Windecker A-7 Eagle - chiếc máy bay hoàn toàn bằng composite đầu tiên

Năm 1969, Cục Hàng không Liên bang Mỹ đã cấp giấy chứng nhận hợp lệ cho máy bay hạng nhẹ Windecker A-7 Eagle, chiếc máy bay hoàn toàn bằng composite đầu tiên.

Ngành chế tạo máy bay hiện đại không thể có được nếu không có vật liệu composite, bởi khung của nhiều máy bay được lắp ráp gần như 100% bằng vật liệu này. Việc phát triển khoa học vật liệu đầy triển vọng đã bắt đầu từ giữa thế kỷ XX và nhanh chóng mang lại những kết quả đầu tiên.

Thay thế vật liệu nhôm

Cuối những năm 1950, bác sĩ nha khoa Leo Windeker đến từ TP. Lake Jackson, bang Texas (Mỹ), đã có chuyến bay với tư cách là hành khách trên chiếc Cessna 172. Khi đó, sự nhiễu loạn đã làm hỏng chuyến trải nghiệm trên không của ông. Ngoài ra, bác sĩ còn nhận thấy khung máy bay làm bằng nhôm mỏng và dễ vỡ đến mức nào. Không lâu sau, ông đã nảy ra ý tưởng chế tạo một loại vật liệu mới để sản xuất máy bay bền chắc và nhẹ hơn so với vật liệu truyền thống.

Chiếc máy bay bằng vật liệu composite thử nghiệm đầu tiên X-7

Công việc được khởi động vào năm 1958. Những thí nghiệm đầu tiên được Leo Windeker tiến hành trong chính gara nhà mình với sự tham gia của vợ ông là Fairfax Windeker, cũng là một nha sĩ, cùng ba người con trai. Các thí nghiệm đã sớm được các bệnh nhân của nha sĩ biết đến, trong đó có các nhân viên Công ty Hóa chất Dow Chemical Company. Nhờ đó, Windecker đã tranh thủ được sự hỗ trợ của người đứng đầu công ty, Herbert Dow, và tiến sĩ Malcolm Pruitt. Lúc này, các nhà phát minh có thể tiếp cận những vật liệu cần thiết và cơ sở khoa học kỹ thuật.

Không lâu sau, với sự tham gia của các nhà phát minh và trợ lý của họ, Công ty Windecker Research đã được thành lập. Thời gian đầu, hoạt động chính của công ty vẫn là phát triển những loại vật liệu mới, nhưng các vấn đề về chế tạo máy bay bằng những vật liệu đó đã được xem xét nghiên cứu. Đặc biệt, đã có những cuộc tranh luận về việc nó phải như thế nào để thể hiện hết những ưu điểm của vật liệu tổng hợp, cũng như tìm được chỗ đứng trên thị trường.

Vào giữa thập niên 1960, Công ty Windecker Research đã tìm ra thành phần vật liệu composite tối ưu cho ngành hàng không và cấp bằng sáng chế cho nó, cũng như đăng ký nhãn hiệu Fibaloy. Các linh kiện máy bay được đề xuất làm từ sợi thủy tinh một chiều và một trong những loại nhựa epoxy dễ mua. Sau khi đặt trong khuôn, các thành phần được nung ở nhiệt độ nhất định. Tùy thuộc vào kích cỡ của máy bay sắp được chế tạo, người ta có thể chế tạo trọn vẹn các hệ thống thiết bị.

Fibaloy nổi bật so với nhôm bởi tỷ trọng thấp hơn và có độ bền tương đương. Sau đó, trong các cuộc thử nghiệm người ta nhận thấy rằng, một chiếc cánh bằng vật liệu composite liền khối có cùng kích thước và trọng lượng thì bền hơn gấp đôi so với kết cấu nhôm đúc sẵn. Có thể thu lại lợi nhuận tương tự khi chế tạo các thành phần khác của khung máy bay. Với tất cả những điều này, vật liệu mới sẽ dễ dàng được xử lý và kết dính…

Vật liệu composite khi ở trên không

Sau tất cả các cuộc kiểm tra sơ bộ, công việc chuẩn bị bắt đầu cho các chuyến bay thử nghiệm vật liệu mới. Hai cánh được làm từ vật liệu Fibaloy cho máy bay Monocoupe 90. Đây là những bộ phận có cạnh phía trước thẳng và đầu tròn. Sải cánh là 9,75m, diện tích là 12,5m². Bên trong cánh composite, các rãnh để đi dây điều khiển và những thiết bị khác đã được bố trí trước, tương ứng với cấu hình tiêu chuẩn của Monocoupe-90.

Một trong những chiếc A-7C Eagle I

Sau khi thay cánh, trọng lượng máy bay trở nên nhẹ hơn, trong khi hiệu suất bay tăng lên và tốc độ tối đa được cải thiện. Thực tế này đã khẳng định đầy đủ tiềm năng và lợi thế vượt trội của vật liệu tổng hợp Fibaloy.

Sau các cuộc thử nghiệm máy bay Monocoupe 90, Công ty Windecker Research bắt đầu phát triển loại máy bay của riêng mình, ban đầu được làm hoàn toàn bằng vật liệu composite đầy triển vọng. Sau một số tranh luận, các nhà chế tạo đã xác định được dự án, theo đó dự kiến sẽ ​​chế tạo máy bay đơn công xôn cánh thấp 4 chỗ ngồi có động cơ piston và càng hạ cánh cố định. Máy bay được đặt tên là X-7.

Việc chế tạo các bộ phận riêng lẻ và lắp ráp chiếc X-7 thử nghiệm được hoàn thành vào đầu mùa thu năm 1967, đến tháng 10 năm đó thì máy bay đã thực hiện chuyến bay đầu tiên. Hiệu suất bay, khả năng cơ động và tính năng vận hành đã được chấp nhận. Người ta đã quyết định chế tạo một phiên bản mới của chiếc máy bay này nhằm thâm nhập hoàn toàn vào thị trường thương mại.

Dự án mới Windecker Eagle

Dự án mới A-7 Eagle được hoàn thành trên nền tảng máy bay X-7; đưa vào thiết kế hiện có một số thay đổi được xác định theo kết quả những lần thử nghiệm đầu tiên. Ngoài ra, trang thiết bị máy bay cũng được thay đổi và điều chỉnh nhằm đáp ứng yêu cầu thị trường. Trong khi đó, các giải pháp quan trọng liên quan đến vật liệu, thiết kế, phương thức chế tạo... vẫn không thay đổi.

Cũng như X-7, Eagle mới là loại máy bay cánh thấp một động cơ với khoang lái hai hàng, bốn chỗ ngồi và càng hạ cánh cố định. Về hình dạng, khí động học và những đặc điểm khác, máy bay rất giống với một số máy bay hiện có mà nó sắp cạnh tranh trên thị trường.

Chiếc YE-5 trên giá đỡ để kiểm tra khả năng tàng hình trước radar

Thân máy bay được làm từ hai phần đối xứng có kích thước đầy đủ được kết dính lại với nhau. Toàn bộ các hệ thống và bộ phận cần thiết được lắp bên trong thân máy bay. Cánh cũng được lắp ráp từ hai nửa vật liệu composite ghép lại. Bên trong lớp vỏ bọc bố trí những linh kiện cần thiết, còn phần thể tích rỗng thì chứa đầy nhựa xốp. Cũng như trước đó, máy bay sử dụng càng hạ cánh ba điểm, nhưng người ta chế tạo thêm giá đỡ có thể thu vào.

Động cơ piston Continental IO-520-C công suất 285 mã lực được lắp vào phần mũi thân máy bay cùng cánh quạt hai cánh. Động cơ được lắp trên phần mũi gia cố của thân máy bay làm bằng vật liệu composite. Tuy nhiên, không có giá đỡ động cơ bằng kim loại.

Chiều dài của chiếc máy bay hoàn chỉnh là 8,7m, sải cánh 9,75m với diện tích 15,5m². Máy bay không tải nặng 975kg, tổng trọng lượng khi có 3 người ngồi và 330 lít nhiên liệu không quá 1,55 tấn. Kết quả các cuộc thử nghiệm cho thấy, Eagle có tốc độ tối đa là 340 km/giờ và tốc độ trung bình là 330 km/giờ. Nhờ có kết cấu nhẹ nên tốc độ khi hạ cánh chỉ 106 km/giờ. Khoảng cách cất cánh và hạ cánh gần 400m.

Phát triển dự án

Chuyến bay đầu tiên của chiếc Windecker Eagle thử nghiệm diễn ra vào ngày 26/1/1969. Mẫu máy bay này nhanh chóng khẳng định các tính năng của nó và cho thấy những ưu điểm so với các máy khác cùng loại. Nhiều cuộc thử nghiệm khác nhau theo chương trình của Cục Hàng không Liên bang Mỹ vẫn diễn ra trong vài tháng, sau đó bị dừng lại do xảy ra tai nạn.

Ngày 19/4/1969, phi công thử nghiệm Bill Robinson đã bay thử chiếc Eagle theo kiểu xoắn ốc. Khi thực hiện vòng xoắn ốc tiếp theo, phi công nhận ra không thể đưa máy bay vào trạng thái bay ngang được và buộc phải nhảy dù thoát ra ngoài. Khi nhảy khỏi buồng lái, anh bị vướng chân vào phần cửa, nhưng vẫn kịp thoát ra được và hạ cánh an toàn. Chiếc máy bay thử nghiệm rơi xuống đất và vỡ nát.

Trong quá trình nghiên cứu các tình huống xảy ra tai nạn, người ta đã xác định trọng tâm của máy bay bị dịch chuyển quá mức về phía sau, nên không có tác động của các yếu tố công suất nặng ở phần mũi… Những tình huống này đã được tính đến khi tạo ra phiên bản mới của dự án Eagle. Phần đuôi của thân máy bay đã được làm nhẹ để có được sự cân bằng mong muốn. Ngoài ra, Cục Hàng không Liên bang Mỹ yêu cầu tăng 20% ​​biên độ an toàn của khung máy bay. Tất cả những thay đổi này ảnh hưởng đến hiệu suất và tính năng của máy bay, nhưng hầu như không làm thay đổi hình dạng của nó.

Chiếc A-7C Eagle I nâng cấp được đưa ra thử nghiệm vào mùa thu năm 1969 và đã khẳng định tính đúng đắn của các giải pháp kỹ thuật mới. Tháng 12 năm đó, Cục Hàng không Liên bang Mỹ cấp giấy chứng nhận hợp lệ cho phép sản xuất hàng loạt và bán ra thị trường. Không lâu sau đó, năm 1970, chiếc Eagle I thử nghiệm đã được gửi đến Đại học Smithsonian để giới thiệu những thành tựu khoa học và kỹ thuật.

Dự án Eagle I thu hút sự quan tâm của công chúng và những khách hàng tiềm năng. Công ty chế tạo đã nhận được một số đơn đặt hàng. Tuy nhiên, đó là về việc chế tạo những chiếc máy bay đơn lẻ, không phải là sản xuất hàng loạt. Với phương thức này thì đến năm 1971-1972, Windecker Research chỉ chế tạo được tổng cộng 8 chiếc, bao gồm cả chiếc bị rơi khi thử nghiệm. Nhìn chung, tình hình khi đó chưa cho thấy sự lạc quan về triển vọng.

Vật liệu composite cho công nghệ tàng hình

Năm 1972, Công ty Windecker Research được tiếp cận bởi một khách hàng quan tâm đến những công nghệ mới. Một chiếc máy bay khác đã được Không quân Hoa Kỳ mua để sử dụng trong chương trình nghiên cứu CADDO. Các chuyên gia Lầu Năm Góc đã lên kế hoạch nghiên cứu tiềm năng của khung máy bay bằng vật liệu composite cho công nghệ tàng hình.

Máy bay được định danh quân sự là YE-5 và đã trải qua một số hiệu chỉnh. Cánh quạt tiêu chuẩn đã được thay thế bằng loại ba cánh mới. Ngoài ra, người ta còn dự định phủ thân máy bay composite bằng nhiều loại sơn và vecni hấp thụ sóng radar, cũng như thử nghiệm những cách khác để giảm khả năng nhận dạng.

YE-5 bắt đầu các chuyến bay thử nghiệm vào năm 1973. Nó thực hiện các chuyến bay với nhiều cấu hình khác nhau, trong khi từ mặt đất và trên không nó được theo dõi bởi các loại radar hiện có và trong tương lai. Có thể thu thập một lượng lớn dữ liệu và đưa ra kết luận chung. Vì vậy, chiếc máy bay composite thực sự cho thấy khu vực tán xạ hiệu quả tối thiểu, theo đó sóng vô tuyến chỉ đơn giản là truyền qua nhựa epoxy và sợi thủy tinh. Đồng thời, động cơ và các yếu tố khác đã làm lộ ra máy bay, nên không thể đạt được khả năng tàng hình hoàn toàn.

Năm 1974, Lực lượng mặt đất Hoa Kỳ, vốn quan tâm đến sự phát triển hàng không cho lục quân, đã mua chiếc máy bay Eagle của riêng mình. Nó đã được thử nghiệm hoạt động trong những điều kiện phức tạp. Sau đó, máy bay được bàn giao cho lực lượng không quân để tiến hành các cuộc kiểm tra tương tự.

Máy bay YE-5 quân sự được sử dụng đến năm 1980, trước khi nó bị phá hủy bởi một cơn lốc xoáy đổ bộ vào sân bay căn cứ. Chiếc máy bay thử nghiệm “tàng hình” có thời gian phục vụ lâu hơn. Nó bị mất tích vào năm 1985 trong chuyến bay thử nghiệm tiếp theo.

Thất bại về mặt kinh tế

Lý do chính khiến Eagle I không được quan tâm là do giá thành của nó quá cao. Một chiếc máy bay composite có giá hơn 110.000 USD, trong khi các đối thủ cạnh tranh có giá thấp hơn 15.000-20.000 USD cho một chiếc máy bay tương tự làm bằng vật liệu nhôm. Không phải khách hàng tiềm năng nào cũng có thể mua một mẫu máy bay tiên tiến. Ngoài ra, bối cảnh vào đầu thập niên 1970 nhìn chung không thuận lợi đối với ngành hàng không và thị trường dân dụng.

Công ty Windecker Research đã cố gắng tìm kiếm các nhà đầu tư, nhưng không thành công. Đến giữa thập niên 1970 nó buộc phải đóng cửa. Thế nhưng, vào năm 1977, doanh nhân Gerald Dietrik đã mua lại tài sản của công ty và đưa nó hoạt động trở lại. Hai năm sau, nó được tái cơ cấu và đổi tên thành Tập đoàn máy bay composite (Composite Aircraft Corporation), dự kiến hồi sinh việc sản xuất ra những máy bay độc nhất vô nhị.

Tuy nhiên, trong những năm qua, tình hình giá cả vẫn không có gì thay đổi. Hơn nữa, các đối thủ cạnh tranh đã tìm ra cách để giảm hơn nữa giá thành máy bay của họ. Kết quả là công ty của Gerald Dietrik thậm chí còn không hoàn thành phần tiền sản xuất. Không có đơn đặt hàng nào, không có tiền, khiến những chiếc Eagle mới chưa bao giờ được chế tạo.

Những chiếc máy bay đã được sản xuất vẫn hoạt động, nhưng theo thời gian số lượng của chúng giảm dần. Lầu Năm Góc mất cả hai chiếc đã từng mua; điều tương tự cũng xảy ra với một số mẫu khác. Theo nhiều nguồn tin, hầu như tất cả máy bay khác đều còn được lưu giữ. Hai chiếc hiện nằm trong các bảo tàng, trong khi một số chiếc khác thuộc sở hữu của các nhà sưu tập và thậm chí vẫn còn trong tình trạng bay.

Hy vọng mới

Cuối những năm 2000, xuất hiện thông tin về khả năng hồi sinh dự án A-7 Eagle. Nó được cho là sẽ hoàn thiện chiếc máy bay bằng cách sử dụng những linh kiện và giải pháp hiện đại, rồi sau đó đưa nó trở lại thị trường. Tuy nhiên đến nay, điều này vẫn chưa xảy ra vì các lý do kỹ thuật, tổ chức và thương mại.

Năm 2015, có thông tin các nhà sản xuất máy bay Trung Quốc bày tỏ sự quan tâm đến dự án. Một công ty của nước này đã mua tài liệu và chứng chỉ cho chiếc A-7C. Nó đã được lên kế hoạch để bắt đầu sản xuất nhằm phục vụ thị trường châu Á. Tuy nhiên, cũng giống như trước đó, những thông tin này đã không được tiếp tục. Trung Quốc đang chế tạo nhiều loại máy bay khác nhau, nhưng những mẫu tương tự Eagle hiện vẫn chưa có, kể cả triển vọng của chúng.

Rõ ràng, lịch sử của dự án Windecker A-7 Eagle trên thực tế đã kết thúc. Với tất cả những ưu điểm của mình, một chiếc máy bay như vậy không có triển vọng thương mại thực sự, do vậy khó có khả năng quay trở lại sản xuất hàng loạt. Tuy nhiên, các ý tưởng và giải pháp riêng lẻ vẫn có thể được sử dụng trong các dự án khác. Cũng nên nhớ rằng, ý tưởng chính về dự án của vợ chồng nhà Windeker là đúng đắn, và vật liệu composite kết hợp giữa trọng lượng thấp và độ bền cao hiện đang được ứng dụng rộng rãi trong ngành hàng không.