)體的相鄰兩層的相對段中的逆流電流就引起相互作用的磁場，從而在疊加導(dǎo)體段之間產(chǎn)生一種電脈沖力，使它們幾乎瞬間地分離。這種擴張作用可去除彈性材料表面上的任何固體。
美國專利№.4，875，644(Adam等人)描述了另一種電機械除冰裝置，本說明書結(jié)合參考其內(nèi)容。當導(dǎo)體中通入大的磁流脈沖時，兩個或多個板式陣列(每一個都含有一組按一定間隔排列的、平行的帶狀電導(dǎo)元件)就被快速而有力地分別激勵起來。
美國專利№.4，706，911(Briscoe等人)和美國專利№.4，747，575(Putt等人)公開了一種為前緣除冰的裝置，在該裝置中通入高壓脈動流體使位于支承表面與具有相當高模量的板狀蒙皮之間的充氣管快速膨脹。脈動流體被送入充氣管使高模量蒙皮變形，然后突然停止。因此，給予積冰的動量引起冰的移動，這有助于冰的分離和移去。在某些最佳實施例中，可膨脹的管狀構(gòu)件在不到0.1秒內(nèi)最好在不到0.5毫秒內(nèi)就完成充氣。美國專利№.4，706，911的圖4及附加說明描述了一種適用于這種氣動脈動除冰器的噴射器/導(dǎo)桿操縱的放氣閥。美國專利№.4，747，575的圖7和附加說明描述了一種用于氣動脈動除冰器的顫震閥，它將一系列快速流體壓力脈沖送到裝在前緣的除冰裝置的可膨脹管內(nèi)。致力于改善這種氣動脈沖除冰系統(tǒng)導(dǎo)致不斷的努力改善輸送理想的流體脈沖的閥。
雖然上述專利中所公開的裝置和方法都已確認為適用于飛機的除冰，但仍然存在著一個工業(yè)上努力的目標，即盡可能降低重量并增加使用壽命和可靠性。為了達到這一目標，現(xiàn)代飛機的設(shè)計者和制造廠越來越多地采用由高模量纖維包括(但不限于)碳、石墨、芳族聚酰胺和玻璃纖維增強有機樹脂或碳基的輕重量復(fù)合材料。前緣表面例如飛機機翼和撐桿的前緣表面以及尾翼部分都裝有像美國專利№.4，706，911和№.4，747，575公開的裝置那樣的單獨制造的裝置。這種裝置用粘接這種輔助除冰裝置的粘接劑固定到現(xiàn)有的機翼結(jié)構(gòu)上。由于存在這種輔助裝置，改變了前緣的形狀，這是一種不希望的后果。換句話說，在設(shè)計時或者在安裝這種裝置之前，某些現(xiàn)有技術(shù)實施例的機翼前緣必須進行修改，以提供適當?shù)陌歼M部分來安裝除冰裝置。由于帶有凹進部分，故這種安裝除冰裝置的方法就可保證成品組件具有光滑的氣流特性。但是，在本發(fā)明中，下層支承表面和機翼結(jié)構(gòu)上是完整的而沒有另加除冰裝置。其除冰裝置不增加或少量增加了固定它的下層支承表面的結(jié)構(gòu)強度。以前已知的許多輔助除冰裝置都帶有一層由彈性體材料例如橡膠(氯丁橡膠)或氨基甲酸乙酯制成的積冰外表層。這些材料在飛行中對來自雨水、雨夾雪、冰雹和雪的腐蝕敏感性遠比現(xiàn)代大型飛機和某些通用航班機中采用的普通鋁合金前緣表面高。這種飛機，包括一般為約0.025～約0.190英寸厚的鋁合金蒙皮的預(yù)期使用壽命為20年或更高。將修理或更換這種除冰裝置的次數(shù)減至最小限度是飛機工業(yè)的一個目標。理想上總希望這種除冰裝置的抗雨蝕能力至少等于采用放氣裝置除冰的大型渦輪商用飛機現(xiàn)用的鋁合金蒙皮的抗蝕能力。
雨不是前緣所遇到的唯一沖擊物。在飛機的使用壽命內(nèi)，還可能遇到例如鳥、冰雹、蹌道飛起的碎片以及飛機常規(guī)維修時的偶然碰到的東西等的沖擊。
本發(fā)明的一方面提供了一種具有整體表面除冰能力的結(jié)構(gòu)件，該結(jié)構(gòu)件包括(a)一個由高拉伸模量非金屬纖維增強基體結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料基底;
(b)薄的加力位移機構(gòu);
(c)一層粘接到上述基底和上述加力位移機構(gòu)上的高拉伸模量薄外表層，上述的加力位移機構(gòu)位于上述基底和上述外表層之間。
本發(fā)明的另一方面提供了一種制造一種具有整體表面除冰能力的結(jié)構(gòu)件的方法，該方法包括(a)提供一個陰模;
(b)將一金屬外表層和一外粘接層放入模中;
(c)成形薄的加力位移機構(gòu)并將其粘到上述的外粘接層上;
(d)將一內(nèi)粘接層粘到加力位移機構(gòu)上;
(e)用多層纖維增強聚合物基復(fù)合材料層構(gòu)成一復(fù)合材料基底，并將該基底粘到上述的內(nèi)粘接層上;
(f)在高溫高壓下使上述外表層、加力位移機構(gòu)和基底的組合件固化并粘接在一起，形成上述整體的結(jié)構(gòu)件。
通過本發(fā)明的最佳實施例及結(jié)合附圖的說明，將會對本發(fā)明的特征和優(yōu)點更加清楚。


圖1為用本發(fā)明的裝置構(gòu)成其前緣部分并處于受力狀態(tài)的機翼的局部剖面圖;
圖2為類似于圖1所示的裝置處于非受力狀態(tài)并帶有一層冰的局部放大剖面圖;
圖3為圖2的裝置處于其受力狀態(tài)時的局部放大圖;
圖4、5和6分別為一種雨水浸蝕試樣夾持器的側(cè)視圖、局部剖切前視圖和底視圖;
圖7為用于試驗抗雨水浸蝕性的另一種試樣的立體圖。
本發(fā)明提供一種具有能夠為機翼前緣除冰的具有整體表面分離能力的結(jié)構(gòu)件式的裝置。本發(fā)明也提供制造這種裝置的方法和采用這種裝置除冰的方法。除冰就是在前緣形成冰后將它除去?！扒熬墶笔侵笜?gòu)件表面迎接和沖開碰撞在構(gòu)件表面上的氣流的部位，例如機翼、穩(wěn)定器、撐桿、吊艙和其他外殼各自的前部以及飛機在飛行時首先受通過飛機的氣流沖擊的凸起部分。參看附圖，圖1示出一種按照本發(fā)明的具有整體除冰能力的前緣結(jié)構(gòu)10，圖中示出的裝置10處于帶有夸張的(為了說明問題)變形的受力狀態(tài)。實際上，光滑連續(xù)的翼型輪廓的變形量是小得多的。裝置10用來代替?zhèn)鹘y(tǒng)地用作機翼前緣表面的笨重的鋁合金蒙皮(未示出)。這種鋁合金蒙皮的厚度一般的變化范圍為0.025英寸到0。190英寸，大的厚度是裝載100位乘客或更大容量的商業(yè)航線上的飛機采用的。裝置10用普通的方法固定到機翼結(jié)構(gòu)的剩余部分200上，例如，用圖1所示的平接裝配機械緊固件50或膠粘連接法固定。這種結(jié)構(gòu)可以在需要時(例如由于沖擊損壞)在外場更換裝置10。
圖2示出按照本發(fā)明最佳實施例的一種除冰裝置20，該裝置20有一表面層或外表層22，該外表層的材料的彈性模量至少為40，000KPa。緊接外表層22的下面是一層聚合物材料的外皮膠接層24。緊接外皮膠接層24的下面是一種產(chǎn)生推出力和位移的機構(gòu)26。緊接該機構(gòu)26的下面是一種聚合物材料的內(nèi)膠接層28。在內(nèi)膠接層28下面是一種纖維增強的復(fù)合材料基底30。圖中示出了在外表皮22的外表面23上粘附著一層冰18。
外表層22可用金屬或塑料制成，最好用鈦合金制成。金屬外表層22的厚度一般為大約0.002至大約0.030英寸，而塑料外表層22的厚度一般為大約0.005至大約0.080英寸。不銹鋼和鋁合金也是適用的外表層材料。外表層用的最好的塑料材料是從帝國化學(xué)工業(yè)聚合物公司(Imperial Chemical Industries PLC)購買的聚醚酮醚(PEEK)。在要求使用壽命很長的部位最好采用金屬外表層。
膠接層24和28由適合與兩邊各層粘接的聚合物材料組成。這種化合物在技術(shù)上是人所共知的，具體化合物的選用取決于一系列因素，包括工作環(huán)境、外表層22上形成的冰的性質(zhì)，與外膠接層24和內(nèi)膠接層28連接的加力位移機構(gòu)26的特性以及加力位移機構(gòu)26和相鄰的下接復(fù)合材料底層30的連接層29所用的材料。在外表層22用鈦合金制成并且加力位移機構(gòu)26含有可膨脹的管狀構(gòu)件27的情況下，外膠接層24最好由薄膜狀腈酚樹脂組成，例如，3M公司的AF32膠膜。在某些最佳實施例中，內(nèi)膠接層28也由10μ厚的腈酚膠膜組成。相鄰兩管狀構(gòu)件27之間的區(qū)域25也用同樣的腈酚材料制成。只要外膠接層24和內(nèi)膠接層28與其相連的材料層相容，都可采用3M公司的產(chǎn)品AF32。一種對于外膠接層24和內(nèi)膠接層28以及區(qū)域25十分合適的替換材料是增塑環(huán)氧樹脂薄膜，例如Hysol宇航產(chǎn)品公司(美國加州匹茲堡市)的代碼為EA951的制品。
圖2所示外膠接層24和內(nèi)膠接層28與區(qū)域25的材料各不相同，為的是便于說明和解釋本發(fā)明。實際上，一般并不推薦采用不同的材料層，區(qū)域25的材料可由管狀材料或?qū)?4、28的涂層構(gòu)成。
加力位移機構(gòu)26是薄的，其厚度通常不超過0.100英寸。每個可膨脹件27是管狀結(jié)構(gòu)的，其長度通常為除冰器的長度，即裝置10和機翼在翼展方向的長度。每個可膨脹件27由涂有聚合物的織物制成?？椢锟蓛H在一面帶涂層，并形成一種管子外面帶涂層的管狀構(gòu)件、或者在管子的內(nèi)面帶涂層以便在制造管子時，使管子的內(nèi)表面形成一層防粘層、防止織物層粘合在一起，從而形成一種可膨脹的管件。聚四氟乙烯薄膜很適用于用作這種防粘層。每個可膨脹管件27起到一種流體脈動管的作用。本發(fā)明裝置內(nèi)的可膨脹管件通過導(dǎo)管系統(tǒng)(未示出)連接到除冰系統(tǒng)(未示出)的剩余部分，該部分含有一個計時器/控制器(未示出)、一個高壓氣體源(未示出)和一個脈動輸送閥(未示出)。
美國專利№.4，706，911公開過一種適用于使本發(fā)明的具有整體表面分離能力的構(gòu)件中的可膨脹管件產(chǎn)生流體脈動膨脹的控制系統(tǒng)和高壓閥，本發(fā)明參考了這種結(jié)構(gòu)。美國專利№。4，873，647(R.M.Hohenshil和J.C.Putt)闡述了氣體脈動輸送閥的最佳實施例，本發(fā)明也結(jié)合參考其內(nèi)容。
纖維增強聚合物基復(fù)合材料基底30是由多層細絲狀材料增強熱固性聚合物基復(fù)合材料構(gòu)成的。這種絲狀材料及使其結(jié)合成層狀復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的技術(shù)是人所共知的。具體材料和具體結(jié)構(gòu)的選擇取決于一系列因素，包括組成前緣部分的本裝置的機翼的特性、彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度、前緣沖擊抗力、總體厚度限制和總體重量限制。本發(fā)明裝置的最佳實施例包含一種由石墨或碳纖維增強的環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料基底30。其他的高模量高強度纖維如芳族聚酰胺和玻璃纖維等可單獨使用或與其他類型纖維結(jié)合使用。
圖3示出處于受力狀態(tài)并且冰粒19已被拋出的除冰裝置20，其結(jié)構(gòu)與圖2所示結(jié)構(gòu)相同。圖2所示裝置處于停休狀態(tài)或非受力狀態(tài)，并帶有冰層18。工作時，高壓氣體(一般為空氣)以脈動形式充入到可膨脹管件27中，當氣體脈沖通過管子時，上述流體的引入就使外表層22產(chǎn)生一種快速而瞬間的變形。本發(fā)明裝置20的工作總的說來像美國專利№.4，706，911和№.4，747，575所述的那樣，如果從主膨脹管分出附加的可膨脹管(本說明書未示出)的話，就像美國專利№.4，826，108所述的一樣。這些氣體脈沖在可膨脹管件27內(nèi)產(chǎn)生大致恒定的壓力變化，從而使覆蓋在除冰器管27的表面23上的冰層產(chǎn)生一系列大致恒定的變形，這就引起冰層18破裂成冰粒19而排除。將空氣引入可膨脹件27的快動閥的典型供氣壓力至少為約1000Psig(6894KPa)，較好為1500Psig(10340KPa)，并可超過2000Psig(13788KPa)。
本專利申請人意外地發(fā)現(xiàn)，與人們早已知道的、用粘接或機械方法特意固定到飛機的原有蒙皮或其他要除冰的物體外表面上的結(jié)構(gòu)相比，整體除冰裝置，包括復(fù)合材料基底在金屬外皮氣動除冰器中的應(yīng)用顯著地改善了性能。至今，除冰裝置都是單獨制造成一種適用于固定到機翼的原始結(jié)構(gòu)蒙皮上的襯墊或保護套，這種結(jié)構(gòu)稱之為除冰墊或除冰套。與此相反，在本發(fā)明中，除冰裝置用來代替由原始結(jié)構(gòu)蒙皮和分開制造并固定上去的輔助除冰裝置兩者的結(jié)合體。本專利申請人發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明具有優(yōu)良的抗雨水浸蝕能力，可滿足飛機工業(yè)對這方面的要求。相反，現(xiàn)有技術(shù)的裝置的抗雨水浸蝕能力則低得多，它在雨水浸蝕試驗中，會由于累積在金屬蒙皮上的外冰層的斷裂而出現(xiàn)典型的失效。本發(fā)明的性能優(yōu)點見下列各例的說明。
例1試樣1的結(jié)構(gòu)如下--------(0.005英寸厚的鈦合金面層)++++++++(天然橡膠膠接劑層)
(天然橡膠)＃＃＃(可膨脹的管式加力器)
(天然橡膠)////////(壓合式粘接劑)＊＊＊＊＊＊＊)＊＊＊＊＊＊＊)(鋁基底)＊＊＊＊＊＊＊)雨水浸蝕結(jié)果-1小時30分鐘。
試樣1的結(jié)構(gòu)代表綜合現(xiàn)有的低壓氣動除冰器技術(shù)和高壓氣動脈沖技術(shù)所得到的結(jié)果。該結(jié)構(gòu)所觀察到的最好防雨水浸蝕性能為1小時30分，到達1小時30分時，鈦合金表面出現(xiàn)裂紋。
例2試樣2的結(jié)構(gòu)如下--------(0.005英寸厚的鈦合金面層)++++++++(腈酚底膠)
(腈酚膠膜)＃＃＃(可膨脹的管式加力器)
(腈酚膠膜)＝＝＝＝＝＝＝＝(空氣固化膠接劑)＊＊＊＊＊＊＊)＊＊＊＊＊＊＊)(鋁基底)＊＊＊＊＊＊＊)雨水浸蝕結(jié)果-2小時。
用腈酚底膠和腈酚膠膜代替例1中所用的天然橡膠基膠接劑將加力位移機構(gòu)粘到鈦合金外表層上。如圖1一樣，用壓合式膠接劑將防冰器粘到鈦合金基底上。所觀察到的最好防雨水浸蝕性能為2小時。在1小時半時，首次看到一條小裂紋。在試驗時間積累到2小時時，裂紋擴展，零件失效。
例3試樣3的結(jié)構(gòu)如下--------(0.005英寸厚鈦合金面層)++++++++(腈酚底膠)
(腈酚膠膜)＃＃＃(可膨脹的管式加力器)
(腈酚膠膜)＝＝＝＝＝＝＝＝(空氣固化膠接劑)＊＊＊＊＊＊＊)＊＊＊＊＊＊＊)(鋁基底)＊＊＊＊＊＊＊)雨水浸蝕結(jié)果-2小時45分。
除了用室溫固化膠接劑代替試樣2所用的壓合式膠接劑來粘接鋁基底外，試樣3的結(jié)構(gòu)與試樣2相同。當進行雨水浸蝕試驗時，在2小時30分時，試樣邊緣開始出現(xiàn)裂紋。在3小時半時，觀察到明顯的內(nèi)裂紋和內(nèi)浸蝕。試驗進行到2小時45分時，零件被判定不能再使用。
例4試樣4的結(jié)構(gòu)如下--------(0.005英寸厚鈦合金面層)++++++++(空氣固化底膠)))))))))(空氣固化粘結(jié)劑)
(腈酚膠膜)＃＃＃(可膨脹的管式加力器)
(腈酚膠膜)＝＝＝＝＝＝＝＝(空氣固化粘結(jié)劑)＊＊＊＊＊＊＊)＊＊＊＊＊＊＊)(鋁基底)＊＊＊＊＊＊＊)雨水浸蝕結(jié)果-30分鐘用室溫固化膠接劑使鈦表層和鋁基底分別粘到其相鄰層上。雨水浸蝕試驗僅30分鐘，就觀察到其表層失效(出現(xiàn)疲勞開裂和剝落)。
例5試樣5的結(jié)構(gòu)如下--------(0.005英寸厚鈦合金面層)++++++++(氨基甲酸乙酯膠接劑)
(0.015氨基甲酸乙酯膠膜)＃＃＃(可膨脹的管式加力器)
(腈酚膠膜)＊＊＊＊＊＊＊)＊＊＊＊＊＊＊)(鋁基底)＊＊＊＊＊＊＊)雨水浸蝕結(jié)果-1小時30分。
在試驗前觀察到試樣5的左下側(cè)有一小裂紋。隨著雨水浸蝕試驗時間的加長，原始小裂紋擴展成鈦表皮中的斷口，隨之裂口周圍出現(xiàn)剝落。試驗1小時30分鐘后，零件被判定不能再使用。在約2小時30分鐘時，判定試樣完全失效。
例6試樣6的結(jié)構(gòu)如下--------(0.005英寸厚鈦合金面層)++++++++(腈酚底膠)
(腈酚膠膜)＃＃＃(可膨脹的管式加力器)
(腈酚膠膜)＊＊＊＊＊＊＊)＊＊＊＊＊＊＊)(復(fù)合材料基底)＊＊＊＊＊＊＊)雨水浸蝕結(jié)果-7小時不失效。
在例1～6中的各試樣，根據(jù)制造商的要求，可使用市場上買得到的膠接劑材料。鈦合金面層為0.005英寸厚的Ti-15v-3Al-3Cr-3Sn(按AMS4914)合金，用鉻酸對要粘接的表面進行陽極化。鋁基底或底層由6061T6合金制成，外形如圖4～6所示。鋁基底的總長度為3英寸，前緣半徑為0.50英寸，壁厚為0.25英寸，總高度為1.25英寸。根據(jù)制造商的要求，腈酚膠膜(3M公司的AF32，10μ厚)可與其補充的腈酚底膠一起使用。在使用腈酚膠膜之前，復(fù)合材料基底上不涂底膠。
試樣6的制備包括兩個主要步驟。第一步，將鈦合金面層粘到腈酚膠膜的外層上，并在熱空氣高壓釜內(nèi)，于350°F下左右的溫度及約3個大氣壓的壓力下保持1小時進行部分固化，使強制加力區(qū)與腈酚膠膜的內(nèi)層粘接在一起。第二步，通過逐層將石墨環(huán)氧予浸料粘到腈酚膠膜的內(nèi)層的辦法使石墨環(huán)氧予浸復(fù)合材料基底粘到步驟1所形成的結(jié)構(gòu)上，再將所形成的組合件放入熱空氣高壓釜中于350°F。約3個大氣壓下保持1小時。所得試樣6進行雨水浸蝕試驗7小時后，只在試樣兩側(cè)邊緣觀察到輕微的侵蝕，其它地方?jīng)]有看到任何損傷或侵蝕。
例6的雨水浸蝕試樣與例1～5的試樣的總尺寸和前緣半徑相同。纖維增強復(fù)合材料基底的公稱厚度為0.100英寸。沿每一試樣的后緣，有一組埋頭孔。試樣由一組埋頭螺釘固定到裝在雨水浸蝕試驗裝置的旋轉(zhuǎn)葉片上的轉(zhuǎn)接器上。轉(zhuǎn)接器固定到葉片上的方法與試樣1～5相同。
試樣1～6的雨水浸蝕試驗方法(方法Ⅰ)如下。用機械方法將試樣固定到試驗裝置的旋臂上。調(diào)整上述裝置使試樣的速度為500mph，相當于旋臂轉(zhuǎn)速為1400rpm。水流的速度調(diào)整到0.8加侖/分鐘，以形成一種每小時1英寸且雨滴直徑為1.5mm左右～2.0mm的下雨速度。試樣1～6的每一試樣都用同樣的裝置以及上述條件進行試驗。
為了證實試樣6具有優(yōu)良的抗雨水浸蝕能力，制備了具有下列結(jié)構(gòu)的附加試樣。
試樣7--------(0.005英寸厚鈦合金面層)++++++++(腈酚底膠)
(腈酚膠膜)＃＃＃(可膨脹的管式加力器)
(腈酚膠膜)＊＊＊＊＊＊＊)
＊＊＊＊＊＊＊)(石墨環(huán)氧復(fù)合材料基底)＊＊＊＊＊＊＊)雨水浸蝕結(jié)果-4小時30分鐘無裂紋。
試樣8--------(0.005英寸厚滲氮鈦合金面層)++++++++(腈酚底膠)
(腈酚膠膜)＃＃＃(可膨脹的管式加力器)
(腈酚膠膜)＊＊＊＊＊＊＊)＊＊＊＊＊＊＊)(石墨環(huán)氧復(fù)合材料基底)＊＊＊＊＊＊＊)雨水浸蝕結(jié)果-4小時30分鐘無裂紋。
形狀如圖7所示的試樣7和8在主機架制造廠中進行雨水浸蝕試驗(方法Ⅱ)。試樣的尺寸如下總長度至少為4英寸，前緣71的半徑為0.50英寸，其弧度為170度，前緣的上、下平面區(qū)72、73以相對于試樣翼弦方向78或20°的角度從前緣弧向后延伸1.40英寸，后面的上、下平面區(qū)74、75以平行于試樣翼弦方向78的方向從各自的前平面區(qū)72、73向后延伸約1.4英寸。連接前、后平面區(qū)的每一連接部位76、77的半徑為0.06～0.25英寸。試驗條件包括試樣中點速度為600mph，水噴射速度為每小時3～4英寸，水滴直徑為1.5～2.0mm。飛機制造廠的最低性能標準包括要求在上述條件下經(jīng)雨水浸蝕試驗4.5小時后，表面光潔度的手感比粒度為240的砂低光滑。試樣7和8在這種試驗中的性能超過普通的鋁合金飛機蒙皮。
除了從使用觀點出發(fā)另有標明外，所有的壓力均為表壓。
本發(fā)明的具有整體表面分離能力的結(jié)構(gòu)件可用下列方法制造制造一種形狀與要裝配進前緣裝置的翼型輪廓相對應(yīng)的標準模型。最好是一種能夠使前緣裝置從其外面的高模量表層開始堆積，逐漸向里到達其與機翼相連接的底層部分的陰模。整個裝置連接到機翼上的方法一般采用機械緊固件，例如凹面或埋頭螺釘或者鉚釘。
類似于圖1、2和3所示的實施例并帶有圖7結(jié)構(gòu)細節(jié)的裝置的制造方法如下將鈦合金薄板要噴涂細霧狀腈酚底膠(根據(jù)制造廠指南的3M公司產(chǎn)品，代碼為EC3901)的一面進行陽極化。然后按照膠接劑制造廠指南對已涂底膠的鈦合金表層進行烘烤，本例為180°F左右、30分鐘。
具有使用所需的尺寸的可膨脹管狀構(gòu)件由涂有聚合物的織物制成。在例7所述的最佳實施例中，使用約0.007英寸厚的尼龍織物，紡織花紋為密排的正方編織花紋，其一側(cè)涂有3M公司的AF32腈酚樹脂，涂層的總厚度約0.015英寸。將涂層織物斜裁成與每一管子所需的長度和寬度相同的布條，剪裁時，要使經(jīng)紗與布條的長度方向保持45°左右的斜角。一般的管子壓扁時其寬度為約1～約2.5英寸。在需要使管子沿小半徑區(qū)安放例如跨過一個前緣時，就使用寬度較小的管子。將一層聚四氟乙烯帶或?qū)挾扰c要成形的管子的寬度相當?shù)钠渌线m的非膠接材料放到各條管子織物條上。每一管子的成形方法是將這種涂層織物條沿其長度方向窩起來，并使其包在非膠接材料層的外面而形成一沿縱長方向的重疊區(qū)。最好用一種具有寬度和長度與織物條相同而厚度較大的聚四氟乙烯附加層(下稱坯條)放到上述織物條的上面。這種坯條有助于使涂層織物條制成管子，而且最好讓織物帶涂層的一側(cè)朝向管子的內(nèi)部。在下一步的制造工序中，上述聚四氟乙烯薄膜可防止相鄰的腈酚涂層織物固化在一起。上述聚四氟乙烯帶層或其它合適的離型膜或處理物可保留在成品結(jié)構(gòu)中。當使用離型帶并且以后不打算除掉它時，應(yīng)將其粘到管子的一側(cè)。將每個管子按其各自的成品結(jié)構(gòu)件狀態(tài)分別放入陰模中并在高壓釜中固化。在管子成形工序后將聚四氟乙烯坯條取出。
在每一管子固化后，對它加工出一個小孔，并用另外的膠膜和織物增強劑為每一個管子粘上一個接頭。在某些最佳實施例中，在管子相近的對端分別安裝一個進口接頭和一個出口接頭。進口接頭的內(nèi)通道位于與脈動輸送閥最靠近的一端，并且在它與可膨脹的管式構(gòu)件相連接的地方，形成了一個帶圓形端面的長槽。出口接頭具有圓形的內(nèi)通道。在裝好接頭后，管子的兩端用例如折疊的方法封閉并另用膠膜粘住。所得管子和接頭的分組件再用制造管子相同的涂層織物整個包覆一層，然后放入陰模中，在模子中的位置應(yīng)是其成品結(jié)構(gòu)所占有的位置，再裝入真空袋內(nèi)并在高壓釜中使這些零件進一步固化在一起。使用陰模可保證分組件完成像模子的彎曲配合。固化后從模子中取出分組件。
在陰模中要加上一層脫模劑和/或離型織物或者用其他的方法促使熱固化后的分組件容易從陰模中取出。
將鈦合金面層密接到陰模的型面上。將3M的AF32腈酚膠膜的外膠接層加到涂好底膠并烘烤過的鈦合金表面上，再用熱氣槍加熱、同時用手將其壓緊。在兩者放入陰模前，最好先將膠膜的外膠接層加到放在一平面例如工作臺上的鈦合金面層上，這樣比較容易貼緊。貼上膠膜后，將一層增強織物貼到外表層的內(nèi)表面。膠膜也可能被纖維增強。
將上述由管子、接頭和織物包層組成的固化好的分組件放到模子中的外膠接層上。到此，再在熱空氣高壓釜中于350°F、3個大氣壓下使外表層、外粘結(jié)層和分組件的組合件固化1小時而粘合在一起。
在用上述方法將外表層和分組件粘結(jié)起來后，再將形成復(fù)合材料基底的各層加到要制造的零件上，此時整個組件仍保留在陰模中。形成基底的最好方法是將一些環(huán)氧樹脂預(yù)浸料增強織物(例如Ciba Geigy公司的R6376/CGG108，一種石墨纖維環(huán)氧予浸料)層一層一層地連續(xù)貼上去，直到完成所需的基底為止。在完成基底予浸料疊層后，再將組件放入高壓釜中進行固化。對于試樣7結(jié)構(gòu)所用的腈酚和環(huán)氧系統(tǒng)，最后的固化條件為350°F、3個大氣壓(干燥空氣)、1小時。上述的每一固化步驟所用的條件均相似。最后，從高壓釜中取出零件和模子，再從模子中取出零件。
為了方便用機械緊固件進行埋頭安裝，在要與機翼相連接的地方將鈦合金外層壓凹并鉆孔。在完成全部在型中固化步驟后，在這些壓凹處將零件鉆出通孔。
此后，用鉚釘或螺釘如圖1所示那樣將成品零件安裝到相應(yīng)地結(jié)構(gòu)件上。當該零件的結(jié)構(gòu)與和流體脈動產(chǎn)生裝置相通的導(dǎo)管相連接時，每個管子的進口就可將氣壓脈沖引入到可膨脹構(gòu)件中。
另一方面，如果模子的彎曲半徑足夠大，在將下述的平預(yù)成形件放入模子時，管子不會發(fā)生彎曲或皺折的情況下，為了方便起見，可在一個平的工作表面上，將未固化的管子和接頭加到外表層和外膠膜的組合件上而形成一預(yù)成形件。如果陰模的半徑太小，則在將平的預(yù)成形件放入模子中時就會發(fā)生彎曲或皺折。如果發(fā)現(xiàn)管子或其包襯織物發(fā)生這種彎曲或皺折，最好在預(yù)成形件放入陰模之后再放管子。
在詳細地闡述了本發(fā)明、包括產(chǎn)生氣動脈沖力和位移的機構(gòu)之后，就可以相信可代之以其它任何較薄的能產(chǎn)生平面力和位移的機構(gòu)放入到膠膜層間空隙形成的受感區(qū)內(nèi)，例如采用美國專利№.4，690，350(Haslim等)和美國專利№.4，875，644(Lowell J.Adams等)中所闡述的適用的薄板式電磁力和位移發(fā)生機構(gòu)。Adams等的電磁力和位移發(fā)生機構(gòu)包含一對板式陣列，每一陣列由一組互相隔開的平行的條狀導(dǎo)電元件組成。這些導(dǎo)電元件的導(dǎo)電方向是這樣的，即在導(dǎo)電元件中的任何電流都以與第二個板式陣列的導(dǎo)電元件中的電流相反的方向流動。最好導(dǎo)電元件間是這樣互相連接的，即，使在第一板式陣列中相鄰的導(dǎo)電元件中的電流以同一方向流動，而第二個板式陣列中相鄰的導(dǎo)電元件中的電流則以與其相反的方向流動。第一和第二陣列在空間上是共同擴張的，并且彼此疊合式的貼近，因此第一和第二板式陣列的導(dǎo)電元件基本上是互相平行的。導(dǎo)電元件彼此間是互相電絕緣的。由一電源向?qū)щ娫┙o大的電流脈沖，使第一和第二板式陣列快速而強烈地分開，從而使復(fù)蓋有冰層的高模量外層發(fā)生快速的移動。
雖然上面結(jié)合一些實施例，包括最佳實施例和較好的實施例闡述了本發(fā)明，但熟悉飛機除冰技術(shù)人員將很清楚，顯然可以采用它的其它改型。這些改型肯定也包括本說明書和附錄的權(quán)利要求書的內(nèi)容。也可使用不同的膠接劑材料?？膳蛎浀墓茏右部芍苯诱车酵獗韺雍突咨隙槐胤珠_使用膠膜粘接層。金屬外表層也可進行處理，進一步提高它的硬度或者降低它對冰層的粘結(jié)系數(shù)。金屬外表層也可帶有纖維增強樹脂背層以提高其抗沖擊例如冰雹和鳥沖擊的能力。在單個零件中，也可采用綜合氣壓脈沖和電激勵的加力位移機構(gòu)。復(fù)合材料基底不要求均勻的厚度或者整個輪廓表面都具有均勻的結(jié)構(gòu)，而可根據(jù)不同的使用要求在不同的部位上做成不同的尺寸和性能。特殊情況下，在鄰近與機翼結(jié)構(gòu)余部機械連接點處的復(fù)合材料基底可適當增強?？膳蛎浀墓苁綐?gòu)件可以沿圖1所述的機翼翼展方向排列，或者按翼弦方向(未示出)排列或者按綜合上述的方向排列以提高其性能。管子的排列方向最好由技術(shù)熟練的人員根據(jù)特殊的應(yīng)用場合憑經(jīng)驗確定。
權(quán)利要求
1.一種具有整體表面除冰能力的結(jié)構(gòu)件包括(a)一個由高拉伸模量非金屬纖維增強基體結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料基底；(b)薄的加力位移機構(gòu)；(c)一層粘接到上述基底和上述加力位移機構(gòu)上的高拉伸模量薄外表層，上述的加力位移機構(gòu)位于上述基底和上述外表層之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的結(jié)構(gòu)件，其特征在于，上述基底由若干層纖維增強熱固能基體復(fù)合材料層疊加而成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的結(jié)構(gòu)件，其特征在于，上述外表層的內(nèi)表面粘接有一層纖維增強聚合物基材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的結(jié)構(gòu)件，其特征在于，上述加力位移構(gòu)件至少包含一個可膨脹的管式構(gòu)件，該管狀構(gòu)件的位置可使外表層由于它的流體脈動膨脹而作相應(yīng)的移動。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的結(jié)構(gòu)件，其特征在于，上述可膨脹的管狀構(gòu)件至少由一層在至少一側(cè)表面上涂有聚合物的材料的織物經(jīng)固化制成，該可膨脹的管狀構(gòu)件由膠接劑粘到該結(jié)構(gòu)的上、下層之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的結(jié)構(gòu)件，其特征在于，它包括可使上述可膨脹的管狀件在不到0.1秒的時間內(nèi)膨脹到所需程度的機構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的結(jié)構(gòu)件，其特征在于，它包含可使上述的可膨脹的管狀構(gòu)件作脈動膨脹的機構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求4的結(jié)構(gòu)件，其特征在于，上述的外表層是金屬制的。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的結(jié)構(gòu)件，其特征在于，在外表層的內(nèi)表面上粘接有一層纖維增強的聚合物材料。
10.根據(jù)權(quán)利要求4的結(jié)構(gòu)件，其特征在于，上述的外表層是鈦合金制的。
11.根據(jù)權(quán)利要求4的結(jié)構(gòu)件，其特征在于，上述的外表層是塑料制的。
12.根據(jù)權(quán)利要求4的結(jié)構(gòu)件，其特征在于，上述的外表層是聚醚酮醚制的。
13.根據(jù)權(quán)利要求4的結(jié)構(gòu)件，其特征在于，上述的基底由若干層由碳、石墨、芳族聚酰胺和玻璃纖維中的一種或多種纖維增強的環(huán)氧基復(fù)合材料層疊加而成。
14.根據(jù)權(quán)利要求4的結(jié)構(gòu)件，其特征在于，上述的外表層用腈酚或增塑環(huán)氧膠膜粘接到可膨脹的構(gòu)件上。
15.根據(jù)權(quán)利要求2的結(jié)構(gòu)件，其特征在于，上述加力位移機構(gòu)用一層腈酚或環(huán)氧膠粘接到基底上。
16.根據(jù)權(quán)利要求2的結(jié)構(gòu)件，其特征在于，上述加力位移機構(gòu)由電磁裝置組成。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的結(jié)構(gòu)件，其特征在于，上述電磁裝置包括由一組彼此互相平行隔開并且是電絕緣的第一導(dǎo)電元件組成的第一板式陣列和由一組彼此互相平行隔開并且是電絕緣的第二導(dǎo)電元件組成的第二板式陣列，上述導(dǎo)電元件間是電性連接的，以便使在相鄰的第一導(dǎo)電元件中各導(dǎo)電元件的電流方向相同，并使在相鄰的第二導(dǎo)電元件中的電流方向與第一導(dǎo)電元件中的電流方向相反，因此在上述第一和第二導(dǎo)電元件間產(chǎn)生一種電斥力，這種力使上述第一和第二導(dǎo)電元件分開，上述第一板式陣列與上述第二板式陣列在空間上基本上是共同擴張的并且是彼此疊合式的貼近，因此，上述第一和第二導(dǎo)電元件基本上是平行的。
18.根據(jù)權(quán)利要求16的結(jié)構(gòu)件，其特征在于，上述基底由若干層以碳、石墨、芳族聚酰胺和玻璃纖維中的一種或多種增強基體的復(fù)合材料層疊加而成。
19.在組裝權(quán)利要求1的結(jié)構(gòu)件和機翼結(jié)構(gòu)時，將根據(jù)權(quán)利要求1的結(jié)構(gòu)件固定到機翼結(jié)構(gòu)上，并由它構(gòu)成機翼的前緣表面。
20.在組裝權(quán)利要求4的結(jié)構(gòu)件和機翼結(jié)構(gòu)時，由根據(jù)權(quán)利要求4的結(jié)構(gòu)件形成該組合件的前緣表面。
21.根據(jù)權(quán)利要求16的結(jié)構(gòu)件和一種機翼結(jié)構(gòu)，其特征在于，由根據(jù)權(quán)利要求16的結(jié)構(gòu)件構(gòu)成上述兩者組合件的前緣表面。
22.根據(jù)權(quán)利要求4的結(jié)構(gòu)件，其特征在于，當按照試1～6的試驗方法在500mph下對它進行試驗4.5小時時，它仍具有耐雨水浸蝕抗力。
23.根據(jù)權(quán)利要求4的結(jié)構(gòu)件，其特征在于，當按照試樣7和8的試驗方法在600mph下對它進行4.5小時的試驗時，它仍具有耐雨水浸蝕抗力。
24.一種制造一種具有整體表面除冰能力的結(jié)構(gòu)件的方法，該方法包括(a)提供一個陰膜;(b)將一金屬外表層和一外膠接層放入模中;(c)成形薄的加力位移機構(gòu)并將其粘到上述外粘接層上;(d)將一內(nèi)粘接層粘到加力位移機構(gòu)上;(e)用多層纖維增強聚合物基復(fù)合材料層構(gòu)成一復(fù)合材料基底，并將該基底粘到上述內(nèi)粘接層上;(f)在高溫高壓下使上述外表層、加力位移機構(gòu)和基底的組合體固化并粘接在一起，形成上述整體的結(jié)構(gòu)件。
25.根據(jù)權(quán)利要求24的方法，其特征在于，該方法還包括在將加力位移機構(gòu)粘到上述外表層之前，先按加力位移機構(gòu)在成品結(jié)構(gòu)件中所占的位置在模子中使加力位移機構(gòu)固化。
26.根據(jù)權(quán)利要求24的方法，其特征在于，該方法還包括在將加力位移機構(gòu)裝配入上述結(jié)構(gòu)件之前，先成形含有至少一個由涂有聚合物的織物制成的可膨脹的管狀構(gòu)件的加力位移機構(gòu)，并使上述可膨脹的管狀構(gòu)件固化成它在成品構(gòu)件中占有的形狀。
27.根據(jù)權(quán)利要求26的方法，其特征在于，該方法還包括通過將一斜切的涂聚合物織物布條包在一沿長度方向延伸的非粘接材料層的外面而形成一沿長度方向延伸的重疊區(qū)的方法，做成上述的至少一個可膨脹的管狀構(gòu)件。
28.根據(jù)權(quán)利要求27的方法，其特征在于，該方法在將上述織物制成管狀構(gòu)件之前，先將兩層基本上相等的非粘接材料層疊合起來，其中一層在管狀構(gòu)件固化后去掉。
29.根據(jù)權(quán)利要求27的方法，其特征在于，該方法還包括將接頭安裝到每一已固化的管狀構(gòu)件上，并用一層涂有聚合物的織物包復(fù)到接頭與管狀構(gòu)件的結(jié)合體上形成一分組件，并且在將該分組件放入上述結(jié)構(gòu)件之前，將分組件固化成與它在成品結(jié)構(gòu)件中占有的位置相匹配的彎曲狀件。
30.根據(jù)權(quán)利要求24的方法，其特征在于，該方法還包括在金屬外表層的內(nèi)側(cè)加上一纖維增強樹脂襯層。
全文摘要
一種具有整體表面除冰能力的結(jié)構(gòu)件及其制造方法。該結(jié)構(gòu)件包括一由高拉伸模量非金屬纖維增強的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的基底，薄的加力位移機構(gòu)和一薄層粘到上述基底和上述位于基底和外表層間的加力位移構(gòu)件上的高拉伸模量外表層。加力位移機構(gòu)可以含有一個或多個可膨脹的管狀構(gòu)件和/或電磁裝置。上述結(jié)構(gòu)件可代替現(xiàn)代飛機上一般采用的鋁合金前緣結(jié)構(gòu)蒙皮。
文檔編號B64D15/18GK1051537SQ9010890
公開日1991年5月22日 申請日期1990年11月6日 優(yōu)先權(quán)日1989年11月6日
發(fā)明者凱文·李·利弗爾, 詹姆斯·克雷格·普特, 理查德·勞倫斯·羅克霍斯特 申請人:B.F.谷德里奇公司